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Zusammenfassung Jörn Gieseler Stoffwechseluntersuchungen bei klinisch gesunden Kühen unter besonderer Berücksichtigung der wasserlöslichen und fettlöslichen Antioxidantien. Medizinische Tierklinik, Veterinärmedizinische Fakultät, Universität Leipzig. Eingereicht im Oktober 2010. 97 Seiten; 25 Abbildungen; 11 Tabellen; 351 Literaturangaben; Schlüsselwörter: Rind, Stoffwechsel, wasserlösliche Antioxidantien, lipidlösliche Antioxidantien. Die Gesundheit und Leistung von Milchkühen sind an einen stabilen Stoffwechsel gebunden. Abweichungen in der Nährstoffversorgung, im Intermediärstoffwechsel sowie seitens der Umweltbedingungen wirken sich belastend auf den Stoffwechsel und damit auf die Gesundheit des betroffenen Organismus aus. Mit gezielten Untersuchungen, z.B. Blutuntersuchungen, kann kontrolliert werden, ob der Stoffwechsel physiologisch oder durch Imbalancen belastet oder gar gestört ist. Ziel der Untersuchung war es, die Aktivität der Glutathionperoxidase sowie die Konzentrationen der wasser- und fettlöslichen Antioxidantien im Blut von klinisch gesunden Kühen zu ermitteln, in Stoffwechseluntersuchungen mit einzubeziehen sowie den Einfluss von Laktation und Jahreszeit auf die o.g. Parameter zu prüfen. Versuchsanordnung: Insgesamt wurden bei 85 SB/HF-Kühen (7990 kg fettkorrigierte Milch/Jahr) folgende zwei Gruppen analysiert: Gruppe 1: Zur Kontrolle des Laktationsverlaufes wurden 10 Kühe zum Zeitpunkt der 4. - 5. Woche ante partum (ap), 1. Woche ap, 1 - 2 Wochen post partum (pp), 4 Wochen pp und 8 - 12 Wochen pp untersucht. Gruppe 2: Im Verlaufe eines Jahres wurden im Abstand von 6 Wochen jeweils 10 gesunde Kühe, die sich alle in der 2. - 4. Woche post partum (pp) befanden, untersucht. Stall- und Außentemperaturen wurden dabei berücksichtigt. Die Tiere der beiden Gruppen wurden nach der klinischen Untersuchung weiter chemisch auf folgende Parameter getestet: Glutathionperoxidase (GPX), wasserlöslichen Antioxidantien (ACW), fettlösliche Antioxidantien (ACL), ß-Hydroxybutyrat (BHB), Cholesterol (Chol), Bilirubin (Bili), Glutamat-Dehydrogenase (GLDH), Aspartat Amino Transferase (AST), Creatinkinase (CK), Albumin (Alb), Harnstoff (Hast), Calcium (Ca), anorganisches Phosphat (Pi) und Chlorid (Cl). Durch eine Rationsberechnung wurde die Fütterung in die Untersuchung mit einbezogen. Ergebnisse: Die Ergebnisse der peripartalen Stoffwechseluntersuchungen zeigen einen Anstieg der wasserlöslichen Antioxidantien (ACW) bis zur 4. Woche pp (p < 0,05). Ab 8 Wochen pp sinken die Konzentrationen wieder ab. Im Gegensatz dazu zeigt die Glutathionperoxidase (GPX) ihre höchste Aktivität bei den Trockenstehern. Es folgt eine starke Abnahme der Aktivität bis zur 4. Woche pp (p < 0,05) und ein Anstieg ab der 8. Woche pp (p < 0,05). Die Korrelation zwischen der Konzentration der ACW und der Aktivität der GPX verhält sich signifikant negativ. Die höchsten Konzentrationen der ACL liegen im Zeitraum des Trockenstehens, die niedrigste Konzentration 1. Woche ap - 4. Woche pp (p < 0,05). Ab 8 - 12 Wochen pp steigen die Konzentrationen der ACL wieder an. Die Stoffwechselparameter Harnstoff, Bilirubin, Cholesterol und BHB unterliegen Schwankungen über den gesamten Laktationsverlauf. Die AST-Aktivität erreicht ihren Höchststand 1-2 Wochen pp und liegt nur in dieser Zeit außerhalb der Toleranzgrenze. Die Albumin- und Pi-Konzentrationen sowie die CK-Aktivitäten bleiben im Laktationsverlauf konstant. Die Cl-Konzentration liegt in der 1. - 12. Woche pp unterhalb der physiologischen Grenze. Die Ergebnisse der Stoffwechseluntersuchungen im Jahresverlauf zeigen einen kontinuierlichen Anstieg der ACW von Februar an, mit Höchstwerten im April und August (p < 0,05). Danach erfolgt ein kontinuierlicher Abfall der Werte bis zum Dezember. Die GPX zeigt eine generelle Verminderung ihrer Aktivität von Februar bis August (p < 0,05), um dann im Oktober wieder anzusteigen. Ihre Höchstwerte liegen im Januar und Dezember. Die Aktivität der GPX und die Konzentrationen der ACW korrelieren sowohl im Jahresverlauf als auch im Laktationsverlauf signifikant negativ. Die Konzentrationen der ACL unterliegen im Jahresverlauf Schwankungen. Dennoch korrelieren sie mit den Konzentrationen der GPX signifikant positiv. Die Harnstoff- und BHB-Konzentrationen sowie die Aktivität der CK liegen im gesamten Jahresverlauf innerhalb der physiologischen Grenzen. Die CK-Aktivität erreicht, zusammen mit der Albuminkonzentration, ihre Höchstwerte im Mai. Die Albuminkonzentrationen unterliegen mit dem Bilirubin im Jahresverlauf relativen Schwankungen. Das Bilirubin hat seine niedrigste Konzentration im Dezember und Januar bzw. seine höchsten Konzentrationen im Juli und August. Die Aktivität der AST zeigt einen gleichmäßigen Anstieg in den Sommermonaten. Ihre niedrigsten Aktivitäten liegen im Dezember und Januar. Die Cholesterolkonzentration sowie die Aktivität der AP sinken im Sommer ab. Cholesterol hat seine höchsten Konzentrationen im Dezember und Januar. Schlussfolgerung: Schwankungen von Stoffwechselparametern im Jahres- und Laktationsverlauf betreffen vor allem die Antioxidantien. Deshalb können sowohl die in dieser Arbeit untersuchten Antioxidantien, als auch die anderen Stoffwechselparameter zur Beobachtung und Diagnostik von Stoffwechselbelastungen rund um die Kalbung sowie im Jahresverlauf zur Herdenkontrolle herangezogen werden. Die Referenzbereiche betragen für die ACW 12 bis 142 µmol/l und für ACL 1 bis 45 µmol/l.

Hypokaliämie ist bei Kühen mit Labmagenverlagerung und zusätzlichen Komplikationen eines der klinischen Probleme. Besonders bei Kühen mit rechtsseitiger Labmagenverlagerung werden Beziehungen des Kaliums zum Krankheitsverlauf deutlich. Serum-Kalium-Konzentrationen < 2 mmol/l sind prognostisch infaust. Durch Begleiterkrankungen werden bei Kühen mit Labmagenverlagerung Kalium sowie Cholesterol, Protein, Albumin, Bilirubin und Beta-Hydroxybutyrat zusätzlich negativ beeinfllusst.

The objective of this experiment was to determine if nutrient utilization and energy partitioning by lactating dairy cows would differ in response to dietary corn grain (CG) types [steam-flaked corn (SFC) vs. high-moisture corn (HMC)] and to test if the types of CG would interact with slow-release urea (SRU) on lactational performance and energy utilization. Eight multiparous Holstein cows (32 ± 8.2 days-in-milk) were used in a duplicated 4 × 4 Latin square with one square consisting of ruminally cannulated cows. A 2 × 2 factorial arrangement was used to test 4 dietary treatments: SFC without SRU, SFC with SRU, HMC without SRU, and HMC with SRU. The experimental diets contained 60.5% dry matter (DM) of forages, whereas 12.9% or 14.4% DM of SFC or HMC was added in the diets, respectively. The SRU was supplemented at 0.46% DM, replacing a mixture of soybean meal and canola meal in a 50:50 ratio. Feeding HMC decreased intakes of DM, crude protein, and fiber compared with SFC. Supplementation of SRU did not affect intakes of DM and nutrients, whereas it tended to increase intakes of DM or increased crude protein intake under SFC but no effect under HMC, leading to CG ×SRU interactions on DM and crude protein intakes. Neither type of CG nor SRU supplementation affected milk production except that cows fed HMC-based diets tended to decrease energy-corrected milk yield compared to those fed SFC-based diets. Utilization of HMC in the diet had a tendency to increase dairy efficiency based on milk yield over SFC utilization. Cows fed HMC diets gained more body weight (BW) than those fed SFC diets, whereas supplementing SRU tended to reduce BW gain regardless of type of CG. Cows fed HMC diets shifted more net energy into BW compared with those fed SFC diets, whereas supplementing SRU tended to decrease a portion of net energy partitioned into BW gain under both SFC and HMC diets. Dietary treatments exerted minor impacts on ruminal fermentation profiles. Feeding HMC diets decreased fecal N excretion compared with SFC diets. In addition, supplementing SRU increased fecal N excretion under SFC, but it was decreased by SRU with HMC, leading to an interaction between CG and SRU. These collective results demonstrate that feeding HMC with SRU can be a practical option in high-forage lactation diets to maintain or improve nutrient and energy utilization efficiency and minimize negative environmental impacts.

Plusieurs recherches ont été conduites pour déterminer les phases du cycle œstrus chez les vaches. Toutefois, peu est connue de leur microbiote vaginal. Cette étude a pour but de déterminer la composition du microbiote vaginal de vaches laitières durant les quatre phases du cycle œstrus, pour détecter son impact sur la fertilité de ces vaches. Cette information nous permettra d’un jour manipuler le microbiote vaginal d’autres vaches afin d’améliorer leur taux de fécondité. Vint-et- une vaches Holstein multipares de la même ferme ont subi l’insémination artificielle (IA) suite à la détection du début des chaleurs. Quatre frottis vaginaux ont été faits aux jours 1,3,15 et 19 du cycle. Au jour 31, une échographie a confirmé que neuf vaches étaient enceintes. Les données ont ensuite été analysées avec avec le séquençage rRNA 16S de la région hypervariable V4. Les résultats ont montré une prédominance nette de certains embranchements bactériens. Les firmicutes, bacteroidetes et protéobacteéries composait plus de 80% de la population microbiotique vaginale avec certaines fluctuations importantes. Une analyse statistique a déterminé qu’il y a eu des changements significatifs entre l’œstrus et le proestrus chez les vaches qui ne sont pas devenues enceintes de (P=0.028), et entre l’œstrus et le dioestrus chez les vaches enceintes de (P=0.043). Cette recherche est un premier pas important dans l’identification du microbiote vaginal et son impact possible sur la santé vaginale et la fertilité de vaches laitières. Cette recherche pourrait contribuer aux études futures tentant d’améliorer la fécondité bovine avec la manipulation du microbiote vaginal. / A great deal of research has been done on the four phases of the estrous cycle in cows, yet very few studies exist regarding their vaginal microbiota. This study explored the various differences in the vaginal microbiota in pregnant and non-pregnant multiparous Holstein dairy cows. This information will allow us to see what a healthy vaginal microbiota looks like in pregnant cows and to someday try to achieve similar microbiomes in other cows to aid in fertility issues on farms. The objective of this study is to investigate variations in microbiota populations during the estrous cycle and their possible association with pregnancy rates using next generation sequencing of the V4 hypervariable region of the 16S rRNA gene. Twenty-one multiparous Holstein cows on the same farm underwent artificial insemination (AI) after estrous detection. Vaginal swabs were collected four times, on days: 1 (before AI), 3, 15, and 19. Ultrasonography performed at day 31 confirmed that 9 cows became pregnant. A clear predominance of certain phyla was found, with Firmicutes, Bacteroidetes and Proteobacteria making up over 80% of the vaginal microbiota composition throughout, with notable variations between individuals. Differences in beta-diversity (community composition) that were proven statistically significant were between the estrus- proestrus phases in non-pregnant cows (P=0.028) and between the estrus and diestrus phase in pregnant cows at (P=0.043). These findings are a clear first step in identifying possible beneficial vaginal microbiota in pregnant cows that may help to determine how to proceed in manipulating other cows’ vaginal microbiota that have suffered from reproductive failure in the past.

Knowledge on the precise effects of surplus glucose supply in dairy cows is limited by the lack of information on how intermediary metabolism adapts at different levels of glucose availability. Therefore, a gradual increase of glucose supply via intravenous glucose infusion was used in the present study to test the dose effect of surplus provision of glucose on the metabolic status and milk production of dairy cows. Furthermore, the effects of increasing levels of surplus glucose on mRNA expressions and activities of rate-limiting enzymes involved in hepatic gluconeogenesis were investigated. Based on a previous finding that a positive energy balance may decrease hepatic carnitine palmitoyltransferase (CPT) enzyme activity, it was also of interest whether skeletal muscle CPT activity is downregulated in a similar manner during positive energy balance. Twelve midlactating Holstein-Friesian dairy cows were continuously infused over a 28-d experimental period with either saline (SI group, six cows) or 40% glucose solutions (GI group, six cows). The infusion dose was calculated as a percentage of the daily energy (NEL) requirements by the animal, starting at 0% on d 0 and increasing gradually by 1.25%/d until a maximum dose of 30% was reached by d 24. Dose was then maintained at 30% NEL requirement for 5 d. No infusions were made between d 29-32. Liver and skeletal muscle biopsies were taken on d 0, 8, 16, 24, and 32. Body weight (BW) and back fat thickness (BFT) were recorded on biopsies days. Blood samples were taken every 2 d. In addition, blood samples over 24 h (6-h intervals) were taken the days before each biopsy. Milk and urine samples were taken on biopsies days. BW and BFT increased linearly with increasing glucose dose for GI cows. No differences were observed in the dry matter intake, milk energy output, and energy corrected milk yield between groups. However, milk protein percentage and yield increased linearly in the GI group. Only occasional increases in blood glucose and insulin concentrations were observed in blood samples taken at 1000 h every 2 d. However, during infusion dose of 30% NEL requirements on d 24, GI cows developed postprandial hyperglycemia associated with hyperinsulinemia, coinciding with glucosuria. The revised quantitative insulin sensitivity check index (RQUIKI) indicated linear development of insulin resistance for the GI treatment. GI decreased serum concentrations of beta-hydroxybutyrate (BHBA) and blood urea nitrogen and tended to decrease the serum concentration of non-esterified fatty acids (NEFA). Liver glycogen content increased, while glycogen content in skeletal muscle only tended to increase by GI. No significant changes were observed in the activities and relative mRNA expression levels of hepatic phosphoenolpyruvate carboxykinase and glucose 6-phospatase. The activity of fructose 1,6-bisphosphatase (FBPase) and relative mRNA expression levels of pyruvate carboxylase (PC) were decreased in the GI group but only during the high dose of glucose infusion. Hepatic CPT activity decreased with GI and remained decreased on d 32. The hepatic expression levels of CPT-1A and CPT-2 mRNA were not significantly altered but tended to reflect the changes in enzyme activity. No effect of glucose infusion was observed on skeletal muscle CPT activity. The aforementioned adaptations were reversed four days after the end of glucose infusions except for those of BW, BFT, and lipid metabolism (i.e. serum BHBA and NEFA concentrations, hepatic CPT activity). It is concluded that mid-lactation dairy cows on an energy-balanced diet direct intravenously infused glucose predominantly to body fat reserves but not to increased lactation performance. Cows rapidly adapted to increasing glucose supply but experienced dose-dependent development of insulin resistance corresponding with postprandial hyperglycemia/hyperinsulinemia and glucosuria at dosages equivalent to 30% NEL requirements. The catalytic capacity of key hepatic gluconeogenesis enzymes in mid-lactating dairy cows is not significantly affected by nutritionally relevant increases of glucose supply. Only very high dosages selectively suppress PC transcription and FBPase activity. Finally, it can be concluded that suppression of CPT activity by positive energy balance appears to be specific for the liver in midlactating dairy cows.

This thesis investigates the feasibility and performance of an inertial based positioning system for dairy cows in a barn environment. The investigated positioning method is pedestrian dead reckoning using inertial navigation with MEMS sensors. While this method is well known for human positioning applications, there has not been a lot of studies of its use on terrestrial animals. Since inertial based positioning systems are dependent on drift correction, the focus of the research is drift correction methods. Two methods, zero velocity update (ZUPT) and sparse locations, are compared with regards to positioning accuracy, energy consumption and sensor placement.  The best positioning estimates are achieved by using ZUPT corrections at a sample rate of 10 Hz, resulting in a mean position drift of 0.2145 m=m. Using a proposed equidistant sample time based sleep mode scheme, this would require a theoretical supply current of 0.21 mA. It is also seen that better position estimates are obtained for sensors that are placed low and on the front legs. The sparse locations method suffers from severe position drift between the locations, resulting in unusable positioning data. A combination of ZUPT and sparse location yields less accurate positioning than ZUPT only. / Denna masteruppsats undersöker genomförbarhet och prestanda av ett tröghetsbaserat positioneringsssystem för mjölkkor i en lada. Den undersökta metoden är död räkning för fotgängare mha. tröghetsnavigering med MEMSsensorer. Denna metod är välkänd för positionering av människor, men få studier har gjorts kring dess användbarhet för djur. Eftersom tröghetsbaserad navigering är beroende av driftkorrigering är detta fokuset för forskningen. Två olika metoder utvärderas, zero velocity update (ZUPT) och sparse locations, och en jämförelse görs med avseende på positionsnoggrannhet, energiförbrukning och sensorplacering.Bäst positionering uppnås med ZUPT-korrigeringar vid en samplingsfrekvens på 10 Hz, vilket ger ett medelvärde av positionsdrift på 0.2145 m=m. Om ett föreslaget ekvidistant samplingstidsbaserat schema för viloläge används skulle 10 Hz kräva en teoretisk matningsström på 0.21 mA. Vidare fås bättre positioneringsresultat för sensorer som är placerade lågt och på frambenen. Korrektionsmetoden med sparse locations ger en svår positionsdrift mellan platserna, vilket resulterar i oanvändbar positionsdata. En kombination av ZUPT och sparse locations ger sämre precision än om endast ZUPT används, samt ökar energiförburkningen på grund av behovet av ytterligare sensorer.

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