京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第20434号 / 農博第2219号 / 新制||農||1049(附属図書館) / 学位論文||H29||N5055(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生物科学専攻 / (主査)教授 廣岡 博之, 教授 松井 徹, 教授 久米 新一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Anaerobic digestion is perhaps the simplest and most widely accepted method for solids and residuals management in the field of wastewater treatment. An emerging trend with regard to anaerobic digestion is the addition of additional organic or industrial wastes rich in degradable material (COD) that can lead to increased methane production and reduce the energy demand of the facility. The objective of this research was to evaluate the effect of adding significant quantities (>20% of feed volume) of High Strength Food Wastes (HSW) to digesters treating conventional municipal sludge by monitoring key parameters such as pH, influent and effluent solids, ammonia, Volatile Fatty Acids (VFAs) and alkalinity. Daily gas production was also closely monitored. Four digesters were set up and exposed to different food waste loading rates. A comparison was drawn between the performance of these reactors, one of which was fed only with sewage sludge and served as the control. If the bacteria in the system are able to metabolize this additional COD, it should show up as an increase in gas production with little or no increase in effluent COD. Ammonia is another crucial parameter that needs to be closely watched as it can have an inhibitory effect on methane production. As part of this study, the impact of addition of free ammonium (simulating high ammonium concentration in the feed sludge or food waste) on digester performance was assessed. The digesters were closely monitored for signs of poor performance or failure. / Master of Science

Anaerobic co-digestion of municipal sludge and food wastes high in chemical oxygen demand (COD) has been an area of interest for waste water treatment facilities looking to increase methane production, and at the same time, dispose of the wastes and increase the revenue. However, addition of food wastes containing fats, oils and grease (FOG) to the conventional anaerobic digestion process can be difficult and pose challenges to utilities. Incorporating these wastes into the treatment plants can potentially inhibit the digestion process. In this study four lab-scale, anaerobic digesters were operated under mesophilic conditions and fed municipal sludge. One of them served as the control, while the other three digesters were fed with different volumetric loadings of juice processing waste, cheese processing waste (whey), dissolved air flotation waste (DAF) from a food processor, and grease trap waste (GTW), in addition to the municipal sludge. The impact of these high strength wastes (HSWs) on digester performance was analyzed for a total period of 150 days. Among the parameters analyzed were pH, total and soluble COD (tCOD and sCOD), Total and Total Volatile Solids (TS and TVS), Total Ammonia Nitrogen (TAN), Total Kjeldahl Nitrogen (TKN), Volatile Fatty Acids (VFA), Long Chain Fatty Acids (LCFA), and alkalinity. Biogas was collected and analyzed for methane content. The dewatering characteristics of digested sludge were also studied. Volatile organic sulfur compounds were analyzed on the dewatered sludge in order to monitor odors. This study showed that different high strength wastes have different impacts on digester performance. HSWs have the ability to degrade along with municipal sludge and to increase biogas production. However, anaerobic digestion can be inhibited by the presence of FOG, and addition of these wastes might not always be cost effective. Careful selection of these wastes is necessary to ensure stable digester operation, while bringing about increases in gas production. Utilities need to be cautious before adding any high strength wastes to their digesters. / Master of Science

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La « biotransformation ruminale » est un concept qui regroupe l'ensemble des réactions se produisant dans le rumen (dégradation, synthèse et conversion). Ces réactions sont pilotées par trois forces motrices majeures : les lois de la cinétique chimique, de la thermodynamique et de la dynamique des populations microbiennes. Cette thèse a pour objectif d'étudier l'impact d'un facteur alimentaire (pourcentage de concentrés incorporés dans la ration, supplémentation en huile) sur le fonctionnement du rumen et la biotransformation ruminale des constituants alimentaires en termes de dynamique et d'intensité. Cette thèse a combiné trois types d'approches : un essai in vivo sur des chèvres en milieu de lactation, deux essais in vitro (méthode du gaz-test) et une approche de modélisation mécaniste. In vivo, les réactions de biotransformation ont été évaluées par un suivi de la dynamique postprandiale et des mesures de bilans duodénaux. De plus, nous avons étudié l'influence réciproque des phénomènes ruminaux et de l'animal-hôte (comportement d'ingestion, métabolisme, paramètres zootechniques, et qualité du lait) sur le long terme (6 semaines). Nos résultats sont en accord avec la plupart des études antérieures effectuées chez la chèvre ou la vache laitières. Les modifications du comportement d'ingestion observées après 6 semaines avec le régime riche en concentrés ont eu un effet sur les phénomènes digestifs ruminaux. Les flux duodénaux d'acides gras ont expliqué les profils en acides gras du lait. Les études in vitro ont donné des résultats très cohérents par rapport à l'in vivo lorsque les animaux donneurs recevaient les régimes incubés. Enfin, nous avons développé un modèle mécaniste de fonctionnement de rumen in vitro décrivant de manière spécifique les lois physico-chimiques expliquant les dynamiques d'évolution du pH et de formation de gaz. Ce modèle aboutit à des résultats satisfaisants et pourrait être intégré à un modèle de rumen plus complet. La modélisation semble être le meilleur moyen pour intégrer toutes les réactions de biotransformation observées lors d'expérimentations. / “Ruminal biotransformation” is a concept aggregating all the reactions occurring in the rumen (degradation, synthesis and conversion). These reactions are driven by three major driving forces: laws of chemical kinetics, thermodynamics and the dynamics of microbial populations. The principal objective of the thesis was to study how a dietary factor (percentage of concentrate in the ration, oil supplementation) can modify rumen function and the ruminal biotransformation of dietary components in terms of pattern and extent. To answer to this question, three approaches were used: an in vivo experiment on mid-lactation goats, two in vitro experiments (with the gas-test method) and the development of a mechanistic model. In vivo biotransformation reactions were assessed by post-feeding measurements or by duodenal flow determination. Further, the relationships between the rumen and the host animal (intake behaviour, metabolism, performance parameters, and milk quality) were studied over a period of 6 weeks. Our results were consistent with previous reports in goats and dairy cows. Animals adapted their intake behaviour in 6 weeks with the high-concentrate diet. As a consequence, modifications of ruminal digestion patterns were observed. Duodenal flow of fatty acids explained the milk fatty acid profile. The in vitro studies gave consistent results with the in vivo study when donor animals were fed the incubated diets. Finally, a mechanistic model of rumen functioning in in vitro devices was developed. It describes specifically the physicochemical laws explaining pH and gas production patterns. This model gives satisfying results and could be integrated to a larger mechanistic model of rumen. Modelling provides a logical framework within which to mathematically integrate all the biotransformation reactions observed in experiments.

As técnicas in vitro de produção de gases são usualmente empregadas em pesquisas na nutrição de ruminantes com a finalidade de simular a fermentação ruminal, possuindo diversas vantagens como facilidade de adoção, repetibilidade, uso minimizado de animais e baixo custo. Para tanto, é necessário a coleta de conteúdo ruminal, a qual geralmente é obtida com o uso de animais fistulados no rúmen, no entanto este tipo de cirurgia esta cada vez mais contestada. Frente a esse duelo, há um crescente interesse científico por pesquisas que forneçam alternativas ao inóculo ruminal. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi avaliar o uso de inóculo fecal submetidos à pré-incubações em substituição ao inóculo ruminal de bovinos na técnica in vitro de produção de gases em bioensaio de metanogênese (24 h) e de cinética fermentativa (72 h). Como doadores de inóculos ruminal e fecal foram utilizadas quatro novilhas Nelore portadoras de cânulas ruminal. O delineamento experimental utilizado foi o de blocos casualizados, com cinco tratamentos e quatro blocos com duas réplicas analíticas para cada repetição. Sendo os tratamentos os inóculos: conteúdo ruminal (CR), fezes sem pré-incubação (F0), e fezes com 12, 24 e 36 h de pré-incubação (F12, F24 e F36, respectivamente). Foram avaliados os efeitos da pré-incubação das fezes quando utilizado como inóculo fecal sobre a estimativa da degradabilidade ruminal, produção de metano e parâmetros de fermentabilidade. Os dados foram analisados pelo programa estatístico SAS 9.3 verificando a normalidade dos resíduos e a homogeneidade das variâncias, em seguida foram realizadas as comparações das médias pelo teste de Tukey. Em ambos os bioensaios (24 e 72 horas), os inóculos fecais pré-incubados por 24 ou 36 horas mostraram-se bom substituto ao inóculo ruminal para análises de degradabilidade in vitro da matéria seca e orgânica. Para as variáveis produção de total de ácidos graxos, perfil de ácidos graxo de cadeia curta, relação acético:propiônico e nitrogênio amoniacal, o inóculo sem pré-incubação (FE0) foi o que mais se aproximou do inóculo referência. Para as produções de gases, produção de metano e fator de partição da matéria seca e matéria orgânica as fezes não foram eficientes. / The in vitro techniques of gas production are usually used in ruminant nutrition research with the purpose of simulating ruminal fermentation. This technique has several advantages such as ease of adoption, repeatability, minimized use of animals and low cost. Therefore, is necessary the collection of ruminal content, which is usually obtained with the use of fistulated animals in the rumen, however this type of surgery is increasingly challenged. Faced with this duel, there is a great scientific interest in research that provides alternatives to the ruminal inoculum. The objective of this research was to evaluate the use of fecal inoculum submitted to preincubation to replace rumen inoculum of Nelore in the in vitro technique of gas production in bioassay of methanogenesis (24 h) and fermentative kinetics (72 h). Four Nellore carrying ruminal cannula were donors of ruminal content and feces. The experimental design was a randomized block, with five treatments and four blocks with two analytical replicates for each replicate. The treatments were the inocula: ruminal contents (RC), faeces without preincubation (F0), and faeces with 12, 24 and 36 hours of preincubation (F12, F24 and F36, respectively). Estimates of ruminal degradability, methane production and ruminal fermentability were evaluated. The data were analyzed by the statistical program SAS 9.3 verifying the normality of the residues and the homogeneity of the variances, the averages were compared by the Tukey test. In the two bioassays (24 and 72 hours), the fecal inocula preincubated for 24 or 36 hours were good substitute for the ruminal inoculum in analyzes of in vitro degradability of dry and organic matter. For the variables production of total fatty acids, short chain fatty acid profile, acetic: propionic and ammoniacal nitrogen, the inoculum without pre-incubation (FE0) approached the reference inoculum. For gas production, methane production and partitioning factor of dry matter and organic matter were not efficient.

A vegetação nativa do sertão nordestino é rica em espécies forrageiras nos estratos herbáceo, arbustivo e arbóreo. Estudos têm revelado que acima de 70% das espécies botânicas da caatinga participam significativamente da composição da dieta dos ruminantes domésticos. Estrategicamente, as espécies lenhosas são fundamentais no contexto de produção e disponibilidade de forragem no semiárido Nordestino. Objetivou-se com este trabalho: (1) Quantificar a composição química bromatológica e os compostos fenólicos de leguminosas nativas; (2) Avaliar as características de degradação ruminal e o efeito biológico de plantas taniníferas baseado na técnica de produção de gás in vitro (bioensaio); (3) Estudar os efeitos de dietas constituídas de forrageiras nativas na síntese de nitrogênio microbiano in vitro com marcador 15N e nos parâmetros de fermentação pela técnica de produção gases. Os resultados quanto à composição química e quantificação dos compostos fenólicos das leguminosas taniníferas catingueira (Caesalpinea bracteosa), aroeira (Astronian urundeuva), leucena (Leucaena leucocephala), jureminha (Desmanthus virgatus) e do capim buffel (Cenchrus ciliaris L.) são apresentados. Estas plantas também foram avaliadas por incubação in vitro, juntamente com feno de alfafa (Medicago sativa) como controle, para avaliar o incremento de gás devido à adição de polietilenoglicol (PEG). As leguminosas apresentaram na produção de gases menor atividade biológica dos taninos com adição do PEG, sendo positivos os coeficientes de correlações entre o incremento na produção de gases na presença do PEG e os parâmetros de produção de metano, demonstrando o potencial destas plantas taniníferas para reduzir a produção de metano ruminal, com destaque para leucena e aroeira, com elevado teor proteic e menores teores de fibras. No capitulo 4 são apresentados os resultados do ensaio in vitro para avaliar os efeitos de dietas constituídas de forrageiras nativas da região de Caatinga do NE Brasileiro na síntese de nitrogênio microbiano, utilizando o marcador 15N; e os parâmetros de fermentação pela técnica in vitro de produção gases. As dietas foram constituídas com as espécies catingueira (Caesalpinea bracteosa), aroeira (Astronian urundeuva), leucena (Leucaena leucocephala), jureminha (Desmanthus virgatus) e capim buffel (Cenchrus ciliaris L.), oriundas de três coletas (Agosto de 2008, Março de 2009 e Agosto de 2009). Dois níveis (50% e 30%) de plantas foram usadas em cada dieta simulando sistema CBL (Caatinga, Capim buffel + Leucena). Em geral, as dietas experimentais apresentaram em sua composição química, elevado teor de proteína bruta baixa concentração de compostos fenólicos. Quando estas dietas foram avaliadas através da técnica de produção de gás in vitro, as dietas mostraram redução na emissão de metano, e os parâmetros fermentativos sugeriram que houve mudanças nas rotas de fermentação das dietas. O uso de leguminosas nativas da caatinga pode ser uma alternativa na região semi-árida, principalmente, oferecendo características favoráveis como: valor nutricional, potencial produtivo e rusticidade. No entanto, a viabilidade, no ponto de vista nutricional pode limitar o uso de algumas espécies, devido à alta concentração de compostos fenólicos, principalmente os taninos condensados. / The native vegetation of Northeastern region of Brazil is rich in forage species in the herbaceous, shrubby and arboreal strata. Studies have revealed that over 70% of botanical species from the caatinga participate significantly in the composition of the diet of domestic ruminants. Strategically, the woody species are fundamental in the context of production and availability of forage in such semi-arid area. The objectives of this work were: (1) to quantify the chemical composition and the phenolic compounds of native legumes form the semi-arid region of Pernambuco; (2) to assess the rumen degradation characteristics and biological effect of such tanninferous plants based on in vitro gas production technique (bioassay); (3) to study the effects of diets consist of the native forage on microbial nitrogen synthesis in vitro using 15N as marker and the parameters of fermentation by gas production technique. Chapter 4 presented the results of the in vitro test to assess the effects of diets consist of native forage of Caatinga region of Brazilian NE upon the synthesis of microbial nitrogen using the 15N as tracer, and fermentation parameters. Diets were formed by the species catingueira (Caesalpinea bracteosa), aroeira (Astronian urundeuva), leucena (Leucaena leucocephala), jureminha (Desmanthus virgatus) e capim buffel (Cenchrus ciliaris L.), from three collections (August 2008, March 2009- August 2009). Two levels (50 and 30%) of the plants were used in each diet simulating CBL system (Caatinga + Buffel Grass + Leucena). In general, the experimental diets presented in their chemical composition high crude protein content and low concentration of phenolic compounds. When these diets were evaluated by the in vitro gas production technique, diets showed reduction of methane emission, and the fermentative parameters suggested that there have been changes of fermentation routes of diets. The use of legumes native to caatinga may be an alternative in the semi-arid region, primarily by offering favorable characteristics as: nutritional value, productive potential and homeliness. However, the viability, in nutritional point of view the use of some species can be limiting, because of high concentration of phenolic compounds in particular the condensed tannins.

Os animais contribuem para o aumento da concentração de metano na atmosfera através da fermentação de tanques de esterco e da fermentação do trato digestivo (fermentação entérica). A fermentação entérica dos ruminantes, pseudo-ruminantes (cavalos, asno, mulas) e não ruminantes produzem em média 80 Tg/ano de metano e representam 28 % do metano antropogênico global emitido, dos quais 95 % provêm dos ruminantes. Os objetivos destes trabalhos foram (i) rastrear novos materiais com potencial forrageiro que contenham tanino e que promovam redução de metano entérico; (ii) estudar a influência dessas plantas sobre a produção de metano e parâmetros fermentativos in vitro; e (iii) estudar a influência dessas plantas sobre a população de Fibrobacter succinogenes e a comunidade metanogênica no meio de fermentação. Os resultados são apresentados na forma de capítulos, sendo o primeiro objetivo descrito no Capítulo 3, no qual é descrita a caracterização das leguminosas taniníferas Styzolobium aterrimum (STA), Styzolobium deeringianum (STD), Leucaena leucocephala(LEU), Mimosa caesalpiniaefolia Benth (MIC). Estas plantas foram avaliadas pela composição química e quantificação de compostos fenólicos e bioensaio até 96 h de incubação in vitro; tendo Cynodon x cynodon (CYN) como controle para avaliar a produção de gás potencial (A), a fase lag (L), a taxa fraccional de fermentação (\'mü\') e o incremento de gás devido à adição de PEG após 8, 24 e 48 h de incubação nas cinco plantas. As leguminosas tiveram melhor desempenho fermentativo que a gramínea, com exceção de MIC. Entretanto, a fermentação de todas leguminosas foi limitada diferentemente pela presença de tanino, da fibra indigestível ou pela ação aditiva de ambos. Entre todas as plantas, LEU mostrou ser uma forragem de boa qualidade para suplementação protéica em dietas de ovinos, assim como STA e STD, contanto que para estas haja um melhor manejo de produção para evitar o alto conteúdo de fibras, especialmente de FDA. MIC poderia ser incluído na dieta de ovinos em baixa concentração, não com a finalidade principal de suplementação protéica, mas explorando esta leguminosa como aditivo para mitigação de metano. No Capítulo 4 são apresentados os resultados de outro ensaio in vitro (segundo objetivo). A técnica in vitro de produção de gás foi utilizada para avaliar as quatro leguminosas taniníferas (STA, STD, LEU e MIC) e o CYN como controle em dois horários, no t1/2 (tempo para obtenção da metade da GP) e após 24 h de incubação, medindo a produção total de gás, metano, amônia, ácidos graxos de cadeia curta (AGCC), massa microbiana (MM) e a degradabilidade verdadeira da matéria seca (VDMS). A produção de metano em t1/2 foi reduzida (P < 0,05) com adição das leguminosas em 17% e quando relacionado à VDMS, esta redução alcançou em média 50% com LEU e STA e 37% com MIC e STD. LEU e STA causaram aumento significante na MM seguida por STD, MIC e CYN. A relação MM/SCFA em t1/2 foram maiores para LEU (14,7) e STA (14,1) seguida por STD (6,1), MIC (5,6) e CYN (4,6). A maior MM para LEU e STA sugere uma produção de ATP maior, porém, as diferentes proporções de AGCC demonstraram diferentes rotas de aquisição de ATP. O Capítulo 5 se refere à quantificação de linhagens de bactéria ruminal, a qual foi realizada utilizando primers específicos para detecção de seqüências de gene 16S rDNA para metanogênicas e para a bactéria celulolítica Fibrobacter succinogenes através da reação em cadeia da polimerase em tempo real (qPCR). Foi também investigado a influência das leguminosas na comunidade metanogênica através da eletroforese em gel com gradiente denaturante (DGGE) de seqüências de gene 16S rDNA. As metanogênicas em t1/2 foram 2,0 e 0,9 vezes menores que com STA e LEU comparadas com o controle, mas foram 2,5 e 0,5 vezes maiores com MIC e STD. A população de F.succinogenes foi 2,3 e 1,8 vezes menores do que o controle quando LEU e STA foram incubadas. A análise de DGGE para metanogênicas resultou em diferente distribuição de bandas com os tratamentos. CYN apresentou algumas bandas mais fortes, as quais se tornaram fracas com as leguminosas, exceto em STA. Algumas bandas tanto desapareceram, como em LEU, STA e MIC, ou se tornaram mais fracas, especialmente em STA. MIC apresentou ligeiro aumento no número de bandas fracas. É confirmado que as plantas taniníferas estudadas foram capazes de reduzir a emissão de metano com diferentes proporções dos produtos finais de fermentação, afetando negativamente a população de F. succinogenes e causando alterações na estrutura da comunidade metanogênicas / Animals contribute to increasing the methane concentration in the atmosphere through the fermentation of livestock manure and the fermentation in the digestive tract, e.g, enteric fermentation. The enteric fermentation of ruminants, pseudoruminants (horses, donkeys, mules) and non-ruminants produce an average of 80 Tg/year of methane and comprise 28 % of global anthropogenic methane emission, from which 95% arise from ruminants. The aims of this study were (i) to scan new potential forage containing tannin, which may reduce enteric methane emission; (ii) to study the influence of those plants on methane production and fermentative parameters in vitro; (iii) to study the influence of those plants on the population of Fibrobacter succinogenes and the methanogen community in the fermentation fluid. The results are presented in the form of chapters, being the first objective studied described in the Chapter 3, in which refers to the characterization of the tannin-rich legumes Styzolobium aterrimum (STA), Styzolobium deeringianum (STD), Leucaena leucocephala(LEU), Mimosa caesalpiniaefolia Benth (MIC). They were appraised for the chemical composition, quantification of phenolic compounds and bioassay up to 96 h in vitro incubation using Cynondon x cynodon (CYN) as control, to evaluate the potential gas production, (A), lag phase (L), fractional rate of gas production (\'mü\') and the gas increment due to PEG addition after 8, 24 and 48 h incubation of the five plants. Legumes showed better fermentative performance (except MIC) than the grass. However, each legumes fermentation was limited diferently by the presence of condensed tannin or the indigestible fiber or by the additive action of both. Among the plants, LEU showed good quality forage for protein supplementation in sheep diets as well as STA and STD as long there is an agriculture management to reduce indigestible fiber, specially ADF. MIC could be included in a sheep diet in low concentration, aiming not the protein supplementation, but exploiting it as an additive to methane mitigation. In Chapter 4 the second object is discussed describing an in vitro gas test to evaluate the four tannin-rich legumes (STA, STD, LEU and MIC), and CYN as control at two main time points: t1/2 (time of half maximal gas production) and 24 h, measuring total gas production , methane, ammonia, short chain fatty acids (SCFA), microbial mass growth (MM) and true substrate degradability (TSD). Methane production at t1/2 was reduced (P < 0.05) with addition of legumes by 17 % but when related to TSD this reduction reached on average 50 % with LEU and STA and 37% with MIC and STD. LEU and STA caused a significant increase in MM followed by STD, MIC, and CYN. Additionally, high MM/SCFA ratios in t1/2 were found in LEU (14.7) and STA (14.1) and followed by STD (6.1), MIC (5.6) and CYN (4.6). The higher MM in LEU and STA suggested higher ATP production; however, the different proportion of the SCFA demonstrated different routes of ATP acquisition. Chapter 5 refers to the quantification of specific strains of rumen bacteria, which was performed using designed primers for detecting 16S rDNA gene sequences for methanogens and the cellulolytic bacteria Fibrobacter succinogenes by real-time polymerase chain reaction (qPCR). Also, the influence of those four legumes on the methanogenic community was investigated using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) of 16S rDNA gene. Methanogens at t1/2 were 2.0 fold and 0.9 fold lower with STA and LEU compared to the control, but they were 2.5 fold and 0.5 fold higher with MIC and STD. F. succinogenes population was 2.3 and 1.8 fold lower than the control when LEU and STA was applied. DGGE analysis of the methanogenic population resulted in different band patterns with treatments. CYN presented some strong bands, which became weaker with the legumes, except in STA. Some bands either disappeared, as in LEU, STA and MIC, or became weaker, especially in STA. MIC increased slightly the number of weak bands. It is confirmed that the studied taninniferous plants were able to reduce enteric methane with different fermentation products proportions, as well negatively affected F. succinogenes population and caused changes in the methanogenic community structure

As espécies nativas do semi-árido nordestino constituem uma importante fonte de proteína para o rebanho da região, especialmente durante a estação seca. Contudo, a composição química dessas plantas, especialmente teores de fibra, proteína bruta e compostos secundários, apresenta variações ao longo do ano, em função do ciclo fenológico. O conteúdo de taninos nas plantas pode variar de acordo com as condições climáticas e geográficas. Objetivou-se com o presente estudo: (i) avaliar a composição química de plantas de três Estados do nordeste brasileiro; (ii) verificar o efeito dos taninos na produção de gases; (iii) testar métodos de detanificação, para melhorar o valor nutritivo dessas plantas. O estudo foi dividido em três capítulos. No primeiro, foram avaliadas espécies nativas do semi-árido de Pernambuco, Bahia e Ceará por meio de análises químicas e técnica de produção de gases: angico - Anadenanthera macrocarpa, aroeira - Astronian urundeuva, catingueira - Caesalpinia bracteosa, jucazeiro - Caesalpinia ferre, jurema preta - Mimosa hostilis, leucena - Leucaena leucocephala, malva branca - Sida cordifolia, maniçoba - Manihot pseudoglaziovii, pau branco - Auxemma oncocalyx e sabiá - Mimosa caesalpinifolia. No segundo e terceiro capítulos, foram testados métodos de secagem e aplicação de soluções alcalinas (cinzas de madeira e hidróxido de cálcio) e de polietileno glicol para redução dos efeitos dos taninos. Os resultados obtidos pela avaliação da composição química nas três regiões demonstraram que as espécies estudadas representam uma importante reserva de forragem para os ruminantes e que o teor de compostos fenólicos deve ser monitorado, uma vez que algumas dessas espécies apresentam altos teores destes compostos. Os métodos de secagem testados não foram eficientes para minimizar a ação dos taninos e os tratamentos com soluções alcalinas e com PEG foram eficazes para reduzir a concentração dos taninos, quando medida pela análise química. O tratamento com PEG resultou uma resposta na diminuição da atividade dos taninos no bioensaio / The typical vegetation of the semi-arid region of northeast Brazil is considered an important source of protein for the animals, mainly during the dry season. However, the chemical composition of the plants, as fiber, protein and secondary compounds change during the year with the different stage of the plants. The tannin concentration varies according to climatic and geographic conditions. The aims of this study were: (i) to evaluate the chemical composition of plants of three regions in the northeast Brazil; (ii) to verify the effect of tannins on gas production; (iii) to use detanification methods to improve the nutritional value of those plants. The study contains three chapters. In the first chapter, the following species of plants from Pernambuco, Bahia and Ceara were evaluated by chemical analysis and gas production: angico - Anadenanthera macrocarpa, aroeira - Astronian urundeuva, catingueira - Caesalpinia bracteosa, jucazeiro - Caesalpinia ferre, jurema preta - Mimosa hostilis, leucena - Leucaena leucocephala, malva branca - Sida cordifolia, manicoba - Manihot pseudoglaziovii, pau branco - Auxemma oncocalyx and sabia - Mimosa caesalpinifolia. In the second and third chapters various detanification methods were tested, as drying processes and application of alkaline solutions (wood ash and calcium hydroxide) and polyethylene glycol application. The chemical analysis showed that all the plants studied could be used as animal feed, but the phenolics contents could be a detrimental factor and should be monitored. The drying methods were not efficient to minimize tannin effects as showed using the gas production. The treatment with wood ash, calcium hydroxide and polyethylene glycol resulted in a decrease of tannins concentration, but only polyethylene glycol treatment decreased tannins activity during the gas production.

Com o objetivo de estudar a espécie bubalina quanto ao desempenho de machos bubalinos do nascimento ao abate em regime de pastejo e as características de carcaça em dois pesos de abate, assim como o metabolismo ruminal de dietas com diferentes níveis de proteína e energia e a produção de gases in vitro, o presente trabalho apresenta-se avaliações feitas em quatro partes. A parte 1 foi realizada com búfalos em crescimento criados à pasto, do nascimento até atingirem dois pesos distintos de abate (517 e 568 kg). Avaliações do desempenho foram realizadas com medição do peso vivo, perímetro torácico, altura de cernelha e comprimento corporal e as avaliações das características da carcaça e carne com determinação do rendimento de carcaça quente e fria, perda no resfriamento, peso da gordura, peso do fígado, temperatura e pH da carcaça, área de olho de lombo, espessura de gordura subcutânea, marmorização, maciez e coloração. A segunda parte avaliou dietas com três níveis de proteína (9%, 12% e 15%) no metabolismo ruminal. Os Itens analisados foram: consumo de nutrientes, pH, amônia e ácidos graxos voláteis no rúmen e degradabilidade in situ. Na parte 3, foram avaliadas dietas com dois níveis de proteína (9 e 15%) e dois de energia (65 e 69% NDT) no metabolismo ruminal. Além dos Itens avaliados na parte 2 foram ainda analisados a digestibilidade com uso de marcador, taxa de passagem de liquido ruminal e volume do rúmen e síntese de proteína microbiana. Na última parte foi realizada avaliação de produção de gases in vitro com estudo da cinética da degradabilidade in vitro no tempo de 72 horas. Animais abatidos com diferentes pesos apresentaram desenvolvimento ponderal diferenciado desde o início do crescimento. Não houve diferença entre os dois grupos de animais nas características de carne e carcaça, mas os búfalos abatidos mais pesados (568 kg) apresentaram maior deposição de gordura interna. Níveis de proteína de 9%, 12% e 15% não influenciaram na degradabilidade in situ dos nutrientes e no pH ruminal. A concentração de amônia e AGV foram maiores com níveis de 15% de proteína na dieta. Os níveis de energia (alta ou baixa) combinados com teores de proteína (alto ou baixo) e as correlações entre os níveis de energia e proteína não promoveram efeitos significativos sobre o pH ruminal concentração de amônia, taxa de passagem de líquido e volume ruminal em búfalos, entretanto, dieta com teor de 15% de proteína bruta, independente dos níveis de energia na dieta apresentaram melhores degradabilidades efetivas dos nutrientes. Os níveis de energia não influenciaram significativamente na concentração amônia ruminal ao contrário dos níveis de proteína em que a maior quantidade de proteína na dieta produziu maior concentração de amônia. Não houve diferença significativa na taxa de passagem e volume ruminal entre as quatro dietas fornecidas aos animais. Dietas com diferentes níveis de energia e proteína não influenciaram na qualidade do inóculo para a produção de gases in vitro. / With the aim of studying the buffalo on the performance of males from birth to slaughter in buffalo grazing and carcass characteristics in two slaughter weights, as well as the metabolism of diets with different levels of protein and energy and the production of gases in vitro, this work presents evaluations conducted in four parts. Part 1 was performed with buffalo raised in pasture from birth until they reach two different slaughter weights (517 and 568 kg). Performance assessments were performed with measurement of body weight, chest girth, height and body length and evaluations of carcass characteristics and meat with determining the hot and cold carcass, the cooling loss, fat weight, liver weight, temperature and pH of the carcass, ribeye area, fat thickness, marbling, tenderness and color. The second part evaluated diets with three protein levels (9%, 12% and 15%) on rumen metabolism. Items discussed were the amount of nutrients, pH, ammonia and volatile fatty acids in the rumen and degradability in situ. In Part 3, were evaluated diets with two protein levels (9 and 15%) and two energy (65 and 69% of TDN) on rumen metabolism. Besides the items evaluated in Part 2, were also analyzed the digestibility, passage rate and ruminal volume and rumen microbial protein synthesis. In the last part was done evaluation of gas production in vitro with study of the kinetics of degradation in 72 hours. Animals slaughtered at different weights showed differential weight performance since the beginning of growth. There were no differences between the two groups of animals on meat and carcass characteristics, but the buffaloes slaughtered heavier (568 kg) had higher deposition of internal fat. Protein levels of 9%, 12% and 15% did not influence the in situ degradability of nutrients and rumen pH. The concentration of ammonia and VFA levels were higher with 15% protein diet. Energy levels (high or low) combined with protein levels (high or low) and the correlations between the levels of energy and protein did not cause significant effects on rumen pH, ammonia concentration, liquid passage rate and ruminal volume in buffalo, however, dietary content of 15% crude protein, independent of the energy levels in the diet showed better effective degradability of nutrients. Energy levels did not significantly modify the rumen ammonia concentration unlike the protein levels where in the higher protein diet resulted in higher ammonia concentration. There was no significant difference in passage rate and ruminal volume between the four diets fed to the animals. Diets with different levels of energy and protein did not influence the quality of inoculum for the gas production in vitro.