Dalla panoramica dei sistemi di valutazione del Benessere Animale (BA) si evince che si basa su molteplici indicatori diretti ed indiretti, ma per tutti i sistemi esaminati non vi è mai la possibilità di confermare la stima di benessere con metodi di riferimento oggettivi ed indipendenti. Inoltre, i vari sistemi, pur volendo stimare un dato oggettivo del BA, rispondono a specifiche categorie sociali: opinione pubblica (es. Welfare Quality), politica amministrativa (es. IBA), allevatori (es. FARM, IBS e SDIB), consumatori (FARM, Welfare Quality). Un sistema realmente olistico al momento non esiste, in quanto in relazione all’esigenza principale che deve soddisfare, si tende a semplificare la valutazione omettendo alcuni aspetti significativi. Lo scopo generale di questa attività di ricerca è stato quello di evolvere un sistema di valutazione del BA (modello SDIB) realizzato presso il Dipartimento DIANA di Piacenza, rivolto agli allevamenti in prima istanza, quale strumento di innovazione dell’impresa zootecnica, ma nel pieno rispetto delle normative, della sensibilità sociale e delle istanze etiche. L’obiettivo principale è stato quello di sviluppare un software, denominato IDEAL, dedicato al modello di valutazione SDIB. È stata valutata l’eventuale ridondanza degli indicatori di benessere inclusi nel modello, entro una adeguata popolazione di allevamenti della pianura padana e dello stato dell’Oregon. Inoltre, SDIB ha mostrato incoraggianti risultati circa il suo utilizzo come strumento di valutazione di fattori sovra-aziendali, sono infatti state eseguite valutazioni in gruppi di allevamenti caratterizzati da differenze produttive, e gestionali (es. sistema biologico vs convenzionale; adesione al disciplinare del Grana Padano vs Parmigiano Reggiano; sistema padano vs sistema Oregon) per valutare l’eventuale incidenza sul livello di BA. Applicando questa metodologia l’investigazione di tali fattori esula dalle mode del momento; al contrario, privilegia la risposta degli animali per tali fattori. Nei confronti eseguiti, è stata riscontrata per tutti i gruppi di aziende una elevata variabilità relativa al livello di BA, dimostrando come disciplinari o sistemi di allevamento diversi, non siano da soli, sufficienti a garantire un ottimale livello di BA. Un secondo obiettivo del progetto si è concentrato sullo studio di valori di riferimento ematici nelle varie fasi di lattazione, per fornire una maggiore oggettività ai sistemi di valutazione del BA con dati indipendenti. Pertanto, si sono eseguiti prelievi ematici nelle categorie di allevamento più rappresentative delle bovine durante il ciclo produttivo (asciutta, immediato post-parto, fine del primo mese di lattazione e lattazione avanzata) appartenenti ad allevamenti con un buon livello di benessere in tutti i cluster di SDIB, una adeguata alimentazione in tutte le fasi ed ottimi standard di strutture ed attrezzature, con lo scopo di identificare i livelli di riferimento di vari indicatori fisiologici. Per le 4 fasi sono pertanto stati individuati nuovi range di riferimento che potranno essere usati per validare i vari sistemi di valutazione del BA. / The overview of Animal Welfare (AW) assessment systems shows that it is based on multiple direct and indirect indicators, but for all systems examined, there is never the possibility of confirming the welfare estimate with objective and independent reference methods. Even though the various systems want to estimate an objective data of animal welfare, they respond to specific social categories: public opinion (e.g., Welfare Quality), administrative policy (e.g., IBA), breeders (e.g., FARM, IBS and SDIB), consumers (FARM, Welfare Quality). At the moment, there is no truly holistic system; in relation to the main need to satisfy, there is a tendency to simplify the evaluation by omitting some significant aspects. The general aim of this research activity was to evolve an animal welfare evaluation system (SDIB model), that has been carried out at the DIANA Department of Piacenza. Firstly, this system is suggested for farms as a tool for innovation of the livestock enterprise, but in full compliance with the regulations, social sensitivity, and ethical requirements. The main objective was to develop a software, called IDEAL, dedicated to the SDIB evaluation model. The possible redundancy of the welfare indicators included in the model was evaluated within an adequate population of farms in the Po Valley and in the State of Oregon. In addition, SDIB has shown encouraging results about its use as a tool for the evaluation of extra company factors. In fact, some evaluations have been carried out in groups of farms characterized by differences in production and management (e.g., biological system vs. conventional, adherence to Grana Padano Disciplinary vs. Parmigiano Reggiano Disciplinary, Po Valley system vs. Oregon system) to assess the possible impact on the level of AW. Applying this methodology, the investigation of these factors goes beyond the current trends. On the contrary, it favors the animals' response to these factors. With regard to the comparisons carried out, a high variability relative to the level of animal welfare has been found for all groups of farms, demonstrating how different disciplines or farming systems are not sufficient to ensure an optimal level of AW, if not related to something else. A second objective of the project was to study blood reference values at the various stages of lactation in order to provide greater objectivity to the AW assessment systems with independent data. Therefore, blood samples were taken from the most representative categories of cows during the production cycle (dry, immediate post-partum, end of the first month of lactation and advanced lactation) belonging to herds with a good level of welfare in all SDIB clusters, adequate feeding at all stages and excellent standards of facilities and equipment, with the aim of identifying the reference levels of various physiological indicators. For the 4 phases, new reference ranges have been identified, and they can be used to validate the various assessment systems of the AW.

Il periparto della bovina da latte è caratterizzato da processi infiammatori, che aumentano la vulnerabilità delle vacche alle malattie tipiche peripartali, spesso dovute a patogeni occasionali. In tale periodo, si hanno notevoli variazioni metabolico-fisiologiche, che si evidenziano con la tipica risposta “di fase acuta”, caratterizzata dall’aumento delle proteine positive di fase acuta (es. aptoglobina) e di alcuni specifici metaboliti (es. metaboliti reattivi all’ossigeno) ma anche dalla diminuzione delle proteine negative di fase acuta (es. albumina, colesterolo, PON). In queste prove si è cercato di attenuare e/o modulare tali fatti infiammatori mediante trattamenti specifici caratterizzati dalla somministrazione di: una citochina antinfiammatoria (interferon-alfa) due settimane dal parto per via orale con 1000 UI/Kg (1° prova), 0,5 UI/Kg (2° prova), un antibiotico (tilosina) a circa 10 giorni prima del parto per via intramuscolare, in tre giorni consecutivi ed un farmaco antinfiammatorio (acido acetilsalicilico) nel pre e post parto per via orale con un dosaggio di 30g/d a giorni alterni. L’interferone-alfa ha mostrato un effetto pro-infiammatorio, verosimilmente dovuto alla persistenza della citochina nel rumine (confermata dalla prova in vitro); di qui il ritorno in bocca con il bolo ed una reiterazione dell’effetto, quale fosse un alto dosaggio. La tilosina non ha modificato i processi infiammatori, probabilmente per l’effetto limitato nel tempo degli antibiotici. L’unico trattamento che ha modulato i fatti infiammatori e migliorato talune performance delle bovine trattate è stato quello con l’acido acetilsalicilico. / The transition period in dairy cows is characterized by inflammatory processes, which can contribute to the of their increased susceptibility to periparturient diseases, health disorders and lowered performance. During that phase, dairy cows show metabolic and physiological changes characterized by the rise of positive acute phase proteins (i.e. haptoglobin) and some specific metabolite (i.e. ROS), besides a reduction of negative acute phase proteins (i.e albumin, lipoproteins, PON, etc.). The aim in this study was the attempt to reduce and/or to prevent inflammations, with specific treatment: an antinflammatory cytokine (interferon-alfa) before calving about 1000 UI/Kg/day (1st trial), 0.5 UI/Kg (2st trial) per os, an antibiotic parenterally (tylosin) 10 days before calving and a conventional antinflammatory drug (acetylsalicylic acid), about 30 g/day orally before and after calving. Interferon- increased inflammatory response maybe due to a high-dose, because the cytokine (whom activity site is oral cavity) showed to be persistent in the rumen and renewed the cytokine effect with rumination. The use of an antibiotic (tylosin) did not change the inflammatory status of the dairy cows. The oral administration of Acetylsalicylic acid has otherwise reduced the inflammatory effect and improved the performance of treated dairy cows.

Il processo infiammatorio è un meccanismo di difesa aspecifico innato, che costituisce una risposta protettiva dell’organismo a vari tipi di insulto (infezione, danno tissutale, trauma, stress, malattie autoimmune,). Esso comporta il rilascio in circolo di mediatori pro-infiammatori (es. citochine) and anti-infiammatori (es lipossine ed alcune citochine). Le citochine pro-infiammatorie inducono effetti infiammatori (es. anoressia e febbre) e stimolano la risposta di fase acuta (APR). Invece, le lipossine e le citochine anti-infiammatorie tendono ad attenuare l’infiammazione. Gli scopi di questa ricerca erano due: distinguere i soggetti in base al grado di severità della APR dopo il parto, e dopo stimolazione intramammaria con lipopolisaccaride (LPS) in bovine da latte sottoposte a diversi stress metabolici (NaCl, BHB, EuG e IpoG). I soggetti EuG e BHB hanno mostrato una APR più severa rispetto a IpoG e NaCl. Un ulteriore scopo è stato proposto un indice composto da alcune proteine di fase acuta al fine di stimare i processi infiammatori e le conseguenze epatiche (PICE). Le bovine con PICE più basso prima del parto, avevano più alti livelli plasmatici di citochine pro-infiammatorie e lipossine prima del parto (e mostravano una APR più severa dopo il parto), anche in assenza di sintomi clinici. / Inflammation is the innate, non-specific response of the host to disturbances in his homeostasis caused by infection, tissue injury, stress, trauma, neoplastic growth, immunological disorders. It involves pro- (e.g. cytokines) and anti-inflammatory mediators (e.g. lipoxins, some cytokines). The pro-inflammatory cytokines induce inflammatory effects (e.g. anorexia, fever) and play key roles in the stimulation of acute phase response (APR). The lipoxins and anti-inflammatory cytokines tend to mitigate the inflammation. Two were the aims of this research: to investigate in dairy cows the severity of APR at calving time as well as after intramammary lypopolysaccharide (LPS) administration in cows challenged with hyperinsulinemic hypoglycemic (HypoG, n=4), hyperinsulinemic euglycemic (EuG, n=5), hyperketonemic (BHB, n=4) and control (NaCl, n=6) clamps. Plasma samples were assayed for a wide metabolic and inflammatory profile. With respect to HypoG and NaCl animals, more severe APR was observed in EuG and BHB. A further aim was the proposal of an Index, composed by several acute phase proteins, to estimate Inflammatory Processes and Hepatic Consequences (IPHC). The dairy cows with lower IPHC after calving, had higher plasma levels of pro-inflammatory cytokines and of lipoxins before calving (and showed a stronger APR after calving); this was seen also in absence of clinical symptoms.

Il periodo di transizione (TP) delle vacche da latte è caratterizzata da disfunzione del sistema immunitario e dalla comparsa di fenomeni infiammatori. La tesi ha presentato una vasta revisione della letteratura seguita da 3 articoli sperimentali. Nel capitolo II sono stati investigati i cambiamenti delle citochine pro-infiammatorie (PIC) nel TP. I livelli di PIC hanno mostrato una elevata variabilità in tarda gravidanza, ma i livelli più alti hanno mostrato un’associazione con i problemi di salute e le prestazioni dopo il parto. Nel capitolo III, l'attività immunitaria di vacche in transizione è stata valutata utilizzando un test ex vivo di stimolazione del sangue con lipopolisaccaridi (WBA) e un test cutaneo alla carragenina. I risultati hanno rivelato che il sistema immunitario è molto sensibile in prossimità del parto. Entrambi i test descrivono i cambiamenti del sistema immunitario durante il TP. Nel capitolo IV, è stata valutata l’espressione genica dei leucociti durante il TP con la tecnica dell’ RNA-Seq. Confrontando i geni differenzialmente espressi con i risultati del capitolo II e III sono stati resi noti i cambiamenti funzionali dei leucociti. Complessivamente, queste ricerche contribuiscono a definire meglio la fisiologia della fase di transizione della vacche da latte. / The transition period of dairy cows is characterized by immune dysfunction and inflammatory like conditions. The thesis presented a wide review literature followed by 3 research papers. Chapter II investigated the pattern of changes of pro-inflammatory cytokines (PIC) around parturition and discovered an association with periparturient health status. PIC levels showed a high variability in late pregnancy but the highest levels demonstrated a good relationship with health troubles and performance after calving. In Chapter III, immune activity of transition cows were evaluated using: an ex vivo whole blood stimulation assay (WBA) with lipopolysaccharides and a carrageenan skin test. Results revealed that immune system is very sensitive around calving in respect to both tests, with a significant increase of pro-inflammatory cytokines and a reduction of the skin thickness after carrageenan challenge. Thus, both tests are able to describe the complex changes of the immune system combined to conventional metabolic and immune parameters. In Chapter IV, changes of leukocyte gene expression were evaluated from 20 days before to 7 days after calving using RNA-seq technique. Comparing the differentially expressed genes with the results of Chapter II and III were disclosed fundamental functional changes in leukocytes. Overall, these researches contribute to define better the physiology of the most vulnerable phase of dairy cows.

Il periparto è la parte più critica della vita della bovina da latte. I cambiamenti importanti ed improvvisi nel metabolismo e nelle condizioni di vita possono favorire l’insorgenza di problemi di salute e di uno stato infiammatorio. Una risposta eccessiva dell’organismo all’infiammazione può sottrarre risorse fondamentali, causando un peggioramento delle condizioni di salute e un calo della produzione di latte. Nella prima parte della tesi si propone un nuovo indice basato su alcuni parametri plasmatici utile a descrivere meglio la risposta all’infiammazione nel post-parto. Una identificazione rapida degli animali caratterizzati da una risposta eccessiva all’infiammazione, specialmente quelli senza sintomi esterni, permette un intervento efficace per evitare ulteriori conseguenze negative. La seconda e terza parte della tesi descrivono due prove sperimentali finalizzate a ridurre la risposta all’infiammazione impiegando acidi grassi ω-3 e/o acido acetilsalicilico. La somministrazione di acidi grassi ω-3 a cavallo del parto ha ridotto la risposta all’infiammazione e migliorato il bilancio energetico, mentre la loro somministrazione esclusivamente prima del parto ha evidenziato alcuni leggeri miglioramenti nella risposta all’infiammazione e nel bilancio energetico. La somministrazione prima del parto di acido acetilsalicilico ha causato l’insorgenza di alcuni problemi e pertanto dovrebbe essere somministrata solo dopo il parto. / The peripartum period is the most critical stage of the dairy cows. The sudden and major changes in metabolism and life conditions may favor the onset of health problems together with an inflammatory status. An excessive response by the organism to inflammation may subtract primary resources, resulting in a worsening of health status and in a lower milk yield. In the first part of the thesis a new index based on some plasma parameters is proposed to better describe the response to inflammation in the post-calving of dairy cows. An early identification of the animals characterized by a severe response to inflammation, especially without any external symptom, allows an effective intervention in order to avoid further negative consequences. The second and the third part of the thesis describe two experiments aiming to reduce the response to inflammation using ω-3 fatty acids and/or acetylsalicylic acid. The administration of ω-3 fatty acids around calving reduced the inflammatory response and improved the energy balance, while their pre-calving only administration highlighted some slight improvements in inflammatory response and energy balance. The pre-calving administration of acetylsalicylic acid caused the onset of some problems and should be used only after calving.

La tesi ha un filo logico che inizia con la quantificazione e caratterizzazione degli impatti ambientali della produzione del latte. La ricerca prosegue con l'analisi delle opzioni per mitigare questi impatti, tra cui la produzione di biogas da reflui zootecnici. Il passo successivo è stato quello di analizzare la sostenibilità ambientale della co-digestione della biomassa da colture dedicate e reflui zootecnici. La digestione anaerobica dei reflui zootecnici per la produzione di biogas e la sua combustione per produrre energia elettrica è risultata un approccio tecnologico efficace per ridurre le emissioni di gas serra in quanto riduce le emissioni dallo stoccaggio dei liquami e sostituisce la produzione di energia elettrica da combustibili fossili. La produzione di biogas da biomassa da colture dedicate, anche se non fornisce benefici ambientali di per sé, può essere considerata come una opzione per facilitare e incrementare la digestione dei reflui, ma la biomassa da colture dedicate deve essere utilizzato in modeste quantità. I risultati di questa tesi - realizzati utilizzando la metodologia LCA - possono aiutare i responsabili politici nella pianificazione delle misure volte ad aumentare la sostenibilità della produzione del latte e del biogas nelle aziende zootecniche. / The thesis has a logical thread that starts with the quantification and characterization of the environmental impacts of milk production. The research continues with the analysis of the options for mitigating these impacts, among which biogas production from manure results very effective. The next step was to analyse the environmental sustainability of co-digestion of manure and energy crops. The anaerobic digestion of manure to biogas and its combustion to produce electricity resulted as an effective technological approach to mitigate GHG emissions because it reduces the emissions from slurry storage and contributes to the displacement of electricity generation from fossil fuels. Biogas production from energy crops, although not providing environmental benefits per se, may be regarded as an option to facilitate and increase the digestion of manure, if allowed only in small shares. The results of this thesis – achieved using LCA methodology – can assist policy makers in the planning of measures aimed at increasing the sustainability of milk and biogas production from dairy farms.

Le produzioni zootecniche italiane giocano un ruolo importante nel settore agroalimentare, spaziando dagli aspetti sociali a quelli economici ed ambientali. L'Italia è leader nella produzione di latte vaccino di qualità per il consumo diretto ed è il principale paese europeo produttore di formaggi DOP. Tuttavia, la produzione di latte ha impatti sull'ambiente in quanto l'allevamento contribuisce ai gas serra presenti, principalmente dal processo digestivo degli animali, gestione degli effluenti e acquisto di alimenti, oltre alla potenziale immissione di sostanze inquinanti in acqua e suolo. L’analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment, LCA) applicata in un’ottica di obiettivo di sviluppo agricolo ed agroalimentare sostenibile, permette di individuare le principali criticità legate al settore lattiero-caseario, e di predisporre azioni di mitigazione ambientale. A tal proposito, la Commissione Europea (CE) ha sviluppato la metodologia Product Environmental Footprint (PEF) e specifiche Category Rules (PEFCR) per armonizzare le scelte metodologiche di LCA e fornire criteri oggettivi di confronto dell'eco-compatibilità di prodotti. Il progetto LIFE TTGG (The Tough Get Going) applica la relativa PEFCR per il calcolo delle prestazioni ambientali nelle filiere Grana Padano e Comté DOP, ponendo le basi per trasformare le problematiche ambientali che scaturiscono dalle attività dei singoli produttori, in opportunità di miglioramento, nell’ottica della transizione ecologica del Paese. / The livestock breeding in Italy plays an important role in the agri-food sector, spanning from social to economic and to environmental aspects. Italy is a leader in the production of quality milk for direct consumption and is the main European country producing PDO cheeses. However, milk production carries impacts on the environment, as livestock farming contributes to greenhouse gas emissions, mainly resulting from animals’ digestion system, manure management and feed purchase, as well as pollutants. With the aim of a sustainable agricultural and agri-food development, it is important to identify, through Life Cycle Assessment (LCA), main criticalities related to the dairy sector, in order to adopt environmental mitigation actions. In this regard, the EC has developed the Product Environmental Footprint (PEF) methodology and specific Category Rules (PEFCR), harmonizing the methodological choices of LCA and providing objective criteria to compare the eco-compatibility of products. The LIFE TTGG (The Tough Get Going) project applies the PEFCR, calculating the environmental performance of the Grana Padano and Comté PDO supply chains and laying the bases for transforming the environmental problems arising from the activities of individual producers into opportunities for improvement, with a view to the Country's ecological transition.

Condizioni meteorologiche e clima influenzano fortemente il settore delle produzioni animali. Lo stress da caldo determina una significativa riduzione dell'attività metabolica, della produzione, della capacità riproduttiva e una maggiore predisposizione alle malattie. Nel contesto biologico, la temperatura dell’aria è sicuramente considerata il principale fattore di stress, tuttavia, un’elevata umidità peggiora l'effetto della temperatura riducendo le perdite di calore per evaporazione e ostacolando quindi l’eliminazione del calore in eccesso. Scopi principali della ricerca sono stati la caratterizzazione dell’area del Mediterraneo in termini di Temperature Humidity Index (THI) e stabilire le relazioni tra stagione/THI e mortalità nella bovina da latte allevata in un’area geografica Italiana altamente vocata per questo tipo di allevamento. I risultati suggeriscono che, allevatori e politici che operano nell’area Mediterranea, dovrebbero tenere nella dovuta considerazione variabilità e scenari del THI nella pianificazione degli investimenti nel settore delle produzioni animali. Conoscere in anticipo il verificarsi di condizioni climatiche avverse permetterebbe agli allevatori di metter in atto misure di contrasto sugli effetti negativi delle condizioni climatiche. Inoltre, dovrebbero venire sviluppate misure di adattamento appropriate per contesti specifici in termini di cultura, società, o sistemi politici, che possano contribuire alla sostenibilità ambientale, nonché allo sviluppo economico e alla lotta alla povertà. / Weather and climate strongly influence the field of animal production. Heat stress causes a significant reduction in metabolic activity, production, reproductive capacity, and increases susceptibility to diseases. In the biological context, the air temperature is definitely considered the main factor of stress, however, high humidity worsens the effect of temperature by reducing the evaporation heat loss and thus preventing the removal of excess heat. The main purposes of the research were the characterization of the Mediterranean basin in terms of Temperature Humidity Index (THI) and to establish relationships between season/THI and mortality in dairy cattle bred in an Italian geographic area with a high concentration of dairy farms. THI variability and scenarios should be taken into careful consideration by farmers and policy makers operating in Mediterranean countries when planning investments. Investments should at least partially be directed to implementation of adaptation measures, which may support farmers in the transition to climate-smart agriculture and help them to alleviate the impact of hot extremes on animal welfare, performance and health. In addition, measures should be developed appropriate adaptation to the specific contexts in terms of culture, society, or political systems, which can contribute to environmental sustainability and economic development and fighting poverty.

La tesi è divisa in quattro manoscritti. Lo scopo è lo studio di tre aspetti, come casi-studio indipendenti, all’interno della gestione della catena alimentare dai mangimi al latte. Il primo manoscritto riguarda la fortificazione del latte bovino con iodio e selenio allo scopo di migliorare la qualità del latte e dei suoi derivati; il secondo riguarda la contaminzione dei mangimi con melamina come fattore di rischio per l’industria lattiero-casearia e la salute pubblica. Gli ultimi due lavori sono corollari alla qualità del latte derivante dallo iodio: ovvero un confronto analitico tra procedure di determinazione dello iodio in latte crudo, e uno studio di speciazione dello iodio inorganico nel latte crudo fortificato. Il primo lavoro offre informazioni per meglio comprendere i fattori coinvolti nel miglioramento della concentrazione dello iodio e del selenio nel latte a seguito di una fortificazione della dieta animale. Riguardo la melamina, lo studio conferma il passaggio di essa dai mangimi al latte e la sua rapida escrezione anche a livelli bassi di ingestione da parte dell’animale; uno scarso passaggio dal latte al formaggio. Il terzo lavoro mostra che, per analisi dello iodio con ICP-MS, l’estrazione dell’elemento con soluzione d’ammoniaca è una valida alternativa al metodo ufficiale con TMAH. La speciazione dello iodio inorganico nel latte scremato è un’operazione possibile utilizzando delle diluizioni con soluzione d’ammoniaca (quarto manoscritto). / The thesis is divided into 4 manuscripts. The aim is to study three aspects, as independent case studies, within the quality management of feed-for-food system. The first manuscript is about the fortification of feeds with iodine and selenium to improve the quality of cow’s milk and derivatives; the second one investigates the contamination of feeds with melamine as risk factor for dairy industries and human health. The last two works are corollaries to the iodine-linked quality of milk: i.e. a comparison between analytical procedures for the determination of iodine in raw milk, and a speciation study of iodine in fortified milk. The first work helps to better understand factors involved in improvement of milk iodine and selenium concentration and CO following supplementation with inorganic sources. Regarding melamine, the study confirmed the pathway for its transmission from feed to milk and its rapid excretion, also at a very low level of melamine ingestion by cows; and a low transfer from milk to cheese. The third study shows that the ammonia extraction of iodine is a valid alternative to the official method with TMAH for iodine determination in milk, by using ICP-MS. The speciation of inorganic iodine in skimmed milk is feasible by using ammonia dilution (fourth manuscript).