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Oct 12, 2023

In vitro ruminale Abbaubarkeit von mit Weiß angebautem Weizenstroh

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 7794 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die biologische Behandlung von Getreidestroh für die Ernährung von Wiederkäuern könnte eine umweltfreundliche Option zur Verwertung eines weit verbreiteten Nebenprodukts der Getreideproduktion für landwirtschaftliche Systeme mit geringem externen Input darstellen. Mehrere Stämme von Weißfäulepilzen wurden in der Vergangenheit unter meist kontrollierten Laborbedingungen auf ihre Fähigkeit zum Ligninabbau hin ausgewählt. Die Studie wurde zu Zwecken der Hochskalierung an die Bedingungen auf dem Bauernhof angepasst. Die Entwicklung der In-vitro-Strohverdaulichkeit mit zwei verschiedenen Befeuchtungsvorbehandlungen und beimpft mit drei verschiedenen Pilzarten, nämlich Pleurotus ostreatus, Ceriporiopsis subvermispora und Volvariella volvacea, wurde bis zu 42 Tage der Fermentation mit fünf Probenahmezeitpunkten bestimmt. Die Auswirkung physikalischer Strohvorbehandlungen auf die Ernährungsparameter wurde bewertet. Die Neutralwaschfaserverdaulichkeit (NDFD30h), die enzymatisch lösliche organische Substanz (ELOS) und die Gasproduktion (Hohenheimer Futterwerttest, HFT) als Indikatoren für die In-vitro-Abbaubarkeit im Pansen nahmen im Laufe der Zeit unabhängig vom Pilz ab: HFT, ELOS und NDFD30h um bis auf 50, 35 und 30 % des ursprünglichen Strohs. Durch erneutes Befeuchten und Autoklavieren des Strohs erhöhte sich die Gasproduktion deutlich um 2,6 ml/200 g Trockenmasse (TM) und ELOS und NDFD30h um 45 bzw. 51 g/kg TS im Vergleich zum Originalstroh (34,9 ml/200 mg TS, 342 g/kg). kg TM, 313 g/kg NDF).

Der Mangel an Raufutter für Wiederkäuer aufgrund der Dürre in Teilen Europas in den Jahren 2018–2020 hat die Suche nach alternativen Faserquellen für das Futter wiederbelebt.

Getreidestroh ist weit verbreitet. Allein in Deutschland werden jährlich über 8 Mio. t Trockenmasse (TM) ohne weitere Verwendung recycelt1. Das Haupthindernis für seinen umfassenden Einsatz in der Tierernährung ist jedoch seine geringe Verdaulichkeit aufgrund des hohen Ligningehalts und seiner starken Bindungen in Lignin-Kohlenhydrat-Komplexen2.

Nach einer Reihe von Untersuchungen zur chemischen Strohbehandlung zur Verbesserung der Verdaulichkeit in Deutschland und anderswo3,4,5,6 wurde seit den 1990er Jahren verstärkt der Schwerpunkt auf die biologische Behandlung mit Weißfäulepilzen gelegt. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass einige Arten und Stämme unter bestimmten Bedingungen Lignin abbauen können7,8,9,10,11. Beispielsweise delignifizierte Ceriporiopsis subvermispora (Cs) in einer Laborstudie Weizenstroh und Eichenholzspäne während der ersten fünf Behandlungswochen12. Pleurotus ostreatus (Po) exprimierte ligninolytische Peroxidase13 und veränderte das Verhältnis der Ligninpolymere bei gleichzeitiger Erhöhung der Verdaulichkeit14. Mit Volvariella volvacea (Vv) beimpfte Bananenblätter verringerten den Gehalt an sauren Detergensfasern (ADF) und Lignin (ADL)15. Trotz der zahlreichen Veröffentlichungen gab es unseres Wissens bisher keine oder zumindest wenige praktische Umsetzungen in größerem Maßstab auf landwirtschaftlichen Betrieben.

Ziel unserer Studie war es, ausgewählte Pilzstämme von Po, Cs und Vv auf ihre Wirksamkeit zur Verbesserung der Pansenverdaulichkeit in vitro zu testen, die Auswirkungen der Vorbehandlungen zu hinterfragen und herauszufinden, ob sie unter praktischen landwirtschaftlichen Bedingungen, beispielsweise in Deutschland, angewendet werden können .

Zur optimalen Gärzeit gibt es unterschiedliche und widersprüchliche Aussagen. Van Kuijk et al.12 fanden einen optimalen Ligninabbau nach 5 Wochen mit Cs, während Owen et al.16 im Allgemeinen eine maximale Fermentationszeit von 6–8 Tagen empfahl, um Verluste an organischer Substanz zu begrenzen. Daher wurden im Laufe eines Zeitverlaufs Proben zur Analyse entnommen.

Bei der Verwendung landwirtschaftlicher Getreidearten in der Studie wurden alle lokalen und nationalen Richtlinien und Gesetze eingehalten.

Winterweizenstroh (Triticum aestivum Linnaeus) ohne sichtbaren Pilzbefall wurde im Juli 2018 in Köllitsch (51,5° Breite, 13,1° Länge), Nordsachsen, Deutschland, geerntet und als Quaderballen in trockener Umgebung gelagert. Es wurde von der Landwirtschaftlichen Lehr- und Versuchsstelle des Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie bezogen und im Rahmen der landwirtschaftlichen Produktion angebaut. Die Schnittlänge betrug 7–10 cm.

In diesem Artikel werden vier im Jahr 2019 durchgeführte Versuche beschrieben: drei zu Pilzbehandlungen (zwei mit eingeweichtem und abgetropftem Stroh und zwei mit nur wiederbefeuchtetem Stroh) (Tabelle 1) und ein Versuch zur physikalischen Behandlung.

Eine Übersicht über die biologischen Behandlungen ist in Tabelle 1 gegeben.

Körnerbrut wurde unter Verwendung von Weizenkörnern hergestellt, die mit Ceriporiopsis subvermispora CBS 347.63, Pleurotus ostreatus CBS 411.71 bzw. PO93, Volvariella volvacea DSM 6190, beimpft und 8–14 Tage lang bei 24 °C (30 °C im Fall von V. volvacea) inkubiert wurden wie in Martens et al.17 beschrieben.

Weizenstroh wurde 20–24 Stunden lang in reichlich Leitungswasser eingeweicht, also untergetaucht, und anschließend 2–3 Stunden lang abgetropft. Dieses „entwässerte Stroh“ wurde dann mit Körnerbrut beimpft und maximal 6 Wochen lang bei 21 °C inkubiert, wie in Martens et al.17 beschrieben. Siehe auch Tabelle 1. Alle Proben wurden am Tag 0 gewogen und in wöchentlichen Abständen dreifach entnommen. Dann wurden sie erneut gewogen. Neben dem Gewicht wurden auch der Trockenmassegehalt (TM) und der pH-Wert bestimmt. Der Strohhalm wurde visuell untersucht. Die Proben wurden zur weiteren Analyse bei –20 °C eingefroren.

Dem Weizenstroh wurde eine definierte Menge Wasser zugesetzt. Auf diese Weise wurde ein Ziel-TS von 250 g/kg erreicht. Nach 22 h zum Aufsaugen des Wassers und zwischenzeitlichem Wenden wurde das wiederbefeuchtete Stroh wie bei Martens et al.17 beschrieben mit Körnerbrut beimpft. Siehe auch Tabelle 1.

Proben von etwa 1200 g wurden in perforierten Beuteln bei 23–24 °C (17 für Einzelheiten) aerob gelagert und in Versuch 2 in wöchentlichen Abständen und in Versuch 3 nach 0, 5, 7, 10 und 14 Tagen in vierfacher Ausfertigung entnommen. Alle Proben wurden am Tag 0 gewogen und nach der Entnahme zur Analyse wurden der TS-Gehalt und der pH-Wert bestimmt. Der Strohhalm wurde visuell untersucht. Die Proben wurden zur weiteren Analyse bei –20 °C eingefroren.

In einem zweiten Schritt wurde nach Auswertung der analytischen Ergebnisse der ersten Versuche mit den biologischen Behandlungen der Einfluss von Einweichen plus Entwässerung bzw. ausschließlicher Wiederbefeuchtung und Autoklavieren auf den Nährstoffgehalt von Stroh getestet. Stroh wurde in Nylonsäcke verpackt. Behandlungen in dreifacher Ausführung:

Kontrolle (lufttrockenes Stroh)

Leitungswasser (2680 ml/kg lufttrockenes Stroh) wurde zu den Beuteln in einer Plastikwanne gegeben, die Beutel wurden nach einigen Stunden umgedreht. Nach 20 Stunden wurde der Inhalt der Beutel locker in die Wanne gefüllt, um das restliche Wasser eine weitere Stunde lang einzuweichen.

Als B. Danach wurde loses Stroh in einen Käfig gefüllt und 20 Minuten lang bei 121 °C autoklaviert.

Reichlich Leitungswasser wurde in Eimer mit mit Stroh gefüllten Nylonbeuteln gefüllt. Nach 20-stündigem Einweichen wurden die Beutel 3 Stunden lang zum Abtropfen aufgehängt.

Wie D. Danach wurde loses Stroh in einen Käfig gefüllt und 20 Minuten lang bei 121 °C autoklaviert.

Die Proben wurden chemisch analysiert.

Proben von unbehandeltem und behandeltem Stroh wurden auf TS, Rohasche, neutrale Detergensfasern, die mit einer hitzestabilen Amylase untersucht und ohne Restasche ausgedrückt wurden (aNDFom), saure Detergensfasern, ausgedrückt ohne Restasche (ADFom), und saures Detergenslignin (ADL) analysiert ), Ätherextrakt (EE), Rohprotein, enzymatisch lösliche organische Substanz (ELOS), Gasbildung nach dem Hohenheimer Futterwerttest (HFT) (alle Parameter nach VDLUFA18 und NDF-Verdaulichkeit (NDFD30h)19.

Für die ausschließlich physikalisch behandelten Proben wurden folgende Parameter berechnet: verdauliches aNDFom (g/kg TM) = NDFD30h (in %)/100 * aNDFom (g/kg TM), unverdauliches aNDFom = aNDFom (g/kg TM) – verdauliches aNDFom (g/kg TS), Nichtfaserkohlenhydrate (NFC) = (1000-(aNDFom + CP + EE + Asche)), Cellulose = (ADFom-ADL), das Verhältnis ADL/ADFom als Indikator für den Verholzungsgrad, insgesamt verdauliche Nährstoffe TDNgrass = (NFC * 0,98) + (CP * 0,87) + (FA * 0,97 * 2,25) + (NDF * 0,93 * (22,7 + 0,664 * NDFD30h)/100) − 10 (in % der TM, FA-Fettsäuren = Ätherextrakt – 1; Gleichung für Gras nach Moore und Undersander20; NDFD48h ersetzt durch NDFD30h), geschätzte Trockenmasseaufnahme (DMIgrass) = − 2,318 + 0,442 * CP − 0,01 * CP2 – 0,0638 * TDN + 0,000922 * TDN2 + 0,18 * ADFom − 0,00196*ADF2 – 0,00529 * CP * ADFom (für Gras: Moore und Kunkle21), relative Futterqualität RFQ = (DMIgrass, % der BW)*TDNgrass, % der TM)/1,23 (Undersander und Moore22).

Für die biologischen Behandlungen wurden folgende Auswirkungen auf die In-vitro-Verdaulichkeit getestet:

1. Versuch (eingeweichtes und abgetropftes Stroh):

wobei µ = allgemeiner Mittelwert, i = 1, 2, 3 (C. subvermispora, P. ostreatus (2 Stämme)), j = 1, 2, 3, …, 7 (0 Tage, 7 Tage, 14 Tage, 21 Tage , 28 d, 35 d, 42 d Fermentationszeit), εij = Restfehler

2. und 3. Versuch (wiederbefeuchtetes Stroh):

wobei µ = allgemeiner Mittelwert, i = 1, 2, 3 (C. subvermispora, P. ostreatus PO93, V. volvacea), j = 1, 2, 3, …, 5 (0 d, (5 d,) 7 d , (10 d,) 14 d, (21 d, 28 d) Fermentationszeit), εij = Restfehler

Zum Einsatz kam die Software IBM® SPSS® Statistics (Version 19, SPSS, Inc., IBM Company©). Für die Behandlungen nach der jeweiligen Lagerzeit wurde eine Varianzanalyse mit den Verfahren univariat und multivariat durchgeführt, während der Post-hoc-Tukey-Test die ursprünglichen Strohwerte umfasste. Für verschiedene Verdaulichkeitsindikatoren wurde eine lineare Regressionsanalyse durchgeführt und die Pearson-Korrelation berechnet.

Für die physikalischen Behandlungen wurde ein zweifaktorielles Modell mit festen Effekten und Wechselwirkungen unter Verwendung von SAS® (Version 9.4 TS Level 1M7, SAS Institute Inc., Cary, NC, USA, 2020) angewendet:

wobei i = 1, 2 (Wiederbefeuchtung, Einweichen + Abtropfen), j = 1, 2 (nein, ja), εijk = Restfehler

Aus den rein physikalischen Behandlungen wurde errechnet, dass das Einweichen in reichlich Wasser plus Abtropfen zu einem durchschnittlichen Verlust von 90,6 g/kg TM führte, während das wiederbefeuchtete Stroh mit einer definierten Wassermenge nur 3,5 g/kg TM verlor.

Innerhalb von 14 Tagen nach der Fermentation verloren die wiederbefeuchteten Behandlungen etwa 108 g/kg TS (Versuch 2 und 3), was dem entwässerten, mit PO93 beimpften Stroh (Versuch 1) ähnlich war (ohne Verluste durch Entwässerung) (Abb. 1a,b). Die Verluste der abgelassenen C. subvermispora-Behandlung waren zu diesem Zeitpunkt vergleichsweise gering (29 g/kg TS), stiegen jedoch bis zum 28. Tag auf 241 g/kg (Abb. 1a). Ein ähnliches Niveau der Drainagebehandlung mit PO93 wurde erst am Tag 42 erreicht, während bei P. ostreatus CBS 411,71 die Verluste am niedrigsten waren (139 g/kg am Tag 42). V. volvacea erhöhte die TS-Verluste vom 7. bis zum 28. Tag im wiederbefeuchteten Stroh nahezu linear (y = 0,725x − 0,642, R2 = 0,97, p = 0,002) auf 192 g/kg TS am 28. Tag (Abb. 1b).

Trockenmasseverluste berechnet ab Beginn der Inkubation: (a) entwässertes Stroh, beimpft mit zwei Stämmen von Pleurotus ostreatus (Po) und Ceriporiopsis subvermispora (Cs), (b) wiederbefeuchtetes Stroh, beimpft mit Pleurotus ostreatus (Po), Volvariella volvacea (Vv) und Ceriporiopsis subvermispora (Cs).

Zunächst werden die Ergebnisse der chemischen Zusammensetzung von Stroh nach physikalischer Behandlung vorgestellt (Tabellen 2, 3, 4). Die Wechselwirkung zwischen der Art der Benetzung und dem Autoklavieren war für ADFom von Bedeutung, dessen Gehalt sich sowohl durch Einweichen plus Abtropfen als auch durch Autoklavieren erhöhte (Tabelle 2). Parameter, die aus Berechnungen einschließlich ADFom resultierten, waren gleichermaßen betroffen. Die meisten Parameter wurden durch die Art der Benetzung beeinflusst (Tabelle 3). Die Entwässerung führte zu höheren EE-, aNDFom- und ADL-Gehalten, während NDFD30h und ELOS im Vergleich zur Wiederbefeuchtung reduziert wurden. Autoklavieren erhöhte die Gasproduktion leicht und erhöhte den ELOS (Tabelle 4). Im Vergleich zum Originalstroh steigerte Wiederbefeuchtung plus Autoklavieren die In-vitro-Verdaulichkeit im Hinblick auf NDFD30h, Gasproduktion und ELOS.

Für alle drei Indikatoren der In-vitro-Verdaulichkeit gab es eine signifikante Wechselwirkung zwischen Pilzstamm und Lagerzeit des entwässerten Strohs (Tabelle 5). Bei den wiederbefeuchteten Behandlungen zeigten diese Indikatoren ab der zweiten Woche einen gleichmäßigen Rückgang und wurden weniger durch den Pilzstamm beeinflusst (Abb. 2). Obwohl zahlenmäßig höher, stieg der NDFD30h in der ersten Woche nach der Inokulation weder bei der Abtropf- noch bei der Wiederbefeuchtungsbehandlung signifikant an (Abb. 2a, b). Vielmehr nahm sie im Laufe der Zeit ab. Beim Vergleich von entwässertem und wiederbefeuchtetem Stroh, das nach 7 und 14 Tagen mit P. ostreatus PO93 und C. subvermispora inokuliert wurde, war nur NDFD30h von C. subvermispora im entwässerten Stroh deutlich höher als sein Gegenstück im wiederbefeuchteten Stroh. Die ELOS- und HFT-Werte waren innerhalb der beiden Pilzstämme gleichzeitig vergleichbar. Zu keinem Zeitpunkt war einer der In-vitro-Verdaulichkeitsparameter im Vergleich zum Ausgangswert oder zum trockenen Kontrollstroh verbessert (Abb. 2, graue Grundlinie).

Zeitliche Veränderungen der In-vitro-Verdaulichkeit von Weizenstroh, das mit verschiedenen Pilzstämmen beimpft wurde. Links: abgetropftes Stroh, inokuliert mit zwei Stämmen von Pleurotus ostreatus (Po) und Ceriporiopsis subvermispora (Cs), rechts: wiederbefeuchtetes Stroh, inokuliert mit Pleurotus ostreatus (Po), Volvariella volvacea (Vv) und Ceriporiopsis subvermispora (Cs). NDFD30h Neutralwaschmittelfaserverdaulichkeit, ELOS enzymatisch lösliche organische Substanz, HFT-Gasproduktion (Hohenheimer Futterwerttest). Graue durchgezogene Linie: Basislinie aus ursprünglichem unbehandeltem Stroh. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung SD dar.

Die Festkörperfermentation von Stroh mit Basidiomyceten ist ein Ansatz zur Verwertung von Feldfruchtrückständen entweder für die Ernährung von Wiederkäuern10 oder für den menschlichen Pilzkonsum23 oder die Biokraftstoffproduktion. Feuchtigkeit, Temperatur und einheimische Mikroflora sind einige Faktoren, die sowohl das Wachstum der Pilze24 als auch die Nährstoffzusammensetzung und Verdaulichkeit des Strohs nach der Ernte25 beeinflussen. Um eine Aufnahme im landwirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, müssen alle Verarbeitungsschritte berücksichtigt und nach Möglichkeit minimiert werden. Gleiches gilt für Verluste vom Feld bis zum Futtertrog.

In den meisten Studien zur Strohbehandlung mit Pilzen wird das Stroh mehrere Stunden oder Tage lang in reichlich Wasser eingeweicht und dann mehrere Stunden lang abgetropft11,26,27. Die vorgestellte Studie begann damit, den Empfehlungen für den Hobbypilzanbau zu folgen28. Bei der chemischen Analyse wurde jedoch festgestellt, dass ein Großteil der vergärbaren Kohlenhydrate verloren ging und die Ligninkonzentration um etwa 23 %17 anstieg, bei gleichzeitig abnehmender Verdaulichkeit. Aus diesem Grund wurde die Vorbehandlung dahingehend geändert, das Stroh mit einer begrenzten Wassermenge zu bewässern, um eine Trockenmasse von etwa 25 % zu erreichen. Laut Streeter et al.29 war ein höherer TS-Gehalt (50 %) für die Inkubation empfehlenswert, was im Gegensatz zu den Beobachtungen von Abdullah et al.30 steht, die einen Feuchtigkeitsgehalt von 80 % für optimales Pilzwachstum empfahlen.

Ein zweiter Punkt der Vorbehandlung ist das Autoklavieren, was in Laborstudien eine gängige Praxis ist (z. B.31,32). Um die praktische Umsetzung im landwirtschaftlichen Betrieb wahrscheinlicher zu machen, wurde dieser Ansatz aufgegeben.

Um die Wirkung der physikalischen Vorbehandlung zu bewerten, wurde ein separater Versuch durchgeführt. Wiederbefeuchten plus Autoklavieren hatte den deutlichsten Effekt auf die Steigerung der Verdaulichkeit. Die meisten Vorteile wurden bei NDFD30h (+ 17 %) und ELOS (+ 12 %) gesehen. Die Behandlung mit Hochdruckdampf führte zu einer höheren Verdaulichkeit von Trockenmasse und Zellwandbestandteilen mit unterschiedlichen Ballaststoffen33, und sogar heißes Wasser mit einem pH-Wert von 4–7 hatte eine Wirkung, indem es Lignin und Hemizellulose entfernte34.

Das Verhältnis von Zellulose/ADL war im wiederbefeuchteten Stroh ohne Autoklavierung am höchsten. Allerdings war dieser Parameter offensichtlich weniger mit der Verdaulichkeit verbunden, im Gegensatz zu den Ergebnissen von Nayan et al.11, die eine Korrelation von r = 0,64 zwischen (Cellulose + Hemicellulose)/ADL und IVGP (In-vitro-Gasproduktion) ermittelten. Auch das Verhältnis von ADL/ADFom zeigte keinen klaren Zusammenhang mit der Verdaulichkeit. Die berechneten Futterqualitätsparameter (TDN, RFQ, DMI) waren zwischen dem wiederbefeuchteten und dem ursprünglichen Stroh ähnlich, während sie bei den entwässerten Behandlungen niedriger waren. Dies hängt mit den Formeln zusammen, da diese sowohl NFC-Inhalte als auch NDFD30h umfassen. Da der NFC-Gehalt durch die Auswaschung deutlich um fast die Hälfte reduziert wurde, hatte dies einen großen Einfluss auf die Parameter. Allerdings blieb ELOS auf dem gleichen Niveau wie der ursprüngliche Strohhalm.

Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen wurde im fermentierten Stroh keine Steigerung der Verdaulichkeit festgestellt, obwohl der NDFD30h innerhalb der ersten 7 Tage im Durchschnitt zahlenmäßig höher war. Aus diesem Grund wurde im Versuch 3 die Fermentationsdauer auf 14 Tage verkürzt und auf kürzere Probenahmeintervalle geachtet.

In den vorgestellten Versuchen wurde derselbe Stamm von C. subvermispora (CBS 347.63) verwendet wie in anderen in Wageningen durchgeführten Experimenten. In diesen Studien stieg der IVGP während eines 7-wöchigen SSF-Zeitraums auf Basis von abgetropftem und autoklaviertem Weizenstroh um etwa 30 %, obwohl er nicht mit dem ursprünglichen trockenen Stroh verglichen wurde11,27. Unter den unsterilen Bedingungen der vorgestellten Studie wurde jedenfalls kein Anstieg des IVGP (HFT) beobachtet. Die Abnahme der Verdaulichkeit ging in diesen Versuchen mit einem Anstieg der Ligninkonzentration um bis zu 42 g ADL/kg DM17 einher. Nayan et al.35 vermuteten ein Problem in den ADL-Analysen beim Umgang mit Pilzen, da sie trotz hoher ADL-Werte einen Anstieg des IVGP um 28–48 % beobachteten. Allerdings stieg die Gasproduktion in den vorgestellten Versuchen nicht an.

Der P. ostreatus-Stamm CBS 411.71 wurde früher in einem Experiment zur Bioethanolproduktion aus Weizenstroh eingesetzt36. Dort verbesserte es nach 14 und 28 Tagen die enzymatische Verdaulichkeit und erhöhte die (Hemi-)Zelluloseverdaulichkeit von 35 auf 55 %. Allerdings waren die Erträge an vergärbarem Zucker vergleichsweise gering.

Die in den vorgestellten Versuchen allgemein beobachtete abnehmende Verdaulichkeit könnte auch mit dem fehlenden Autoklavieren im Sinne einer Sterilisation vor der Inokulation zusammenhängen, da die konkurrierende epiphytische Mikroflora möglicherweise die von den Weißfäulepilzen freigesetzten Nährstoffe verbraucht hat, ähnlich wie bei der Beobachtung von Lang et al. 37. Oder der Pilzabbau wurde durch einen Konkurrenzeffekt mit der einheimischen Mikroflora gehemmt38,39. Auf jeden Fall gaben Streeter et al.29 an, dass eine Autoklavierung bei seinen kleinen Probengrößen nicht notwendig sei. Tuyen et al.40 verglichen die Gasproduktion von Stroh, das bis zu 7 Wochen lang mit verschiedenen Pilzen beimpft wurde, mit der von nur autoklaviertem Weizenstroh (Kontrolle). Am 21. Tag zeigten C. subvermispora und L. edodes von 6 Pilzarten eine höhere Gasproduktion, am 35. Tag überschritt P. eryngii die Kontrolle. Die anderen Arten übertrafen jedoch nicht die Kontrolllinie. Mit V. volvacea inokuliertes Stroh nahm im IVGP vom 21. bis zum 49. Tag der Inkubation linear ab40, was eher mit unserer Beobachtung vergleichbar war.

Für die Hochskalierung arbeiteten Zadrazil et al.7 mit unsterilen Kulturbedingungen. Allerdings stellte der Autor keine Unterschiede in der Verdaulichkeit im Vergleich zu sterilen Bedingungen dar. Auch Rai et al.41 scheinen ohne Autoklavierung mit Coprinus fimetarius in Reisstroh gearbeitet zu haben und erzielten in Fütterungsversuchen mit Ziegen in Indien Ergebnisse, die mit mit Harnstoff behandeltem Stroh vergleichbar waren.

Das Temperaturoptimum für Wachstum und Stoffwechsel ist von Art zu Art und von Stamm zu Stamm unterschiedlich. Der in der vorgestellten Studie verwendete Temperaturbereich für die Inkubation von 21 bis 24 °C ähnelt dem von Nayan et al.27, van Kuijk et al.12 und Fazaeli et al.42 berichteten, ist jedoch für V. volvacea niedriger im Vergleich zu Belewu und Belewu15 mit beispielsweise 35 °C. In jedem Fall wurde bei allen inokulierten Stämmen Wachstum beobachtet, sowohl unter sauren als auch unter alkalischen Bedingungen17.

Allein die Behandlung durch Abtropfen und Einweichen führte zu etwa 10 % TS-Verlusten und noch höheren Verlusten bei der NFC-Konzentration. Weitere 10 % DM gingen innerhalb von 14 Tagen nach der Inkubation unabhängig von der Vorbehandlung verloren. Einige Studien beziffern die unterschiedlichen Verluste. Bei Pilzen der Gattung Ionotus wurden nach 30-tägiger Inkubation in Weizenstroh etwa 24 % TM-Verluste beobachtet43. Zuo et al.44 fanden bei Pleurotos chrysosporium in Maisstroh einen TS-Verlust von bis zu 50 % nach 28 Tagen, was im Vergleich zu anderen Befunden relativ hoch ist14,45. Obwohl bei der Inkubation von Weizenstroh mit P. ostreatus und Erwinia carotovora eine gewisse Steigerung der In-vitro-DM-Verdaulichkeit erreicht wurde, stellen DM-Verluste von 52 % den Verlust von 69 % Lignin in Frage, der in einer anderen Studie zu einer etwas höheren IVDMD führte46. Außerdem ging der TS-Verlust nicht unbedingt mit dem gewünschten Ligninverlust11,43 und/oder der Erhöhung der Verdaulichkeit einher, wie in den physikalischen Behandlungen hier gezeigt.

Einige Autoren empfahlen eine kurze Fermentationsdauer von 6–15 Tagen, um Verluste zu minimieren16,41,47,48 und die Nährstoffaufnahme in vivo zu erhöhen41. Darüber hinaus weisen einige Weißfäulepilze eine hohe anfängliche Selektivität für Lignin auf49. Shrivastava et al.50 fanden sogar die höchste In-vitro-OM-Verdaulichkeit nach 5 Tagen SSF. Dies ist ein Grund dafür, dass im Versuch 3 die Fermentationszeit und die Probenahmeintervalle verkürzt wurden. Es steht jedoch im Widerspruch zu den verschiedenen potenziellen Delignifizierungsphasen, die von Zadrazil et al.7,25 und van Kuijk et al.9 beschrieben wurden.

Die Studie betont die Komplexität der Festkörperfermentation im Hinblick auf die Ernährung von Wiederkäuern. Keiner der getesteten Pilzstämme konnte die In-vitro-Strohabbaubarkeit im Pansen unter den gegebenen Bedingungen verbessern. Je mehr es um das Upscaling geht, desto wichtiger wird die Vorbehandlung. Durch die Befeuchtung kann der Faserkomplex anschwellen und somit leichter vom Pansenmikrobiom angegriffen werden. Da das Autoklavieren für die Anwendung in landwirtschaftlichen Betrieben eher unrealistisch ist, sollten einfache physikalische Behandlungen wie die Verwendung von heißem Prozesswasser als potenzielle wirtschaftliche Option zur Verbesserung der Pansenfermentierung von lignozellulosehaltigen Materialien in den Fokus gerückt werden.

Die im Rahmen der vorgestellten Studie generierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Brosowski, A. et al. Biomassepotenziale von Rest-und Abfallstoffen: Status quo in Deutschland [Potential of biomass from residues and waste materials: status quo in Germany]. (2015).

Lee, HV, Hamid, SBA & Zain, SK Umwandlung von Lignozellulose-Biomasse in Nanozellulose: Struktur und chemischer Prozess. Wissenschaft. World J. 2014, 631013. https://doi.org/10.1155/2014/631013 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Flachowsky, G. Physikalische, chemische und biologische Methoden der Strohaufbereitung und Möglichkeiten der praktischen Nutzung [Physical, chemical and biological methods of straw treatment and options for their practical application]. Wissenschaftliche Zeitschrift der Karl-Marx-Universität Leipzig 36, 232–247 (1987).

Google Scholar

Block, H. J., Weissbach, F. & Prym, R. Untersuchungen zum Feuchtaufschluss von Stroh mit Natronlauge. 1. Mitteilung: Veränderungen der Verdaulichkeit und der Energiekonzentration [Investigations on the treatment of moist straw with caustic soda. 1st Communication: Changes of the digestibility and of the energy concentration]. Arch. Anim. Nutr. 35, 61–80. https://doi.org/10.1080/17450398509426968 (1985).

Artikel Google Scholar

Block, H. J. & Weissbach, F. Untersuchungen zum Feuchtaufschluss von Stroh mit Natronlauge. 2. Mitteilung: Veränderungen der Alkalität bei der Lagerung von NaOH-Aufschlussstroh [Investigations on the treatment of moist straw with caustic soda. 2nd Communication: Changes of the alcalinity during the storage of NaOH treated straw]. Arch. Anim. Nutr. 35, 147–161. https://doi.org/10.1080/17450398509426968 (1985).

Artikel CAS Google Scholar

Mbatya, PBA Methoden zur Verbesserung der Nutzung von Getreidestroh durch Wiederkäuer. III. Ein Hinweis zur Wirkung der Silierung von mit Harnstoff behandeltem Stroh. Anim. Feed Sci. Technol. 9, 181–183. https://doi.org/10.1016/0377-8401(83)90032-9 (1983).

Artikel Google Scholar

Zadrazil, F., Kamra, DN, Isikhuemhen, OS, Schuchardt, F. & Flachowsky, G. Biokonversion von Lignozellulose in Wiederkäuerfutter mit Weißfäulepilzen – Rückblick auf die Arbeit der FAL, Braunschweig. J. Appl. Anim. Res. 10, 105–124. https://doi.org/10.1080/09712119.1996.9706139 (1996).

Artikel Google Scholar

Mahesh, M. & Mohini, M. Biologische Behandlung von Ernterückständen für die Fütterung von Wiederkäuern: Eine Übersicht. Afr. J. Biotechnologie. 12, 4221–4231. https://doi.org/10.5897/AJB2012.2940 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

van Kuijk, SJA Fungal Treatment of Lignocellulose Biomass (Universität Wageningen, 2016).

Google Scholar

van Kuijk, SJA, Sonnenberg, ASM, Baars, JJP, Hendriks, WH & Cone, JW Mit Pilzen behandelte lignozellulosehaltige Biomasse als Zutat für Wiederkäuerfutter: Eine Übersicht. Biotechnologie. Adv. 33, 191–202. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2014.10.014 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Nayan, N., Sonnenberg, ASM, Hendriks, WH & Cone, JW Screening von Weißfäulepilzen für die Bioverarbeitung von Weizenstroh zu Wiederkäuerfutter. J. Appl. Mikrobiol. 125, 468–479. https://doi.org/10.1111/jam.13894 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

van Kuijk, SJA et al. Pilzbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse. 88–110 (Universität Wageningen, 2016).

Fernandez-Fueyo, E. et al. Ligninolytische Peroxidase-Genexpression durch Pleurotus ostreatus: Differenzielle Regulierung im Lignozellulosemedium und Einfluss von Temperatur und pH-Wert. Pilzgenet. Biol. 72, 150–161. https://doi.org/10.1016/j.fgb.2014.02.003 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Valmaseda, M., Martinez, MJ & Martinez, AT Kinetik der Weizenstroh-Festkörperfermentation mit Trametes versicolor und Pleurotus ostreatus: Lignin- und Polysaccharidveränderung und Produktion damit verbundener enzymatischer Aktivitäten. Appl. Mikrobiol. Biotechnologie. 35, 817–823. https://doi.org/10.1007/BF00169902 (1991).

Artikel CAS Google Scholar

Belewu, MA & Belewu, KY Anbau von Pilzen (Volvariella volvacea) auf Bananenblättern. afrikanisch J. Biotechnologie. 4, 1401–1403 (2005).

Google Scholar

Owen, E., Smith, T. & Makkar, H. Erfolge und Misserfolge bei Tierernährungspraktiken und -technologien in Entwicklungsländern: Eine Synthese einer FAO-E-Konferenz. Anim. Feed Sci. Technol. 174, 211–226. https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2012.03.010 (2012).

Artikel Google Scholar

Martens, SD, Wildner, V., Greef, JM, Zeyner, A. & Steinhöfel, O. Wachstum und Einfluss von Weißfäulepilzen auf die chemische Zusammensetzung von Weizenstroh, das unter verschiedenen Vorbedingungen beimpft wurde. Fermentation 8(12), 695. https://doi.org/10.3390/fermentation8120695 (2022).

Artikel CAS Google Scholar

VDLUFA VDLUFA-Methodenbuch Band III Die chemische Analyse von Futtermitteln. VDLUFA-Verlag, Darmstadt (1976).

LKS Landwirtschaftliche Kommunikations- und Servicegesellschaft mbH Determination of in-vitro Neutral Detergent Fiber Digestibility. Internal method LKS FMUAA 223, Rev. 02/02/2018. Lichtenwalde, Germany (2018).

Moore, JE & Undersander, DJ beim 13. jährlichen Florida-Wiederkäuer-Ernährungssymposium. 16-292002.

Moore, JE & Kunkle, WE Auswertung von Gleichungen zur Schätzung der freiwilligen Futteraufnahme und futterbasierten Diäten. J. Anim. Wissenschaft. Zus. 1, 204 (1999).

Google Scholar

Undersander, D. & Moore, JE In Proceedings, National Alfalfa Symposium, 13.–15. Dezember 2004, San Diego, CA, UC Cooperative Extension. (University of California, Davis, 2004).

Chang, ST Der Ursprung und die frühe Entwicklung des Strohpilzanbaus. Wirtschaft. Bot. 31, 374–376 (1977).

Artikel Google Scholar

Wan, C. & Li, Y. Pilzvorbehandlung von lignozellulosehaltiger Biomasse. Biotechnologie. Adv. 30, 1447–1457. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2012.03.003 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zadrazil, F. Die Umwandlung von Stroh in Futter durch Basidiomyceten. EUR. J. Appl. Mikrob. Biotechnologie. 4, 273–281. https://doi.org/10.1007/BF00931264 (1977).

Artikel CAS Google Scholar

Baker, PW, Charlton, A. & Hale, MDC Faserabbau von Weizenstroh durch Pleurotus erygnii unter Bedingungen niedriger Feuchtigkeit während der Festphasenfermentation. Lette. Appl. Mikrobiol. 68, 182–187. https://doi.org/10.1111/lam.13104 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Nayan, N. et al. Verbesserung der Pansenverdaulichkeit verschiedener Weizenstroharten durch Weißfäulepilze. J. Sci. Lebensmittel Landwirtschaft. 99, 957–965. https://doi.org/10.1002/jsfa.9320 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Breck, A. & Breck, H. Pilzzuchtanleitung auf Stroh [Manual for mushroom cultivation on straw]. Pilzhof & Edelpilzzucht Breck GbR, Malschwitz. http://www.pilzmaennchen.de (2021) (Accessed 1 Feb 2019).

Streeter, CL, Conway, KE & Horn, GW Wirkung von Pleurotus ostreatus und Erwinia carotovora auf die Verdaulichkeit von Weizenstroh. Mycologia 73, 1040–1048. https://doi.org/10.1080/00275514.1981.12021439 (1981).

Artikel Google Scholar

Abdullah, AL, Tengerdy, RP & Murphy, VG Optimierung der Festsubstratvergärung von Weizenstroh. Biotechnologie. Bioeng. 27, 20–27. https://doi.org/10.1002/bit.260270104 (1985).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Belal, EB & Khalafalla, MME Biologischer Abbau von Panicum repens-Rückständen durch Pleurotus ostreatus für seine Verwendung als nicht konventionelles Futtermittel in der Ernährung von Oreochromis niloticus. Afr. J. Mikrobiol. Res. 5, 3038–3050. https://doi.org/10.5897/AJMR11.141 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Nayan, N., Sonnenberg, ASM, Hendriks, WH & Cone, JW Unterschiede zwischen zwei Stämmen von Ceriporiopsis subvermispora bei der Verbesserung des Nährwerts von Weizenstroh für Wiederkäuer. J. Appl. Mikrobiol. 123, 352–361. https://doi.org/10.1111/jam.13494 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Rangnekar, DV, Badve, VC, Kharat, ST, Sobale, BN & Joshi, AL Einfluss der Hochdruckdampfbehandlung auf die chemische Zusammensetzung und In-vitro-Verdaulichkeit von Ballaststoffen. Anim. Feed Sci. Technol. 7, 61–70. https://doi.org/10.1016/0377-8401(82)90037-2 (1982).

Artikel Google Scholar

Hendriks, ATWM & Zeeman, G. Vorbehandlungen zur Verbesserung der Verdaulichkeit von lignozellulosehaltiger Biomasse. Bioresour. Technol. 100, 10–18. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2008.05.027 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Nayan, N., Sonnenberg, ASM, Hendriks, WH & Cone, JW Aussichten und Machbarkeit einer Pilzvorbehandlung landwirtschaftlicher Biomasse für die Fütterung von Wiederkäuern. Anim. Feed Sci. Technol. 268, 114577. https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2020.114577 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Salvachua, D. et al. Pilzvorbehandlung: Eine Alternative für Ethanol der zweiten Generation aus Weizenstroh. Bioresour. Technol. 102, 7500–7506. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.05.027 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lang, E., Kleeberg, I. & Zadrazil, F. Extrahierbarer organischer Kohlenstoff und Anzahl der Bakterien in der Nähe der Lignozellulose-Boden-Grenzfläche während der Interaktion von Bodenmikrobiota und Weißfäulepilzen. Bioresour. Technol. 75, 57–65. https://doi.org/10.1016/S0960-8524(00)00031-6 (2000).

Artikel CAS Google Scholar

Acevedo, F., Pizzul, L., Castillo, MDP, Cuevas, R. & Diez, MC Abbau polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe durch den chilenischen Weißfäulepilz Anthracophyllum discolor. J. Hazard. Mater. 185, 212–219. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2010.09.020 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Lang, E., Kleeberg, I. & Zadrazil, F. Konkurrenz von Pleurotus sp. und Dichomitus squalens mit Bodenmikroorganismen während des Lignozelluloseabbaus. Bioresour. Technol. 60, 95–99. https://doi.org/10.1016/S0960-8524(97)00016-3 (1997).

Artikel CAS Google Scholar

Tuyen, VD, Cone, JW, Baars, JJP, Sonnenberg, ASM & Hendriks, WH Pilzstamm und Inkubationszeit beeinflussen die chemische Zusammensetzung und Nährstoffverfügbarkeit von Weizenstroh für die Pansengärung. Bioresour. Technol. 111, 336–342. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.02.001 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Rai, SN, Walli, TK & Gupta, BN Die chemische Zusammensetzung und der Nährwert von Reisstroh nach Behandlung mit Harnstoff oder Coprinus fimetarius in einem Festkörperfermentationssystem. Anim. Feed Sci. Technol. 26, 81–92. https://doi.org/10.1016/0377-8401(89)90008-4 (1989).

Artikel Google Scholar

Fazaeli, H., Azizi, A. & Amile, M. Nährwertindex von behandeltem Weizenstroh mit Pleurotus-Pilzen, das an Schafe verfüttert wird. Pak. J. Biol. Wissenschaft. 9, 2444–2449 (2006).

Artikel Google Scholar

Jalc, D., Nerud, F. & Siroka, P. Die Wirksamkeit der biologischen Behandlung von Weizenstroh durch Weißfäulepilze. Folia Microbiol. 43, 687–689. https://doi.org/10.1007/BF02816391 (1998).

Artikel CAS Google Scholar

Zuo, S. et al. Einfluss von Behandlungen mit Weißfäulepilzen auf die In-vitro-Pansenabbaubarkeit von zwei Maisstroharten. BioResources 14, 895–907. https://doi.org/10.15376/biores.14.1.895-907 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Mukherjee, R. & Nandi, B. Verbesserung der In-vitro-Verdaulichkeit durch biologische Behandlung der Wasserhyazinthen-Biomasse durch zwei Pleurotus-Arten. Int. Biologischer Verfall. Biologisch abbaubar. 53, 7–12. https://doi.org/10.1016/S0964-8305(03)00112-4 (2004).

Artikel Google Scholar

Streeter, CL, Conway, KE, Horn, GW & Mader, TL Nährwertbewertung von Weizenstroh, inkubiert mit dem Speisepilz Pleurotus ostreatus. J. Anim Sci. 54, 183–188. https://doi.org/10.2527/jas1982.541183x (1982).

Artikel Google Scholar

Shrivastava, B. et al. Umwandlung von Weizenstroh in energiereiches Viehfutter durch Weißfäulepilze. Biologischer Abbau 22, 823–831. https://doi.org/10.1007/s10532-010-9408-2 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhang, W. et al. Verbesserte Behandlung und Nutzung von Reisstroh durch Coprinopsis cinerea. Appl. Biochem. Biotechnologie. 184, 616–629. https://doi.org/10.1007/s12010-017-2579-0 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Otjen, L., Blanchette, R., Effland, M. & Leatham, G. Bewertung von 30 Weißfäule-Basidiomyceten auf selektiven Ligninabbau. hfsg 41, 343. https://doi.org/10.1515/hfsg.1987.41.6.343 (1987).

Artikel CAS Google Scholar

Shrivastava, B., Jain, KK, Kalra, A. & Kuhad, RC Bioverarbeitung von Weizenstroh zu nährstoffreichem und verdautem Viehfutter. Wissenschaft. Rep. 4, 6360. https://doi.org/10.1038/srep06360 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

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Wir danken Herrn Dr. Ulf Müller für seine Unterstützung bei der statistischen Auswertung. Wir danken dem Sächsischen Ministerium für Umwelt, Klima und Landwirtschaft für die Förderung im Rahmen des Projektes „Umweltgerechte Milchviehernährung“.

Open-Access-Förderung ermöglicht und organisiert durch Projekt DEAL.

Abteilung Tierhaltung, Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG), 04886, Köllitsch, Deutschland

Siriwan D. Martens, Vicki Wildner & Olaf Steinhöfel

Institut für Agrar- und Ernährungswissenschaften, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Halle (Saale), Deutschland

Vicki Wildner, Annette Zeyner & Olaf Steinhöfel

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SDM und OS konzipierten die Experimente, SDM und VW führten die Experimente durch, SDM analysierte die Ergebnisse. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Siriwan D. Martens.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Martens, SD, Wildner, V., Zeyner, A. et al. In vitro ruminale Abbaubarkeit von Weizenstroh, das mit an die Pilzzuchtbedingungen angepassten Weißfäulepilzen angebaut wurde. Sci Rep 13, 7794 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34747-y

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Eingegangen: 17. Januar 2023

Angenommen: 06. Mai 2023

Veröffentlicht: 13. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34747-y

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