Panikmache oder Risiko - Bedeutung der Mikrobiologie für das Futter Prof. Dr. Annette Zeyner

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1 Panikmache oder Risiko - Bedeutung der Mikrobiologie für das Futter Prof. Dr. Annette Zeyner Naturwissenschaftliche Fakultät III Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften Professur für Tierernährung

2 Das Problem 20 % der laktierenden Kühe verlassen im Bundesdurchschnitt aufgrund von Stoffwechselstörungen vorzeitig den Bestand (Dorenkamp 2006). Parallel existieren teils massive Probleme mit der Futterhygiene (z. B. stark überhöhte Hefegehalte in Silagen keine Seltenheit). multifaktorielles Geschehen Bezug zur Futterhygiene?

3 Welche Mikroorganismen sind im Futter zu finden und was sind ihre Schadwirkungen?

4 Mikroorganismen im Futter Bakterien, Hefen, Schimmel- und Schwärzepilze, (Viren) Epiphyten, Endophyten, sekundär kontaminierende Keime Feld- oder Primärflora, Reliktflora, Folgeflora, Lagerflora produkttypisch, verderbanzeigend.

5 Orientierungswerte zum Keimgehalt von unverdorbenen Mais- und Grassilagen Keime: Bakterien (mesophile, aerobe) Schimmel- und Schwärzepilze Hefen KBE/g: x 10 6 x 10 3 x 10 3 Keimgruppe Maissilage 0,4 0,2 0, Grassilage 0,2 0,2 0, Maissilage > KBE/g Grassilage > KBE/g (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

6 Mikrobiologische Qualität von Mischrationen in Sachsen 45 % der Proben mit erhöhtem Hefegehalt (LKS mbh, Feldstudie 2005, Richardt 2006; aus SLULG: Untersuchung zum Zusammenhang von in Futterration vorhandenen Mikroorganismen und deren Bewertung zur Kausalität der Tiergesundheit von Rindern - Abschlussbericht)

7 Keimzahl und Mykotoxingehalt in der TMR mittelleistender Kühe (TMR/M) und Frischmelker (TMR/F) eines Praxisbetriebes 22 % der Proben mit grenzwertigem oder erhöhtem Hefegehalt (SLULG: Untersuchung zum Zusammenhang von in Futterration vorhandenen Mikroorganismen und deren Bewertung zur Kausalität der Tiergesundheit von Rindern - Abschlussbericht)

8 Bezug zur Clostridienzahl? Tendenziell nahm die Keimzahl sulfitreduzierender Clostridien mit steigenden Hefekonzentration in den Grassilagen zu. (SLULG: Untersuchung zum Zusammenhang von in Futterration vorhandenen Mikroorganismen und deren Bewertung zur Kausalität der Tiergesundheit von Rindern - Abschlussbericht)

9 Bezug zur Tiergesundheit und Produktqualität in dieser Praxisstudie Schlechte hygienische Qualität des Futters war mit herabgeregelter immunologischer Reaktion verbunden (über IFN γ) Mastitishäufigkeit Keine Beziehung zwischen Fruchtbarkeit (Besamungsindex) und Hefegehalt im Futter. Erhöhte Hefezellzahl im Futter führte nicht zwangsläufig zu einer Erhöhung der somatischen Zellen in der Milch. Nachweis von Hefen in der Milch bei hohen Hefegehalte im Futtermittel. Nachweis futterbürtiger Hefen im Kot (Candida krusei) erfolgt. (SLULG: Untersuchung zum Zusammenhang von in Futterration vorhandenen Mikroorganismen und deren Bewertung zur Kausalität der Tiergesundheit von Rindern - Abschlussbericht)

10 Effekte der Haltungsumwelt auf die Diversität der Hefepopulation im Kot abgesetzter Ferkel EAS (FBN Dummerstorf) Praxisbetrieb (Urubschurov et al. 2011)

11 Effekte der Haltungsumwelt auf die Diversität der Hefepopulation im Kot abgesetzter Ferkel EAS (FBN Dummerstorf) Praxisbetrieb Candida glabrata Issatchenkia orientalis Pichia fermentans Trichosporon asahii Candida tropicalis Galactomyces geotrichum Candida catenulata Trichosporon coremiiforme Trichosporon asahii Kazachstania slooffiae Kazachstania slooffiae (Urubschurov et al. 2011)

12 Schadwirkungen durch Mikroorganismen im Futter 1. Effekte auf das Futter Substratverbrauch Futterwert (mod. nach Kamphues 2006)

13 Abbau von Saccharose in hoch melassiertem Hafer während 6-monatiger Lagerung Saccharose [% der TS] ohne Propionsäure mit Propionsäure Lagerdauer [Monate] (Zeyner et al. 2007)

14 Abbau mono- und dimerer Zucker im unterschiedlich behandelten Hafer während 6-monatiger Lagerung Variante Zucker Lagerdauer [Monate] % Melasse PS- S G F PS+ S G F % Melasse PS- S G F PS+ S G F F = Fructose, G = Glucose, S = Saccharose, PS = Propionsäure (Zeyner et al. 2007)

15 Schadwirkungen durch Mikroorganismen im Futter 1. Effekte auf das Futter Substratverbrauch Futterwert Bildung von Wasser und CO 2 Produkte des bakteriellen KH- und Proteinabbaus (org. Säuren, NH 3, biogene Amine) Abgabe spezifischer Enzyme (z. B. Thiaminasen) höhere Kontamination (Mikroorganismen, Toxine, Allergene) Freisetzung von Toxinen (Myko-, Endo-, Exotoxine: Entereo-, Neuro-, Zytotoxine) Veränderung der Konsistenz (Verklumpung, Nesterbildung, Fließeigenschaften) Veränderte sensorische Eigenschaften (mod. nach Kamphues 2006)

16 Schadwirkungen durch Mikroorganismen im Futter 2. Effekte auf das Tier (Leistung, Gesundheit) eingeschränkte Futteraufnahme herabgesetzte Versorgung mit Energie und Nährstoffen Störungen der Magen-Darm-Flora (z. B. Fermentation im Pansen) Leistung (mod. nach Kamphues 2006)

17 Effekt verdorbenen Kraftfutters auf die Verdaulichkeit der organischen Substanz im künstlichen Pansen Verdaulichkeit der organischen Substanz [%] tägiges Einsetzen verdorbenen Kraftfutters Inkubationstag (nach Kamphues et al. 1992)

18 Schadwirkungen durch Mikroorganismen im Futter 2. Effekte auf das Tier (Leistung, Gesundheit) eingeschränkte Futteraufnahme herabgesetzte Versorgung mit Energie und Nährstoffen Störungen der Magen-Darm-Flora (z. B. Fermentation im Pansen) Leistung Infektionen (Erysiplothrix, Leptospiren, Listerien, Salmonellen, Mycobacterien; Aspergillen, Candida) Intoxikationen (Myko-, Endo-, Exotoxine, biogene Amine) respiratorische Störungen Allergien (v.a. Pilzsporen) Beeinträchtigung des Immunsystems Krankheitsanfälligkeit (mod. nach Kamphues 2006)

19 Schadwirkungen durch Mikroorganismen im Futter 3. Effekte auf das Lebensmittel und den Endverbraucher Mensch erhöhte Keimgehalte (z. B. Salmonellen, Bazillen, Clostridien) im Schlachtkörper Übergang unerwünschter Stoffe in Lebensmittel (Mykotoxin-carry over siehe Dänicke 2014) Vergiftungen Allergien Beeinträchtigung des Immunsystems Krankheitsanfälligkeit Infektionen durch Zoonose-Erreger? (mod. nach Kamphues 2006)

20 Wie kann man sich der Vielfalt aus Sicht der Futtermitteluntersuchung und bewertung nähern?

21 Untersuchung und Beurteilung der hygienischen Beschaffenheit von Futtermitteln Bakterien, Hefen, Schimmel- und Schwärzepilze Indikatorkeime Mikroorganismen (Spezies, Gattungen und morphologische Gruppen), welche die mikrobiologische Beschaffenheit eines Futtermittels anzeigen. Sie stehen stellvertretend für eine Gruppe von Keimen, welche im Futtermittel gleiche oder eine ähnliche Bedeutung haben. Keimgruppen Indikatorkeime gleicher Bedeutung für mikrobiologische Vorgänge in Futtermitteln werden als produkttypische oder verderbanzeigende Keime zu insgesamt 7 Keimgruppen zusammengefasst. (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

22 Bakterien, Hefen, Schimmel- und Schwärzepilze - produkttypische und verderbanzeigende Indikatorkeime Produkttypische Keime Indikatorkeime aus Futtermitteln unterschiedlichen Ursprungs: - pflanzlichen Ursprungs: Mikroorganismen, die üblicherweise Futtermittel besiedeln (Epiphyten) und sich überwiegend von Pflanzenausscheidungen ernähren (Saprophyten). Sie entsprechen der Feldflora (Primärflora). - tierischen Ursprungs: Mikroorganismen, welche produktionsbedingt im Futtermittel verbleiben (Reliktflora). - prozessbedingt: Während Be- und Verarbeitung Behaftung mit prozessspezifischer Sekundärflora. (mod. nach VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

23 Bakterien, Hefen, Schimmel- und Schwärzepilze - produkttypische und verderbanzeigende Indikatorkeime Verderbanzeigende Keime sind Indikatorkeime, die in der Regel eine Folgeflora darstellen und hauptsächlich am Abbau von Substrat beteiligt sind (Destruenten). Sie sind in unverdorbenen Futtermitteln nicht oder in geringen Keimzahlen anzutreffen und insbesondere bei der Lagerung von Futtermitteln von Bedeutung (Lagerflora). (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

24 Probiotische Mikroorganismen Probiotische Mikroorganismen sind für die Qualitätsbeurteilung nicht vorgesehen und relevante Stämme müssen ggf. gesondert berücksichtigt werden z. B. Saccharomyces cerevisiae Bacillus cereus Bacillis lichniformis Bacillus subtilis Enterococcus faecium (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

25 Indikatorkeime und Keimgruppen Indikatorkeime (n = 19) Keimgruppen (n = 7) (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

26 Bakterien - produkttypische und verderbanzeigende Indikatorkeime sowie deren Keimgruppen aerobe, mesophile Bakterien Gruppe Bedeutung Keimgruppe produkttypisch verderbanzeigend KG 1 KG2 Indikatorkeime Gelbkeime 1 Pseudomonas spp. / Enterobacteriaceae 2 sonstige produkttypische Bakterien 3 Bacillus spp. 4 Staphylococcus spp. / Micrococus spp. 5 KG3 Streptomyceten 6 Nr. (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

27 Schimmel- und Schwärzepilze - produkttypische und verderbanzeigende Indikatorkeime sowie Keimgruppen Schimmel- und Schwärzepilze Gruppe Bedeutung Keimgruppe produkttypisch verderbanzeigend KG 4 KG5 Indikatorkeime Schwärzepilze 7 Verticillium spp. 8 Acremonium spp. 9 Nr. Fusarium spp. 10 Aureobasidium spp. 11 sonstige produkttypische Pilze 12 Aspergillus spp. 13 Penicillium spp. 14 Scopulariopsis spp. 15 Wallemia spp. 16 sonstige verderbanzeigende Pilze 17 KG6 Mucorales 18 (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

28 Hefen und deren Zuordnung zu Keimgruppe 7 Hefen Gruppe Bedeutung Keimgruppe produkttypisch und verderbanzeigend Indikatorkeime KG 7 alle Gattungen 19 Nr. (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

29 Orientierungswerte für die Keimgehalte der Keimgruppen Keimgehalte der KG Orientierungswerte für den Zustand der Unverdorbenheit Einzelfuttermittel Mischfuttermittel Grassilagen Maissilagen Heu Stroh (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

30 Keimzahlstufe (KZS) der Keimgruppe (KG) Wenn der Keimgehalt einer KG den Orientierungswert KZS Bewertung nicht überschreitet KZS I Normal überschreitet, i. d. R. bis zum 5-fachen KZSII leicht erhöht oder erhöht überschreitet, bis zum 10-fachen KZS III deutlich erhöht überschreitet, um mehr als das 10-fache KZS IV überhöht oder stark überhöht (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

31 Qualitätsstufe und Qualitätsbewertung nach KZS Qualitätsstufe (QS) Wann? Beurteilung QS I alle 7 KG in KZS I normal QS II > 1 KG höchstens KZS II geringgradig oder mäßig herabgesetzt QS III > 1 KG höchstens KZS III herabgesetzt oder deutlich herabgesetzt QS IV < 1 KG in KZS IV Unverdorbenheit nicht gegeben (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

32 Endophyten-assoziierte Erkrankungen beim Rind? Rohrschwingel Neotyphodium coenophialum Alkaloid: Ergovalin Deutsches Weidelgras Neotyphodium lolii Alkaloid: Lolitrem B Photos: Parsons und Bonet (2008)

33 Endophyten-assoziierte Erkrankungen beim Rind? Rohrschwingel Neotyphodium coenophialum Alkaloid: Ergovalin Deutsches Weidelgras Neotyphodium lolii Alkaloid: Lolitrem B fescue toxicosis (Photos: Parsons und Bonet 2008) Kritische Alkaloidkonzentrationen im Futter (in ppm) Spezies Ergovalin Lolitrem B Rind Schaf (nach Tor-Agbidye et al. 2001)

34 Untersuchungsgut konventionell produzierter Hafer aus Norddeutschland Erntejahr: 2006 (heiß und trocken) sehr gute Sensorik Litergewicht: 560 g/l 86,9 % Trockensubstanz (Melasse 68,79 %) und a w = 0,64 11,7 MJ DE/kg POZ: 4,2 meq O 2 /kg extrahiertes Fett

35 Mikrobiologische Beschaffenheit Produkttypische Bakterien Verderbanzeigende Bakterien Produkttypische Schimmelpilze Verderbanzeigende Schimmelpilze Hefen 11,2 x 10 6 KbE/g < 5,0 x 10 3 KbE/g 86,0 x 10 3 KbE/g 0,5 x 10 3 KbE/g 55,0 x 10 3 KbE/g Pseudozyma flocculosa bis 1,6 Mio. KBE/g (Foto: Büsing) (Zeyner et al. 2007)

36 Hefen und deren Bewertung Eine rein quantitative Betrachtung der Hefepopulation ist nicht sinnvoll, da unterschiedliche Hefen auch unterschiedliche Wirkungen nach sich ziehen. Wenn in der Futtermitteluntersuchung Hefegehalte über 10 5 KBE je g Futtermittel festgestellt werden wird für gewöhnlich eine Untersuchung der Spezies vorgenommen (Büchl et al. 2011) Büchl et al. (2011a,b) Kieckhäven (2012), VÖ in Vorbereitung)

37 Hygienestatus in Abhängigkeit vom Pelletdurchmesser (zusammen mit weiteren Faktoren) QS I 5 mm Ø 8 mm Ø Clostridium butyricum Enterobacter cloacae Mucor sp. Bacillus cereus (pathogener Stamm) (Büsing et al. 2013)

38 Qualitätsstufe und Qualitätsbewertung nach KZS Wenn möglich sind die Ergebnisse nicht isoliert zu betrachten, sondern im Zusammenhang mit anderen Kriterien der Futtermittelbeurteilung zu sehen (u.a. TS-Gehalt, sensorische Prüfung, mikroskopischer Befund, Mykotoxingehalt). Falls die Umstände der Tierhaltung, z.b. Fütterungsregime und die Befindlichkeit der Tiere bekannt sind, können diese Faktoren ebenfalls berücksichtigt werden. (VDLUFA-Methodenbuch III, Stand 2012)

39 Zur Unberechenbarkeit auch apathogener Mikroorganismen

40 Präsentation von Shigellen aus dem Darmtrakt durch M-Zellen M-Zellen - Bestandteil des MALT - Aufnahme von Antigenen (auch Bakterien) - Weitergabe an B- und T- Lymphozyten, Makrophagen und dentritische Zellen Bild: mpiib-berlin.mpg

41 Bedeutung dentritischer Zellen für die immunologische Reaktion auf mikrobielle Antigene Dentritische Zellen - Präsentation von Antigenen - Aktivierung naiver T-Zellen Bild:

42 HSP in der Darmschleimhaut und der Wand von Blutgefäßen von Absetzferkeln nach oraler Aufnahme Darmschleimhaut Blutgefäß Bei Kontrolltieren sowie etwa auch kleinen aber adulten Schweinen (Minipigs) wurde kein Übertritt von HSP festgestellt. (Büsing et al. 2011, 2014)

43 Cross-talk zwischen Wirt, Mikrobiom und Probiotikum Zusammenhang zwischen der bakteriellen Gemeinschaft im Ileum von Absetzferkeln und der Genexpression über die ilealen Peyer schen Platten (A, Kontrolle; B, Enterococcus faecium) (Twardziok et al. 2014)

44 Fazit Mikroorganismen aus dem Futter sind hinsichtlich ihres quantitativen Auftretens und der qualitativen Beurteilung hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Tier außerordentlich divers. Die Effekte realisieren sich über unterschiedliche Mechanismen und sind hinsichtlich ihrer Ausprägung von unspezifisch bis spezifisch. Die Untersuchung von Futtermitteln ist prädiktiv bedeutsam. Voraussetzung ist eine sachgerechte Bewertung. Ein weiterer Erkenntnisgewinn v. a. bei der Differenzierung auf Stammebene und in der Ergebnisbeurteilung sind dringend erforderlich.

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!