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viii simcorte

NUTRITIONAL MANAGEMENT OF FEEDLOT
CATTLE TO OPTIMIZE PERFORMANCE AND
MINIMIZE ENVIRONMENTAL IMPACT 1, 2, 3
N. Andy Cole, R. W. Todd, K. E. Hales, D. B. Parker, M. S. Brown, and J.C.
MacDonald 4
USDA - Agricultural Research Service, Bushland, TX and Clay Center, NE., West Texas A&M
University, Canyon, and Texas AgriLife Research, Amarillo
INTRODUCTION
The past decade has seen an exponential growth in the cattle
feeding industry in Brazil and prospects are the growth will continue
in the future (Millen et al., 2009, 2011). Feeding cattle nutritionally
balanced, high-energy diets in confinement can have several
advantages over pastoral systems. However, there are also potential
risks.
The feeding of livestock in confinement leads to concentration
of feed nutrients into a relatively small geographic area. The nutrients
of primary environmental concern to agriculture are nitrogen (N),
carbon, (C), sulfur (S) and phosphorus (P). In addition, hormones
(endogenous and exogenous), antibiotics, and other feed additives
may accumulate in the manure. Only a small percentage of the
nutrients consumed by livestock are ultimately retained by the animal;
hence, little is removed from the premises when the animal leaves
the facility. Accumulation of these “excess” nutrients, the extraneous
losses of these nutrients to ground water, surface water, and the
1
Presented at the IV Simposio Internacional de Producao de Gado de Corte, Viscosa, Brazil, June
7-10, 2012.
2
USDA is an equal opportunity provider and employer.
3
The use of trade, firm, or corporation names in this article is for the information and
convenience of the reader. Such use does not constitute an official endorsement or approval by the
United States Department of Agriculture or the Agricultural Research Service of any product or
service to the exclusion of others that may be suitable.
4
Research Animal Scientist / Research Leader; Soil Scientist; Research Animal Scientist;
Agricultural Engineer/Research Leader; and Associate Professors, respectively.
2
- VIII Simpósio de Produção de Gado de Corte
atmosphere, and removal of accumulated manure is a significant
environmental concern to the cattle feeder. Nitrogen concerns
revolve around both water (nitrates in surface & ground water) and air
quality (ammonia – NH3, nitrous oxide – N2O, odors) issues. Carbon
concerns are related to water (organic matter/biological oxygen
demand) and air quality (methane – CH4). Sulfur concerns relate to
emissions of hydrogen sulfide (H2S) and other odorous compounds.
Phosphorus
concerns
revolve
primarily
around
potential
contamination of surface waters. The potential hazards of
misapplication of manures to farm- and pasture-land is also a
concern.
In the U.S., concentrated animal feeding operations
(CAFO)are required to develop Comprehensive Nutrient
Management Plans (CNMP) that address factors such as feed
management, manure handling, and land application of manure
(NRCS, 2000). They are also required to report / mitigate emissions
of some gases and particulates.
Nutrition and management practices can influence the quantity
of nutrients excreted by the animal, as well as influence
transformations and movements of excreted nutrients. Today,
researchers, nutritionists, feedmills, and feedlot managers may be
called on to play an increasingly important and vital role in helping
livestock operations meet environmental challenges. Many “common”
practices may have to be revised and producers may be required to
balance production efficiency and net income with real and perceived
environmental concerns.
IV Simpósio Internacional de Produção de Gado de Corte
-
3
ENVIRONMENTAL ISSUES RELATING TO ANIMAL FEEDS
AND CONCENTRATED
ANIMAL FEEDING OPERATIONS (CAFO): BACKGROUND
AND MITIGATION STRATEGIES
General
In general, less than 20% of the nutrients consumed by
livestock are ultimately retained by the animal; most is deposited as
feces and urine. In the U.S., during a “typical” 150 day feeding period,
1,000 head of finishing beef cattle will excrete the following quantities
of nutrients: 1,200 metric tonnes of dry matter (DM), 535 tonnes of C,
27 tonnes of N, 6 tonnes of calcium (Ca), 3.6 tonnes of P, 1.8 tonnes
of magnesium (Mg), 1.2 tonnes of S, 6.3 tonnes of chloride (Cl), 6.3
tonnes of K, 1.4 tonnes of sodium (Na), 180 g of cobalt (Co), 12 kg of
copper (Cu), 718 g of iodine (I), 120 kg of Fe (Fe), 60 kg of
manganese (Mn), 239 g of selenium (Se), and 48 kg of zinc (Zn). In
addition to nutrients, the waste will also contain pharmacologically
active compounds (PAC: includes resides of pesticides, feed
additives such as antibiotics and hormones, exogenous hormones
from implants, and endogenously produced hormones), pathogens
(bacteria, viruses, protozoa, fungi) and endotoxins produced by gram
negative pathogenic bacteria.
In the U.S. beef cattle are typically fed in open pens with
native soil surfaces. Manure is normally scraped from the pens after
each group of cattle is finished. Some of the manure may be stacked
in the pen to provide mounds that improve pen drainage. Manure
removed from the pen may be immediately applied to fields,
stockpiled for later use, or composted in windrows. Manure scraped
from the pens normally has a moisture content of 30% to 50% and
may contain some soil from the pen. Because the manure may sit in
the pen or in stockpiles for several months before it is applied to the
field, much of the N and C may be lost to the atmosphere before the
manure is collected.
4
Water Quality General
Nutrients, pathogens (E. coli, Salmonella, Listeria,
Campylobacter, and Cryptosporidium: Berry et al., 2006) and PAC in
manure can potentially flow from feedlot surfaces to surface waters or
percolate into ground waters (Sharpley et al., 1996). Nitrogen (usually
as nitrates), P, and organic matter (OM) can potentially runoff into
surface waters causing eutrophication or percolate into ground water
making it unsuitable for drinking. In some areas and situations, K, Na,
and some trace minerals can be a concern.
Feeding operations with properly designed and maintained
runoff control structures (RCS) such as retention ponds (term for
liquid waste storage area) and(or) lagoons (term for liquid waste
treatment area) normally have little, if any, effect on surface or
ground water quality. The most probable site for manure
contamination of surface waters is via mismanagement at the feedlot
or via runoff from fields fertilized with manure. As nutrient, pathogen,
or PAC concentrations in the soil profile increase, the risk that they
can leave the cropland in runoff also increases. When manure is
applied to cropland at P utilization rates, the quantity of land required
to dispose of manure is 5 to 10 fold greater than when manure is
applied to meet crop N requirements.
Decreasing manure output. Beef cattle fed high concentrate
diets excrete approximately 28 kg of wet manure daily (85%
moisture) per 454 kg of body weight (BW). In general, because of
increased feed intake and (or) decreased ration digestibility, the
quantity of manure DM produced increases as the forage content of
the diet increases. The digestibility of the concentrate portion of the
diet can also affect manure production. For example, steam-flaking
decreases total manure DM excretion, and fecal starch content
(Tucker and Watts, 1993). Hales et al (2012a) noted that manure OM
excretion was 15% greater in steers fed dry rolled corn (DRC)- based
diets than in steers fed steam flaked corn (SFC)-based diets. When
fed at equal energy intake, OM excretion increased 10 to 25% when
the concentration of distillers grains+solubles (DGS) increased from 0
to 30% of the diet (Hale et al., 2012a, b)
-
5
Decreasing phosphorus & other mineral losses. According to
NRC (1996) most feed grains contain at least 0.3% P. Thus, if fed at
80% of the diet, the basal P content of finishing diets will be 0.25% or
more. Phosphorus from protein supplements, liquid feeds,
byproducts, or some forages increase this further. Erickson et al.
(1999, 2002) and Geisert et al (2010) noted that performance of
yearling steers and calves was not adversely affected by feeding
finishing diets with P concentrations as low as 0.17%. Similarly, in
growing steers, Greene et al. (2001) noted that decreasing the
dietary P concentration from 0.33 to 0.22% decreased P intake 50%,
and decreased P excretion by 54% without affecting average daily
gain and gain/feed. Vasconcelos et al (2009) noted that replacing
cottonseed meal with urea as the supplemental N source decreased
dietary P concentration by 29.4% and P excretion by 20.5% without
adversely affecting animal performance (Gleghorn et al., 2004). The
quantity of P excreted increased with days on feed (59, 74, and 88%
of P intake on days 30, 75 and 120, respectively). Thus, at present, it
appears that supplementing P in most grain-based feedlot finishing
diets is not necessary.
By feeding more biologically available sources of minerals, it
may be possible to decrease the amounts of these minerals required
in the diet, and thus, decrease the quantities that are excreted to the
environment. The bioavailability of different mineral sources for
ruminants has not been thoroughly researched and values in the
literature vary greatly. Some values for bioavailability of trace mineral
sources are presented in Table 1 (Albin, 1988; Henry, et al., 1988;
Greene, 1995; and Spears, 1996).
6
Table 1 - Relative bioavailability of trace minerals from different
inorganic and inorganic sources in relation to the availability
of the sulfate form (Albin, 1988; Greene, 1995; Spears,
1996)
Mineral
Cobalt
Copper
Iron
Manganese
Zinc
Sulfate
100
100
100
100
100
Oxide
10-30
0-30
<10
30-80
40-90
Carbonate
110
60-100
0-75
30-95
60-100
Chloride
100
110
40-95
-40-85
Organic
85-100
100-130
-100-120
100-200
Air Quality.
General. The atmospheric emissions from cattle feeding
operations that are of greatest concern vary with geographic location
and proximity to neighbors but, in general, are particulate matter (PM,
dust), odors, NH3, greenhouse gases (GHG: carbon dioxide – CO2,
CH4, N2O), and H2S (Tables 2 and 3). In some regions, where large
agricultural operations are in close proximity to cites and
automobiles, release of reactive volatile organic compounds (rVOC)
is a concern because they can contribute to ozone and smog
formation (Hobbs et al., 2001). Dust and odors are usually local in
scope and relate to health and quality-of-life issues. In contrast,
concerns about NH3, greenhouse gases, and H2S are generally
regional/national/global in scope (NRC, 2003).
Feedyard air pollutants can originate from many sources,
including the cattle, pen surfaces, manure stockpiles or windrows,
feed alleys, cattle alleys, feed mill, feed storage areas, feed spills,
RCS, and settling basins. Emissions are highly dependent upon
factors such as animal stocking density, animal size and age, the diet
fed, manure production, manure harvesting techniques, pen surface
and soil characteristics, and ambient environmental conditions (i.e.,
temperature, wind, humidity, precipitation).
-
7
Table 2 - Concentrations of gases, particulates, and pathogens
measured in or about beef cattle feedyards
Air quality variable
Particulate matterb
PM-10, % of PM
Ammoniac
Odorsd
Acetic, % of VFA
Propionic, % of VFA
Butyric, % of VFA
p-cresol, ppt
Phenol, ppt
Pathogense
Endotoxinsf
Methane
Hydrogen sulfideh
a
b
c
d
e
f
g
h
Manure and (or) air sampling locationa
Adjacent to or
above pens
1,946 to 35,5361
54 to 1,2682
65 to 1,7003a, 3b
25 to 974
116 to 5925
10.9 to 38.53a, 3b
290 to 1,2006
90 to 8907
24 to 5398
VFA: 4 to 348
Amines: 1.8 to 19.76
46 to 689
54 to 678
12 to 228
17 to 238
0.7 to 2.38
0.4 to 1.18
Negligible10, 11a, 12
108 to 31811b
-0.001 to 0.03714
0.004 to 0.09815
Retention
pond
--
Stockpiles
& windrows
--
Spreading in
field
--
---
---
---
--
--
VFA: 70 ppb8
1.5 to 1708
--------0.004 to 0.01914
0.003 to 1.0815
-------0.01 to 513
--
318
288
418
< 0.18
< 0.18
-----
Retention pond includes, settling basins and (or) lagoons (seldom used in beef cattle feedlots).
Stockpiles include stockpiles outside of pens but not mounds within pens.
All values are in µg / m3. 1 Elam et al (1971) gross peak 3-hour concentrations determined in 10
California feedlots between 1900 and 2200 hours. 2 Algeo et al (1972) average net concentrations
(downwind minus upwind) determined over 24-hours in 25 California feedlots. 3a3b Sweeten et al
(1988, 1998) net concentrations determined at 4 to 24-hour intervals in 3 Texas feedyards (17,000
to 45,000 head capacity). 4 McGinn et al. (2002) weekly average at 4 Canadian feedlots (6,000 to
25,000 head). 5 MacVean et al (1986) average total suspended particles sampled over a 24-hour
period at a 75,000 head Colorado feedyard
All values are in Φg NH3-N / m3. 6 Hutchinson et al. (1982); 7 Todd et al. (2008). 8McGinn et al. (2002).
Units vary. 8 McGinn et al. (2002) in ppb unless shown.6 Hutchinson et al. (1982) in µg N/m3.
9
Sweeten et al (1977) in odor units - dilution to threshold.
Units are colony forming units / m3. 10 Abiola et al., (2002); 11a Purdy et al (2004a); 12 Wilson et al.
(2002).
Units are ng / m3. 11b Purdy et al (2004a) summer and winter samples from seven Texas feedyards.
Units are ppm by volume. 13Lopez-Real and Baptista (1996).
Units are ppm by volume as total reduced sulfur. 14 Koelsch et al (2004). 15 Rhoades et al. (2003).
8
Table 3 - Estimated losses of gases, particulates, and pathogens at
various locations of a beef cattle feedyard
a
Air quality variable
Pen surface
b
Particulate matter
c
Ammonia
Odors/VOCs
d
e
Pathogens
f
Carbon dioxide
Methane
g
Manure location
Retention
Storage /
pond
composting
1,2,3
7 to127
4a, 4b
20 to 60 %
5a
26 - 55 %
5b
- 36
6a
3.6 to 46.6
7
14 to 840
8
0.7 to 38.3
11, 12, 13
Negligible
4 to 17 %
2.2 to 23.9
19 to 42%
--
h
a
6
0.39 to 9.70
10
9.7 to 22.7
-14
74 to 168
15
40 to 57%
20
6.3 to 8.1
21
3.5 to 5
22
4.4
23
5.3 to 15.5
25
0.11 to 0.19
16
0.18 to 4.31
6b
9
0.046
17
0 to 2
18
10
19
3.5
Nitrous oxide
i
Hydrogen sulfide
Spreading
--
18
5
24
-0.12 to 0.004
6
Runoff includes retention pond, settling basins and (or) lagoons (seldom used in beef cattle feedlots).
Storage includes mounds in pens or stockpiles.
1
2
3
kg / 1,000 head / day (includes feed mill) - EPA (1986), Sweeten et al, (1998) .
c
2
4a
4b
Φg / m /hour. Bierman et al (1999) and Erickson and Klopfenstein (2010) - values are % of N fed. 5a
5b
2
6a
2
Todd et al (2006) - % of N fed. Todd et al (2008b) - µg/m per second. Wood et al (2001) - µg/m per
6b
second. Eghball et al (1997).
d 7
2
8
2
9
Odor units per second per m - Watts et al (1994). Odor units per second per m - Wood et al (2001),
2 10
Wood et al (2001) - over concrete liquid holding tank in Minnesota - odor units per second per m . Odor
2
units per second per m - Pain et al (1988) using a cattle slurry.
e 11
12
13
Abiola et al. (2002); Purdy et al. (2004a) Wilson et al. (2002).
f 14
15
Values for composting are in kg of carbon / Mg of manure (Hao et al., 2001). Values for composting are
% of initial carbon and are based on carbon loses of Eghball et al (1997) assuming 92% of carbon lost to
the atmosphere was as carbon dioxide (Hao et al., 2001).
g
Cattle on typical feedyard diets will also produce approximately 0.07 kg of methane per head daily via
enteric fermentation (Harper et. al., 1999) and will emit carbon dioxide via enteric fermentation and normal
16
17
metabolism. Values are kg/animal daily and are calculated from values of Lodman et al (1993). Values
are % of available carbon converted to methane (methane conversion factor) from a dry lot surface and are
18
based on results of Steed and Hashimoto (1994). Values are estimated methane conversion factors
19
based on estimates of Safley et al (1992). Enteric production, as a percentage of gross energy intake
20
(Johnson and Johnson, 1995). Values for composting are in kg of carbon / Mg of manure (Hao et al.,
21
2001). Values for composting are % of initial carbon and are based on carbon loses of Eghball et al
22
(1997) assuming 8% of carbon lost to the atmosphere was as methane (Hao et al., 2001). Estimated
23
quantity of carbon (kg/Mg of manure) emitted by equipment to turn windrows (Hao et. al., 2001). Husted
24
(1994) using chambers - kg/animal/year. Low value is solid manure; high value is cattle manure slurry.
2
Lessard et al (1997) - mg methane/m /hour.
h 25
Values for composting are kg N / Mg of manure (Hao et al., 2001).
i
2
6
Values are in µg/m per second. Wood et al. (2001), “retention pond” values are from a concrete liquid
storage tank.
b
-
9
Particulate matter (PM) and dust. Background & emissions.
Emissions of PM can have adverse effects on visibility, quality of life,
and possibly human and cattle health (MacVean et al, 1986;
Loneragan and Brashears, 2005). Dust particles also can carry other
pollutants such as odors and pathogens. Most feedyard dust appears
to be organic, originating from manure, feed, and animal dander
(Sweeten et al., 1988, 1998). Very small particulates (termed PM-2.5
because the mean aerodynamic diameter is 2.5 microns or less) can
be respired deep into the lungs and have adverse effects on human
health. Most feedyard PM is larger than PM-10 and tended to settle
out within 800 m of their source (Sweeten et al., 1998).
The concentrations of PM in feedyard air vary greatly (Tables
2 and 3). Dust concentrations tend to be highest at dawn and dusk,
when animal activity and atmospheric stability are greatest. Dust
emissions from feed mills, a lesser source, also vary greatly,
depending on the commodities used, how they are unloaded,
transported, and processed, and how feeds are mixed (EPA, 1998a).
PM -Control and mitigation . Dust emissions are affected by
the environment (i.e., temperature, precipitation, wind), pen surface
conditions (i.e., moisture, manure depth: Miller and Berry, 2005), and
possibly dietary factors (such as fat content of diet). Emissions may
be decreased by increasing animal density, altering feeding time,
collecting manure more frequently, and using windbreaks (Sweeten
et al., 1988; Auvermann and Romanillos, 2000; Auvermann et al.,
2002). Surfacing pens with fly ash or other hard surfaces may also
decrease dust emissions and improve manure fertilizer quality
(Sweeten et al., 2000).
Odors/Volatile organic compounds (VOC)- Background &
emissions. Sources of odors from feedyards include the pen surface,
manure stockpiles, retention ponds, or fields fertilized with feedlot
manure. Feedyard odors are normally comprised of VOC such as
amines, volatile fatty acids, alcohols, carbonyls, and reduced sulfur
compounds (Mackie et al., 1998; Parker et al. 2005, 2010). Some
odorants react rapidly and travel only short distances; whereas,
others such a p-cresol travel long distances (Parker et al., 2005).
Because odor emissions are dependent upon microbial fermentation
of organic compounds, feedyards tend to emit little odor during dry
10 - VIII Simpósio de Produção de Gado de Corte
conditions, when dust emissions tend to be greatest (Sweeten et al.,
1977). When properly managed, composting windrows produce little
odor (Tables 2 and 3).
Odors -Control and mitigation. The primary source of feedlot
odors is the fermentation of starch in feces, followed by protein
fermentation (Miller and Berry, 2005; Miller et al. 2006). Thus,
decreasing starch in feces can decrease odorant production. For
example, cattle fed diets based on high moisture corn (HMC)
produced feces with less starch and less odorant production than
cattle fed DRC-based diets (Archibeque et al., 2006). Adding
distiller’s grain (DGS) to finishing diets tended to increase potential
odor production – most likely because of its high N and S content
(Varel et al. 2008).
A number of “amendments” have been tested to decrease
odor emissions from cattle operations; but few have been successful
(Buchanan et al., 2003; Donnell et al., 2008). Odors can be
decreased by adding compounds such as plant essential oils;
however, it is presently unknown if this procedure is economically
viable (Varel and Miller, 2001).
Ammonia (NH3 – Background & emissions. Ammonia
emissions represent a loss of potentially valuable nitrogen fertilizer
from manure. In addition, NH3 may also act as a precursor to
formation of PM-2.5 via reactions with sulfur dioxide and nitrogen
dioxide produced by industry and automobiles. Ammonia emissions
can also deposit in surface waters (Hutchinson and Viets, 1969) or on
sensitive ecosystems (Van der Eerden, et al., 1998; Krupa, 2003;
Todd et al., 2004; 2008a) causing eutrophication or change in plant
communities.
Feedlot NH3 emissions occur rapidly from urine spots on the
pen surface by the rapid hydrolysis of urinary urea-N to NH3 and CO2
(Cole et al., 2009). Atmospheric NH3 concentrations at feedyards
vary greatly and there appears to be a notable diel pattern with
highest concentrations during the day and lowest concentrations at
night (Hutchinson et al. 1982; Todd et al., 2008b, 2011, Rhoades et
al., 2010: Tables 2 & 3).
Ammonia emissions are greatly affected by environmental
factors such as temperature, solar radiation, surface pH, moisture,
- 11
and wind (Hutcheson et al., 1982; Todd et al., 2008b, 2011) and by
dietary factors such as protein quantity, protein degradability,
carbohydrates degradability, and acid-base balance (Cole et al.,
2005, 2006; Todd et al., 2006).
Background NH3 concentrations at feedyards tend to range
from 5 to 30 mg/m3; whereas, concentrations within feedyards range
from 50 to 1,500 mg/m3 (Todd et al., 2008b; 2011; Rhoades et al.,
2010; Hristov et al., 2011). Daily emissions of NH3 from feedlots,
have ranged from 66 to 283 g/head with an average of 138.7 g/head
in summer, 68 g/head daily in winter, and an annualized emission of
119.4 g/head daily (Hristov et al., 2011). As a proportion of N fed,
emissions averaged 30.2% in winter, 56.7% in summer and 47.6%
annually.
Ammonia – Control of emissions. There are four possible
techniques to decrease NH3 emissions: 1) decrease urinary urea-N
excretion, 2) decrease hydrolysis of urea to NH3 on the pen surface,
3) bind NH3 in the pen surface, and/or 4) convert volatile NH3 to less
volatile ammonium (NH4). Because NH3 emissions are controlled
primarily by dietary protein content (Cole et al., 2005, 2006; Todd et
al., 2006) and air temperature (Todd et al., 2011), three basic
approaches have been studied to decrease NH3 losses from cattle
operations: 1) diet/ration manipulation, 2) manure/slurry treatment,
and 3) capture and treatment of emitted gases. Each approach has a
multitude of possible and available technologies.
Ammonia control- dietary protein effects. Decreasing urinary N
excretion has the potential to decrease NH3 emissions. From 50 to
80% of excreted N is in urine and this quantity typically increases as
crude protein (CP) concentration in the diet increases (Erickson and
Klopfenstein 2010; Cole et al., 2005; Todd et al., 2006). Decreasing
the quantity of degradable intake protein (DIP) in the diet of
ruminants can also lower urinary N excretion and potentially lower
NH3 emissions (Cole et al., 2005a). Nitrogen losses in urine and
subsequent NH3 losses from manure were approximately 24 to 50%
greater when a 13% CP diet was fed, than when an 11.5% CP diet
was fed to finishing beef cattle (Cole et al., 2005: Todd et al., 2006).
Cole and Todd (2009) noted that when metabolizable protein
(MP) intake was below animal requirements the N volatilization
losses averaged approximately 40 g/head daily. Thus, this may be
the minimum NH3 emission rate that can be obtained via dietary
manipulations.
Crude protein requirements of finishing beef cattle determined
in performance trials tend to vary. Studies with DRC-based diets
(Milton et al., 1997; Shain et al., 1998) suggest the CP requirement is
equal to or less than 11.5% of dietary DM. However, studies with
SFC-based diets (Cooper et al., 2002; Gleghorn, et al., 2004)
suggest the optimal CP concentration is closer to 13.0% of DM. The
difference in CP requirements of cattle fed DRC- vs. SFC-based diets
appears to be due to greater ruminal fermentation and subsequent
greater requirement for DIP in SFC-based diets (Galyean, 1996;
Cooper et al., 2002). Based on these studies, the DIP requirement of
finishing beef cattle appears to be approximately 6.8% for DRC-, 10%
for HMC-, and 9.4% for SFC-based diets. Gleghorn et al (2004: Table
4) and Vasconcelos et al (2009) noted that the supplemental N
source (urea, cottonseed meal, or 50:50) did not affect animal
performance even though some of the 11.5% CP diets were
calculated to be deficient in DIP. This indicates that N recycling from
the lower gut to the rumen can compensate for a portion of a DIP
deficiency in feedlot diets.
- 13
Table 4 - Effects of dietary crude protein (CP) on steer performance,
nutrient excretion and ammonia losses from a simulated
feedlot surface (Cole et al., 2005; Gleghorn, et al., 2004;
Todd et al., 2006; Vasconcelos et al., 2009)
Item
Performance Trial:
Average daily gain, kg
Day 0-56
Day 56-112
Day 0-finish
Dry matter intake, kg
Feed/gain
Day 0-56
Day 56-112
Day 0-finish
N Balance Trial: Day 77
N intake, g/d
Fecal N, g/d
Urine N, g/d
Total N excreted, g/d
N balance, g/d
N balance, % intake
Urine urea N, g/d
NH3 loss, total g
Blood urea N, mg/dL
Day 28
Day 112
11.5% CP
13.0% CP
Difference,%
1.86
1.71
1.63
8.73
1.99
1.71
1.71
9.00
7.1
0
4.7
2.5
4.44
5.40
5.49
4.35
5.49
5.44
2.2
-2.0
1.1
110.4
44.1
44.5
88.5
21.9
17.3
28.2
800
125.2
44.4
61.9
106.3
18.8
14.1
46.0
600
19.2
11
52
35
-16.4
-22.7
63.1
24
5.6
8.0
6.5
9.8
16.1
22.5
Presently the DIP and UIP of most feed ingredients have not
been determined experimentally. In addition, DIP and UIP values of
feeds vary with other dietary and management factors. In many
cases it is not possible to “balance” DIP and UIP because of the
inherently low ruminally digestibility of proteins in many feed
ingredients – For example excess UIP may be fed in order to meet
the DIP needs of the ruminal microbes.
Ammonia control - Phase feeding of protein. Because nutrient
requirements change with the physiological state of an animal, it may
be possible to decrease dietary protein concentrations of beef cattle
finishing diets as time on feed increases; thus, decreasing urine N
excretion and NH3 emissions. In three sequential metabolism trials,
approximately 75, 85, and 100% of dietary N intake was excreted on
days 30 (350 kg avg. BW), 75 (446 kg), and 120 (515 kg) on feed,
respectively and in vitro NH3 production from feces and urine
increased with days on feed (Table 5: Cole et al., 2005; Vasconcelos
et al, 2009). Studies suggest that impacts of phase feeding on animal
performance and NH3 emissions may be affected by factors such as
grain processing method and implanting strategy (Erickson and
Klopfenstein 2010; Vasconcelos et al., 2006; Cole et al, 2006).
However, Erickson and Klopfenstein (2010), with DRC-based diets,
and Cole et al (2006) with SFC-based diets, both noted that N
volatilization losses could be decreased by 25% or more by
decreasing the dietary CP concentration from 12.5-14% CP to less
than 11% CP during the last 56 days in the feedlot (Table 6).
There are a number of obstacles to overcome for phase
feeding to be practical in commercial feedyards: some are logistic
(additional supplements, diets, and feed trucks) others nutritional.
Obviously, when decreasing dietary CP concentrations, the potential
effects on animal performance, animal health, and costs of gain must
be considered. Studies suggest that blood NH3 may serve as a
renal/systemic buffer in cattle fed high-concentrate diets (Trenkle,
1978). If NH3, does serve as a renal buffer in cattle, decreasing the
dietary CP concentration could potentially lead to an increased
incidence of acidosis. Thus, other systemic buffers may need to be
added to the diet in order to compensate for the lowered renal
buffering capacity. The economic practicality of phase feeding under
- 15
current feeding and management situations is equivocal because the
potential effects on digestive disturbances are still not clear;
especially with highly fermentable diets. In the U.S. the advent of new
beta-agonist growth promoters that are fed the last 30 to 45 days on
feed, may make phase feeding more practical. However, the
increasing use of by-products such as distiller’s grain that are high in
CP limit the feasibility of lowering dietary CP concentrations to less
than 12%.
Table 5 - Effect of days on feed (30, 75 or 120) on N metabolism and
relative in vitro ammonia loss from beef cattle manure (Cole
et al., 2005; Vasconcelos et al., 2009)
Item
N intake, g/d
Fecal N, g/d
Urine N, g/d
Total excreted , g/d
Urea, % excreted N
Blood urea -N, mg/dl
Ammonia, % of d 30
30 days
140
42
43
85
36
6.62
100
75 days
139
46
65
111
46
8.84
201
120 days
135
40
74
114
53
12.48
310
Ammonia control – dietary fiber and OM. Bierman et al. (1999)
reported that 45 to 57% of the N fed to finishing cattle was volatilized;
however, N volatilization losses decreased with increasing dietary
roughage content. This was most likely due to a partial shift in N
excretion from urine to feces. Erickson et al. (2003) also noted that
increasing dietary fiber (as corn bran) in finishing diets decreased N
volatilization from the pens during a winter/spring feeding period;
however, animal performance was adversely affected.
At high (> 25%) dietary concentrations, feeding of DGS can
increase NH3 emissions by 20 to 50% due to an increase in dietary N
intake and subsequent increase in urinary N excretion (Cole et al.,
2010; Todd et al., 2011). However, when fed at levels below 15% of
diet DM, feeding DGS generally results in little or no increase in
dietary N intake or in NH3 emissions. Feeding lower concentrations of
DGS shifts some N excretion from the urine to the feces, decreases
fecal and manure pH, and provides additional OM on the pen surface
(Cole et al., 2010). Similarly, Kellems et al. (1979) noted that grain
source (corn vs. sorghum vs. barley) and concentration (25, 50 or
75% of diet DM) affected NH3 emissions primarily via their effects on
fecal pH.
Table 6 - Effects of phase feeding crude protein on cattle performance
(Cole et al., 2006: all steers fed 13.5% CP diets for days 0-112
and 11.5 or 13% CP the last 56 days on feed)
Item
ADG, kg
Day 0 to112
Day 112 to finish
Day 0 to finish
DMI, kg
Day 0 to 112
Day 112 to finish
Day 0 to finish
Gain/feed, g/kg
Day 0 to 112
Day 112 to finish
Day 0 to finish
Urinary N, g/d
Day 0 to112
Day 112 to finish
N volatilization, kg/hd
Day 0 to 112
Day 112 to finish
Day 0 to finish
Diet crude protein regimen, before/ after day 112, % of DM
11.5 / 11.5
13.0 / 13.0
13.0 / 11.5
1.54
1.30
1.42
1.50
1.29
1.46
1.50
1.18
1.42
7.31
8.21
7.64
7.57
8.37
7.96
7.57
7.81
7.65
206
159
186
205
155
184
205
151
186
57.5
84.4
77.8
94.2
77.8
84.4
8.19
6.23
15.18
10.54
8.68
19.57
10.54
6.23
16.30
- 17
Machmuller et al (2006) and Cole et al (2007) noted that
feeding supplemental fat could decrease subsequent NH3 emission
from sheep and cattle manure in lab-scale systems. However, Cole
and Brown (unpublished data) noted no effects of dietary fat
concentration on N volatilization losses from feedlot pens.
Ammonia control - Pen surface management. Adding OM (as
sawdust) to calf pens decreased N volatilization losses by
approximately 43% during the winter, but had no effect in the summer
(Adams et al., 2004). Adding OM to the pen surface indirectly by
adding 30% corn bran to the diet also had mixed effects on N losses
from the pen surface (Adams et al., 2004; Erickson and Klopfenstein,
2010). However, adding OM or biomass to pen surfaces also
increase the quantity of manure that must be managed.
Adding OM to the pen surface did not appear to affect N or
OM loss during composting of the manure. On average, 42% of N
and 56% of OM in the original manure was lost during the
composting process (Erickson and Klopfenstein, 2010). This
compares to the 19 to 42% losses of N and 46 to 62% losses of C
noted in other trials (DeLuca and DeLuca., 1997; Eghball et al., 1997;
Ebeling et al., 2002).
More frequent cleaning of soil-surfaced pens will potentially
decrease dust emissions but may also increase N capture in the
manure and decrease NH3 emissions. Erickson and Klopfenstein
(2010) cleaned experimental feedlot pens once per month or only at
the conclusion of a 166-day feeding period. During the summer,
monthly cleaning increased N recovery by 33% (10 vs. 6.5 kg/head)
and decreased apparent volatilization losses by 24%, compared to
cleaning once. The effects were considerably less during the winter.
Nitrogen losses during composting were 37% greater in manure from
pens cleaned monthly than pens cleaned only once. However, total N
collected was approximately 50% greater in manure from pens
cleaned monthly. Improving pen drainage may potentially lower NH3
and odor emissions while simultaneously benefiting animal
performance.
Ammonia control - Manure/slurry treatments. Ammonia
volatilization from the feedlot surface and waste retention facilities
can potentially be decreased by addition of additives such as OM,
acids, alum, calcium chloride, adsorbents (zeolite, humate) or urease
inhibitors (Varel, 1997; Varel, et al., 1999; Shi et al., 2001; Parker et
al., 2005; 2012; Cole et al., 2007; Donnell et al., 2008). Unfortunately,
each of these methods have distinct disadvantages (increased
manure mass, increased manure P, increased sulfate emissions,
increased Cl content, short effect period, costs, etc.) that may limit
their use in cattle operations. Combinations of compounds that inhibit
NH3 losses via different mechanisms (urease inhibition and
adsorption by alum or zeolite, for example) may be more effective
than single compounds (Cole et al., 2007). At the present time, these
do not appear to be economically feasible (Shi et al., 2001).
Greenhouse gases – Background and emissions. There is still
limited data on concentrations and emission of greenhouse gases
(CH4, CO2, N2O) from feedyards (Tables 2 and 3). Methane and CO2
may come from the animal directly (respiration and enteric
fermentation) or by fermentation of manure on the pen surface, in
stockpiles, or in RCS. Nitrous oxide emissions are primarily from
nitrification and denitrification of manure N on pen
In the rumen, CH4 formation is a disposal mechanism by
which excess hydrogen from the anaerobic fermentation of dietary
carbohydrate can be released. Control of hydrogen ions through
methanogenesis assists in maintenance of an efficient microbial
fermentation by reducing the partial pressure of hydrogen to levels
that allow normal functioning of microbial energy transfer enzymes
(Morgavi et al., 2010). Methane can also arise from hindgut
fermentation but the levels associated with hindgut fermentation are
much lower than from the rumen. Enteric fermentation does not
appear to result in the production of N2O or NH3 except in rare cases
(Reynolds et al., 2010).
Greenhouse gases – Control and mitigation. Carbon dioxide
and CH4 emissions from pen surfaces and manure stockpiles can be
decreased by maintaining a dry surface and by turning windrows
more frequently (Lopez-Real and Baptista, 1996; Eghball et al., 1997;
Hao et al., 2001). Methane emissions from solid manure appear to
depend on temperature (Jarvis et al., 1995; Yamulki et al., 1999).
Emissions of N2O from a feedlot surface have not been adequately
determined, but are probably low: from 0 to 2% of total N applications
- 19
(USDA, 2004; EPA, 2010; 2011). Nitrous oxide emissions can be
decreased by decreasing N excretion.
Dietary factors can have significant effects on enteric (and
possibly manure) CH4 emissions (Table 7: from Benchaar et al.,
2001; Beauchemin et al., 2008; Eckard et al., 2010, Martin et al.,
2010).
Table 7 - Summary of effects of various dietary strategies on enteric
methane (CH4) production in dairy cows using modeled
simulations (Benchaar et al., 2001; Beauchemin et al, 2008)
Strategy
Increasing DMI
Increasing concentrate:forage ratio
Using fibrous concentrate (beet pulp) vs starch
concentrate (barley)
Rapid (barley) vs. slowly (corn) degraded starch
Increased forage maturity
Forage species (legume vs. grass)
Forage preservation (dried vs. ensiled)
Increased forage processing
Ammonization of straw
Supplementation of poor quality forage (straw)
CH4, % of
GE Intake
-9 to -23%
-31%
-24%
CH4, % of
DE intake
-7 to -17%
-40%
-22%
-16%
+15%
+28%
-32%
-21%
X5
X3
-17%
-15%
-21%
-28%
-13%
X2
X 1.5
CH4 emissions – dietary forage effects. In general, as the
proportion of forage in the diet increases, the percentage of energy
lost as CH4 increases (Blaxter and Wainman, 1964). However, total
daily CH4 losses may decrease because of lower energy intake
(Johnson and Johnson, 1995). Total CH4 losses over the animal’s
lifetime, or over the feeding period, may be greater with forage
feeding because more days on feed are required to reach market
weight. Dijkstra et al (2007) suggested that enteric CH4 losses from
carbohydrate substrates (g/kg substrate) in a concentrate diet with
ruminal pH of 6.5 were 2.11, 3.18, 3.38, and 3.10 for starch, soluble
sugars, hemicellulose and cellulose, respectively. In general, as the
concentration of forage in the diet increases; or as the digestibility of
forage decreases, the fecal excretion of volatile solids increases. This
can potentially lead to greater CH4 and CO2 production from the
manure system.
Harper et al (1999) reported CH4 losses of 230 g/animal daily
(7.7 to 8.1% of gross energy [GE] intake) in feeder cattle on pasture
but only 70 g/head daily (1.9 to 2.2% of GE intake) in cattle fed high
concentrate diets. The IPCC (2006) tier II model estimates enteric
CH4 production at 3% of GE intake for feedlot cattle and about 6.5%
of GE intake for cattle on high roughage diets.
CH4 emissions – dietary fat effects. Numerous studies have
demonstrated that supplemental fat can decrease enteric CH4
emissions from ruminants. In a review, Beauchemin et al (2008)
noted that enteric CH4 emissions (g/kg DMI) decreased
approximately 5.6% for each 1% increase in added fat in the diet. In a
larger review, Martin et al (2010) reported a decreased of 3.8% (as
g/kg DMI) with each 1% addition of fat. However, ruminants have a
low tolerance for dietary fat; thus, total fat level in the diet must
normally be maintained below 8% of dietary DM. Some sources of
fat, such as DGS and whole cottonseed, appear to have some
protection against biohydrogenation by ruminal microbes and thus
may be better tolerated (Vander Pol et al., 2009; Corrigan et al.,
2009).
CH4 emissions – grain source and processing effects. Grain
source and grain processing method can also affect enteric CH4
losses. In general, the greater the ruminal starch digestibility, the
lower the enteric CH4 emissions. At constant energy intake (2 x
maintenance) Hales et al (2012a) reported approximately 20% lower
(2.5 vs. 3.0% of GE intake) enteric CH4 emission in cattle fed SFCbased diets than in steers fed DRC-based diets. Similar responses
were noted with the feeding of HMC compared to DRC (Archibeque
et al. 2006).
CH4 emissions – dietary byproducts effects. Distiller’s grains
and other co-products of the milling and ethanol industries are widely
used as cattle feeds. The effects of feeding 30 to 35% DGS (DM
basis) on enteric CH4 emission have been variable, ranging from a 25
to 30% decrease (McGinn et al. 2009), to no effect (Hales et al.,
2012a), to a slight increase (Hales et al., 2012b). These differing
results were probably because of differences in forage and fat
- 21
composition of the diets. In the study of McGinn et al (2009) the diet
contained 65% silage and dietary fat intake increased by
approximately 3 percentage units when dried DGS were added to the
diet. In contrast, Hales et al (2012a) fed diets that contained only
10% forage and were equal in total fat concentration. Hales et al
(2012b) noted that when dietary DGS concentrations increased from
30 to 45% of dietary DM, enteric CH4 emissions increased
significantly (from 3 to 3.9% of GE intake) despite a greater fat intake.
This may have been caused by the lower starch/greater fiber intake
at the 45% DGS concentration.
CH4 emissions – effects of dry matter feed intake (DMI).
Blaxter and Wainman (1964) compared the effects of feeding 6 diets
at two levels of intake. Enteric CH4 emission, as a % of GE intake,
were 23% greater in steers fed at maintenance than in steers fed at
2X maintenance (8.1 vs. 6.6 % of GE intake, respectively). With
ryegrass diets, Milano and Clark (2008) reported that as DMI
increased from 0.75% of maintenance to 2 x maintenance, enteric
CH4 emissions increased linearly (r**2 = 0.80 to 0.84). Enteric CH4
emissions were described by the following equation:
CH4 = -0.79 +24.83 * (DMI)
with CH4 in g/d and DMI in Kg/d. Emissions as a percentage of GE
intake were not affected by DMI and ranged from 4.9 to 9.5% of GE
intake (15.9 to 30.4 g/kg DMI).
Beauchemin and McGinn (2006b) noted that enteric CH4 emissions,
as a % of GE intake, decreased approximately 0.773 % units for each
unit increase in DMI (expressed as level of feed intake above
maintenance). This was less than the estimate using the Blaxter and
Clapperton (1965) equation (0.93 to 1.28 % units) or the value
suggested by Johnson and Johnson (1995)(1.6% units).
CH4 emissions – genetic effects. Several studies have
suggested that cattle selected for lower residual feed intake (RFI, i.e.
increased feed use efficiency) tend to have lower ruminal enteric CH4
production (Hegarty et al., 2007; Nkrumah et al., 2006); however,
other studies have suggested no genetic effect (Freetly and BrownBrandl, 2011). The apparent effect may be dependent upon stage of
production and /or quality of the diet consumed (Jones et al., 2011).
Because RFI is moderately heritable (0.28 to 0.58; Moore et al.,
2009), it might be possible to genetically select for animals with lower
enteric CH4 production.
CH4 emissions – effects of feed additives & growth promoters.
Monensin has been shown to decrease enteric CH4 emissions in
finishing cattle by 10 to 25% (Tedeschi et al., 2003; McGinn, et al.,
2004). However, in feedlot cattle the effects appear to be transitory;
lasting for 30 days or less (Guan et al, 2006).
A number of studies have demonstrated that a variety of
halogenated analogues have the potential to dramatically decrease
ruminal CH4 production (Johnson, 1972, 1974; Trei et al., 1972; Cole
and McCroskey, 1975; Tomkins and Hunter, 2004; Tomkins et al.,
2009). In general, the effect was greater in cattle fed high-forage
diets than in cattle fed high-concentrate diets. When CH4 losses were
dramatically reduced, a significant quantity of hydrogen was lost (1 to
2% of GE intake) via eructation. In general, the compounds did not
improve production efficiency significantly. In addition, the potential
toxicity of these compounds made them unpractical for routine use.
Alternative electron sinks are needed to avoid the loss of hydrogen.
A number of nitrocompounds (nitropropanol, nitroethane,
nitroethanol) have also significantly decreased ruminal CH4
production in vitro (Anderson et al., 2003) with a concomitant
increase in hydrogen release. The effect appeared to be enhanced
when a nitrate reducing bacterium was added to the culture
(Anderson and Rasmussen, 1998).
Several studies have suggested that feeding of condensed
tannins can decrease enteric CH4 production by 13 to 16%; either
through a direct toxic effect on ruminal methanogens or indirectly via
a decrease in DMI and diet digestibility (Beauchemin et al., 2007a;
Eckard et al., 2010). Tannins may also shift N excretion away from
urine to feces which could potentially decrease NH3 and N2O
emissions.
Studies have also shown that the feeding of yeast cultures,
enzymes, dicarboxylic acids (fumarate, malate, acrylate), and plant
secondary compounds such as saponins may decrease enteric CH4
emission under some feeding conditions (Ungerfeld et al., 2007;
- 23
Beauchemin and McGinn, 2006a; McGinn et al., 2004; Eckard et al.,
2010; Martin et al., 2010).
Cooprider et al (2011) noted that the daily CH4 and manure
N2O production of cattle fed through a “natural” program with no use
of antibiotics, ionophores, or growth promoters were similar to cattle
fed in more traditional systems that used anabolic implants, and
dietary ionophores and beta-agonists. However, typical cattle had
greater average daily gain (ADG: 1.85 vs. 1.35 kg/d) and thus took
42 fewer days to reach the same end point (596 kg body weight
[BW]). Thus, cattle fed using modern growth technologies had 31%
lower GHG emissions per head. Methane emissions / kg of BW gain
were 1.1 kg greater for the “natural” cattle (5.02 vs. 3.92 CO2e/kg BW
gain) than the traditional cattle.
CH4 emissions – effects of novel microorganisms & their
products. Klieve and Hegarty (1999) noted that enteric CH4
production may be bio-controlled directly by use of viruses and
bacteriocins. Australian studies have suggested vaccinating against
methanogens can decrease CH4 emissions. However, the results
have not be consistent (Wright et al., 2004; 2007; Eckard et al.,
2010).
GHG emissions from manure & compost. Dietary factors can
also affect GHG production from manure. For example, less starch is
present in the feces of cattle fed SFC-based diets (<5% of DM) than
in the feces of cattle fed DRC-based diets (10-22%: Barajas and
Zinn, 1998) because of differences in starch digestibility (98.6% vs.
80%, respectively). Because of less readily fermentable substrate
(i.e. starch), the quantity of CH4 emitted from the manure of cattle
should be less when they are fed more digestible diets. DeKlein and
Eckard (2008) suggested the most practical methods to decrease
N2O emissions from animal agriculture was decreasing dietary
protein content to decrease N excretion.
Canadian researchers, using a combined manure + bedding
composting system, noted that dietary factors can potentially affect
losses of GHG during composting. Hao et al., (2011c) noted that
dietary inclusion of the antibiotics tylosin, chlortetracycline, and
sulfamethazine altered GHG emission from compost windrows;
however, the effects were inconsistent. Hao et al. (2011a,b) also
noted that replacing dietary barley with dried DGS (40% of DM) did
not significantly affect CH4 or N2O losses from manure during 217
days of composting. However, the concentration of NH3+NH4 in the
compost was greater when dried DGS was fed. Feeding condensed
tannins did not affect GHG losses during composting. Hao et al
(2005) noted that additions of phosphogypsum (a byproduct of the
phosphorus fertilizer industry consisting primarily of calcium sulfate CaSO4 – 2H2O) decreased compost CH4 emission but did not
significantly affect N2O emissions.
Hao et al (2001) reported that GHG emissions from cattle
manure compost increased about 2 fold when the compost was
actively composted rather than passively composted in windrows.
The passive windrows were never turned but air was introduced into
the windrows by a series of open ended perforated steel pipes. Active
windrows were turned 6 times (d 14, 21, 29, 50, 70 and 84). Losses
of GHG from compost were minimal once the compost has matured
(Hao, 2007).
Xu et al (2007a, b) noted greater CH4 and N2O emissions from
windrows that composted dead cattle with manure and straw than
from manure+straw only. Emissions of CO2, CH4 and N2O were 3x,
26x, and 5x greater, respectively when mortalities were composted.
Hao et al (2005) estimated that 0.2 to 6.1% of the initial C in
cow manure was lost as CH4 during composting: this was
approximately 14% of total gaseous C losses. Nitrous oxide losses
accounted for 0.06 to 0.2% of the initial N or 3% of total N
volatilization losses. Hao et al (2004) reported that GHG emissions
from compost were not different when straw or wood chips were used
as bedding. Methane losses estimated using static chambers,
comprised 5.1 to 5.8% of total C losses or 2.0 to 2.7% of total carbon
added. Nitrous oxide-N losses represented 0.9% of total N losses or
0.39% of initial N in straw bedded manure compost and 5.9% of N
loss and 0.68% of initial N with wood chip bedded manure. Because
static chambers were used to measure emissions in these studies,
the measured emissions may be underestimates of true flux.
Sommer et al (2004a,b) noted that when compost pH
decreased from 8.0 to 7.5, N2O emissions tripled. This might be the
- 25
result of decreased NH3 losses and increased NH4 in manure at the
lower pH
Using static chambers Muir et al (2010) noted N2O flux from
Australian feedlot pens ranging from 0 to 0.033 mg/m2/minute, CO2
emissions that ranged from 0.97 to 1.44 g/animal daily, and CH4 flux
rates of 0.028 mg/m2/minute (0.65 g/head daily). Cooprider et al
(2011) noted that the daily manure N2O production of cattle fed
through a “natural” program with no use of growth promoters were
similar to cattle fed in more traditional systems, but that emissions
per unit of BW gain were lower with “traditional” systems.
Hydrogen Sulfide/Reduced Sulfur - background and
emissions. The primary source of H2S at feedlots appears to be the
retention pond. Hydrogen sulfide concentrations at feedyards are
relatively low (Koelsch et al., 2004; Rhoades et al., 2003: Tables 2
and 3) but tend to increase with higher temperatures. Emissions of
H2S appear to be very episodic; occurring in short bursts following
rains (Ken Casey, personal communication). It is not clear which
management factors affect H2S emissions from feedlots, but they are
probably related to dietary and water S content, surface/pond pH,
temperature, and OM.
Pathogens & Endotoxins – background and emissions.
Airborne pathogens or endotoxins could potentially affect the health
of cattle, feedyard employees, and neighbors. However, most
pathogens are easily killed by radiation and desiccation; therefore,
few living pathogenic bacteria can be cultured in feedyard air (Abiola
et al., 2002; Wilson et al., 2002; Purdy et al., 2004a: Tables 2 & 3).
Some fungi have been cultured in feedlot air; however, they do not
appear to be pathogenic (Purdy et al., 2004b). Endotoxins are highly
resistant to radiation and temperature change and thus are potentially
present in feedyard air (Purdy et al., 2004a). Pathogens and
endotoxins are most likely carried on dust particles or aerosols;
therefore, controlling dust particles may also help to control
emissions of pathogens and endotoxins.
Pathogens and endotoxins are also present in RCS effluent.
Purdy et al (2001) suggested that retention pond water should not be
used to control dust ( a frequent use in the U.S. southern high plains
region). However, controlled studies indicate that dust control with
retention pond water does not adversely affect cattle performance or
health (Loneragan and Brashears, 2005).
Pharmacologically active compounds (PACs) - background
and losses. Pharmacologically active compounds include hormones
(both natural and synthetic), antibiotics, pesticides, and other
chemicals that may affect animal or plant species when encountered
at sufficiently high doses. Endogenous and exogenous hormones
and their metabolites are excreted and thus may accumulate in
manure or RCS (Schiffer et al., 2001; Lange et al., 2002; Hanselman
et al., 2003; Raman et al., 2004). To our knowledge, the quantities of
PACs in feedlot air and the quantities that may deposit downwind of
the feedlot have not been measured. Some studies suggest that
hormones in feedlot manure or RCS could have adverse effects on
wildlife such as water fowl or fish (Orlando et al., 2004). However, if
feedlots are capturing all runoff, hormones from the feedlots should
not enter surface waters via runoff as long as care is taken when
fertilizing with manure to assure that streams and lakes are not
contaminated.
BRIEF SUMMARY OF US ENVIRONMENTAL REGULATIONS
THAT APPLY TO FEEDLOTS:
THE FUTURE FOR BRAZIL?
Clean Water Act (CWA)
The U.S. Clean Water Act was originally passed in 1972 and
has been amended several times (http://cfpub.epa.gov/npdes). It
established the basic structure for regulating discharges of pollutants
into the waters of the U.S, the National Pollution Discharge
Elimination System (NPDES) permitting process, and the Effluent
Limitation Guidelines and Standards (ELG) for CAFO. To help
producers defray some of the costs involved in meeting ELG, the US
Department of Agriculture (USDA) established the Environmental
Quality Improvement Program (EQIP) that can provide funding to
producers to assist in the construction of pollution prevention
systems. Portions of the CWA require that manure from CAFOs be
- 27
used properly as a fertilizer to avoid contamination of surface and
ground waters, and that records be maintained .
Total maximum daily loads (TMDL). Total maximum daily
loads are pollution limits set for a waterway based in part on its uses.
All dischargers of pollutants into waterways are required to share in
controlling the pollution. Because water quality depends on so many
factors (soil type, slope, drainage features, livestock stocking rates,
nutrient management, pest management, and wetland activities), the
specifics of TMDLs vary for different waterways. For example, under
some TMDLs livestock can not have access to riparian zones around
lakes and streams.
Comprehensive Nutrient Management Plans (CNMP). As the
first step in controlling water pollution under the CWA, all CAFO are
required to have a CNMP to manage manure, waste water, and other
organic byproducts such as dead animals. It combines conservation
practices and management activities into a system that will achieve
the goals of the producer and protect or improve water quality
The
(www.nrcs.usda.gov/programs/afo/cnmp_guide_600.52.html).
CNMP must address the following issues: 1) Manure and wastewater
handling and storage; 2) Land treatment practices; 3) Nutrient
management; 4) Record keeping; 5) Feed management; and 6)
Other waste handling activities such as composting, energy
generation, etc.
Clean Air Act (CAA).
The CAA was initially passed in 1963 and has been amended
on several occasions (EPA, 1986, 1987). It established the National
Ambient Air Quality Standards (NAAQS) for six “Criteria Pollutants”:
namely, PM, ozone, carbon monoxide, nitrogen dioxide, sulfur
dioxide, and lead. It established Primary Standards to protect human
health and Secondary Standards to protect public welfare and the
environment. In 1990 the CAA was amended to include PM-2.5 and
was recently amended to include some GHG. The primary effects of
the CAA on agriculture relate to regulations on PM-10 and PM-2.5
(and possibly its precursors such as NH3) and CH4 and N2O from
manure systems. The NAAQS for PM-10 are 50 (annual arithmetic
mean) and 150 (24-hour maximum) micrograms/m3 and for PM-2.5
are 15 (annual arithmetic mean) and 65 (24-hour maximum)
micrograms/m3.
EPCRA
The Emergency Planning and Community Right-to-Know Act
(EPCRA) serves as a “tax” on polluters for release, or threatened
release, of hazardous substances that might endanger public health
or the environment. Over 100 “hazardous” substances are listed with
“Reportable Quantities” (RQ). The listed RQs for NH3 and H2S are 45
kg/day: therefore, feedlots with more than 300 head capacity must
report their estimated NH3 emissions to their local judge.
Complaints, law suits.
Currently, the US Environmental Protection Agency (EPA)
does not have authority to regulate emissions such as odors.
However, neighbors to CAFOs have often sued operations for odor
(and dust) emissions based on adverse effects on their quality of life
or health. Such law suits can be a financial devastating to CAFO.
PRECISION FEEDING: CHALLENGES & OPPORTUNITIES
Challenges
The term “precision feeding” was coined to suggest that
livestock can be fed with greater precision than currently practiced.
Ideally, in the future, the nutritionist will be able to balance effects of
diet modifications on animal performance with subsequent effects on
the environment. However, at the present, it is still not clear how
effectively some aspects of precision feeding can be applied in the
field.
Most nutritionists incorporate safety margins in their diet
formulations to protect against variation in the nutrient content of
ingredients and the nutrient requirements of animals and because the
safety margins used in NRC nutrient requirement publications are
- 29
often not clearly stated. The point at which a safety margin becomes
excessive is not clear and the quantity of safety margins used by
nutritionists varies. Vasconcelos and Galyean (2007) reported that
beef cattle consulting nutritionists in the U.S. fed diets that varied
from 12.5 to 14% (DM basis) in formulated CP concentration with a
mode of 13.5%. Formulated P concentrations ranged from 0.25 to
0.35% with a mode of 0.3%. Millen et al (2009) noted that Brazilian
nutritionists formulated for similar CP (12 to 15%) and P values
(mode 0.25%) and that most Brazilian nutritionists formulated for DIP.
Some of the factors that limit the use of precision feeding in
AFO include 1) variability in animal requirements, 2) seasonal /
climatic effects, 3) variability in composition of feed ingredients, 4)
logistics (Cole, 2003). Additional factors such as the low cost byproduct feeds, and as-yet undetermined ingredient associative effects
also are important. In short, most of these limitations revolve around
the risk of adversely affecting animal health or performance.
Animal Variability. The protein requirements of beef cattle
change as they approach their finished BW. Ideally, for precision
feeding to work, cattle need to be sorted to pens based on a
percentage of their finished BW (or days required to reach finished
BW or body fat) rather than on their actual BW. Unfortunately, this is
easier said than done.
When formulating diets for large groups of animals, diets can
be balanced based on the genetic potential of the best animals, the
worst animals, or the average of animal in the group. As an example
of the effect of animal growth potential on CP requirements, we
calculated the performance and N excretion of 100 hypothetical
steers fed diets formulated to meet the CP requirements of the lowest
50%, lowest 84%, or 100% of the animals in the pen (NRC, 1984;
Table 8). Assuming that animals could be individually fed based on
their genetic potential for growth, we calculated the overall pen
performance and N excretion if 100 animals were “precision fed” (fed
three different diets – one balanced for the bottom-performing 50
steers, one for the middle 34 steers, and one for the best-performing
16 steers). Restricting the dietary CP concentration to meet the
requirements of 50% of the cattle in the pen had major adverse
effects on animal performance and did not decrease total pen N
excretion because more days were required to reach market weight.
Feeding to meet the requirements of 84% of the cattle, rather than
100%, had a slight adverse effect on calculated animal performance
but a beneficial effect on calculated N excretion. As expected,
precision feeding provided the best performance and lowest N
excretion but was not “attainable” in a real world situation. Based on
these calculations, diets need to be formulated to meet the
requirements of at least 84% of the cattle in a pen. Feeding to meet
the requirement of 100% of the cattle will maximize performance but
will also have a modest effect on N excretion. Interestingly, these
simulated results were similar to results in feeding and metabolism
trials (Table 4: Gleghorn, et al., 2004; Vasconcelos et al., 2009).
Feed Ingredient Variability. A major factor limiting the use of
precision feeding is feed (and thus diet) variability (Figure 1). Loads
of feed ingredients vary in nutrient composition because of growing
conditions, time in storage, etc. Nutrients in feeds also vary in their
bioavailability to the animal. Unfortunately, current technology does
not allow feedmills to base every feed mix on the actual nutrient
content of the feed ingredients. Thus, rations must be formulated on
expected values. Many tabular values are based on “old” and limited
data and thus their validity today is in question. In a 5-year survey of
corn CP concentrations at a Texas feedyard, only 6% of samples had
a CP concentration equal to or greater than NRC (1996) values
(Cole, 2003). The variation in the CP contents of grain samples
obtained at a commercial feedyard over 5 years is presented in
Figure 1. The average CP concentration of corn was approximately
8.9 % - 10 % less than values in the NRC (1996) tables. The
sorghum grain and corn samples routinely had P concentrations
lower than NRC (1996) tabular values with concentrations as low as
0.19%. On average, they contained 0.25 to 0.28% P and
concentrations were greater than 0.23% at least 75% of the time.
Corn
Sorghum
- 31
Diet
35
31
% of samples
30
25
25
27
26
23
20
16
15
16
10
5
0
3
<8
1
3
9
7 6 6
3
8,5
9,5
12 11
13
13
11
8
4
1
10,5
11,5
7
3
12,5
3
13,5
14,5
5
>15
Crude protein %
Figure 1 - Distribution of crude protein concentrations in feed grain
and diet samples (% of samples with designated CP
concentration - rounded to nearest 0.5%). Diet formul ated
for 13.5% CP.
Table 8 - Calculated effects of feeding to meet the CP requirements
of 50%, 84%, 100%, or of precision feeding on steer
performance and N excretion: 100 head of 400 kg, large
frame steers (NRC, 1984)
Item
Ration cost, $ / kg
N intake, kg/d
N excreted, kg/d
ADG, kg
Feed/gain
Cost of gain, $/kg
Days to 580 kg
N excreted, kg/pen
50%
0.112
15.8
12.7
1.24
8.00
0.95
146
1,851
84%
0.121
18.1
14.5
1.54
6.49
0.78
118
1,711
100%
0.123
20.5
16.4
1.60
6.25
0.77
114
1,870
Precision
0.120
17.0
13.6
1.60
6.25
0.75
114
1,550
Formulating diets based on knowledge of feed ingredients can
help to reduce nutrient waste. If the nutritionist has a good chemical
analysis, or a reliable history of the composition of feed ingredients, it
is possible to formulate diets that meet the animal’s requirements at
least 75 to 90% of the time (Cole, 2003).
However, good ingredient and diet samples are required to
make correct decisions (Cole 2003). For example, Hales et al (2010)
demonstrated that the P and fat content of SFC tended to congregate
in fine particles rather than in intact flakes. For some mixed diets, an
analysis profile of the individual ingredients may be more accurate
than a sample of the mixed diet.
Quality control. The best formulated diet in the world will not
be effective if the ingredients are not delivered to the mixer in the
correct proportion and properly mixed. Mixers should be tested
routinely to be sure that ingredients are mixed properly and to
determine the optimal mixing time.
Logistic challenges. One of the advantages of modern day
concentrated livestock feeding operations is the economy of scale.
However, the sheer size of many operations also makes it more
difficult to adapt some technologies. In large feedyards, modifying
feeding practices may require feed mill modifications or may increase
the feed truck km and/or worker time required just to get cattle fed.
This may be especially true in yards using a “slick bunk”
- 33
management approach. Requirements of added fuel, workers, or
feed trucks can result in significant costs to the enterprise.
Feed intake. Animals require quantities of nutrients rather than
dietary proportions (i.e. g/day vs. %). However, in most livestock
feeding operations animals are provided ad libitum access to
complete diets. Therefore, diets are formulated to contain designated
concentrations of nutrients with the assumption that DMI will be within
a specified range. Overestimating DMI will lead to under-feeding
specific nutrients, whereas underestimating DMI will potentially lead
to feeding excessive quantities of nutrients. For example, a 5%
change in the DMI of a dairy cow can affect the required dietary CP
concentration by 0.5 to 1% (Chase, 2002).
Manure handling charges. Manure handling can represent 5
to10% of the fixed costs of a feedyard (Sweeten, 1978). Adding a
“manure handling charge” to the cost of feed ingredients can
potentially be beneficial in limiting the use of feeds that may produce
environmental problems or increase manure handling costs. For
example, if manure must be applied to land based on its P content,
then manure with a higher P content will have to be hauled greater
distances and the manure becomes less valuable as a fertilizer.
Similarly, poorly digested feeds can have dramatic effects on the
quantity of manure produced and thus the quantity that must be
transported off-site. Thus an additional manure handling charge may
be added to the costs of feeds with high P or low digestibility.
OTHER POTENTIAL OPPORTUNITIES / CHALLENGES
1) Gaseous emissions of NH3, odors, etc. are all controlled by a
balance of microbial activity on the pen or pond surface. Making
drastic changes in nutrition or management in order to decrease
emissions of one component (NH3 for example) can potentially
lead to increased emissions of other components (N2O for
example).
2) The NRC (2003) publication on emissions from AFO
recommended that emissions of NH3 and GHG be based on a per
unit of production basis, rather than on a per AFO basis. Thus,
factors which increase production efficiency, such as growth
3)
4)
5)
6)
7)
promoters, also decrease NH3 and GHG emissions per unit of
gain.
Manage feed bunks to avoid feed wastage, avoid sorting and
decrease fines.
Sort cattle based on their nutrient requirements
Become informed and knowledgeable about critical issues in your
water- and air-shed
Be cautious – don’t take someone else’s environmental problem
and making it yours (i.e. “cheap” by-products, etc.).
Develop a written nutrient conservation plan.
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RELATIONSHIP BETWEEN MUSCLE
FIBERS, GROWTH EFFICIENCY AND BEEF
QUALITY
Brigitte PICARD
Inra, UMR1213 Herbivores,
Theix, 63122 Saint-Genès-Champanelle, France
Skeletal muscles can be distinguished on the basis of their
color, red or white, and their contractile properti s, fast or slow since
the first half of the 19th century. Most studies on muscle fiber
heterogeneity have focused on two main diversities: contractile
response and metabolism. These properties differ according to
species. In this review we will focus on cattle muscle fibers and their
classification and relation with growth efficiency and beef qualities,
mainly tenderness.
MUSCLE FIBER PROPERTIES
Structure
Muscle tissue consists of elongated fibers, cylindrical,
multinucleated, and organized in bundles surrounded by connective
tissue (Fig. 1). Muscle fibers occupy from 75 to 90% of muscle
volume. The muscle fibers themselves are made up of myofibrils.
They are elongated, occupy most of the cell volume and are
constituted of bundles of protein filaments (Fig. 1) delimited by a
structure called a sarcomere (Choi et al., 2009). Observed in the
electron microscope, the ordered structure of each sarcomere is
based on the alignment of thick and thin filaments, the latter
interpenetrating the thick filaments. Myosin and actin are major
proteins in the thick and thin filaments, respectively. The thick
filaments are composed also of myosin-binding proteins, namely
myosin-binding protein C and H (MyBP-C, MyBP-H), titin, and
myomesin M protein. The thin filaments are composed of
tropomyosin (TM), of the complex troponin [troponin C (Tn-C),
troponin I (Tn-I) and troponin T (Tn-T)], of nebulin and regulatory
proteins (Bottinelli et al., 2000). Myosin, which alone represents 50%
of myofibrillar protein, is composed of two heavy chains (MyHC,
myosin heavy chain) and four light chains (MyLC, myosin light chain)
(Fig. 1).
adipocytes
chip blood
bone
fiber
Sarcomere
connective tissue
TnT
TnC TnI
Bundle
of fibers
Tropomyosin
Actin
MLC1, 3
MLC2
S1
MyBP
MyBP
Thin filament
Thick filament
Z line
Z line
S2
Myosin
H area
I band
A band
I band
Figure 1 - Structure and ultrastructure of muscle fibers. Tn, troponin ;
MLC, Myosin light chain ; MyBP, Myosin binding protein. S1
et S2, globular head where is the site of ATP hydrolysis
Contractile properties
Myosin is the major protein of muscle tissue. We will focus
more specifically on heavy chains because they play an important
role in muscle contraction, MyLC have a regulatory role. Indeed, it is
at the level of MyHC that the ATPase activity of myosin that will
provide energy for muscle contraction by ATP hydrolysis (Fig. 1), is
found. Mammalian genomes contain 11 sarcomeric MYH genes
(coding MyHC), highly conserved in vertebrate evolution, each coding
for a different MyHC isoform (for review: Schiaffino and Reggiani,
2011). Most MyHC genes are associated in two clusters, one
containing slow MyHC I (coding by MYH6) and alpha-cardiac (coding
- 53
by MYH7). Another cluster contains the three fast isoforms MyHC IIa,
IIx, IIb coded respectively by MYH 2, MYH1 and MYH4 and, two
developmental isoforms expressed in embryonic and neonatal
muscles: MyHC emb and neo coded respectively by the MYH3 and
MYH8 genes (Bottinelli et al., 2000). The four isoforms I, IIa, IIx and
IIb are predominant in adult skeletal muscle of different species. The
MyHC I isoform is expressed in slow type I fibers, and the three fast
isoforms MyHC IIa, IIx and IIb are expressed respectively in the IIA,
IIX and IIB fibers. Initially, in mammals, the fast isoforms MyHC IIa
and IIb were reported to be expressed respectively in the IIA and IIB
fibers. However a third fast MyHC IIx isoform has been identified in
several species (human, rat, pig, cattle) (for review: Schiaffino and
Reggiani, 2011). This isoform is expressed in fibers called IIX, which
cannot be distinguished from type IIB fibers by conventional
histochemical techniques. Contractile and metabolic properties of the
IIX fibers appear intermediate between those of IIA and IIB fibers.
The work of Chikuni et al. (2004) showed that the MyHC IIb gene was
present in the bovine genome but was not expressed. However,
recently Picard and Cassar-Malek (2009) showed the presence of
MyHC IIb isoform in skeletal muscle of some cattle.
Thus, the contractile activity of the fibers is faster or slower
depending on the type of MyHC isoform they contain. The contractile
type can be determined by measuring the ATPase activity of fibers or
by revealing the different MyHC isoforms using specific antibodies.
Metabolic properties
If we compare the muscle to an engine: to function it needs
fuel. Two forms of nutrients, transported by blood flow, exist: glucides
(e.g. glucose and glycogen) and lipids (free fatty acids, triglycerides,
volatile fatty acids and ketone bodies). There are also reserves within
the muscles (glycogen and triglycerides). The use of these nutrients
will help to produce energy for muscle contraction. This power can
take two pathways, oxidative (requiring the presence of oxygen) or
glycolytic (without oxygen). By combining contractile and metabolic
typing three main types of fiber can be distinguished in cattle after
birth: slow oxidative (I), fast glycolytic (IIA) and fast glycolytic (IIX)
(Picard et al., 1998a). Type I fibers have a higher lipid content and a lower
level of glycogen and glucose than fast fibers. Therefore, the fast fibers
preferentially use glucose as an energy source (Choi et al., 2009).
Cross sectional area of fibers
In bovine as in other species, for the majority of muscles, the mean
cross sectional area of the fibers is classified as follows: IIX> IIA> I
(Fig. 2). The diameter of oxidative fibers is limited to allow more
efficient diffusion of oxygen in a large fiber (Maltin et al 2003).
However, in Rectus abdominis (RA) muscle, the classification is the
opposite, the type I fibers having the highest cross sectional area
(Oury et al., 2009, 2010).
ATPase
I
I
TB
RA
Figure 2 - Illustration of cross sectional area of fibers in Triceps
brachii (TB) and Rectus abdominis (RA) muscles. With
ATPase revelation, slow fibers are in black. This illustrates
that in RA muscle slow fibers have the larger size, unlike
in main other muscles according to Oury et al., 2009.
CLASSIFICATION OF MUSCLE FIBERS
The classification of muscle fibers is based on a functional test
(speed of contraction) and a metabolic criterion (the type of energy
metabolism) corresponding to the speed of energy utilization during
contraction, and the main source of energy. Various techniques are
- 55
available for the classification of muscle fibers, either at the cellular
level on ultra thin sections of muscle fibers from a sample of muscle
progressively frozen and stored at -80°C or at the tissue level by
ELISA (Picard et al., 1994) or electrophoresis using a muscle
homogenate (Picard et al., 2011). Most classifications describe at
least three main types of fibers in adult skeletal muscle that can be
distinguished according to histochemical, immunohistochemical or
electrophoretic criteria.
Histochemical techniques
Two histochemical approaches were used to classify different
types of fibers. One of the first classification methods is based on the
sensitivity to acidic or alkaline pH of the ATPase activity of the MyHC
isoforms. Thus, a distinction between slow twitch acid-sensitive type I
fibers, and fast twitch acid-fast type II fibers was made by Guth et al.,
(1970). This classification is based on the revelation of the
myofibrillar ATPase activity on sections. In acidic pH, the ATPase
activity of fast fibers is inhibited and that of slow fibers remains intact.
Thus, slow fibers are stained black, and fast fibers are not colored,
they are white (Fig. 3). Subsequently, using different pH preincubation, Brooke and Kaiser (1970) completed this classification by
identifying two subclasses of fast fibers (Fig. 3a). A parallel
classification based on the determination of the simultaneous
histochemical ATPase activity and metabolic enzymes representative
of oxidative metabolism, such as succinate dehydrogenase, on serial
sections (Fig. 3b), was introduced (Ashmore et al., 1971, Peter et al.,
1972). Thus, by combining the two colors we can distinguish: slow
oxidative SO fibers (called also βR), which are black ATPase at
acidic pH and blue for the SHD activity because they have an
oxidative metabolism; they contain the MyHC I isoform. Among fast
fibers (white ATPase at acidic pH), there are two sub-populations, the
fibers that are blue in SDH are fast oxidative fibers FOG (or αR).
They contain the MyHC IIa isoform. Another type of fast fiber (white
ATPase at acidic pH) is not colored blue by SDH as this type has a
very low oxidative metabolism. These fibers are then called fast
glycolytic FG (or αW), they contain IIX MyHC, use mainly glucides to
produce energy and do not need oxygen to function.For a long time,
and especially in cattle, IIX fibers were classified as IIB, according to
the classification of Brooke & Kaiser (1970), because the
conventional histochemical techniques used did not allow the
distinction between the two types of fibers.
Immunohistochemical techniques
More recently, immunohistochemistry techniques using
polyclonal and monoclonal antibodies specific of some MyHC have
been developed. Thus, from the revelation of the MyHC I, IIa, IIx and
IIb isoforms, four fiber types (I, IIA, IIX and IIB) can be highlighted
(Fig. 3c, d, e). This technique allows pure fibers that contain a single
MyHC isoform and hybrid fibers that contain multiple isoforms of
MyHC to be distinguished. These fibers cannot be identified by other
methods. Their analysis allows us to accurately determine the
changes in fiber types according to the following scheme: I ' I / IIA
' IIA 'IIA/ IIX 'IIX. Recently, we developed a software application
allowing an automatic classification of fibers based on the revelation
of fiber types by using different antibodies specific for different MyHC
(Meunier at al., 2010). The tool, developed with Visilog software,
permits rapid and objective fiber typing and morphometric
characterisation of bovine muscles. The results have been validated
by comparison with our previous histological and densitometric
assays. With this tool, combining recent advances in
immunochemistry, fluorescence microscopy and image processing,
research laboratories can save time and gain reliability. The tool may
also be used for typing in animal breeding and in laboratory animals
(such as the rat or mouse) once the processing programme has been
adapted to species-related antibody specificities.
Azorubine
(a)
(b)
I
I
IIA
I
IIX
IIA
AX
I
IIA
IIX
AX
(c)
IIX
AX
I
IIA
IIX
- 57
(d)
IIA
AX
IIX
AX
(e)
Figure 3 - Classification of muscle fibers by different techniques
(a) with the technique of Booke and Kaiser 1970 based on the
revelation of ATPase at acidic pH, slow fibers (I) are in black,
fast IIA fibers are white and fast IIX fibers are grey.
(b) with the technique of Peter et al., 1972, Succinate
dehydrogenase activity is revealed, oxidative fibers are blue.
The combining observation of section a and b, allows the
disctinction of slow oxidative fibers (type I), fast oxidoglycolytic fibers (type IIA) and fast glycolytic fibers (type IIX)
(c, d, e) immunohistochemistry using antibody which recongnise
(c) : slow MyHC (in green), (d): fast MyHC: IIa+IIx, (e) :
MyHC I+IIx
The comparaison of different serial sections allows the
distinction of hybrid fibers which contain IIa and IIx MyHC
isoforms: IIAX, according to Picard et al., 1998a.
Electrophoretic separation
Electrophoretic separation of different MyHC isoforms
according to their molecular weight is the most direct approach to
determine the contractile properties of a given muscle. However,
these isoforms have a very similar amino acid composition and are very
difficult to separate according to their molecular weight with a good
reproducibility. Picard et al. (2011) have developed a separation
technique in mini-gels which allows good separation and good
reproducibility of the different bovine MyHC isoforms (Fig. 4), thus
avoiding the use of a polyacrylamide gradient with the associated
problems of reproducibility (Picard et al., 1999). These conditions also
allow a good separation of sheep MyHC (Hemmings et al., 2009). Using
electrophoretic separation we revealed the existence of a fourth MyHC
isoform in some cattle (Fig. 4). This isoform was identified as MyHC IIb
(Picard and Cassar-Malek, 2009). According to different studies, this
isoform was considered not to be expressed in the limb and trunk
muscles of cattle. Maccatrozzo et al. (2004) showed that the MyHC-IIb
gene (MYH4) is present in the bovine genome on chromosome 19.
However, its expression is restricted to certain specialised eye muscles.
In our studies, we revealed the presence of the MyHC IIb protein in some
cattle, although the transcript was present in all animals studied (Picard
and Cassar-Malek, 2009). So the existence of a post-transcriptional
regulation of MyHC-IIb expression may be postulated. By using our
electrophoresis technique we demonstrated that the MyHC IIb isoform is
observed with very different frequencies among the principal French beef
breeds: 25% in Blonde d’Aquitaine, 6% in Charolais, 41% in Limousin. It
is the first time that we have observed such differences between breeds
for a muscle characteristic (Picard et al., 2010a).
MyHC IIb
MyHC IIx
MyHC IIa
MyHC I
ST
LT
ST
LT
ST
LT
Figure 4 - Electrophoretic separation of MyHC of Semitendinosus
(ST) and Longissimus thoracis muscles according to
Picard and Cassar-Malel 2009.
- 59
Some animals (Blonde d’Aquitaine young bulls) have the MyHC IIb
isoform in these two muscles
How to choose the best classification technique?
As
we
discussed
above,
several
histochemical,
immunohistochemical and electrophoretic techniques are available to
classify the different types of muscle fibers. The choice of the
technique used is very important because it has been shown not only
in the bovine (Picard et al., 1998a) but also in other species that the
classifications of muscle fibers are not strictly the same with each
technique. For example, the fibers classified FOG according to the
method of Peter et al. (1972), were considered as fibers containing
MyHC IIa isoform and having an oxido-glycolytic metabolism.
However, it appears that in some muscles as the Longissimus
thoracis (LT), fibers expressing the MyHC IIa isoform
(immunohistochemical revelation) are classified into two
subpopulations according to their metabolic properties: IIA oxidative
and IIA non-oxidative fibers (Picard et al., 1998a). These fibers are
classified as FG fibers using the technique of Peter et al. (1972), thus
considered as fibers expressing MyHC IIx isoform and having a
glycolytic metabolism. However, in muscles as the Semitendinosus
(ST), all IIA fibers have oxidative metabolism and thus correspond
strictly to FOG fibers (Picard et al., 1998a). In the Rectus abdominis
muscle (RA), SDH activity of fast fibers is very low making it
impossible to distinguish between FG and FOG fibers. So, for this
muscle the classification of Peter et al. (1972) cannot be used (Oury
et al., 2010). Thus, to classify muscle fibers as accurately as
possible, we recommend revealing the contractile type by
immunohistochemistry using anti MyHC antibodies and the SDH
activity on serial sections (Picard and al., 1998a). However, for
experiments on large numbers of animals these histochemical
techniques cannot be applied because they are time consuming.
Alternatively, the contractile and metabolic properties of muscle can
be determined from a homogenate by electrophoresis (or ELISA),
and by measuring the activities of enzymes representative of
glycolytic and / or oxidative metabolic pathways, respectively,
(Hocquette et al., 2007; Jurie et al., 2006). The most commonly
assayed glycolytic enzymes are lactate dehydrogenase (LDH) and
phosphofructokinase (PFK). The enzymes of oxidative metabolism
are more numerous because of the different metabolic pathways: the
hydrolysis of circulating triglycerides, lipoprotein lipase (LPL), the
catabolism of long chain fatty acids to acetyl-CoA (β-oxidation
enzymes), the Krebs Cycle involved in the catabolism of acetyl-CoA
produced from fatty acids or glucose (isocitrate dehydrogenase,
ICDH and citrate synthase, CS), or the respiratory chain involved in
the synthesis of energy (cytochrome c oxidase). Moreover,
electrophoresis is the only technique allowing a good revelation of the
MyHC IIb isoform.
Diversity of fibers according to the muscle
The four major fiber types are variously distributed in body
muscles of mammals, including limb, trunk, and head muscles.
Moreover composition of muscle fiber types varies from one muscle
to another depending on its function and anatomical location,
especially in cattle between the front and the rear muscles (Schreurs
et al., 2008; Talmant et al., 1986; Totland et al., 1991). The volume
occupied by type I fibers is 10% higher in the muscles of the front
than in the rear (41 and 31% respectively), whereas that occupied by
the IIX fibers is similar (37 and 38% respectively). In addition, an
intra-muscle gradient was described in the distribution of different
fiber types. Thus the proportion of type I fibers is greater in the
anterior and medial muscles while the proportion of IIX fibers is
higher in the superficial and posterior muscles (Totland et al., 1991).
Finally, a proximal-distal or up-down gradient, in terms of contractile
and metabolic characteristics, was described for the Semitendinosus
muscle in young cattle, which disappears in older animals
(Brandstetter et al., 1997).
Their proportions within a muscle vary according to species
(Fig. 5). For example, the masseter muscle in adult cattle is
constituted exclusively of type I fibers (Picard et al., 1996). It is a slow
oxidative muscle, which is consistent with its implication in
mastication and rumination in ruminants. In contrast, in rodents such
as rat, mice and rabbit, which have a faster mastication profile, it
- 61
contains both I and IIA fibers. In guinea pigs, it is composed of IIA
fibers exclusively. In carnivores, it contains an unusual fiber type
containing a super fast MyHC isoform. Interestingly, we
demonstrated that masseter muscle acquires its slow-twitch
character as an adaptive response to rumination. Just before birth,
this muscle contains fast (80%) and slow fibers (20%). The proportion
of slow fibers increases with age in suckled animals (53% at 170
days) and represents 100% just after weaning in bulls, steers and
cows (Picard et al., 1996). This clearly illustrates that fiber properties
depend on muscle contractile activity. Another example is the
diaphragm which is a fast muscle composed of mainly IIX fibers in
rats and micee, but a slow muscle in large mammals such as cattle in
which it is constituted of type I and IIA fibers (Picard et al., 2002).
(a)
(b)
(c)
Figure 5 - Revelation of ATPase according to the technique of
Brooke and Kaiser, 1972, with pre-incubation at pH 4.35
inhibiting activity of fast fibers.
The slow fibers are in black.
On Longissimus thoracis muscle from (a) cattle, (b) pig,
(c) rabbit, illustrating different contractile properties for the
same muscle in three different species.
MYOGENESIS
Muscle fiber properties depend on the fetal and post-natal life
of animals. Fiber diversity is issued from fetal development: the
different fibers come from different cell generations. While the
general principles of muscle development are similar in different
animal species, they occur with different kinetics, in relation to the
maturity of each species at birth. Myogenesis has been well
documented in cattle (for review: Picard et al., 2002; Picard et al.,
2010b).
Fetal development
During myogenesis, the fibers acquire their contractile and
metabolic properties characterized respectively by their myosin heavy
chain (MyHC) isoform content and by an enzymatic equipment
allowing them to ensure their energy metabolism. In cattle, at least
two generations of fibers are involved (Fig. 6). A "primary" generation
from the embryonic myoblast fusion, was observed from 30 days
after conception and is fully differentiated at the end of the second
trimester (about 180 days) of gestation. These slow twitch fibers
become "Type I" in most muscles, except in adult fast muscles (as
the cutaneus trunci), in which they are converted into fast fibers
(Picard et al., 1995a). A "second" generation from the fetal myoblast
fusion is detectable from the end of the first quarter, and is the source
of most of IIX fibers. After birth, the secondary fibers are converted to
fast or slow fiber according to muscle type (Picard et al., 2002). The
presence of a third generation has been suggested based on the use
of antibodies specific of MyHCs. It is detectable from 40% of the
gestation period, as observed also for human muscle (Picard et al.,
2010b) and gives rise to fast I and IIA fibers and slow IIC hybrid fibers
(undifferentiated at birth, expressing both isoforms of fast and slow
MyHC). The analysis of several differentiation markers shows that the
contractile and metabolic maturation of fibers occurs mainly during
the last trimester of gestation (Picard et al., 2002). Indeed, the
expression of developmental MyHC (including embryonic, fetal and
α-cardiac) isoforms decreases during this period (Gagniere et al.,
1999a; Hocquette et al., 2006 ; Picard et al., 2006). These isoforms
are progressively replaced by adult isoforms of fast MyHC (Fig. 7).
The slow isoform of MyHC, is expressed earliest, and is detected in
myotubes at 30 days of gestation, and then only in the first
generation fibers from 180 days. Later, this isoform is also detected
- 63
in the fibers of the second and third generation, which give rise to
type I fibers in adult muscle. Three weeks after birth, the muscles of
cattle contain only type I, IIa and IIx adult MyHC isoforms (Picard et
al., 2006). They do not express the IIb isoform, except in some cattle
(Picard and Cassar-Malek, 2009). Thus, the maturation of the
contractile properties of bovine muscle is particularly advanced at
birth, as in sheep (Maier et al., 1992) and humans (Shrager et al.,
2000), but unlike rodents (Cho and al., 1994). During the last
trimester of gestation, the activity of enzymes of oxidative and
glycolytic metabolism increases greatly in bovine muscle (Gagniere
et al., 1999b). The muscles can be distinguished on the basis of their
metabolic properties at 180-210 days of gestation, whereas it is
possible only during the month following birth or hatching in chickens,
rats, rabbit and pigs (Picard et al., 2002). In cattle, all type I fibers
have oxidative metabolism from 210 days of gestation. For IIA fibers,
oxidative metabolism increases during the last trimester of gestation,
and all have oxidative metabolism from birth (Picard et al., 2006). The
activities of enzymes involved in glycolytic metabolism also increase
during this period (Fig.8) in parallel with changes in the expression of
the different isoforms: conversion of cardiac to skeletal LDH isoforms
(Chaze et al., 2008).
Primary generation
Secondary generation
60 d
FSEfA
Third
generation
FSEfA
-SEfA
270 d
Fibres
F-EfA
-S---
180 d
Birth
EfA
S
I
F
F
IIX and IIXF
Ff
Sf
IIA and IIC
and I
Figure 6 - Myogenesis in cattle according to Picard et al., 2002.
Using antibodies recognising Fast MyHC (IIa+IIx): F ; fœtal MyHC: f ; embryonic
MyHC: E ;
Slow MyHC: S
The total number of fibers is fixed at 180 days post-conception in average
Slow fibers frm the primary generation are totally differenciated from 180 days: they
contain only slow MyHC and have an oxidative metabolism
A proportion of IIA and IIX fibers still contain fœtal MyHC at birth.
During development, the process of muscle growth is
continuous. At the cellular level, the accretion of muscle tissue can be
defined by the increased number (hyperplasia) and the diameter and
length (hypertrophy) of the fibers. During fetal life, muscle growth
occurs first by hyperplasia. Different studies of bovine fetuses
showed that the total number of fibers is fixed at about the end of the
second trimester of gestation (Picard et al., 2002). Fiber size
increases from this point as observed also in sheep (Greenwood et
al., 1999, 2000). This process of fiber hypertrophy then occurs during
perinatal and postnatal life (Brandstetter et al., 1998a; Jurie et al.,
1999). It involves the fusion of satellite cells with existing fibers, as
described in other vertebrate species (Biressi et al., 2007). These
cells are detectable at 65 days of pregnancy in cattle (Bonnet et al.,
2010) and 85 days of gestation in sheep (Greenwood et al., 1999)
and contribute to the growth and regeneration of muscle fibers.
- 65
Figure 7 - Contractile differentiation during fœtal life in Semitendinosus
muscle of charolais foetuses according to Picard et al., 2002.
During the last trimester, when the total number of fibres is fixed, the
fœtal MyHC disappears progressively
And the proportion of fgast MyHC (IIa+IIx) increase.
These results were obtained by ELISA and western-blot techniques
1.2
ICDH activity (µmol/min/g)
CS activity (µmol/min/g)
5
1
110
180
210
0
260
dayspc
0
110
180
210
260
110
180
dayspc
LDH activity (µmol/min/g)
400
300
200
100
0
COX activity (µmol/min/g)
10
2
0.4
20
15
3
0.8
0
4
70
210
260
dayspc
PFK activity (µmol/min/g)
50
30
10
0
110
180
210
260
dayspc
110
180
210
260
dayspc
Figure 8 - Metabolic differentiation during fœtal life in Semitendinosus
muscle of charolais foetusesaccording to Chaze et al., 2008.
Oxidative, ICDH: Isocitrate Dehydrogenase ; CS: Citrate Synthas ; COX:
Cytochrome C Oxidase.
and glycolytic, LDH: Lactte Dehydrogenase ; PFK: Phosphofructokinase, activities
increase during the last trimester of foetal life.
Evolution of contractile and metabolic characteristics of fibers
in postnatal life
The number of fibers being fixed during fetal life (Picard et al.,
2002), postnatal growth of muscle is achieved only by an increase in
size, namely an increase in fiber size (diameter and length). This
development is accompanied by changes in the proportions of
different types of fibers. In cattle during postnatal life, the contractile
and metabolic characteristics of muscle fibers occur in two stages.
During one phase of growth from 0-12 months oxidative metabolism
decreases, and conversely glycolytic metabolism increases (Picard et
al. 1995b). These changes are associated with a decrease in the
proportion of IIA fibers (fast oxido-glycolytic) and an increase in the
proportion of IIX fibers (fast glycolytic). In males this evolution
continues until 12 months and then gradually reverses. During the
following age period, the proportion of I and IIA fibers increases,
while in contrast the percentage of IIX fibers decreases. Thus, the
muscles are more oxidative. It appears that the increase in glycolytic
metabolism associated to an increase in the proportion of IIX fibers
occurs in a period of intense muscle growth. The opposite trend at 12
months coincides with a slowdown in the intensity of muscle growth.
The change in characteristics of muscle fibers with age can be
affected by different rearing factors, particularly related to the
physiological state of animals, their diet and physical activities (for
review: Cassar-Malek et al., 2008).
REGULATION OF FIBER PLASTICITY
Among the different factors influencing muscle fiber properties, we
will focus on those associated with an increase of muscle growth
potential.
Effect of genetic type on contractile and metabolic characteristics
of muscle fibers
In cattle, double-muscled (DM) animals constitute good
models to understand the mechanisms controlling muscle
hypertrophy. A proteomic analysis conducted on Semitendinosus
- 67
muscle from adult Belgium Blue (BB) cattle (muscle hypertrophy
induced by mutation in the myostatin gene and compared to BB
without mutation in the myostatin gene) showed changes in protein
expression consistent with an increased fast muscle phenotype in
double-muscled BB, suggesting that myostatin negatively controls
mainly fast-twitch glycolytic muscle fiber numbers. Studies on fetus
confirmed that in DM foetuses there is a higher proliferation of
second generation fibers, inducing a higher proportion of fast
glycolytic fibers. An increase in muscle mass can also be obtained by
selection (for example see Renand et al., 1995). Charolais cattle
selected on their muscle growth capacity, high (H) compared to low
(L) muscle growth capacity, had a higher proportion of fat glycolytic
fibers, as observed for DM cattle. In vitro studies have shown a
higher proliferation of H muscle myoblasts (Duris and Picard, 1999)
as observed for DM myoblasts (Picard et al., 1998b). Studies on
foetus corresponding to high muscle growth capacity (H) compared to
low (L) at different stages of fetal life demonstrated that muscle
hypertrophy in foetuses with a high growth potential is due to a higher
total number of fibers (indicating hyperplasia). From the last trimester
of gestation, this is associated with a higher proportion of fast
glycolytic fibers. However, these animals showed a delay in
physiological maturity inducing a delay in the plasticity of muscle
fibers after birth. Consequently, the effects of selection on growth rate
on muscle properties are observed only on some ages (Picard et al.,
2006).
A study on the Longissimus thoracis muscle of different
breeds of cattle (30 bulls from 15 breeds of cattle in Europe) carried
out under conditions comparable with a grain-rich diet, and
slaughtered at the age of 15 months has shown that it is possible to
discriminate between the breeds on the proportions of different types
of fibers (Hocquettte et al., 2007). The hardy beef breeds that are
essentially of Spanish origin (Casina, Avilena) had oxidative muscles.
The the most fatty beef breeds (Aberdeen Angus and Hereford of
British origin) or small-size dairy breeds (Jersey), have an oxidative
activity and grade I and IIA fibers with high glycolytic activity and a
low content of IIX fibers. The opposite is observed for lean beef
breeds (Italian-born Piedmonteseand Charolais and Limousin of
French origin). The comparison of even more extreme breeds
confirmed these results (less oxidative muscles and faster in Belgian
Blue compared to Angus). The reverse (oxidative metabolism with
very little or no IIX) was observed in the two breeds of the AOP
“Taureau de Camargue”: Brave and Di Biou breeds (SantéLhoutellier et al., 2010). These two breeds are selected only for
bullfighting and not for meat quality. All these data clearly show that a
selection of cattle for meat production has led to a higher proportion
of fast glycolytic fibers (IIX) associated with less oxidative metabolism
and glycolysis.
Endogenous hormones: testosterone
Several studies have shown that androgens increase muscle
mass by increasing the surface area of all fibers and by inducing a
slow down in the conversion of IIA fibers (fast oxido-glycolytic) to IIX
fibers (fast glycolytic) with age. However, two different studies carried
out on Montbéliard steers castrated respectively at 2 months and 4
months, compared to non-castrated animals, show that the
differences are observable only after puberty (Picard et al. 1995c).
Indeed, although the synthesis of testosterone starts at 2 months, no
difference in muscle fiber composition is observed at 4 and 8 months.
At 12 and 16 months, the muscles of bulls contained lower
proportions of IIX fibers and more I fibers than in castrated animals.
These differences were accompanied by a lower glycolytic (LDH) and
a higher oxidative (ICDH) activity. The average area of the fibers was
lower in steers, due to the hypertrophic effect of testosterone in bulls
(Brandstetter et al., 1998b, 2002).
Similar effects on muscle fiber properties can be obtained with
exogenous anabolics such as clenbuterol and cimaterol. In the
muscle of these animals, the average cross sectional area of fibers is
increased and muscles contain fewer type I fibers (slow oxidative)
and more type IIX fibers (fast glycolytic) than controls. However, in
these hypertrophied muscles the calcium-dependant proteolytic
system is perturbed as the activity of the calpastatin inhibitor
increases, inducing a lower rate of post-mortem ageing of these
muscles (Picard data not published).
- 69
Effect of nutrition
Growth efficiency can also be manipulated via the diet of
cattle. The energy level and the composition of the diet which
constitute important factors in cattle rearing, influence the properties
of muscle fibers. Dietary restriction before weaning leads to changes
in the characteristics of muscle fibers that are still measurable at the
age of 9 months (i.e. 5 months after weaning) but have completely
disappeared at slaughter at 18 months. Thus, five months after the
end of the restriction, the muscles of restricted animals compared
with controls, contained fibers with a smaller cross section area, a
higher percentage of type I fibers and a lower percentage of IIX fibers
(Picard et al. 1995c). These characteristics, measured 5 months after
the end of the restriction, is the result of compensatory growth.
Energy restriction applied before weaning has transient but not
irreversible effects on the characteristics of muscle fibers. All the
studies on the effect of energy restriction after weaning, followed by
compensatory growth, shows that energy restriction induces a
decrease in the fiber surface area, an increase in the proportion of
type I and IIA fibers accompanied by higher oxidative metabolism. In
contrast, the levels of IIX fibers and glycolytic metabolism are lower.
The effect seems more pronounced in young bulls. During the period
of compensatory growth, the opposite trend is observed. The
proportion of IIX fibers (fast glycolytic) and glycolytic metabolism
increase, while the proportion of type I fibers (slow oxidative) and IIA
(fast oxido-glycolytic) and oxidative metabolism decreases. At the
end of the compensation, fiber size remains lower than that of
controls. The effect of compensatory growth, however, is more or
less marked according to the muscles, sex, and age of animals. It is
also highly dependent on the duration and intensity of the restriction
and compensation (Hoch et al., 2003). Studies on the effect of the
nature of the diet have shown that grazing cattle have more oxidative
muscles than cattle receiving corn silage at the trough (Jurie et al.,
2006). Further studies have examined the respective effect of the
nature of power and mobility of the animals. The character of more
oxidative muscles was due more to the fact that animals move rather
than a strict effect of the nature of the diet.
Analysis of fiber type has a high interest in cattle since it was shown
that muscle fiber type determines its rate of aging after slaughter. In
particular, a positive relationship between meat tenderness and the
speed of muscle contraction was proposed by Ouali (1992).
MUSCLE FIBERS AND BEEF TENDERNESS
The myofibrillar proteins strongly influence the tenderness of
beef (Koohmaraie et al 2002). The different characteristics of the
fibers, depending on the speed of contraction and metabolism, have
different effects on tenderness. These vary according to the muscle
and animal type (sex, age and breed). The challenge is to establish a
clear and agreed definition of the contribution of fibers to tenderness.
Nevertheless several points have been identified up to now, although
some of them are subjected to debate and discussion (Renand et al
2001; Guillemin et al., 2009).The speed of aging, a process essential
in the establishment of tenderness is influenced by oxidative and
glycolytic metabolism of the fibers and their contractile type. Indeed,
the study of Ouali and Talmant (1990) showed that the ratio
calpain/calpastatin (calcium dependant proteolytic system involved in
post-mortem ageing) is higher in fast-twitch muscles. Thus,
proteolysis is more important and therefore the rate of maturation is
greater. This explains the difference in maturation time (very short)
when we compare white meat (poultry, pork) to red meat.
The study of Dransfield et al (2003) reported that the pH value
3 hours post-mortem explained 0.52 of the variation in tenderness.
The post-mortem (pm) pH value, in particular the pH at 3 hours pm,
appears to be well correlated with tenderness. This correlation
appeared higher for cows than for young bulls in the study of
Dransfield et al. (2003). It has been proposed by Marsh et al. (1988)
that the pH at 3 hours pm could be an indicator of tenderness and
that a value of about 6.1 would give rise to the most tender meat.
However, according to one study on 444 cattle (Shakelford et al.,
1994), the pH measured very early after slaughter was not well
correlated with tenderness. The results obtained by Dransfield et al.
(2003) showed that the most tender muscles (mainly LT) had a slow
decline in pH, which confirms the importance of this factor. The
- 71
decline in pH post-mortem depends on the contractile and metabolic
properties of the muscle. In agreement with this, these properties
appear to be correlated with sensory tenderness and mechanical
toughness, only in cull cows. Indeed, the pH needs to have a
moderate and not too fast decline in order to have tenderness
considered as good. Therefore, the glycolytic potential of fibers is an
important criterion in the evolution of the pH to 3 hours post-mortem.
The most glycolytic muscles have too fast a drop in pH which is
therefore detrimental to the tenderness, compared to that of oxidative
muscles (Maltin et al 2003). For example, the oxidative and tender
Longissimus thoracis muscle, is characterized by a higher pH (6.4) at
3 hours post-mortem while the glycolytic and thougher
semitendinosus, has a lower pH value (6.0).
Fiber size also has an impact on meat tenderness. Several
studies have shown negative relationships, from -0.11 to -0.53
(Crouse et al 1991, Jurie et al. 2006, Picard et al. 2007, Renand et al
2001). Animals whose muscles are composed of finer fibers give the
most tender meat. According to Crouse et al (1991), fiber size is an
early determining factor for tenderness before 14 days of maturation.
A recent study on Charolais young bulls and steers (Guillemin et al.,
2011) showed that the less tender LT muscles were characterized by
higher mean cross section areas of fibers. However in the ST
muscles from the same animals, this relation was not observed. A
meta-analysis realised on data from our group on more than 15,764
measurements on 6 muscles (Semitendinosus, Semimembranus,
Rectus abdominis, Triceps brachii and principally Longissimus
thoracis) from 5,197 animals (1-120 months of age) belonging to 20
different breeds, and from 43 different experiments, confirmed this
negative correlation between cross sectional area of fibers and
tenderness in LT muscle (Chriki et al., 2011). However, this relation
differs according to muscle type.
For some studies, including that of Dransfield et al. (2003), the
"fiber size" factor is low compared to the "pH" and "metabolic type"
Factors. The metabolic type of muscle fibers also affects tenderness.
But the nature of the relationship between metabolic type and
tenderness is complex. Thus, studies of Zamora et al. (1996) showed
that the mechanical strength of the muscles is positively correlated (r
= 0.65) with the activity of the oxidative enzyme, citrate synthase. So
the redder the muscle, the less tender is the meat after ageing.
Consistent with that, studies of Renand et al. (1997, 2001) showed
that the more oxidative the muscle metabolism, the tougher the meat.
However, unlike Renand et al (1997, 2001), Maltin et al. (1998)
showed a positive correlation (r = 0.48) between tenderness and the
proportion of SO fibers, and a negative correlation (r = -0.38)
between tenderness and the proportion of FG fibers. These authors
highlight the importance of protein turnover in the fibers to oxidative
metabolism to explain higher myofibrillar protein degradation, and
thus a more pronounced tenderness. The study of Strydom et al.
(2000) found a positive correlation between myofibrillar fragmentation
and SO fibers (r = 0.48) on the one hand, and intermediate FOG
fibers (r = 0.83) on the other. In the same way, a negative correlation
between myofibrillar fragmentation and white fibers FG (r = -0.72)
was found. These results on the higher myofibrillar degradation in
oxidative fibers are in contradiction to the work of Ouali and Talmant
(1990) showing that the ageing rate is higher in glycolytic fibers than
in oxidative ones. The study of Dransfield et al. (2003) also showed
that tender meats have a higher proportion of SO fibers and a lower
proportion of FOG fibers.
In addition, the impact of the metabolic type of fibers on the
tenderness can change dramatically during muscle function. Thus,
Maltin et al. (2003) showed that the more Longissimus lumborum
muscle is oxidative, the more tender it is, in contrast to what happens
for the vastus lateralis muscle. The study of Picard et al. (2007)
shows the same type of results on the Longissimus thoracis
(oxidative) and semitendinosus (glycolytic) muscles. It shows in
particular that the largest number of correlations between
biochemical characteristics and meat tenderness was observed in
cows. The LT muscle of cows is most tender when it contains a
higher total fat and triglyceride level, low oxidative properties, and
contains the lowest total and insoluble collagen contents (Picard et al
2007). On the contrary, the most tender ST muscles are those with
the highest glycolytic activities (lactate dehydrogenase, LDH). This
property appears to be significantly correlated with tenderness in this
muscle, demonstrating that according to the type of muscle
- 73
considered, meat tenderness can be explained by different
characteristics. This allows us to understand the many contradictions
found in the literature on the relationship between biochemical and
sensory quality of meat. According to the authors, the studies were
conducted on different types of muscles and different animals. This
also shows that no muscle can be a predictor of sensory quality for all
the other muscles of the carcass. The relationship between metabolic
type and tenderness is very complex because probably controlled by
many factors.
CONCLUSION
These data clearly demonstrate that the properties of muscle
fibers change throughout the life of the animals under the influence of
several factors such as age, sex, breed and rearing system. These
factors which affect muscle mass and fiber properties, are important
to control for beef production in order to manipulate carcass yield and
beef tenderness. The studies on the increase of muscle growth
potential showed that cattle with high muscle mass obtained
genetically by mutation of the myostatin gene, or by selection on the
muscle growth rate, have muscles with a higher proportion of fast
glycolytic fibers. This is also true when we compare the French beef
breeds to dairy or hardy breeds. The relationship between fiber types
and tenderness appear very complex and muscle dependant. The
recent genomic programs conducted all over the world will allow to
identify new markers of tenderness and will allow a better
understanding of the biological functions involved in beef tenderness.
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RE-DISCOVERING RUMEN MICROBIOLOGY: WHICH
PRACTICAL TOOLS COULD ARISE FROM
MOLECULAR BIOLOGY FINDINGS?
Carl J. Yeoman1, and Bryan A. White1,2*
1
The Institute for Genomic Biology, and Department of Animal Sciences2, University of Illinois at
Urbana-Champaign, USA.
*
Corresponding author
Mailing address:
Institute for Genomic Biology
University of Illinois
1206 W. Gregory Drive
Urbana, IL 61801
Tel: 001 217-333-2091
[email protected]
ABSTRACT
The molecular biology movement was born in the 1960s with
the conglomeration of biology, chemistry and physics. At that time the
field of rumen microbiology was well positioned to take a leading role
in its maturation. However,the integration of molecular methods in
this area was arguably slower than in other disciplines. Nonetheless,
today molecular biology is an integral part of rumen microbiology and
has led to significant gains in both our understanding and
management of the rumen microbial ecosystem. New advances,
primarily in next-generation DNA sequencing technologies, have
enabled a systems biology approach which offers a renewed promise
in obtaining a more complete understanding of rumen microbial
ecosystem dynamics and their contributions to increasing
productivity, reproductive efficiency, and food value, security and
safety as well as reducing the impact of raising livestock on the
environment. Here we discuss the contributions molecular biology
has and will continue to make to rumen microbiology, its new role in
systems biology and the directions the field should now move.
INTRODUCTION
Ruminant animals are an instrumental component of human
agriculture. Ruminant-derived products, including meat, dairy and
wool, are fundamental contributors to numerous economies and, as a
pivitol component of agriculture, have had major influences on human
evolution (Gill, 1997; Tishkoff et al., 2007; Lambert, 2009; Fortunato
and Archetti, 2010; Fuselli et al., 2010; Gerbault et al., 2011) and
affluence (Gerben-Leenes et al., 2010). While cattle are the most
important ruminants to the global economy, other ruminants such as
sheep, deer and goats make significant contributions to many
individual economies (FAO, 2009; Patil, 2011; Frosch et al., 2008).
Ruminant animals subsist almost exclusively on plant
biomass. Yet the major source of carbon and energy in plant biomass
(primarily housed in the primary and secondary cell walls) cannot be
broken down and metabolized by most higher eukaryotes, including
ruminant animals (Chesson et al., 1986, Hungate, 1988). Instead
ruminants rely on the fibrolytic capabilities of an assortment of
microbes. In fact, ~70% of a ruminants daily energy requirements are
dependent on microbial deconstruction of this plant biomass and
subsequent conversion to energy-rich short chain fatty acids
(SCFAs). For this reason, ruminant animals are an evolutionary
marvel that have attracted the attention of biologists for over 75 years
(Chung and Bryant, 1997).
The conditions within the rumen have evolved to optimize the
growth potential of fibrolytic anaerobic microbes.The pH of the rumen
is typically in the range of 5.7 - 7.3 (Wolin, 1981) and buffered
through constant secretion of sodium bicarbonate, which is
concentrated in the saliva of the animal’s submaxillary and sublingual
glands.The temperature of the rumen is maintained around 39°C
although may rise slightly following feeding, when fermentation is
maximal (Dale et al., 1954). Muscles in the walls of the rumen
constantly undergo a series of coordinated contractions which serve
to mix the rumen contents (Hungate, 1988). The combination of the
aforementioned factors allows the rumen to achieve microbial
concentrations far in excess of those commonly attainable by in-vitro
batch culture techniques. These high microbial densities provide the
- 83
necessary fibrolysis-associated enzyme concentrations and
comensurate activities required to metabolize forage to at a rate
useful to the ruminant (Hungate, 1988). Ruminant-directed research
over the years has centered around the aims of increasing
productivity, reproductive efficiency, and food value, security and
safety as well as reducing the impact of raising livestock on the
environment. Over more recent years research has also sought to
exploit the fibrolytic properties of rumen microbes for application to
the developing biofuel movement.
The molecular biology movement was born in the 1960s with
the conglomeration of biology, chemistry and physics and rumen
microbiology was well positioned to take a leading role in its
development. Yet the rumen microbiology field were arguably slower
than other fields, most notably medicine, in adopting molecular biology
practices. The earliest published use of the term ‘molecular biology’ in
medicine that we could find was in 1960, where it was suggested
molecular biology was an actively growing field of biomedicine
(Schmitt, 1960), by contrast its earliest use of the term in rumen
microbiology literature was in 1983, where it was suggested that
rumen microbiology should venture into this, now flourishing, field
(Smith and Hespell 1983).Today molecular biology is synonymous with
biochemistry, genetics, genomics and modern metaomic disciplines
and is an integral part of rumen microbiological research.
THE AGE OF GENOMICS
Traditional microbiological approaches have largely given way
to molecular techniques which overcame critical barriers associated
with culturing, identifying and understanding microbes, particularly
within an ecological context. The key recognitions that: i) genes gave
rise to proteins (Beadle and Tatum, 1941); ii) that genes were DNA
molecules (Avery et al., 1944); the structure of DNA (Watson and
Crick 1953); and the deciphering of the genetic code, led by Marshall
Nirenberg and Heinrich Matthaei (Nirenberg et al., 1965),sporned
new technologies that ultimately enabled researchers to sequence
and analyze whole genomes (Sangeret al., 1977).In 2004 the first
genome of a rumen-isolated organism was released when Baar and
colleagues (2003) sequenced Wolinella succinogenes.
Ruminants, including the taurine cattle (The Bovine Genome
Sequencing and Analysis Consortium et al., 2009) and water buffalo
(Michelizzi et al., 2010) and rumen microbiota including members of all
three domains of life: bacteria, archaea, and eukaryotes have been
targeted by genome-sequencing efforts (Table 1).In the process
lysogenic phage have also been sequenced in-directly (Leahy et al.,
2010). One striking absense from sequencing efforts to date are the
protozoa, who make important contributions to ruminant nutrition
(Veira, 1986) and rumen ecosystem dynamics (Morgavi et al., 2012). A
recent multi-national initiative, the Hungate 1000, led by William Kelly
of Agresearch in New Zealand and backed by the USA-based and
DOE-funded Joint Genome Institute (JGI) seeks to dramatically extend
the available genome repitoire of rumen microbes. The project seeks
to add an additional 1,000 microbial genomes to the available
databases. Already genome informationhas been valuable in shedding
new light on microbes, such as how theyhave evolved (Yeoman et al.,
2011b), their lifestyle strategies (Backhed et al., 2005) and metabolic
capabilities (Arp et al., 2007). All of which werenot as readily available
through morphological and observational analyses. Microbial genomics
can allow potential drug and vaccine targets to be identified (Leahy et
al., 2010, Dutta et al., 2006), can reveal information on microbial
origins and their evolutionary trajectory as well as describe the limits of
life within the rumen. The wealth of information that can be generated
from genome sequencing has attracted numerous research interests
including, biotechnology companies (Podar & Reysenbach, 2006),
biomedical (Brudno et al., 2007), agricultural (Yu et al., 2005), and
pharmaceutical researchers (Roses et al., 2007), and those interested
indeveloping novel drugs (Duenas-Gonzalez et al., 2008), energy
generating, system enhancing and bioremediation technologies (Durre,
2007, Butler et al., 2007).
THE TRANSITION TO METAOMICS
One confounding issue of the tradational approaches that is
not addressed by genomics is the requirement of growing microbes
- 85
into pure culture. Bacterial diversity within the rumen has been
estimated to exceed 1,000 unique species (Krause and Russell
1996), yet only a handful of these have been cultured, let alone had
their genomes sequenced. Early molecular methods estimate that
between 11 to 15% of rumen microbeshave been cultured (Edwards
et al., 2004; Whitfordet al., 1998; Tajima et al., 1999), suggesting that
traditional microbiological techniques have overlooked no less than
85% of the total species diversity. This figure is exacerbated by the
genetic and phenotypic variation observed within a species (Bekele
et al., 2010; Brulc et al. 2011). This intraspecific variationof microbes
highlights the fragility of the microbial species concept, and negates
the utility of characterizing only “type strains”, shaking the
foundations of our current understanding of the rumen microbial
ecosystem. Although single cell genomic techniques promise to
resolve some of these problems the techniques is still some years
away from a practical reality (Kalisky and Quake 2011).
Even if it were to become a reality, these reductionist
approaches miss the emergent properties of microbial ecosystems,
their metabolisms and their interactions with host and environment.
Evidence for these emergent properties is widespread, such as in
reports of synergism between cellulolytic and non-cellulolytic bacteria
in the deconstruction of cellulose (Fondevilla and Dehority, 1996),
enhanced and prolonged fibrolytic activity of rumen microbes in the
presence of hydrogenotrophs (Joblin et al., 1990)or in the often
observed disparity between in-vitro and in-vivo results (Krause et al.,
2001;Hungate 1966).New technologies have enabled researchers to
transcend these difficulties, and have reinvigorated a systems biology
movement that potentiate new and significant advances in the field of
rumen microbiology.
Metagenomics, the study of all genetic material within an
ecosystem, has enabled researchers to gather information on all
microbes within an ecosystem from a single sample, regardless of
their recalcitrance to standard culture techniques. Infact, information
obtained from metagenomic analyses can enable researchers to
adapt culture techniques to obtain pure cultures of seemingly
important members of an ecosystem (Pope et al., 2011) if desired.
Initial metagenomic techniques, facilitated by clone libraries,were
fraught with bias’ (e.g. Temperton et al., 2009) and barely scratched
the surface of more complex microbial ecosystems, such as the
rumen. Next-generation DNAsequencing technologies now enable
researchers to make deep evaluations of the metabolisms available
to microbial communities. Metagenomic studies of ruminants to date
have been limited to cattle (Brulc et al., 2009) and Surti buffalo (Singh
et al., 2011) but have uncovered novel biomass-degrading genes
(Hess et al., 2011), new insights into phage-bacteria interrelations
(Berg Miller et al., 2012), the symbiotic interactions among
cellulolytics (Mosoni et al., 2011), and genic differences between
fiber-adherrent and planktonic microbial populations (Brulc et al.,
2009). However, understanding a microbial ecosystem requires more
than just cataloguing what genes are available. Functional changes
within a microbial ecosystem do not necessarily reflect nor are
entirely explainable by the loss or gain of genes or other genetic
elements.
The behavior of microbes is contextualized to their
environment and the other microbes with whom they interact (e.g.
Joblin et al., 1990 or Fondevila and Dehority, 1996). Understanding
the intentions of microorganisms can be accomplished by looking at
their relative mRNA abundances (i.e. their transcriptomes). Early
molecular methods to measure gene expression were accomplished
by reverse transcription quantitative PCR (VanGuilder et al., 2008).
The advent of microarrays later allowed researchers to analyze whole
transcriptomes at once (Forozan et al., 1997). Both have been
applied to the studies of rumen microbes (e.g. Béra-Maillet et al.,
2009 and Kabel et al. 2011). Next-generation DNA sequencing
technologies have boulstered the analysis of whole ecosystem
transcription profiles. The technique, known as ‘RNASeq’ offers
increased sensitivity a broader dynamic range and eliminates the
need to know the sequence and structure of a gene to detect it
(Croucher and Thompson, 2010). This approach is slowly gaining
traction but already has been applied to eukaryotic populations of the
rumen micrbiome of muskoxen (Qi et al., 2011). As with
metagenomics, RNAseq has also been used to guide culture
strategies for obtaining previously uncultured members of a microbial
community (Bomar et al., 2011). However, again knowledge of the
- 87
expression of genes from rumen microbial community is still separate
from their actual metabolic effects.
Metabolomics, the study of small-molecule metabolite profiles,
whose relative concentrations are affected by the collective metabolic
actions of the host and microbiome address this disparity. Alone, the
interpretation of metabolomic data can be difficult, as we are only
privy to metabolites above an appreciable level (typically metabolic
end-products or those produced faster than they are utilized). This
means pathway intermediates, and consequently the pathways
leading to these metabolites are not seen through metabolomics
alone. However, when used in combination with metagenomics and
metatranscriptomics we can obtain important insights into microbial
ecosystem function (Mosoni et al., 2011).
DEVELOPING PRACTICAL TOOLS
For rumen microbiology we are still in a period of discovery
science. The application of metaomic technologies to ruminantsis in
its infancy and has been limited to date. For example metagenomic
analyses of cattle livestock have been limited to cattle, raised in
sheds in Illinois (Brulc et al., 2009; Hess et al., 2011; Berg Miller et
al., 2012), while other conventional livestock species have yet to be
evaluated. Metaomic techniques in conjunction with systems biology
philosophies holdmuch promise for gaining a fuller understanding of
the rumen microbial ecosystem and offer the opportunity to develop
more accurate models. Placing this information in the context of
nutrition will lead to further gains in productivity, food value, security
and safety. In achieving this we can also seek to reduce the impact of
raising livestock on the environment.
The long term goals of rumen microbiologists should be to
understand the ecological and evolutionary dynamics of the rumen
microbiome sufficiently that they can re-engineer the ecosystem to
achieve all of these goals and to tailor ruminants to different
environments and feedlot scenarios. This goal was recognized early
in the molecular biology revolution on rumen microbiology (Wallace,
1992) but with greater potential thanks to new and more
comprehensive technologies. Prior efforts to alter the rumen microbial
community have sought to introduce bacteria with novel functions,
such as resistence to toxins (Hammond et al., 1989; Quirk et al.,
1988; Gregg et al., 1998), or the genetic manipulation of rumen
bacteria, such as introducing more efficient or effective fibrolytic
genes (Krause et al., 2001). The problem with the former, is that
without direct selection or appropriate ecological rewiring innoculants
are usually lost (Krause et al., 2000; Wallace and Walker 1993;
Attwood et al., 1988; Flint et al., 1989; Miyagi et al., 1995), so such
approaches are not suited to addressing cyclic or other discontinuous
problems or those to which microbial competitors exist that are better
adapted to the rumen environement. While the genetic manipulation
of rumen microbes, which often results in enormous increases in an
organisms fibrolytic efficacy in-vitro, are not replicated in-vivo (Krause
et al., 2001). Another key element to these disparities are
microbe:microbe symbioses. Some of these symbioses have been
described in the literature but they are too often overlooked and
almost always underapreciated. These relationships have important
and significant effects on an ecosystems dynamics (Yeoman et al.,
2011a) and functional properties (Joblin et al., 1990). A microbes
behavior is contextualized to the microbial consortia it engages with
(Joblin et al., 1990; Fondevilla and Dehority 1996).
Recent and developing technological advances will enable
researchers to more thoroughly evaluate the system-wide dynamics
of the rumen microbial ecosystem in these contexts, openning new
doors to reach production optima historically recognized but yet to be
achieved (Krause et al., 2003). A better understanding of the
metabolic potential in the rumen microbial community and how we
might utilize this potential, is arising from metagenomics and offers
possibilities for the discovery of novel metabolic pathways and
enzymatic functions that could have profound implications for animal
growth and development. Moreover, rumen metagenomics will
provide strategies that have significant environmental benefits, such
as reduced fecal waste and a decrease in ruminant-derived methane
production. Metagenomic-mediated information has the profound
potential to increase feed efficiency, thereby reducing the amount of
feed per animal and increasing the resulting products of commercial
interest.
As we continue to use metagenomic approaches to
- 89
investigate the rumen, we will learn more about the previously
uncultured species that reside there, their contributions to the
microbiome and their potential to improve the overall ruminant
farming process.
By doing so, metagenomic approaches will
contribute productively to animal growth and nutrient utilization and
foster a positive image for the agriculture sector with respect to the
environment.
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APPLICATION OF NUTRIENT REQUIREMENT
SYSTEMS TO GRAZING CATTLE, WITH AND
WITHOUT SUPPLEMENTS
Stuart R. McLennanA and Dennis P. PoppiB
A
The University of Queensland, Centre for Animal Science, Queensland Alliance for Agriculture
and Food Innovation, Ecosciences Precinct, GPO Box 267, Brisbane, Qld 4001, Australia.
B
The University of Queensland, School of Agriculture and Food Science and School of
Veterinary Science, Gatton, Qld 4343, Australia.
ABSTRACT
Application of the nutrient requirement systems with grazing
animals includes several challenges, not the least being the
estimation of the intake and nutritive value of the diet under often
diverse and continually changing forage systems. However,
application also requires confidence by the user that if the nutrient
intake can be accurately determined, the nutrient requirement system
will then accurately predict the performance of the animal. These
challenges are discussed in this paper. Data sets derived from
experiments with confined (non-grazing) cattle fed generally lowquality hays of tropical grasses with a variety of supplement types
and intakes were used to compare predictions using either the
Australian (SCA 1990; CSIRO 2007) or an American (Cornell Net
Carbohydrate and Protein System; CNCPS) requirement scheme.
Both systems provided reasonably accurate and similar predictions of
growth rate of cattle across the wide range in supplement intakes
used providing support for their general application in tropical feeding
systems. However, estimates of the various components of energy
utilisation, e.g., maintenance energy requirements and efficiency of
energy use for growth, were substantially different for the two
systems emphasising the importance of applying the different
systems in totality. A major impediment to field application of the
requirements systems is the difficulty in adequately describing the
nutritive value of the selected diet, with large inaccuracies associated
with pasture sampling to mimic diet selection. In northern Australia
and part of southern USA the use of faecal near-infrared reflectance
spectroscopy has provided a method of indirectly assessing diet
quality from a faecal sample collected from representative animals.
Determination of intake by grazing animals has also presented
problems and methods of estimating intake based on diet and animal
attributes are discussed and evaluated. A method of estimating
intake, by back-calculating from liveweight change using the various
equations of the requirement schemes, is described and its value for
processes such as fodder budgeting is discussed. It is concluded that
the various nutrient requirement systems are probably accurate
enough for field application, including under tropical and rangeland
conditions, and opportunities for the practical application of these
systems are suggested.
INTRODUCTION
The various nutrient requirements systems, or feeding
standards as they are often called, in use at present prescribe the
amount of nutrients of various forms such as protein, energy,
vitamins and minerals required for a particular function or level of
animal production. There are a considerable number of feeding
standards existing throughout the world (see for example, AFRC
1993, NRC 2000, CSIRO 2007) with different countries using
different approaches to describing the nutrient requirements. They
are fundamentally energy-based systems centred on clear principles
of thermodynamics, but with differences in the underlying equations
used to describe requirements. Differences for instance apply
between those based on net energy (NE; INRA 1989), metabolisable
energy (ME; AFRC 1993; CSIRO 2007) or both (NRC 1985, 2007),
but these differences apply to the mathematical methods used to
calculate requirements and supply, not to the underlying principles for
energy use and partitioning by the animal. There are, however, often
subtle differences between systems in the assumptions applied in the
estimation of requirements, as Dove et al. (2010) demonstrated. The
similarities lie in the fact that they all basically provide information on
the daily requirements of livestock for energy, protein, minerals,
vitamins and water for both maintenance and for the additional
productive functions of weight gain, lactation, pregnancy and fibre
- 97
growth. In this paper we will restrict our discussion mainly to energy
and protein demand and supply, these being the main drivers of
production for grazing animals. This is not to lessen the importance
on other nutrients such as minerals but in most instances these
deficiencies can be easily rectified once identified, the major
challenge being the identification of sub-clinical deficiencies in
particular.
The majority of the world’s cattle population still obtain the
main part of their daily requirements for nutrients from pasture and
browse. Thus in order to apply the various nutrient requirement
schemes it is necessary to firstly define both the intake and quality of
the diet of the grazing animal before the adequacy of that nutrient
intake can be assessed for any desired level of animal production. An
added complexity is the continually and often rapidly changing nature
of the grazed diet according to influences of climate and vegetation
changes. Supply of additional nutrients in the form of supplementary
feed adds yet another degree of complexity as it affects nutrient
supply from the grazed forage material. Supplements are an
important component of the nutrition of grazing ruminants in the
tropics and special reference will be given in this paper to their use
and how they can be accommodated in the application of the feeding
standards.
Notwithstanding the above challenges, successful application
of the nutrient requirement systems would allow livestock producers
or their advisors to make informed decisions on aspects such as
ration formulation and the setting of safe stocking rates and even on
the likely timing of marketing of animals. In a general sense, the
feeding standards for ruminant livestock provide the fundamental
basis for achieving these applied goals. However, currently the major
use of the nutrient requirement systems for grazing animals probably
lies in the prediction of animal performance from an estimate of the
intake of nutrients derived from the grazed diet plus applied
supplements.
Our own focus on the application of the nutrient requirement
systems arose partly to counter the often expressed assertion that
they do not apply to cattle in tropical environments, an untenable
assertion suggesting that the laws of thermodynamics do not apply in
that region and that differences between tropical forages and cattle
and their temperate counterparts upon which the feeding standards
were largely derived, invalidate use of these nutritional requirement
systems for the former. We provided some earlier evidence of the
applicability of the ME system to cattle in the tropics, based on a
limited data set, refuting the application of an alternative means of
mathematical expression based on gross efficiency (Poppi and
McLennan 1995). One of the outcomes from the current paper will be
to reinforce this earlier demonstration, using a larger data set, and
indicate how the systems might be used in practice.
Given the previously alluded to difficulties in quantifying the
grazing animal’s dietary intake and the nutritive value of its diet, the
consequential difficulties in applying the feeding standards under
grazing conditions may seem overwhelming. However, Dove et al.
(2010) rationalised this task by posing several key questions that
defined the extent to which the nutrient requirement systems could be
applied to grazing livestock. These could be summarised as: (i) who
is applying the system and for what purpose, which largely defines
the level of accuracy required; (ii) how well do the requirement
systems estimate key requirements and thus how accurate are they
for use in balancing nutrient supply in the field; (iii) what plant and
animal inputs are required to apply the systems under field condition
and what is the ease of obtaining this information and relating it to
nutrient requirements; and (iv) what nutrient supply results from
grazing the pasture, or to what extent can intake and diet composition
be estimated under grazing conditions and how well can the system
accommodate the use of supplementary feeding. The issues
associated with each question were addressed, with examples, in the
paper of Dove et al. (2010) and the reader is directed to this paper for
a more detailed review.
As alluded to above the application of the nutrient requirement
systems under field conditions is a two-phased process, the first
being to estimate the intake and quality of the selected diet and
thereby determine nutrient intake. Estimation of intake under field
conditions is usually based on separate equations relating it to some
diet, e.g., dry matter digestibility (DMD), and/or animal
characteristics. The second phase relates to the application of the
- 99
equations from the feeding standards to estimate some measure of
productive performance such as liveweight gain from this predicted
nutrient intake. There are potential errors in both phases and thus the
prediction of grazing animal performance may be associated with
large errors multiplied across sources. Our initial focus will be on the
second aspect, that of determining the adequacy and validity of the
equations from the feeding standards to predict utilisation of the
energy, especially with tropical diets.
PREDICTING ANIMAL PERFORMANCE FROM KNOWN
NUTRIENT INTAKE
In order to address this question, it is necessary to start with
reliable data which includes measures of nutrient intake by the
animals and their related production. For this purpose we used data
from our own research studies collected under controlled feeding
conditions in pen experiments where intake, diet quality and
liveweight change of cattle were measured. These studies generally
involved feeding low-quality tropical grass hays to cattle together with
various protein and energy sources, the eventual objective being to
devise supplementation recommendations for cattle grazing lowquality tropical pastures during the dry season in northern Australia.
Derivation of data sets
To provide context to these evaluations, it is pertinent to
describe some examples of the response relationships we have
derived and discuss their application to cattle grazing under tropical
production systems. By way of background, the environment under
which the predominantly Bos indicus crossbreds cattle are grazed in
northern Australia is broadly one of seasonal rainfall distribution with
corresponding seasonality of pasture growth and animal production.
The region has a distinct wet season during the summer/autumn
months followed by a dry winter/spring period which can vary
markedly in duration and severity between years. It is not unusual for
the dry season to last 5 months or more with little or no rainfall
received. In the main native pastures are C4 (tropical) species which
grow rapidly after the onset of the first storms of the wet season but
mature rapidly and, except for the first few months of the wet season,
are of general low quality in terms of protein and mineral content and
digestibility. Cattle growth follows a similar pattern of rapid weight
gain in the first months of the wet season, reduced gains down to
weight maintenance for the remaining wet and early dry season and
then often weight loss for the majority of the dry season in the
absence of supplementary feeding (Winks 1984). This ‘saw-tooth’
annual pattern of weight gain/loss normally confers on cattle slow
growth to slaughter weight resulting in older age at slaughter with
consequential implications for meat quality. Non-protein nitrogen
(NPN) supplements such as those based on urea, sulphur and salt or
urea/molasses are routinely used for younger cattle (post-weaning)
and for cows, mainly for survival and to increase the chances of
conception in cows. Production supplements based on protein meals
or an energy source such as molasses or grain, balanced for rumen
degradable and undegraded protein and minerals, are sometimes fed
to increase annual growth rates and reduce age at slaughter.
Alternatively, cattle are provided access to improved pasture species
such as leucaena or those based on Stylosanthes spp., but the
proportion of cattle given additional nutrients either as supplement or
introduced forages is small overall in northern Australia.
A primary constraint to increased production in cattle during
the dry winter/spring months in northern Australia is low energy
intake by the animals. This is largely a function of the low digestibility
of the tropical pastures, in accord with their high fibre and lignin
content, but also of the low protein content which reduces intake.
Provision of a rumen degradable nitrogen source such as urea has
been shown to increase microbial growth, increase forage intake
(Ernst et al. 1975; Romero et al. 1976) and result in small increases
in cattle growth in the order of 200 g/day (Winks et al. 1972) but not
at a level required to appreciably reduce the age at which cattle reach
slaughter weight and condition. The other alternative for increasing
energy intake by cattle on low quality forages is to provide a
supplemental energy source such as grains or molasses or a protein
meal which provides a combination of rumen degradable and
undegraded dietary protein and stimulates forage intake. Our studies
- 101
have investigated the use of both energy sources and true proteins.
However, it is important to stress here that we are not talking about
providing nutrients in the form of energy versus protein. The ‘socalled’ energy sources usually contain some protein but also provide
the energy substrate to stimulate microbial protein production in the
rumen thereby increasing the animal’s supply of amino acids postruminally for absorption. Similarly, in protein meals there is a
considerable carbohydrate component as well as protein available to
the animal and its rumen microbes. Calculations made by McLennan
et al. (1995) showed that, despite quite large differences in the
energy and protein content of barley (12.8 MJ ME and 114 g CP/kg
DM) and cottonseed meal (11.1 MJ ME and 375 g CP/kg DM), the
estimated metabolisable protein (MP) supply from cottonseed meal
was only 61% higher than for barley, much less that the three-fold
difference in protein content. Thus both supplement types provide
both MP and ME to the animal and it is the relative amounts they
supply, and their proportions (i.e., the protein to energy ratio), that
should be accounted for when formulating rations.
In Figure 1, growth responses by young B. indicus crossbred
steers given either protein meals (cottonseed meal and copra meal)
or energy sources in the form of barley and sorghum grain or
molasses, together with low quality tropical grass hays (<6% CP) fed
ad libitum, have been pooled over several pen feeding experiments.
The steers were less than 12 months of age and weighed less than
210 kg. In each case the energy sources were balanced for rumen
degradable nitrogen by the addition of urea usually in the presence of
a sulphur source to further balance the N:S ratio in the diet. As a
general trend the response curve to the energy sources was linear
(see Figure 1) with the growth response increasing in direct
proportion to the amount of supplement fed. By contrast, the
response to protein meals was curvilinear with the highest growth
increase at low supplement intake apparently reflecting an initial
response to additional rumen degradable nitrogen for microbial
synthesis in the rumen. At high intakes the responses to the two
supplement types were similar seemingly indicating that both were
being used largely as an energy source by the animals. It is
significant that these response curves are similar in form to those
similarly generated from reviews of the literature for protein meals
(Poppi and McLennan 1995) and energy sources (Poppi et al. 1999).
The generally lower cost of grains and molasses compared with
protein meals in northern Australia determine that protein meals are
more cost-effective than energy sources at low intakes, say
<0.5%W/day, but not as intake of supplement increases. Under
practical feeding conditions a gradation from protein meal to energy
source is indicated as increasing production responses are targeted.
A
1.2
1.0
Growth response (kg/day)
Growth response (kg/day)
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
0.0
B
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.5
1.0
1.5
Supplement intake (%W/day)
2.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Supplement intake (%W/day)
Figure 1 - Growth responses by young steers to increasing intake of
either protein meals (solid lines) or ‘energy sources’ (dashed
lines) for (A) individual experiments or (B) the data combined
across experiments for each supplement type.
The above data were combined with that similarly collected in
other pen feeding experiments carried out by our research team
(McLennan 1997, 2004; Bolam 1998; Marsetyo 2003) to evaluate the
application of the equations from the nutrient requirement systems in
predicting the liveweight gain of cattle. These experiments all used
young, growing B. indicus crossbred steers (n=240; ca. 10 to 15
months of age; 156-243 kg liveweight), individually fed in pens, diets
that were based on low-quality tropical grass forages with a wide
- 103
range of supplement types of varying protein and energy content and
levels of intakes.
Relationships between energy intake and liveweight change
In an initial assessment of the data the relationship between
estimated energy (ME) intake and the observed liveweight change of
the steers was examined. For this exercise ME intake was calculated
as the product of known intake of the forage and supplement and
their respective energy densities, i.e., the M/D expressed as MJ of
ME/kg DM, where M/D was calculated from measured dry matter
digestibility (DMD) of forage and supplement using equations 31 and
32, respectively, from Freer et al. (2009). The combined relationships
for data pooled across individual experiments is shown in Figure 2. In
addition, the energy retained by the steers was back-calculated from
the observed liveweight changes using equations 1.312 and 1.32A of
SCA (1990) and the relationship between this energy retention and
ME intake was:
Energy retention (kJ/kg W0.75.day) = 0.493 ME intake (kJ/kg
0.75
W .day) – 270.48; (R2 = 0.80; residual standard deviation (rsd) = 35.79).
These relationships clearly show that the responses to a wide
diversity of forage and supplement types occurred within the normal
limits of ME intake and kg (efficiency of use of ME for growth), as
outlined by Geay (1984) and consistent with the thermodynamic
principles of metabolism (Blaxter 1962), and that the ME system is
valid for tropical diets and animals in the same way it applies to the
temperate systems. Furthermore, the relationship applied across
supplement types suggesting that ME intake, and not its supplement
source, was the main determinant of LW change. The estimated
maintenance requirements (MEm) for the steers in these experiments,
as denoted by zero energy retention, was 548 kJ/kg W0.75.day.
Observed LW change (kg/day)
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
200
400
600
800
1000
Estimated ME intake (kJ/kg W
1200
1400
0.75
.day)
Figure 2 - Relationship between estimated ME intake and observed
liveweight (LW) change, pooled across several pen
feeding experiments, for treatment groups of steers
receiving low-quality tropical grass hays plus various
supplements. Each data point refers to a treatment group
with different symbols representing different supplement
types. The equation representing the pooled data is: Y = 1.061 + 0.002X; (R2 = 0.80, rsd = 0.144).
Predicted vs. observed growth rates
The second aspect was to use these data sets to compare
observed liveweight gains (range -0.1 to 1.2 kg/day) with those
predicted using either the SCA (1990) equations or the CNCPS
(Version 5.0.34; Fox et al. 2004). These systems were chosen as
being different in their approach to apportioning energy use in that
SCA (1990) and its successor (CSIRO 2007) use the ME system
whilst CNCPS is aligned to the NE system, but they are also
- 105
representative of the variation in approaches used by the other major
feeding standards. The CNCPS also uses two different approaches,
either a simple theoretical model to estimate total digestible nutrient
(TDN) content of the diet (Level 1 approach) or a mechanistic
approach based on pool sizes of carbohydrate and protein fractions
and their digestion and passage rates (Level 2). Because the
necessary information on pool sizes and rates was not available for
our diets, in our Level 2 simulations we used surrogate values from
the feed library in CNCPS for feeds of similar composition.
An estimate of the mature body size of the animal is required
in both SCA and CNCPS and assumptions on this were made with
both systems based on the type of animal used in our experiments.
Liveweight gain for both systems is predicted on the basis of an
estimate of energy retention determined by various attributes
associated with animal and diet descriptions. CNCPS predicts both
an ME-allowable and MP-allowable gain, of which in our simulations
the lower was used, whereas the SCA equations represented an MEallowable gain as the effects of MP supply were already accounted
for with limits placed on ad libitum intake by the steers. The
relationships between the predicted and observed liveweight gain
(LWG; kg/day) using the two systems are described by the following
relationships and are illustrated in Figure 3:
SCA: Observed LWG = -0.031 + 1.171 Predicted LWG, (R2 = 0.79; rsd =
0.141; standard error of the prediction (sep) = 0.153; bias = 9.6%);
CNCPS (Level 2): Observed LWG = 0.123 + 0.947 Predicted LWG,
(R2 = 0.71; rsd = 0.159; sep = 0.185; bias = 17.3%).
It should be emphasised that these relationships applied well
across a wide range of forage and supplement combinations. That
the relationships were good across a range of supplement types and
intakes (Figure 2) indicates that ME intake, irrespective of
supplement type, has most influence on use of energy for LW gain.
Based on these predictions, errors in the application of the
requirement systems will arise through two main sources. The first is
the slight under-prediction of growth rate by both systems and the
second is the not insignificant variation around each relationship as
indicated by R2, residual standard deviation and standard error of
prediction values. Such variability is common with biological data and
the extent to which it can be tolerated is determined by the purpose
for which the prediction is being made. With the SCA prediction the
intercept of the regression line was not different to zero (P<0.05)
indicating good prediction at low growth rates typical of
unsupplemented forages, but the slope of the line was greater than 1
(P<0.05) suggesting increased under-prediction as growth rate
increased in response to increased levels of supplementation. When
CNCPS Level 2 was applied, the slope of the trend line was not
different to 1 (P>0.05) but the intercept was greater than zero
(P<0.05) indicating a constant under-prediction of gain (about 0.08
kg/day) over the full range. It was noteworthy that when the CNCPS
Level 1 approach was used (not shown here) the result was a similar
slight under-prediction of growth rate to the Level 2 trend in that the
intercept differed from zero (P<0.05) but the slope was not different
from 1 (P>0.05). This has practical implications as it suggests that
the simpler Level 1 approach can be used in the field where there is
limited information about the composition of the diet or where the
user has limited experience in the use of the CNCPS, without
sacrificing the precision of the predictions.
1.2
A
Y=X
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.2 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Observed LWG (kg/day)
Observed LWG (kg/day)
1.2
- 107
B
Y=X
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
-0.2
-0.2 0.0
Predicted LWG (kg/day)
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Predicted LWG (kg/day)
Figure 3 - Relationships (solid lines) between observed liveweight
gain (LWG) and that predicted using (A) SCA or (B)
CNCPS Level 2. Within figures, symbols represent group
mean values. The source of the data is given in the text.
Equations describing energy utilisation
The prediction of growth rate of an animal using the various
requirement systems, as above, involves a number of key steps
including describing the animal relative to a mature “finished” animal,
and estimating, in turn, the M/D of the diet, the maintenance
requirements of the animal (MEm), and the efficiencies of conversion
of ME to NE for various productive purposes, i.e., km (maintenance)
and kg (growth), and the conversion rate from energy retained to
liveweight gain. Given the small differences in prediction of growth
rate by the SCA and CNCPS systems above, it might be tempting to
think that the calculated values for the various components of energy
use are also similar for the different systems. However, examining
just one of these elements, MEm, and applying the appropriate
equations in each system, it becomes obvious that there are
considerable differences between systems in the approach taken,
assumptions made, and eventual calculated values. Within SCA, the
maintenance requirement increases with increasing energy intake
because the equation (Equation 1.22) used to calculate it includes a
multiple of ME intake (MEI) to account for the higher maintenance
requirements of productive animals. The equation applicable to a Bos
indicus steer is as follows:
MEm = 0.26W0.75exp(-0.03A)/km + 0.09 MEI,
where A is age in years and MEm and MEI are expressed as MJ/day.
By contrast, with the CNCPS system there is no adjustment for
energy intake in the determination of maintenance requirements. In
that system, net energy for maintenance (NEm) is calculated as a
function of metabolic body size with adjustments for breed,
physiological state, activity, urea excretion, acclimatization, and heat
or cold stress. In our simulations, little adjustment for environment
was required and the main variable between treatments was the
weight of the steers. Thus when NEm was expressed on a body
weight basis, it was relatively constant as energy intake increased.
By contrast, computed MEm on a liveweight basis decreased with
increasing energy intake; accordingly km increased. The regression
equations for changes in estimated MEm with increasing ME intake
for the two systems are as follows:
SCA:
MEm = 476.4 + 0.049 MEI, (R2 = 0.52; rsd = 6.91)
CNCPS: MEm =514.2 – 0.032 MEI, (R2 = 0.06; rsd = 18.36);
where both MEm and MEI are expressed as kJ/kg W0.75.day (see
Figure 4). The values for MEI were determined using the observed
intakes by the cattle but the separate calculations of the energy
density of the diet (M/D; MJ/kg DM) for each system. The low R2
value for CNCPS can be attributed to outliers which were associated
with animals with high intakes of cottonseed meal (up to 20 g/kg
W/day), where maintenance requirements were increased to account
for the ME cost of urea excretion.
There were similar differences between the SCA and CNCPS in
calculated values for other elements of energy use (not shown here),
for instance in kg and in the energy value of gain. Despite these
differences the predictions of animal growth for the two systems were
- 109
quite similar (see Figure 3), highlighting the importance of using any
nutrient requirement system in totality rather than selecting different
elements from different systems in isolation.
550
MEm (kJ/kg W
0.75
.day)
600
500
450
400
400
600
800
1000
1200
1400
ME intake (kJ/kg W 0.75.day)
Figure 4 - Relationships between ME intake and the estimated
maintenance requirements (MEm) for steers calculated
using equations of the CNCPS (circle, dashed line) or
SCA (triangle, solid line) nutrient requirement systems.
The source of the data is given in the text.
Concluding remarks
Overall it can be concluded that both systems provided a
reasonable prediction of liveweight gain of the steers across diverse
diets including varied types and amounts of supplement, reinforcing
that the key principles of energy use apply to tropical diets and cattle
and that, provided nutrient intake of grazing cattle can be estimated
with some precision, the equations describing energy, and protein,
use can be applied with some confidence for predicting animal
performance. Thus it appears likely that these systems, and likely
most other published requirement systems, are accurate enough for
use when nutrient intake is known. However, it is the other aspects of
defining the intake and nutritive value of the diet of grazing animals
that provide the major constraints to field application.
ESTIMATING NUTRIENT SUPPLY FOR GRAZING CATTLE
Estimating nutritive value of the diet
Having established that the various equations encompassed
in the nutrient requirement systems for determining nutrient use for
productive purposes are relatively robust, the other and more difficult
practical issue lies in estimating the supply of nutrients to the grazing
animal as defined by the quantity and nutritive value of the diet
consumed. Together these represent the major challenge to applying
the nutrient requirement systems to grazing animals. Dealing with
nutritive value first, accurately estimating diet quality in grazing
situations is difficult as grazing animals invariably select a diet of
higher quality than that which can be reliably sampled from the total
pasture on offer. Endeavours to mimic diet selection by the animals
are prone to considerable errors especially in diverse grazing
environments involving complex plant communities such as are found
in rangelands. Furthermore, diet selection is continually changing as
pasture conditions change with seasonal conditions and pasture
availability. An encouraging advancement in this area over the last
two decades in the southern USA and northern Australia has been
the development and use of faecal near-infra-red reflectance
spectroscopy (F.NIRS; Lyons and Stuth, 1992; Coleman and Henry,
2002; Dixon and Coates, 2005, 2009) for estimating the quality of the
diet selected by grazing animals. The F.NIRS approach relates
dietary attributes such as dry matter digestibility (DMD) and crude
protein content to the NIR spectra of the faeces collected from
representative grazing animals. This methodology allows rapid,
frequent and relatively inexpensive determination of diet quality,
- 111
which can be used as an input for the requirement systems to
estimate herbage and nutrient intake, which ultimately can be used
for prediction of animal performance. Whilst there are obvious
advantages in this system for field sampling, its application to new
regions and countries requires an initial investment in creating a
sufficiently large database of known and predicted composition of
diets to allow prediction from field samples.
Estimating forage intake
Determination of intake of grazing animals continues to
present one of the major challenges to applying the requirement
systems in practice. Over more than 50 years a wide range of
approaches have been used by researchers in an effort to estimate
both the intake and nutritive value of the diet consumed by grazing
animals. Most have involved the estimation of faecal output using
external markers (see Mayes and Dove 2000) of various types
together with a separate estimate of digestibility of the selected diet
which, when combined, provide an estimate of voluntary intake. One
of the more recent approaches has been the method based on the
use of plant-wax markers, specifically the alkane component, for
estimating forage intake and composition (see for example, Dove
2010). It is not intended to provide a detailed description of these
methods or their advantages and deficiencies here but we suggest
that these various methods have more applicability to researchers
seeking a high degree of precision in measurements than to field
workers requiring less accurate but more simple and regular
estimates of intake for matching nutrient supply with requirements.
In order to provide a more practical approach to applying the
published requirements to grazing livestock a number of the nutrient
requirement systems have developed functions for estimating the
potential intake of grazing animals. These are described in more
detail in NRC (2007). One such system is that developed within SCA
(1990) and later CSIRO (2007) in which intake is calculated as the
product of the potential intake of the diet, i.e., that achievable for an
all-grass diet when neither quantity nor quality (i.e., DMD of 80% or
more) are limiting, and the relative intake which is expressed as a
proportion of the potential intake which an animal can acquire from
the herbage supply. In this system, unlike most others, potential
intake is scaled to the standard reference weight (SRW) of the animal
to account for differences in the mature size of animals. The SRW
refers to the weight of a mature female in the middle of the condition
score range for each breed of cattle and sheep. The relative intake is
a function of the extent to which the chemical composition of the
herbage restricts its intake by the animal and the physical features of
the sward which limit the animal’s ability to harvest that herbage
across the day. To facilitate the application of these processes in a
practical way the functions of the Australian nutrient requirement
systems (SCA 1990; CSIRO 2007) have been incorporated into a
decision support system (GrazFeed – Freer et al. 1997; GrassGro –
Moore et al. 1997; Freer et al. 2009) for use under grazing conditions.
In the determination of herbage intake, aspects such as herbage
mass and height, digestibility, legume content and N content are
incorporated in the algorithms for determining relative intake. It is
necessary for the user to input the digestibility of the herbage
components from which it is allocated by the encapsulated algorithm
into conceptual digestibility pools from which the animal in turn
selects until an intake limit is achieved. The GrazFeed package in
this form has been successfully applied in south-eastern Australia in
temperate pasture systems but not in tropical pasture or rangeland
situations where the relationships established for temperate pastures,
especially those associated with nutritive value and height, do not
apply (Freer et al. 1997; Freer et al. 2009).
A possible modification for the rangeland situation is for the
user to directly input a digestibility predicted using F.NIRS (see
above); the potential for this is currently being evaluated (M. Freer,
pers. comm.). However, it will still be necessary to include a
consideration of forage availability which will restrict intake below that
predicted by diet quality alone. Thus some description of the herbage
mass on offer, and the extent of defoliation, will be required. When
herbage mass (or leaf mass) per unit area falls below a certain
threshold, the animal’s intake will be limited by its ability to satisfy its
appetite in the time available to harvest the forage. The extent of
defoliation of this herbage mass also affects intake by its flow on
- 113
effect on bite size (Stobbs 1973, 1975). Grazing animals select
mostly leaf which contrasts with hand-fed animals which receive
variable proportions of leaf and stem when fed a chaffed hay diet.
Poppi et al. (1981) showed that intake of leaf was markedly higher
than for stem of the same DMD. At present neither the limits of
defoliation nor the critical herbage mass have been defined for
extensively-grazed native pastures.
Estimating intake for fodder budgeting
Where under tropical pasture or rangeland conditions the main
purpose of determining the intake of grazing animals is for fodder
budgeting purposes and/or to set appropriate stocking rates, for
instance at the end of the growing season when the standing pasture
usually represents the available reserves for the ensuing dry season
period, it may be possible to achieve a sufficiently accurate prediction
of intake from calculations based on observed growth rate of the
animals. Providing the equations describing energy utilization by the
animals are sound and their application results in relatively accurate
prediction of growth rate from known intake and diet composition, as
has been demonstrated above, then it should follow that these
calculations can be reversed and intake could be estimated by backcalculation from liveweight change and some estimate of the energy
density of the diet (M/D). In practice, the liveweight change used in
these calculations could be determined from regular weighing of the
animals or alternatively it could be predicted based on previous
experience in the same area for similar grazing conditions (historical
value). This approach to intake prediction is not new; it has been
suggested before (e.g., MAFF, 1975; Baker 1982, 2004; Minson and
McDonald, 1987). What has usually been lacking is the validation of
the predictions under practical feeding conditions. Based on an
indication of the validity of the equations describing energy utilization
in SCA (1990), as shown earlier, we have developed our own
spreadsheet intake calculator called ‘QuikIntake’ (McLennan and
Poppi, unpublished data), which is currently undergoing validation.
The main inputs required for an unsupplemented, confined (nongrazing) animal include a description of the animal in terms of its
breed, sex, age, current liveweight, SRW and its liveweight gain,
either measured or forecast, and an estimate of the M/D of the diet,
which under grazing conditions could be calculated from the DMD
derived from F.NIRS analysis (see earlier). With this background
information the ME intake required to achieve the liveweight gain can
be determined and thereby also DM intake of the forage by dividing
ME intake by M/D. Where supplements are fed to the animals at
known daily intake, their energy contribution to the total ME intake
can be calculated and subtracted so that the remaining ME intake is
attributed to the pasture component and its DM intake calculated
accordingly.
Early results of the validation study indicate some emerging
problems with intake prediction for low-quality tropical forages in the
variability of the relationship between predicted and observed DM
intake for a measured liveweight change, which seem related to the
variability around the equations for energy use. As an example, for
weaner steers consuming Rhodes grass (Chloris gayana) hay the
predicted compared with observed intake for the measured liveweight
change was 1.50 vs. 1.67%W/day, whereas for speargrass
(Heteropogon contortus) it was 1.84 vs. 1.15%W/day. Thus, although
there is confidence in the nature of the equations, there is sufficient
variability in predicted intakes to be of concern in their general
application. Currently the application of QuikIntake based on the
standard equations seems to generally over-estimate intake for a
liveweight change or loss around maintenance for low-CP forages.
The cause of this variability is still being investigated, but is most
likely related to different efficiencies of MCP production and hence
MP supply, possibly as a function of variable N recycling under these
conditions, or to different relationships between DMD and intake for
different forage types (e.g., temperate vs. tropical forages).
Extension of this process of intake prediction to the grazing
situation presents further challenges in that allowance needs to be
made for the additional energy costs of grazing and foraging of the
animal, as well as for temperature regulation under extreme
conditions. A simplified calculation of the energy expended in eating
and walking has been provided by Freer et al. (2009). However,
where there already appear to be inaccuracies associated with
- 115
energy use for confined animals, adding the extra dimension of
predicting energy use for grazing activity, especially where the
distance walked needs to be estimated, is likely to further reduce the
precision of intake prediction. When Lardy et al. (2004) applied the
NRC beef cattle requirement model (NRC 1996) to cows grazing
rangeland and sub-irrigated pastures in Nebraska, they found that at
times predicted energy deficits were excessive and “biologically
unreasonable”. By their summation, prediction errors were likely to
have originated from low predictions of the energy density of the diet
selected and the resulting low predicted DM intake. This reinforces
the point that models predicting grazing animal performance need
first to provide a relatively accurate estimate of voluntary intake of the
animals before then predicting the utilisation of that ingested energy
for production. The potential multiplication of errors from estimates of
both energy intake and utilisation, as suggested by our results and
those of Lardy et al. (2004), could provide wide discrepancies in
predicted against observed animal performance.
Notwithstanding these issues with the accuracy of intake
predictions under field conditions, we have used this approach to
compare pasture intake in a grazing study for groups of cattle
receiving different types and levels of supplement. The assumption
here is that the errors will be relatively constant across treatment
groups and that the relative, if not actual, intakes predicted will be
valid. For instance, the age, breed, sex and SRW of the cattle were
the same across groups and liveweight and liveweight gain were
measured for each treatment. The DMD, and thence M/D, of the diet
was estimated using F.NIRS for an unsupplemented trial group with
the assumption that supplements did not influence the quality of the
diet selected where pasture availability was not limiting. The other
assumption that must be made is that supplement intake does not
affect the digestibility of the forage component of the diet whereas it
is known that at higher intakes of grain supplement, forage
digestibility can be reduced through a depression in cellulolysis in the
rumen (substitution; Moore et al. 1999). A correction for this effect
can be applied using the equations of Moore but would probably only
be warranted where supplement intake exceeded about 20% of the
diet DM. In our study, pasture (DM) intakes during a dry season,
predicted using QuikIntake, were 2.2%W/day for unsupplemented
steers and 1.7%W/day for steers consuming 1.2%W/day of a
molasses-based supplement. Pasture utilisation and relative carrying
capacity of the paddocks under different nutritional regimes could
thus be estimated using this information.
Concluding remarks
Considerable inaccuracies can be associated with sampling
the pasture in order to obtain an estimate of diet nutritive value but
the emergence of the F.NIRS method provides optimism in this area
for the future. Translating diet nutritive value to intake by grazing
animals remains the major issue and the solution lies beyond a
simple relationship between the two as herbage availability and stage
of defoliation can limit intake to below that predicted on quality alone.
The prediction of intake in grazing animals remains the major
obstacle to the application of the nutrient requirement systems in the
field. Where the main purpose for intake prediction lies in fodder
budgeting, back-calculating intake from liveweight change could
provide a sufficiently accurate solution.
APPLICATION
The foregoing discussion leads to our conclusion that the various
nutrient requirement systems are sufficiently accurate for most
aspects of field application. The basic principles of energy and
protein use, and the underlying equations describing them, in the
various nutrient requirement systems are conceptually sound and
currently apply well enough to permit their application in the field,
including with tropical and rangeland systems. Evidence that the two
systems tested above, with their quite different approach to
determining energy requirements and use, provided similar
predictions of growth rate from known nutrient intake suggest that this
might be more widely applicable across other requirement systems
used world-wide. We strongly refute the suggestion that the
requirement systems be discarded; they should be used instead with
knowledge and judgement underpinned by an understanding of the
equations therein describing nutrient use. Some refinements to the
- 117
various nutrient requirement systems will occur in the future as more
research is undertaken and new information becomes available but
the general application is unlikely to change in any substantial way.
The major changes will probably occur in their more widespread
translation to computer-based software systems that simplify the
application of their complex equations for practical use by scientists
and even animal producers and their advisors.
Some suggestions to animal nutrition scientists on the
application of the nutrient requirement systems are as follows:
1. Adopt a system for regular use. Nutritionists, especially earlycareer scientists, are advised to adopt a nutrient requirement system
for general use, preferably one from their own region which has
adequate support through its widespread application, and become
familiar with its key equations, assumptions and inputs and outputs.
Obtaining a good understanding of the nutrient requirements system
will translate to an enhanced understanding of the key nutritional
principles. In association with this endeavour, young scientists should
read such key texts as Bioenergetics and growth (Brody 1945), The
energy metabolism of ruminants (Blaxter 1962) and, for minerals, The
mineral nutrition of livestock (Underwood 1981), which represent the
foundations upon which the current systems have been developed,
and of which the key principles still apply. Any improvement in the
understanding of these principles will be of long-term benefit.
2. Review research findings. An examination of the results of
completed research, especially that of feeding trials with confined
animals where inputs and responses are well defined, will identify
where predictions from the requirement systems agree or do not with
observed findings. For instance, how good is the relationship
between estimated ME intake and estimated energy retention (see
Figure 2 above) or observed LW change? There are a number of
equations available with the different feeding standards to calculate
the energy density of the diet (M/D) and users are encouraged to
evaluate the effect of changing these on the estimation of ME intake
and on the relationship described above. Does predicted LW change
of hand-fed cattle agree with observed values, and where are the
outliers (see Figure 3 above)? Under field conditions an examination
of results will require some assumptions on the intake of the animals
but the exercise is still worthwhile if only to improve the user’s
understanding of the various processes involved in determining the
animal’s performance.
3. Predict animal performance. Predicting ahead, especially with
grazing animals, is difficult because of the various unknowns
associated with forage intake and diet quality, which is continually
changing. Nevertheless, it does provide a method for initial screening
of treatments to be followed later by a retrospective analysis of
results obtained together with a re-evaluation of assumptions made.
Often more will be learnt from incorrect than from accurate
predictions and the information may lead to development of new
treatments. Part of the process will be in identifying what information
needs to be collected from the forage or animal to improve the
predictions.
4. Estimate intake. We have provided an example of how the intake
of grazing animals can be estimated by back-calculation from LW
change using the various equations of the nutrient requirement
systems. A similar process should be possible with other systems but
an important parameter will be the energy density of the selected diet
which we derived by F.NIRS analysis. Either a measured or historical
LW change can be used. There will often be considerable errors
around this estimation of intake but the questions will be: how
accurate does the prediction need to be, and are the relative
differences between treatments in intake estimation representative of
actual differences and therefore meaningful for interpreting treatment
effects.
Given the unknowns associated with applying the nutrient
requirement systems in the field the user is likely to at times become
disillusioned with their imprecision but this can often arise through
unrealistic expectations of accuracy in the predictions. As Dove et al.
(2010) proposed, one of the first questions to ask is: for what purpose
is the nutrient requirement system being applied and thus what level
of accuracy is needed. Scientists may require a higher order of
accuracy for predicting performance than, for instance, livestock
managers using the system to make estimates of forage intake for
fodder budgeting. Deficiencies in the current system exist but it is
- 119
only with widespread use and testing with accumulated new data that
refinements will be made and the application improved.
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FETAL PROGRAMMING IN BEEF CATTLE: HOW TO
OPTIMIZE PERFORMANCE AND CARCASS VALUE
IN EARLY LIFE STAGES
Marcio S. Duarte1, 2, Pedro Veiga R. Paulino2, 1Min Du
1
Department of Animal Science, Washington State University, Pullman, WA 99164; 2Department
of Animal Science, Universidade Federal de Viçosa, Brazil.
ABSTRACT
Beef cattle are raised for their lean, and excessive fat
accumulation accounts for large amounts of waste. On the other
hand, intramuscular fat or marbling is essential for the palatability of
beef. In addition, tender beef is demanded by consumers, and
connective tissue contributes to its background toughness. Recent
studies have shown that myocytes, adipocytes and fibroblasts are all
derived from a common pool of progenitor cells during the embryonic
stage. It appears that during early developmental stage, multipotent
mesenchymal stem cells (MSCs) first diverge into either myogenic or
adipogenic/fibrogenic lineage; myogenic progenitor cells further
develop into muscle fibers and satellite cells, while
adipogenic/fibrogenic lineage cells develop into the stromal-vascular
fraction of skeletal muscle where adipocytes, fibroblasts and resident
fibro/adipogenic progenitor cells (FAPs, the counterpart of satellite
cells) are raised. Strengthening myogenesis (formation of muscle
cells) that enhances lean growth, promoting intramuscular
adipogenesis (formation of fat cells) that elevates marbling, and
reducing intramuscular fibrogenesis (formation of fibroblasts and
synthesis of connective tissue) can improve overall tenderness of
beef. Nutritional, environmental and genetic factors affect MSC
differentiation; however, up to now, our knowledge regarding
mechanisms governing MSC differentiation remains unclear. Altering
MSC differentiation through nutritional management of beef cows, or
fetal programming, is a promising method to improve cattle
performance and carcass value.
INTRODUCTION
In tropical regions such as Brazil, beef cattle production is
based on pastures, which represent the lowest cost feed source for
ruminant animals. Consequently, the distribution and seasonal
variation in quantity and quality of forage is one of the main problems
faced by beef producers in these areas (Sampaio et al., 2010). In
addition, considering that the breeding season in most of grazing
production systems in Brazil occurs between November and January,
pregnant cows usually experience feed restriction during the mid
gestation period, which overlaps with the dry season in most of the
beef cattle production areas. Thus, in order to minimize this problem,
beef producers have designed different strategies of supplementation
for grazing pregnant cows mainly during the last three months of
gestation when most of fetal growth occurs (Ferrell et al., 1976).
Recent studies, however, suggest that nutrient deficiency from
early to mid-gestation in ruminant animals can cause reduction of
muscle fiber number and muscle mass, and consequently affecting
performance and meat quality of progeny (Du et al., 2010a), even
when no difference is observed on birth weight of the offspring (Wu et
al., 2006). Furthermore, during the early phase of fetal development,
critical events for normal conceptus development occur, including
differentiation, vascularization, fetal organogenesis, and placental
development (Funston et al., 2010). In recent years, a number of
studies were conducted to understand mechanisms relating fetal
development, including muscle and fat development.
Skeletal muscle development mainly involves the formation of
muscle fibers (myogenesis), but also the formation of intramuscular
adipocytes
(adipogenesis)
and
fibroblasts
(fibrogenesis).
Intramuscular adipogenesis forms sites for fat deposition or formation
of marbling fat. Intramuscular fibrogenesis generates connective
tissue responsible for the background toughness of meat. Very recent
studies have shown that intramuscular adipocytes and fibroblasts are
developed from common progenitor cells (Joe et al., 2010; Uezumi et
al., 2010; Uezumi et al., 2011). Thus, enhancing adipogenic and
inhibiting fibrogenic differentiation from progenitor cells will increase
marbling and tenderness of meat, which demands our understanding
- 125
of mechanisms regulating adipogenic and fibrogenic differentiation of
intramuscular progenitor cells. Enhancing knowledge of in utero
regulations of myogenesis, adipogenesis and fibrogenesis will allow
us, in a short future, to improve the production efficiency of beef
cattle and the quality of beef.
FETAL PROGRAMMING DUE TO MATERNAL NUTRITION
The concept of fetal origins of adult health, known as fetal or
developmental programming or the Barker hypothesis, is based on
the epidemiological data linking long-term effects of low birth weight,
due to malnutrition, on adult health (Barker et al., 2002). The fetal
origins hypothesis states that fetal nutrient deficiency leads to
disproportionate fetal growth and programs later predisposition to
chronic disease states such as coronary heart diseases, stroke,
diabetes and hypertension (Barker, 2001). Low birth weight has been
linked to adult diseases. The prevalence of type 2 diabetes increases
3 fold for men who weighed 5.5 pounds at birth when compared to
those who had birth weights of 9.5 pounds. This relationship has
been confirmed by several studies in Britain, the United States and
Sweden (Barker, 1995, 2003; Hales et al., 1991), and also numerous
animal studies (Du et al., 2010a).
Fetal nutrient deficiency in human pregnancy is common due
to several causes, such as maternal malnutrition, reduced placenta
efficiency, adolescent pregnancy, closely spaced pregnancy,
pregnancy with multiple fetuses, and hyperemesis gravidarum - a
severe nausea and vomiting symptom affecting up to 2% of pregnant
women. Maternal malnutrition remains a major concern in
underdeveloped countries. However, in developed countries and
some developing countries such as China, obesity and overnutrition
are becoming serious problems. According to the latest NHANES
survey (1999-2002), 26% of non-pregnant women 20-39 years of age
in United States are overweight and 29% are obese (Hedley et al.,
2004). More importantly, the shift towards higher gestational weight
gain appears evident (Siega-Riz et al., 2006), showing excessive
nutrient intake during gestation in affluent countries. In animal
studies, both early malnutrition and overnutrition during gestation
program offspring to obesity and insulin resistance (Benyshek et al.,
2004; Bieswal et al., 2006; Bispham et al., 2003; Desai et al., 2005;
Du et al., 2010c; Fernandez-Twinn et al., 2006; Fernandez-Twinn et
al., 2005; King, 2006; Symonds et al., 2004; Tong et al., 2009b; Yan
et al., 2010; Zambrano et al., 2006). A growing body of evidence
demonstrates that insulin resistance has a fetal origin. Insulin
resistance, indicated by a slower glucose removal rate and higher
insulin levels is observed in offspring of parents with type 2 diabetes
(Petersen et al., 2004; Petersen et al., 2005; Warram et al., 1990).
The presence of insulin resistance may exist one or two decades
before overt type 2 diabetes is manifested (Petersen et al., 2005).
In livestock production, fetal programming can be simply
described as a response to a specific challenge during a critical fetal
developmental time window that alters the trajectory of development
qualitatively, quantitatively, or both, with permanent effects in the life
of the animal. This hypothesis is even more reliable if we think that
fetal stage is crucial for skeletal muscle development since there is
no increase in muscle fibers numbers after birth (Du et al., 2011).
Furthermore, development of vital organs has higher priority in
nutrients portioning than skeletal muscle, which makes the muscular
tissue more susceptible to variations of maternal nutrition during
pregnancy. Thus, a decrease in nutrient availability to the dam during
gestation can result in a reduced number of muscle fibers through
fetal programming, reducing muscle mass and impacting animal
performance.
MODULATION OF FETAL SKELETAL MUSCLE
DEVELOPMENT BY MATERNAL NUTRITION
Fetal muscle development is a dynamic process that can be
divided into two temporally distinct events: primary and secondary
myogenesis. Primary myogenesis mainly occurs during the
embryonic stage (first 3 months of gestation in the cow), when
primary muscle fibers arise; secondary myogenesis occurs during the
fetal stage (2 – 7 months of gestation in the cow), and leads to the
formation of secondary muscle fibers. Only a small number of primary
muscle fibers develop during the embryonic period, which will serve
- 127
as templates for the formation of secondary muscle fibers during the
fetal stage. Both primary and secondary muscle fibers are derived
from a pool of cells termed mesenchymal stem cells, which can be
committed to a myogenic linage as well as other cell types such as
adipocytes and chondrocytes (Yan et al., 2012).
Several myogenic regulatory factors are involved in the
differentiation of mesenchymal stem cells into muscle fibers. Prenatal
regulation of myogenesis involves expression of regulatory proteins,
including Wingless and Int (Wnt), paired box gene (Pax) 3 and Pax 7
(Hyatt et al., 2008). The Wnt signaling regulates the expression of
Pax 3 and Pax 7, which are involved in the expression of the
myogenic regulatory factors (MRFs) in mesenchymal stem cells
(Figure 1). Identified MRFs include myogenin, MRF-4, MyoD and
Myf-5 (Stewart & Rittweger, 2006). The expression of MyoD and
Myf5 leads undifferentiated stem cells to undergo myogenic
differentation to committed myoblasts. Subsequently, myoblasts
express myogenin which is necessary to form multinucleated
myotubes. At the end of skeletal muscle formation, MRF4 is
expressed leading to formation of mature muscle fibers and MRF4
becomes the dominant MRF in postnatal muscle (Du et al., 2010b;
Keren et al., 2006; Kollias & McDermott, 2008).
Figure 1 - In utero regulation of muscle fiber formation.
Since the muscle fibers are formed mainly during the fetal
stage, skeletal muscle development is susceptible to nutrient
deficiency (Zhu et al., 2004). The proliferation of myogenic cells is
sensitive to nutrient availability, with maternal nutrient restriction
reducing cell proliferation and the number of secondary fibers derived
from them. In a previous study when pregnant sheep were assigned
to either a control diet which met 100% of the nutrient requirements
or to a diet which only met 50% of the nutrient requirements during
days 28 to 78 of gestation, the total number and the ratio of
secondary to primary muscle fibers were reduced due to nutrient
deficiency (Zhu et al., 2004). It was also reported by Quigley et al.
(2005) that in sheep, peri-conceptional 50% nutrient restriction of
pregnant ewes reduced the total number of fetal muscle fibers by
about 20%. Regarding cattle and sheep, the number of muscle fibers
is hardly affected by maternal feed restriction at late gestation since
the maturation of skeletal muscle occurs in approximately 105 d of
gestation in sheep and 210 d of gestation in cattle (Du et al., 2010a;
Yan et al., 2010). Nonetheless, maternal feed restriction at this stage
does reduce the size of muscle fiber (Greenwood et al., 1999).
Muscle fiber type composition affects oxidative capacity and
meat quality. The oxidative capacity of muscle fibers generally follows
the order of type I > type IIa > type IIb for pigs or type IIx for cattle
(He et al., 2001). In a previous study, it was observed that maternal
undernutrition reduced muscle fiber number but increased type IIx
fibers (Zhu et al., 2008). Alteration of muscle fiber composition of
offspring due to maternal nutrient restriction was confirmed by
another study in sheep (Daniel et al., 2007). In other study, results
reported by Fahey et al. (2005) showed that maternal undernutrition
before, but not after, fetal myofiber differentiation at about day 85 of
gestation decreased the number of fast fibers in longissimus and
vastus lateralis muscles of neonatal lambs, with possible implications
for subsequent meat quality.
INCREASING MARBLING AT PRENATAL STAGE
Marbling is critical for meat flavor, juiciness and tenderness
(Dodson et al., 2010; Hausman et al., 2009). Marbling becomes a top
quality problem due to selection for high lean growth which reduces
intramuscular fat accumulation (Du et al., 2010a). Current nutritional
management to increase marbling has been focused on finishing
feedlot diets (Duarte et al., 2011; Lage et al., 2012; Oliveira et al.,
- 129
2011), which increases the size of intramuscular adipocytes.
However, marbling is due to both intramuscular adipocyte number
and size. Fetal and early developmental stage is critical for increasing
intramuscular adipocyte number (Du et al., 2011).
As previously mentioned in this review, myogenesis,
adipogenesis and fibrogenesis appear to be competitive processes
(Du et al., 2011), and the commitment of stem cells to one of these
events can be altered by in utero regulations (Figure 2). By switching
the commitment of multipotent cells from myogenesis to
adipogenesis, the number of adipocytes in the body can be increased
resulting in a different body composition. The formation of adipocytes
from the mesoderm begins during midgestation (Du et al., 2010c).
Adipogenesis inside muscle during the fetal stage has a dominant
effect on the number of intramuscular adipocytes, an event linked to
insulin resistance due to their paracrine effects and close proximity
(Aguiari et al., 2008). Adipose tissue growth in later life is due to both
hypertrophy and hyperplasia (Feve, 2005). However, new adipocytes
generated later in life are mainly located in visceral and
retroperitoneal fat depots and also in subcutaneous fat depots, with
very few located in intramuscular fat (Faust et al., 1978; Miller et al.,
1984; Valet et al., 2002). Mechanisms controlling adipogenesis in
fetal muscle in vivo are poorly defined, although there are numerous
in vitro cell culture studies (Rosen & MacDougald, 2006). In these
studies, pre-adipocytes 3T3 and mesenchymal stem cells 10T1/2 cell
lines, are commonly used. These studies have demonstrated that
peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) and CCAATenhancer-binding proteins (C/EBPs) are crucial intracellular factors
controlling adipogenesis. Their expression leads to adipogenesis
from pluripotent cells (Cho & Jefcoate, 2004; Giri et al., 2006).
Figure 2 - Variations on maternal nutrition during fetal stage can lead
stem cells to undergo to different cell lineages.
Enhanced adipogenesis in fetal muscle of over-nourished
mothers produces a large number of adipocytes in skeletal muscle
which predisposes muscle of offspring to accumulate intramuscular
fat due to the hypertrophy of existing adipocytes (Yan et al., 2010).
However, the role of maternal obesity in adipogenesis of fetal muscle
has not been extensively studied. In a study evaluating the impact of
maternal overnutrition on the adipogenesis and lipid content in fetal
muscle, multiparous ewes were fed from 60 d before conception to
75 d of gestation. Ewes were fed either a highly palatable diet at
100% (control - CON) or 150% (obese - OB) of the NRC (1985)
recommendations (Tong et al., 2009a). Ewes on the OB diet
increased their body weight by about 40% during dietary treatment
(P<0.05) and developed severe obesity. In contrast, no significant
increase in body weight was observed in CON ewes. Body weight
and crown rump length of fetuses from ewes on the OB diet were
- 131
~30% greater (P<0.05) than that of fetuses from ewes on the CON
diet at day 75 of gestation (374 ± 10 g and 24.6 ± 0.2 cm vs. 268 ± 12
g and 22.1 ± 0.2 cm, respectively). Additionally, the weights of fetal
muscle collected from ewes on the OB diet were greater (P<0.05)
than those of ewes on the CON diet. The expression of peroxisome
proliferator-activated receptor γ (PPARγ), a marker of initial
adipogenesis, was higher (0.05%) in OB fetal muscle, suggesting an
enhanced adipogenesis. In addition, the content of lipid in fetal
muscle was also increased (P<0.05). These data strongly suggested
that maternal obesity and overnutrition affected fetal muscle
development by increasing intramuscular fat (Yan et al., 2010).
PROGRAMING BEEF CATTLE PRODUCTION
The Brazilian beef cattle systems that adopt more technology
allow the animals that present better growth rate to be kept under pasture
conditions up to 21 months, being slaughtered between 21 and 25
months. These animals usually stay more than 82% of their life under
pasture conditions and around 18% of their life at feedlot mainly during
the finishing period, where they are fed medium to high energy diets, in
order to improve carcass and beef quality. However, as the use of high
concentrate diets are costly, the time that animals are fed high energy
diets in most cases is not enough to provide increase in marbling, which
might be related to resistance to insulin that can be developed in the
progeny due to perturbations in fetal stage.
Marbling is correlated with the number of adipocytes in skeletal
muscle. Increased adipogenesis in fetal muscle leads to an increase in
the number of intramuscular adipocytes (Du et al., 2011). These
intramuscular adipocytes accumulate fat during postnatal growth, forming
marbling. Because grass-fed cattle are not fed a grain-based diet during
“fattening” that induces adipocyte hypertrophy, it is less likely that
adipocyte size will increase dramatically during the “finishing” phase of
grass-fed cattle. Therefore, maternal nutritional management to increase
adipogenesis in fetal muscle, is an alternative and may be the only choice
to enhance marbling in grass-fed beef cattle (Du et al., 2010a). Fetal
stage is crucial for the formation of intramuscular adipocytes, and their
formation (i.e., adipogenesis) can be enhanced effectively through
maternal nutritional supplementation (Tong et al., 2009b). Since
producers of grass-fed beef usually are also cow-calf operators,
these producers are in a unique position to manage maternal
nutrition to increase intramuscular fat in calves (Du et al., 2010a).
With regard to animal performance, calves born from cows
that were severely fed restricted during the second and third trimester
of pregnancy, were 30% lighter than those of high birth weight and
remained lighter at all stages of life, up to slaughter at 30 months of
age, due to significantly slower rates of gain before and after
weaning. This suggests that the relatively severe prenatal nutritional
restriction may have limited their capacity for later compensatory
growth, likely due to a reduction of muscle fibers (Greenwood & Cafe,
2007). More recently, in a study evaluating performance, carcass and
meat quality traits of steers from cows adequately fed compared to
progeny steers from fed restrict cows during pregnancy, Underwood
et al. (2010) reported increased body weight (BW) gain, final BW, and
hot carcass weight in steers from cows grazing improved pasture
from day 120 to 180 of gestation when compared to progeny from
cows grazing native range during that same time. Steers from cows
grazing improved pasture had increased back fat and tended to have
improved marbling scores compared to steers from cows grazing on
native range. From these results, it can be inferred that animal
performance, carcass and meat quality traits can be improved by
providing better pasture conditions to grazing cows during pregnancy
or supplementing them during critical phases of gestation. However,
further studies need to be designed in order to develop different
strategies of supplementation in grazing systems visioning an
increase on performance and beef quality of the progeny.
SUMMARY AND FUTURE PERSPECTIVES
Available studies clearly showed that maternal nutrition affects
fetal muscle and adipose tissue development, which has long-term
effects on the offspring skeletal muscle and thus may provide a
mechanism for fetal developmental programming. In grazing beef
systems, maternal undernutrition during gestation seems to be one of
major problems that might reduce performance and beef quality traits
- 133
of progeny. Proper nutrient supplementation, however, improves fetal
skeletal muscle development and adipogenesis in fetal skeletal
muscle, thereby enhancing marbling in progeny. For beef production,
although the mechanisms by which placental and fetal programming
occur are not completely clear, managing resources to ensure proper
cow nutrient intake during critical points of gestation can improve
progeny growth efficiency, beef quality and overall profitability.
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BEEF CATTLE WELFARE AND PRE-SLAUGHTER
HANDLING IN BEEF PACKING PLANTS
Janice C. Swanson
PhD Department of Animal Science, Michigan State University, East Lansing, MI USA
INTRODUCTION
Today the welfare of agricultural animals is a socially and
politically active issue in many countries. Public sentiment toward the
treatment of agricultural animals varies due to cultural and political
differences however the biological principles with respect to the
animal remain the same. How animals perceive their world, react to
human handling, and express the consequences of poor handling is
important to beef cattle producers and packers. We know poor preslaughter handling practices have been equated to poor beef quality
for over 30 years. More recent work in meat quality indicates that
even with improvement of handling practices meat quality is still an
issue for the beef industry.
What is Beef Cattle Welfare?
The social and scientific evidence to date indicates that the
welfare of beef cattle (or any agricultural animal) rotates around three
interconnecting concepts: biological function, emotional states
(scientifically referred to as affective states) and the environment in
which the animal lives (living a natural life). In 1997 Fraser et al.
developed the scientific concepts of animal welfare based on science
and the ethical concerns and values expressed by the public. A
recent review paper by von Keyserlingk et al. (2009) provides an
excellent overview of the integration of the three scientific concepts of
animal welfare (Figure 1) as it applies to dairy cattle welfare. The
concepts are equally valuable in considering beef cattle welfare.
Health, production,
reproduction, mortality, etc
Opportunity to graze,
Social needs, etc
Fear, frustration,
distress, contentment,
etc
Figure1 - Three scientific concepts of animal welfare adapted from
von Keyserlingk et al. 2009; based on Frazer et al. 1997.
Biological functioning includes physiological indices such as
health, productivity, morbidity and mortality rates. For example, when
health is compromised, biological function as measured by growth
and reproduction is usually poor. As von Keyserlingk et al. (2009)
skillfully points out impacts to biological function carry implications for
the emotional state of the animal (referred to as affective states) and
could possibly be attributed to the management or housing
environment of the animal (natural living). The public is often
concerned with the unnatural conditions of agricultural animal sand
whether the animals adapt to these conditions: for example, beef
cattle fed in feedlots and deprived of grazing.
All three of these concepts demonstrate the interplay of the
biological and environmental factors that affect the emotional lives of
animals. Cattle handling practices can impact biological functioning,
the emotional state of the animal, and how well an animal can adapt
to the conditions of living, handling, transport or pre-slaughter
management.
Beef Cattle Behavior and Handling
Competent stockpersons must be able to assess and
understand the emotional state of cattle. This includes how cattle
- 143
perceive and learn to negotiate the world around them, the natural
behavior of cattle, and how to detect signs of pain and distress to
prevent suffering (Stookey and Watts, 2007). From an evolutionary
perspective, prey animals avoid sendingovert signals of suffering,
injury or distress. In the wild those signals invite death by predatory
attack or social challenges from herd mates. Beef cattle are often
characterized as possessing higher thresholds for pain than, for
example, a dog whose evolved relationship with humans may allow
obvious behavioral demonstrations of pain and distress -- especially
in the presence of its owner. Detecting and interpreting the more
subtle behavioral signs of fear, chronic pain and distress can be a
challenge for stockpersons (Underwood, 2002).
Cattle behaviors that have been associated with or used to
measure emotional states, pain and distress include; vocalization,
abnormal locomotion patterns, abnormal postures, head pressing or
rubbing, uneven weight distribution, escape, avoidance, flinching, tail
twitching or wagging, foot stamping, ear flicking; change in eating,
ruminating, drinking, grazing patterns; lethargy, lowered ear position,
excessive lying or standing, stretching, maladaptive behavior, asocial
and aggressive behavior (Watts and Stookey, 2000;Underwood,
2002; Stafford and Mellor, 2005; Weary et al., 2006; ViñuelaFernández et al. 2007;AVMA, 2011a,b). How does this information
translate into good pre-slaughter handling practice?
A basic working knowledge of cattle sensory perception and
behavior is important to low stress managing and handling of cattle.
Low stress handling techniques exploit the natural behavior of cattle.
The outcomes are cattle that move calmly, quietly and more smoothly
through a handling system or settle down quickly during restraint.
Prey animals, like cattle, employ constant vigilance of their
surroundings. The early detection of danger and rapid responses can
mean the difference between life and death. Hearing, eye sight, and
touch are threeof the most important senses to keeping cattle calm
during handling. Cattle, like most grazing animals, have an acute
sense of hearing. Their ears are constantly moving in the direction of
sound. They are sensitive to high pitched or loud noises which are
interpreted as a threat. Therefore the sound of human yelling, sharp
whistles, and screaming will agitate and upset cattle. Cattle will be
less excitable and remain calmer when worked quietly by a
stockperson using a soothing tone of voice or “quiet shushingsound”
to move them (Grandin and Deesing, 2008).
Vision is one of the strongest of the senses cattle use and is
linked to the emotional state of fear. Rapid movements like arm
waving, erratic darting and running mimic the movements of a
predator. Like most prey animals, cattle have eyes located on the
side of their heads and provide wide-angle (also called panoramic)
vision. With nearly a 360 degree visual field, and only a small blind
spot directly behind them, cattle can continuously monitor the
environment even while grazing. Cattle also see separate images
with each eye (monocular vision) therefore stockpersons must be
aware of potential distractions on both sides of the animal.
Cattle have dichromatic vision which causes them to react to
heavy contrasts of dark and light color. For example, moving cattle
from bright daylight into a dark unlit shed or stock truck can cause
cattle to balk or attempt to turn around and escape. Dark shadows or
reflections on the floor or along a chute (or race) side panel can
cause similar behavior. Even an abrupt change in equipment color
can cause problems. Moving cattle from daylight to darker
environments requiresinterior lighting that shows them aclear path
forward. Lighting should be placed so it does not shine into the eyes
or cause reflections or shadows. The smooth movement of cattle into
working sheds, chute systems (or races), up ramps leading into a
transport trailer or into a packing plant should be set up so cattle can
see where they are going and minimize the contrast between light
and dark.
The sense of touch is also important to low stress handling.
The quality of physical contact with stockpersons can shape cattle
behavior. Beating, hitting, excessive or inappropriate electric prod
use and other abusive forms of handling create a long term negative
association in cattle with humans, including the places and conditions
under which they are handled. The use of non-threatening moving
aids such as paddles, flags, and rattles can effectively move cattle
without touching. If touching is required it should be momentary and
firm enough to initiate calm movement but not escape behavior.
Rough handling should never be tolerated by management. It
- 145
decreases animal welfare, is a potential threat to human safety and is
known to cause poor meat quality.
The effects of poor handling can last the lifetime of an animal.
Early experiences with rough handling tend to embed long term
memories in cattle.Vigilance of the surrounding environment,
detecting changes, proper translation of the change (Is it harmful?)
and the execution of a rapid response is deeply rooted in the evolved
survival mechanisms of a prey animal. For example, calves that are
roughly handled through a chute system for the first time are likely to
develop a memory of, and an aversion to, being handled by humans
and being restrained in a chute. This sets in motion a behavioral
resistance to working with human handlers and restraint that is likely
never erased.
Working calmly and quietly with the natural behavior of cattle,
acquiring the ability to detect signs of distress, and developing
practices that help to familiarize cattle with human presence and
handling is important. Non-threatening exercises such as quietly
riding andwalking among cattle at an early age are imperative to
successful low stress handling. It is very important that extensively
raised cattle or cattle that are subjected to being worked by
stockpersons riding horse-back be familiarized with handling by
stockpersons from the ground. Cattle will not perceive or generalize a
stockperson on horse-back (horse and rider may be perceived as a
single functional organism) as the same as a stockperson(s) on foot.
In the final stages of their lives all cattle will be worked by
stockpersons on foot at the packing plant therefore they must be
familiarized with humans walking amongst them.
Moving cattle through a chute and restraint system the first
time is scary but distress can be minimized by working cattle calmly
through the system, familiarizing them with the experience of capture
by being held gently but firmly while in restraint, and quietly released
from the restraint back to their herd mates. This may not be practical
for all housing conditions but wherever cattle are kept, whether on
pasture or rangeland, the first handling experience should be
conducted in the least stressful manner as possible. Cattle wellacquainted and adapted to humans, and being calmly herded and
worked through races and chutes, are often better behaved at the
packing plant.
The Flight Zone
Being familiar with the flight zone (the distance a human (or
other animal) can approach before the cattle turn and move away) of
individual and groups of cattle and how to use it properly to move
cattle under a range of conditions is important to low stress handling.
Cattle are social herd dwelling animals and moving in groups is part
of their natural behavior. There is safety in numbers. Isolation or
moving alone means a threat to survival. The size of the flight zone
can be influenced by many factors including temperament, genetics,
experience with rough handling, and lack of human contact due to
extensive raising conditions. Stockpersons that are experts at using
the flight zone in extensive (ex. range or pasture) and intensive
environments (ex. feedlots and holding pens) will adjust their
movements according to the behavior of the cattle. By doing so, they
accomplish the task of moving, loading and unloading, and
restraining cattle better than those who are not. Many excellent
resources are available describing the use of the flight zone and low
stress handling techniques under intensive and extensive conditions
(seeGrandin and Deesing,2008). Work with the natural behavior of
cattle and learning low stress handling techniques will help cattle to
better negotiate each phase of the production system.
Phases of Production and Handling of Beef Cattle
In its lifetime, a beef steer can make 3 or more transitions
(Figure 2) before arriving at the processing plant at ~18 months of
age. Each transition exposes cattle to procedures, transportation,
new stockpersons, new herd-mates and new environments.
Transport
Transport
- 147
Transport
Figure 2 - Typical transitions of beef cattle moving through the beef
production system.
As cattle move through these different phases of production
the time course of events and processes they experience can have
an additive effect on their welfare. For example, it is not atypical for
beef calves born in the western United States to be raised under
extensive grazing conditions up to 4 to 6 months (or more) of age at
which time they are weaned. At weaning time they encounter
capture, may be castrated, vaccinated, branded, abruptly separated
from its mother,and transported to a new location all within a span of
3 days or less. Each event levies a toll on the animal’s biological
functioning and emotional state. Thus many cattle care standards
and guidelines recommend spacing distressful procedures apart to
allow for recovery. Poor handling during these processes only
heightens the effect of each stressful event on biological function
(Stookey and Watts, 2007).
By the time cattle arrive at the feedlot (~400 kg) they will have
encountered transport stress, social stress associated with mixing
with new herd mates, changes in feed and forage composition, and
being handled and restrained at different intervals for different
procedures. Each production phase may engage new stockpersons
who may or may not use best handling practices. It is imperative that
all stockpersons be trained in low stress cattle handling techniques.
Eventually all of these handling experiences land at the
packing plant door. Cattle that have been roughly handled through
each production phase are likely to be more reactive and create
handling problems at the packing plant.Thus pre-slaughter handling
experiences and the memory of human handling should be a concern
of beef packing plants. Many plants can identify cattle from specific
feedlots based on their condition and behavior upon arrival. Packing
plants can use their position in the beef supply chain to provide
important feedback to managers of feedlots about the welfare and
treatment of their cattle.
Pre-Slaughter Handling and Meat Quality
A rich scientific literature exists on the effects of pre-slaughter
stress on meat quality.Chronic stress induced 24 – 48 h prior to
slaughter causes the depletion of glycogen stores in the muscle of
cattle. Post-slaughter the glycogen stored in muscle will be converted
to lactic acid. If glycogen stores are depleted before slaughter, proper
acidification does not occur (Figure 3). The improper pH imparts a
darker brick red color to the muscle which becomes firm and dry and
is referred to as DFD (Dark, Firm, Dry) beef. The DFD meat is
considered undesirable due to the reduction of flavor and tenderness
of the beef. DFD beef is also more prone to spoilage. The economic
losses and discounts to DFD beef carcasses are a major concern to
the beef industry.
- 149
pH
Hours
Figure 3 - The drop in muscle pH from 0-48 hours post slaughter for
normal beef carcasses (Normal pH) and for carcasses
producing dark, firm and dry meat (DFD).The graph is
adapted and redrawn from Wariss, 1990.
Over 30 years ago researchers were identifying factors
contributing to poor meat quality. Some of the first studies were
focused on pigs. In 1984 Fabiansson et al. reported on the high
incidence of DFD beef from cattle raised in Sweden. The pH of meat
(pH24>6.2) was identified as a major contributor to the production of
dark cutting beef carcasses. Young bulls (twice the incidence of
DFD), warm seasonal temperatures, and lairage time and conditions
appeared to also contribute to the productionof DFD carcasses.
Less than 10 years later Brown et al. (1990) reported the
incidence of dark cutting beef in the United Kingdom. Brown and
others gathered carcass data from nearly twice as many packing
plants (8) and cattle (4816) than the Swedish study. In addition to pH,
bulls, and warmer seasonal temperatures; the researchers identified
long transport distance to the plant (≥ 241.4 km)and large numbers of
cattle slaughtered each day (≤ 50 versus ≥ 100 per day) as additional
contributors to the incidence of DFD. In the same year Wariss (1990)
and Tarrant (1990) published comprehensive reviews of preslaughter handling and transportation effects on carcass and meat
quality. Other studies conducted in Ireland, France and the United
States further substantiated these findings relative to chronic stress
and meat quality. Today a carcass pHµ of ~ 6.0 or higher is now
considered at risk of DFD.
Since then scientists have conducted in depth studies on a
variety of factors that affect meat quality (Warner et al. 2010; Gruber
et al. 2010). A recent review by Warner, et al. 2010 indicates
considerable variability among genetic and environmental influences
and interactions that affect tenderness and other important qualities
of meat. Warner and others note that the pre-slaughter experiences
of cattle can produce varied effects on tenderness and other sensory
attributes of beef. Of these experiences acute stress, physical
activity, rough handling, animal susceptibility to stress, individual
temperament and transport are mentioned
Transport. Because transportation to packing plants typically
occurs within the 24 – 48 h time window in which meat quality is most
affected, scientists have focused on this pre-slaughter activity. Stress
factors affecting cattle pre-transit, in-transit and post-transit have
been intensively studiedby measuring the physiological response
elicited by cattle during different phases of transport (see reviews by
von Borrel 2001; Swanson and Morrow-Tesch, 2001; Grandin, 1997).
Driving habits, loading and unloading, social activity among cattle
within the truck, animal orientation in the truck, ability to balance,
stocking density, are some of the factors that have been studied. As
one might guess the behavior of stockpersons and truck drivers can
significantly affect the transportation experience of cattle. All cattle
experience some level of transport stress. However the experience is
heightened if attention is not paid to the following factors including:
low-stress handling at loading and load-out, design of loading and
unloading facilities and equipment, driver skills and training in low
stress handling, weather events, length of time in-transit, truck design
and maintenance (Grandin and Deesing, 2008). Thus it is important
to considercattle transporters who have good records and train
drivers not only in driving skills but also cattle behavior and low stress
- 151
handling techniques to reduce the impact of pre-slaughter stressors
on cattle.
Bruising. There are other meat quality problems like carcass
bruising that can be indicative of poor pre-slaughter handling. Bruises
are not detectable on live cattle unless severe enough to cause blood
leakage and swelling under the skin. The beating of cattle with hard
objects, pushing/prodding cattle so that they hit the sides of
equipment, poorly designed equipment and facilities with sharp
edges and protrusions will cause bruising that damages muscle and
lowers both yield and meat quality. Horned cattle tend to have higher
percentages of bruising than polled. Bruising can happen during any
phase of production and even post-stun (before exsanguination) at
the packing plant.
In the U.S. the National Cattleman’s Beef Association (NCBA)
conducts regular audits of slaughter cows, heifers and steers by
collecting data on carcass quality indicators including the incidence of
bruising, injection site lesions, and DFD (Garcia et al. 2008). Using
this data the NCBA identifies problems and develops strategies to
raise awareness of feedlot managers and packing plant operators.
They offer recommendations that reduce problems including training
in low stress cattle handling techniques and best transport practices.
In the 2005 NCBA audit 25.8% of carcasses had 1 bruise, 7.4% had
2 bruises, 1.6% had 3 bruises, 0.4% had 4 bruises, and 0% had more
than 4 bruises which was a reduction from the previous two audits.
Nearly 65% percent of the audited beef carcasses had no bruises. Of
the bruises found, they were most common in the loin (32.6%), chuck
(27%) and rib (19.5%) area. The authors attributed the reduction in
bruising to the beef industry’s attention to promoting low stress cattle
handling and facility design that takes the senses and natural
behavior of cattle into consideration.
Pre-Slaughter Handling Recommendations for the Packing Plant
Today most large packing plants have policies and standards
that provide guidance to management on pre-slaughter handling
practices as well as stunning and slaughter methods. One of the
most important policies concerns animal mistreatment or abuse by
employees as a condition of the termination of employment. In many
of the larger plants in North America, specific personnel are tasked
with employee training and the regular supervision and auditing of
animal handling practices in the plant. For example, in the United
States the beef packing plants follow the guidelines, criteria and
auditing practices developed by the American Meat Institute (AMI,
2010). Food retailers such as McDonalds require the suppliers of
beef products to follow the AMI recommendations and require third
party audits of their beef suppliers.
Training in low stress animal handling should be a mandatory
condition of employment for persons handling cattle at the packing
plant. Listed below are recommended guidelines and critical control
points employed by packing plants to ensure the welfare of preslaughter beef cattle and to deliver a high quality beef product to the
consumer. These guidelines and control points were developed
through careful identification of criterion and measurements that
actually translate into improvements to pre-slaughter handling and to
beef cattle welfare. The following recommendations are adapted from
the AMI guidelines (AMI 2010). Other guidelines and laws may exist
in different countries. Thus it is important to follow the guidelines
established for the Brazilian beef industry and by your customers.
Cattle Handling Guidelines and Principles: Packing plant
employees who are responsible for handling cattle should be trained
and regularly audited for their use of best handling practices. Training
should also include a complete understanding of the proper use of
the equipment, how to inspect equipment to ensure it is in good
working order, and how to report any problems with facilities,
equipment or other employees that place the safety and welfare of
cattle and humans at risk.
All cattle arriving at the packing plant will experience some
level of anxiety due to the new sights, sounds, and smells. Rough
handling rapidly turns the anxiety into fear and distress. The following
are 10 general principles that help cattle move more calmly through
the processing system and up to the stunning box or restrainer.
1. Employees are trained in cattle behavior and use the flight
zone and the point of balance to move cattle calmly and at a
walk. Calm animals are easier to move.Employees are also
- 153
properly trained on how to humanely handle and move cattle
that become non-ambulatory.
2. Cattle must be given the space they need to move through a
race or chute system by moving them in small groups. Large
groups that fill the space cause traffic jams.
3. Do not over fill tubs and pens or overcrowd cattle at holding
gates. Crowd pens should never be over 75% full
4. Do not yell, bang on gates, railings or walls with sticks or
paddles to move cattle. Reduce sources of noise in the areas
where cattle will be moving or held
5. Prevent injury, bruises and falls by having non-slip flooring appropriate
to the area in which cattle are to be moved, restrained or held.
6. Inspect facilities and restraining chutes for working order,
objects that may cause injuries (sharp protrusions) or cause
distraction like shadows, hanging objects, or air blowing into
the face of cattle. Remove the distraction.
7. Use solid sided panels in crowd pens and races leading up to
the restrainer.
8. Use electric prods (≤ 50 volts) sparingly or not at all. Substitute
flags, paddles or rattles that will motivate cattle to move but do
not pose a significant threat.
9. Make sure all areas are well-lit when working cattle to reduce fear.
10. Do not hit animals or use an electric prod at the opening of the
stunning box or restrainer.
Critical Control Points and Audit Criteria: To monitor how well
cattle are handled by employees at the plant the following critical
control points are audited.These audit criteria were developed by and
adapted from the AMI (2010) guidance and auditing documents.
1. Number of cattle that slip (knee or hock hits the floor) and fall
(body touches the floor) in the following locations (% slips and
falls out of 100 cattle observed):
a. unloading of the truck
b. crowd pen
c. single file chute (race)
d. alleys
e. stunning box or restrainer
2. Vocalizations (moos and bellowing) in the following locations while
cattle are being handled (% vocalizing out of 100 cattle observed):
a. Crowd pen
b. Chute leading up to the stunning box or restrainer
3. Use of electric prods (% use out of 100 cattle observed)
a. Scores recorded for each animal indicate:
i. No use of the prod
ii. Prod used for no reason
iii. Prod used due to balking
4. Observed acts of rough handling and abuse to cattle
a. Record all acts observed and the nature of the acts.
Acts may include:
i. Application of electric prods to eyes, anus, ears
and sensitive parts of the animals body)
ii. Dragging non-ambulatory cattle
iii. Deliberate acts of abuse such as beating,
slamming equipment into animals, and
neglecting animals
The next two criteria evaluate how well employees produce an
effective stun and if the stun had induced unconsciousness rendering
the cattle insensible to pain. The first criterion is measured at the stunning
box or restrainer. The second criterion is on the bleeding rail.
1. Stunning Efficacy (% cattle correctly stunned out of 100 cattle
observed). The following should be noted for each animal.
a. Stunned correctly (first shot and in correct location)
b. Failed stun due to equipment failure
c. Stunned incorrectly in the wrong location
2. Cattle Insensibility (% cattle insensible out of 100 cattle
observed). The following should be noted for each animal.
a. Cattle rendered completely insensible (no signs of
consciousness)
b. Eye movement (in response to touch) or blinking
c. Vocalization
d. Regular rhythmic breathing pattern
e. Cattle attempt to raise its head (called the righting reflex)
- 155
f. A stiff curled tongue (no hanging and occurs with other
reflex like eye blink)
The recommendations above are a brief summary of the major
points to consider when setting performance goals for pre-slaughter
handling of cattle at the plant. Packing plants must set the levels of
tolerance for each of the criterion. In many cases the buyers of your
beef product will set those limits as a condition of business. In the
case of major retailers and packing plants in the United States who
have adopted the standards set by the AMI, the tolerances are set as
follows:
1.
2.
3.
95% cattle must be stunned correctly
100% must be rendered insensible
1% or less cattle fall at truck unloading and in the various
locations in the plant
4. 3% or less of the cattle vocalize in locations in the plant
(5% or less for ritual slaughter)
5. 25% or less of the cattle are subjected to electric prod use
6. No deliberate acts of abuse are tolerated
There are other considerations for the welfare of cattle while at
the plant. For example the plant holding pen (lairage) conditions
should be evaluated to ensure cattle have access to water after
unloading and space to rest. To prevent problems from showing up
on the plant doorstep special attention should be paid to identifying
feedlots or ranches that deliver cattle in poor condition. Cattle should
be properly assessed for their fitness to withstand transport and the
ability to negotiate conditions at the plant once they arrive. Unhealthy
debilitated or injured cattle who manage make the journey
withoutcollapsing on the truck may drop with fatigue after arrival.
Cattle producers who load animals that are unfit should be
discounted and if the issue persists denied access to the plant.
Promoting good cattle welfare and animal handling practices
whether on the ranch, feedlot or at the packing plant is a concern and
responsibility of all segments of the beef cattle industry. Training of
stockpersons and animal handlers at the plant in sound pre-slaughter
management and handling of beef cattle helps to deliver a high
quality beef product to the consumer while meeting the social
expectations for good cattle welfare.
Future Implications
The three concepts of animal welfare covered in the first
section of this paper also emerge in the greater global context. For
example, the global management of zoonotic disease affecting
animals and humans (pandemics and epidemics) is strongly
connected to the way animals (and their products) are managed,
handled and transportedin addition to the changing ecological
environments that foster new emerging or existing pathogens. With
our modern packaging, storage and preservation techniques beef
products now travel around the globe.
The biological functioning (in particular health), emotional
states (chronic distress is implicated in the shedding and distribution
of disease), and the environments under which animals are managed
are all interconnected. Thus the monitoring and control of animal
disease, food safety, and environmental impacts of animals that
facilitate disease processes are important overlays when considering
beef cattle welfare. It is one of the driving forces behind the
standardization of animal care and handling, slaughter and
transportation practices being ratified and emerging from the World
Organization for Animal Health (OIE). The OIE connection to the
Codex, World Health Organization and the World Trade Organization
will be important drivers of global mandates for the care and
management of agricultural animals well into the future.
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GERÊNCIA E COMPETITIVIDADE NA
BOVINOCULTURA DE CORTE
Fabiano Alvim Barbosa1, Rafahel Carvalho Souza2 , Daniel Carneiro de
Abreu3, Venício José Andrade4, Juliana Mergh Leão5
1
Médico Veterinário, DSc., Professor da Escola de Veterinária - UFMG; [email protected]
2
Médico Veterinário, DSc., Professor da FEAD e PUC-MG;
3
Engenheiro Agrônomo, MSc., Doutorando do Departamento de Zootecnia – UFV;
4
Médico Veterinário, Ph. D., Professor da Escola de Veterinária – UFMG.
4
Médico Veterinário, Mestranda - Escola de Veterinária – UFMG.
INTRODUÇÃO
A economia brasileira tem passado por rápidas
transformações nos últimos anos. Nesse contexto, ganham espaço
novas concepções, ações e atitudes, em que produtividade, controle
dos custos de produção e eficiência se impõem como regras básicas
de sobrevivência em um mercado cada vez mais competitivo e
globalizado. A conscientização dos pesquisadores, técnicos e
produtores rurais envolvidos nesse sistema, bem como o ajuste para
esse novo cenário, é primordial para a competitividade da atividade
(Barbosa & Souza, 2007). Associado a tais mudanças, a adoção de
medidas e ações que buscam dirigir, empreender, administrar e
gerenciar assumem papel fundamental na empresa rural.
Tais medidas e ações são conduzidas com a finalidade de
buscar a rentabilidade como objetivo final do processo produtivo, ou
seja, gerenciar o processo pelo menor custo, com maior eficiência, a
fim de obter o melhor resultado, tudo isso buscando e, ou, mantendo
a sustentabilidade (El-Memari Neto, 2011). A sustentabilidade, sob
este prisma, é entendida como a capacidade de sobrevivência no
longo prazo (Oliveira & Pereira, 2009).
O setor agropecuário é caracterizado como uma atividade de
longo prazo, com investimentos elevados em que a necessidade de
planejamento é fundamental. A produção não pode ser antecipada
ou adiada de acordo com o mercado, pois depende de inúmeras
variáveis que nem sempre podem ser controladas – mercado,
condições climáticas, imposições legais e fiscais. As empresas
rurais, independente de seu tamanho, necessitam solucionar
problemas e tomar decisões estratégicas e operacionais (Barbosa &
Souza, 2007). Planejar é a palavra apropriada para se projetar um
conjunto de ações para atingir um resultado claramente definido,
quando se tem plena certeza da situação em que as ações
acontecerão e controle quase absoluto dos fatores que asseguram o
sucesso no alcance dos resultados (Alday, 2000).
Para maior compreensão das interações entre componentes e
gestão dos sistemas de produção, o uso de ferramentas gerenciais é
considerado um instrumento eficaz para determinar o diagnóstico do
negócio, planejar, estabelecer metas, delinear plano de ações e
controlar o sistema de produção.
Neste sentido, esta revisão foi conduzida com o objetivo de
abordar aspectos gerenciais na bovinocultura de corte, o qual está
divida em dois tópicos principais: ferramentas gerenciais e
competitividade do sistema de produção de bovinos de corte.
FERRAMENTAS GERENCIAIS
A complexidade das empresas rurais analisadas no contexto
interno (fazenda) e externo (mercado) aliada à competitividade do
sistema precisam continuamente realocar, reajustar e reconciliar
seus recursos disponíveis com os objetivos e oportunidades
oferecidos pelo mercado (Souza et al., 1995). A gestão empresarial
(planejamento, organização, direção e controle) é uma ferramenta do
processo administrativo para aumentar a competitividade do sistema.
Cada propriedade possui suas particularidades e desafios,
sendo que cada uma apresenta seu contexto técnico e econômico
característico. Isso leva a necessidade de diferentes abordagens de
ações gerenciais, ainda que a propriedades esteja alocada em uma
mesma região. Para obter sucesso na atividade é fundamental
conhecer do negócio, planejar e monitorar o sistema de produção,
sendo assim o planejamento estratégico ou gestão estratégica tornase fundamental para a produtividade e rentabilidade do sistema. A
gestão estratégica é um processo macro para obter os resultados
desejados para que possam ser alcançados os objetivos da
atividade, e as ferramentas gerenciais são importantes para planejar
- 161
e monitorar esse sistema. Algumas etapas são importantes para
estabelecer a gestão estratégica:
¾ Determinação dos objetivos
É o ponto principal do planejamento, com definições genéricas e
definições dos propósitos da empresa, relacionados ao ramo de
atuação, pretensão futura, busca pelo lucro, segurança, prestígio,
social entre outros.
¾ Análise do ambiente externo
É necessária a busca de informações mais precisas possíveis com
relação às ameaças, oportunidades e restrições no cenário nacional
e mundial que possam aumentar ou diminuir a rentabilidade da
atividade. Estes fatores que devem ser analisados são: o preço das
commodities, juros, balança comercial, análise de mercado (oferta e
demanda), estudo de tendências futuras, barreiras alfandegárias,
taxas de exportações e importações, entre outros.
¾ Análise interna da empresa
É uma análise dos recursos existentes na empresa como os físicos,
financeiros, administrativos, mercadológicos, humanos. Sendo
necessário
levantar
suas
disponibilidades,
necessidades,
fornecedores, etc.
¾ Geração e avaliação das metas e estratégias
Para a determinação das metas alguns fatores deverão ser avaliados
como:
− recursos disponíveis na fazenda – solos, vegetação, relevo,
animais,
recursos
hídricos,
recursos
financeiros
disponíveis, mão-de-obra qualificada, estradas, energia
elétrica, benfeitorias, etc;
− imposições ambientais, legais e de mercado;
− objetivos do empreendedor, sendo um dos mais
importantes a ser considerado.
Após estabelecer os objetivos, analisando a empresa e o
ambiente externo, utilizando as informações de pesquisas e de
experimentação, além da experiência das pessoas envolvidas nos
processos decisórios deverão ser definidas as estratégias para
alcançar as metas propostas no projeto.
Definido o projeto, as metas e as estratégias a serem
seguidas, a próxima etapa é a implantação das estratégias que
deverão ser executadas pelos gerentes, técnicos e funcionários da
propriedade. Um aspecto fundamental nesse ponto é a coleta de
dados de produção (técnicos e econômicos), para o monitoramento e
a comparação das metas planejadas com as realizadas. Pelo
monitoramento consegue-se avaliar quais os pontos críticos do
sistema e a eficiência das estratégias utilizadas. Este é o momento
de ajuste onde deverão ser corrigidos os desvios ocorridos, e as
estratégias poderão ser substituídas.
A bovinocultura de corte representa uma atividade dinâmica e
complexa (Figura 1), e por este motivo, muitas vezes, se faz
necessário utilizar ferramentas gerencias. Uma das vantagens é o
fato de poder ser um instrumento de gestão para identificar
problemas, seja nas fases de cria, recria e, ou engorda; planejar
ações que procurem antever as próximas ações, aplicar e adequar
tecnologia ao sistema produtivo; reduzir custo unitário, e
consequentemente aumentar a eficiência produtiva e econômica do
sistema de produção.
Mercado
Demanda
Época
Qualidade
Localização
Logística
Comercialização
Política econômica
Máquinas e
Benfeitorias
Operação
Vida útil
Manutenção
Depreciação
Funcionalidade
Necessidade
Rebanho
Cria
Recria
Engorda
Insumos
Preços
Qualidade
Logística
Manejo
Nutricional;
Genético;
Reprodutivo;
Sanidade;
Controle das informações.
Bovinocultura
de Corte
Terra
Topografia
Fertilidade
Pastagem
Culturas
Preço
Outros
Energia
Impostos
Taxas
Transporte
Financiamento
Capital Humano
Participação
Comprometimento
Conhecimento;
Capacidade técnica;
Capacidade gerencial;
Encargos sociais.
Figura 1 - Complexidade da bovinocultura de corte.
Fonte: Adaptado de Oliveira & Pereira (2009).
- 163
Diante desta realidade, para que as ferramentas gerenciais
sejam utilizadas de forma eficaz em cada propriedade, Righy (2011)
recomenda quatro sugestões para sua adoção:
I.
Entenda os fatos para cada propriedade em particular.
Compreenda os efeitos e metodologia de cada ferramenta,
para poder ajustar a ferramenta certa ao sistema;
II.
Promova estratégias duradouras. A gerência que promove
modismo perde a credibilidade de seus colaboradores, tanto
que perde a capacidade de gerar a mudança eficaz, visto que
as estratégias técnicas deverão ser viáveis e as ferramentas o
meio para sua execução;
III.
Escolha as melhores ferramentas para o serviço. A gerência
precisa de métodos eficientes para solucionar os problemas
diagnosticados, implementar as medidas e integrar
ferramentas adequadas para a propriedade rural. Os
problemas devem ser identificados para que seja feita a
intervenção pela gerência;
IV.
Adapte as ferramentas ao seu sistema de negócios, mas não
o contrário. Nenhuma ferramenta é garantia de êxito em sua
aplicação, já que a mesma dever ser adaptada ao contexto
particular de cada propriedade rural.
A seguir estão descritos os conceitos, metodologia e
utilização das ferramentas gerenciais que podem ser utilizadas no
planejamento gerencial em empresas rurais de corte.
Gestão por Macroprocessos (Macroprocesses Management)
A gestão por macroprocessos representa uma estrutura para
ações controladas e interligadas entre as várias componentes do
sistema que permite estabelecer objetivos, traçar metas e
acompanhar o desempenho. Os macroprocessos no sistema podem
ser os componentes, como por exemplo, a fase de cria que
representam a produção de bezerros, a fase de recria que
representam a produção de animais para reprodução e, ou,
terminação; a fase de terminação que produzem animais acabados
para a comercialização (figura 2).
Macroprocesso I
Acasalamento/
Cruzamento
♀♂
♀ = Fêmeas ♂= Machos
Macroprocesso II
Períodos
Gestação
Parto
Lactação
Desmame
Recria
♀♂
Macroprocesso III
Macroprocesso IV
Terminação
Pasto
♀♂
Confinamento
Comercialização
Ambiente Integrado de Produção
Figura 2 - Macroprocessos e o ciclo da bovinocultura de corte.
Com a identificação dos principais macroprocessos ocorre
maior integração, compreensão dos processos interligados e coesão
entre os componentes inseridos em uma empresa de pecuária de
corte.
Rosado Júnior (2007), propõe uma sequência de etapas para
nortear o processo de gestão gerencial em uma propriedade de
pecuária de corte (Tabela 1). O uso desta metodologia permite
implantar a gestão por macroprocessos e determinar os indicadores
de desempenho.
Na primeira etapa, analisa-se a identidade organizacional no
qual é feito um diagnóstico da propriedade a partir de todo o
inventário da propriedade. Durante este diagnóstico, todas as
características físicas, estruturais, produtivas e financeiras da
propriedade são descritos, para que estas informações auxiliem na
tomada de decisões pela gerência, defina metas e elabore um plano
de ações a partir da missão e visão da propriedade.
Logo, na segunda etapa, procede-se a análise da visão geral
do sistema, no qual é implantado o modelo de gestão por
macroprocessos com a representação geral dos componentes do
sistema (Figura 1) e sua respectiva hierarquia de processos. Este
modelo é complementado pela análise de ambiente, feita através das
análises de Porter e SWOT. Através destas análises, o planejamento
gerencial estabelece os objetivos e as ações estratégicas para atingir
tais objetivos, identificando e mapeando os processos críticos.
Finalmente, na terceira etapa são determinados os conjuntos
de indicadores, selecionados pela gerência. Em seguida, os
indicadores são agrupados no modelo Balanced Scorecad (BSC)
para análise individual e relacionada com os indicadores escolhidos.
- 165
Tabela 1 - Sequência de ações para implantação da metodologia de
gestão por macroprocessos e definição dos indicadores
de desempenho
Etapa I
Identidade Organizacional
⋅ Descrição da empresa
⋅ Estrutura organizacional
⋅ Sistema de produção e principais produtos
⋅ Conhecer a missão e visão da empresa
Etapa II Implantação do modelo de gestão por macroprocessos
⋅ Análise da visão geral de sistema
⋅ Descrição da hierarquia de processos
⋅ Análise ambiental pelas análises SWOT e Porter
⋅ Determinação dos objetivos estratégicos
⋅ Determinação das estratégias
⋅ Priorização de processos
⋅ Mapeamento dos processos críticos
Etapa III Implantação de sistema de indicadores de desempenho
⋅ Determinação do conjunto de indicadores
⋅ Agrupar os indicadores de acordo com as perspectivas do
BSC
⋅ Análise individual dos indicadores escolhidos
⋅ Analise de relacionamento dos indicadores escolhidos
Fonte: Rosado Júnior, 2007.
Segundo Rosado Júnior & Lobato (2009), este delineamento de
manejo permite um alinhamento no resultado final do processo
produtivo com a missão e visão da empresa, podendo ao mesmo
tempo adicionar valores aos consumidores.
Análise SWOT (SWOT Analysis)
A análise SWOT é um modelo que pode ser utilizado como
ferramenta gerencial, principalmente para análise interna do sistema,
além da análise externa. A sigla SWOT é oriunda das inicias das
palavras Strengths (forças), Weaknesses (fraquezas), Opportunities
(oportunidades) e Threats (ameaças). Sendo assim, a análise pode
ser aplicada da seguinte forma na propriedade considerando a
produção do sistema (dentro da porteira), os fatores internos que
representam as forças e fraquezas; e mercado e desafios (fora da
porteira), os fatores externos que apresentam as oportunidades e
ameaças (Figura 3).
Atividade
Ambiente
Internos
SWOT
Forças
Fraquezas
Produção de
Gado de Corte
Oportunidades
Externos
Ameaças
Figura 3 - Análise SWOT aplicada na propriedade de produção de
bovinos de corte.
Segundo Barbosa & Souza (2007), a análise do ambiente
externo consiste na busca de informações mais precisas possíveis
com relação às ameaças, oportunidades e restrições no cenário
nacional e mundial que possam aumentar ou diminuir a rentabilidade
da atividade. Devem ser analisados os preços das commodities,
juros, balança comercial, análise de mercado (oferta e demanda),
estudo de tendências futuras, barreiras alfandegárias, taxas de
exportações e importações, entre outros. Já a analise do ambiente
interno consiste em verificar os recursos existentes na empresa
como os físicos, financeiros, administrativos, mercadológicos,
humanos, sendo necessário levantar suas disponibilidades,
necessidades, fornecedores entre outros (Barbosa & Souza, 2007).
A análise dos pontos fortes e fracos é determinada pelo
desempenho interno na propriedade, tal que as oportunidades e
riscos são definidos pelas forças externas de mercado, tanto que
possibilita organizar as informações disponíveis e, em seguida,
analisá-las cautelosamente e tomar a melhor decisão. Os pontos
fortes e os fracos determinam o posicionamento da gerência no
- 167
sistema e orientam as áreas em que as intervenções técnicas
proporcionem o maior resultado em seu desempenho.
Modelo das Cinco Forças de Porter
O modelo das Cinco Forças de Porter pode ser compreendido
como uma ferramenta gerencial que auxilia na definição de
estratégia para a propriedade, levando em consideração tanto o
ambiente interno quanto o externo. Segundo Porter (1991), as cinco
forças que influenciam o ambiente externo são: as ameaças de
novos entrantes, o poder de negociação dos fornecedores e
compradores, as ameaças de serviços substitutos e a rivalidade
entre as empresas existentes (Figura 4).
Poder de negociação dos
fornecedores:
⋅ Custo de mudança; ⋅ Concentração de fornecedores; ⋅ Presença de insumos substitutos, etc. Entrantes
Potenciais
Ameaças de novos
entrantes:
⋅ Economias de escala; ⋅ Exigências de capital; ⋅ Política governamental, etc. Concorrentes na
indústria
Fornecedores
Ameaças de produtos ou serviços
substitutos:
⋅
Desempenho relativo de preço dos concorrentes; ⋅
Custos de mudança; ⋅
Propensão do comprador a mudar, etc. Compradores
Rivalidade entre
as empresas
existentes
Substituto
Poder de negociação dos compradores:
⋅ Concentração de compradores; ⋅ Produtos substitutos; ⋅ Impacto sobre qualidade/desempenho, etc. Figura 4 - As cinco forças competitivas de Porter.
Fonte: Porter (1991); citado por Azevedo (1998).
Na bovinocultura de corte, o modelo descreve e analisa as
alterações na estrutura competitiva da atividade no sentido de
detectar como as cinco forças estão interagindo de forma qualitativa,
uma vez que se pretende descrever as forças, qualificando as fontes
de ameaças e as oportunidades para a atividade (Azevedo, 1998). É
muito importante que cada uma dessas forças seja avaliada para
que a propriedade possa planejar estratégias competitivas eficazes.
O conhecimento das oportunidades e ameaças, além das
forças e fraquezas apontadas pela análise de SWOT, constitui um
dos pilares para a gestão estratégica das ações.
As duas análises, de SWOT e Porter, são complementares,
visto que quando o ambiente é analisado pelas cinco forças
competitivas são percebidas as oportunidades e ameaças, as quais
cruzadas com os pontos fortes e fracos tornam-se bastante
contundentes as alternativas e as possibilidades a serem exploradas
pela gerência.
Indicadores de Desempenho (Performance Indicators)
Os indicadores de desempenho são ferramentas gerenciais
essenciais em uma situação que se utiliza a gestão por
macroprocessos, pois fornecem informações importantes para o
processo de tomada de decisão. A partir da análise do indicador é
possível verificar pontos críticos de monitoramento no sistema.
Esses pontos podem assumir um valor quantitativo realizado ao
longo de tempo que permite obter informações sobre característica,
atributos e resultados, de índices zootécnicos e econômicos.
Posteriormente, a gerência efetua a intervenção técnica que
influenciam diretamente sobre determinado indicador.
No entanto, em razão da elevada complexidade da
bovinocultura de corte (Figura 1), o seu entendimento integrado
constitui um desafio para pesquisadores, técnicos e empresários
(Oliveira & Pereira, 2009). Sendo assim, na tabela 2 estão descritos
os principais indicadores zootécnicos e econômicos que afetam a
rentabilidade da bovinocultura de corte.
- 169
Tabela 2 - Indicadores zootécnicos e econômicos analisados na
bovinocultura de corte
Indicador
Especificação
Taxa de Prenhez
Unidade
% ao ano
kg/cab./dia
UA/ha
Kg/ha
R$/ano
R$/ano
R$/ano
R$/ano
R$/ano
R$/cab./ano
Base de Cálculo
no. de fêmeas prenhas/ fêmeas
expostas na estação de monta x
100
no. de bezerros nascidos/ fêmeas
expostas na estação de monta x
100
no. de bezerros desmamados/
fêmeas expostas na estação de
monta x 100
no animais de bezerros mortos/no
total de bezerros nascidos x100
no animais da categoria mortos/no
animais da categoria x100
ganho de peso/dia
n° total UA/área total
produção carne/ área total
Custo fixo + variável
COT + Custo oportunidade
Receita total – Custo variável
Receita total - COT
Receita total – CT
COT/cabeças médias
Taxa de Natalidade
% ao ano
Taxa de Desmame
% ao ano
Taxa de Mortalidade (até a
desmama)
Taxa de Mortalidade (pósdesmama)
Ganho Médio Diário
Lotação
Produtividade anual
Custo Operacional Total (COT)
Custo Total (CT)
Margem Bruta (MB)
Margem Líquida (ML)1
Lucro Total (LT)
Custo Operacional Total –
cabeça
Custo Operacional Total –
arroba2
Custo Operacional Total – ha
Custo Total – cabeça
Custo Total – arroba2
Custo Total – ha
Margem Bruta – cabeça
Margem Bruta – arroba2
Margem Bruta – ha
Margem Líquida – cabeça
Margem Líquida – arroba2
Margem Líquida – ha
Lucro Total – cabeça
Lucro Total – arroba2
Lucro Total – ha
Retorno Capital Investido3
Taxa Interna de Retorno
Valor Presente Líquido
% ao ano
R$/@1
COT/@ produzidas
Zootécnico
Econômico
1
% ao ano
R$/ha/ano
R$/cab./ano
R$/@1
R$/ha/ano
R$/cab./ano
R$/@1
R$/ha/ano
R$/cab./ano
R$/@1
R$/ha/ano
R$/cab./ano
R$/@1
R$/ha/ano
% ao ano
% ao ano
R$
COT/ hectares
CT/cabeças médias
CT/@ produzidas
CT/ hectares
MB/cabeças médias
MB/@ produzidas
MB/ hectares
ML/cabeças médias
ML/@ produzidas
ML/ hectares
LT/cabeças médias
LT/@ produzidas
LT/ hectares
Resultado do fluxo de caixa
Resultado do fluxo de caixa
Margem líquida = Lucro operacional; 2arroba produzida; 3Lucro dividido pelo
somatório do patrimônio e desembolso de caixa X 100.
As análises dos indicadores de desempenho destacam-se
pela segurança e exatidão, visto que os valores são obtidos
diretamente de unidades de produção presentes em mesmo
ambiente econômico (Oliveira, 2007). Para definições de custos e
indicadores econômicos apresentados na tabela 3 consultar Barbosa
& Souza (2007). A atividade agropecuária tem que trabalhar no
médio e longo prazo obtendo no mínimo lucro operacional ou
margem líquida positiva, sendo ideal obter lucro total positivo. Em
situações de crise na atividade, no curto prazo, admiti-se trabalhar
com margem bruta positiva.
A interpretação dos indicadores econômicos descritos na
tabela 2 está apresentada na tabela 3.
Tabela 3 - Interpretação das analises econômicas a partir dos
indicadores
Situação
RT < COV
MB
<0
ML
<0
LT
<0
RCI
<0
RT < COT
>0
<0
<0
<0
RT = COT
>0
=0
<0
=0
RT > COT
>0
> 0 < Cop
<0
> 0 < TJOp
RT = CT
>0
= Cop
=0
= TJOp
RT > CT
>0
> Cop
>0
> TJOp
Situação
Caixa
Negativo
Caixa
Positivo
Lucro Zero
Lucro
Operacional
Lucro
Normal
Lucro
Econômico
Tendência
Paralisação da
produção
Sucatear bens
Permanência no
médio prazo
Permanência no longo
prazo
Equilíbrio no longo
prazo
Crescimento no longo
prazo
COV = Custo operacional variável; COT = Custo Operacional total; Cop =
Custo de oportunidade; CT = custo total; TJOp = taxa de juros do custo de
oportunidade (% ao ano); RT = Receita tot al; MB = Margem Bruta; ML =
Margem Líquida; LT = Lucro Total e RCI = retorno do capital investido.
Fonte: Adaptado de Barbosa & Souza (2007).
Centros de Custos (Cost Centers)
O centro de custos é um dos principais métodos financeiros
existente na literatura, sendo conceituado, em empresas, como
qualquer unidade de agregação de custo realizado em uma atividade
ou em um conjunto de atividades que detém certas similaridades
- 171
(Figueiredo, 1996). Este método baseia-se na composição, em
categorias, de um rebanho de pecuária de corte, com seus diferentes
segmentos, como a fase de cria, recria e, ou, engorda que passam a
ser caracterizado como centros de custos dentro desta atividade ou,
até mesmo, cada segmento podem também possuir seus próprios
centros de custos.
Segundo Barbosa & Souza (2007), os centros de custos de
uma empresa rural na área de bovinocultura de corte podem ser
divididos em custos diretos e indiretos. Os custos diretos são
aqueles que originam e se relacionam diretamente com determinada
fase, por exemplo, o custo do touro, que são diretamente destinados
para o centro de custos das vacas de cria. Já os custos indiretos
podem ser aproveitados em mais de uma fase produtiva, como por
exemplo, os serviços e os insumos. Sendo assim, o método de
centros de custos propõe que os custos indiretos deverão ser
rateados proporcionalmente entre os centros de custos.
Desta forma, a partir da quantificação de cada centro de
custos em comparação a soma dos outros centros, é possível dividir
os custos indiretos da atividade produtiva em um determinado
período de tempo (Oaigen et al., 2008). O percentual de rateios
recebido por centro de custo deve ser relacionado à estrutura de
rebanho.
O custo de produção por intermédio de centros geradores de
custo permite a gerência compreender o impacto de determinados
processos e, ou, tecnologias sobre o sistema, especificando no custo
final do produto (Oaigen et al., 2008). Conforme a tabela 4, observase que os custos da atividade de ciclo completo foram diferentes que
o centro de custo confinamento dentro da própria fazenda, ou seja, o
centro de custo confinamento obteve maior retorno do capital
investido do que a atividade de ciclo completo ao analisar pelo ótica
de centro de custo, mesmo assim, o sistema de ciclo completo
também foi rentável economicamente.
Tabela 4 - Avaliação econômica do sistema completo de bovinos de
corte em Minas Gerais e o seu centro de custo
confinamento no ano de 2010
Indicadores
Cabeças - média
Custo operacional variável (COV) – R$
Custo operacional fixo (COF) – R$
Custo operacional total (COT) – R$
Receita Total (RT) – R$
Custo operacional médio (R$)
Margem Bruta (MB) = RT – COV
Lucro Operacional (LOp) = RT- COT
Retorno Capital Investido - % ao mês
Centro de Custo Sistema
Completo1
3.335
1.640.138,93
Centro de Custo
Confinamento2
1.395
1.722.593,11
107.035,17
1.747.174,10
3.523.290,73
26.270,16
1.748.863,27
2.141.928,08
R$ 71,36/arroba
produzida
R$ 416.712,91
R$ 393.064,81
5,85 %
R$ 359,15/cabeça/ano
R$ 1.883.151,80
R$ 1.776.116,63
3,10%
Fonte: 1Arquivo pessoal; 2Lobo et al., 2011.
COMPETITIVIDADE NA BOVINOCULTURA DE CORTE
Atualmente a cadeia da bovinocultura de corte é
caracterizada como um segmento do agronegócio brasileiro de
elevada concorrência, incertezas e redução das margens de ganho
em que os produtores estão inseridos. O aumento da eficiência
produtiva é primordial para a lucratividade da pecuária de corte,
sendo que as atividades produtivas devem ser entendidas e
manejadas dentro de um enfoque sistêmico, em busca da
maximização de lucros. Os sistemas de produção de gado de corte
são complexos e diversificados, não havendo fórmulas e nem
recomendações únicas que possam ser largamente aplicadas por
todo o Brasil. Portanto, cada produtor deve desenvolver seu sistema
de produção, combinando suas metas às condições ambientais e
mercadológicas (Hembry, 1991, citado por Abreu et al., 2003), aliado
às capacidades financeiras e aos recursos humanos, com
responsabilidade social e ambiental (Barbosa et al., 2010a). Desta
forma, a gerência na propriedade deve se concentrar nos seguintes
aspectos:
a) Produtividade em escala com adoção de tecnologia;
b) Custo unitário de produção menor que o preço unitário de venda;
- 173
c) Maior lucro e maior rentabilidade ao ano;
d) Agregar valor com aumento do preço de venda unitário;
e) Análise e controle do risco.
A capacidade gerencial do administrador na gestão do
negócio agropecuário envolvendo o planejamento, direção e controle
dos processos da atividade, bem como a alocação dos recursos
produtivos de maneira racional, são fundamentais para a eficiência
técnica e econômica do sistema de produção. A gerência deve se
manter vigilante não permitindo que o aumento de custo unitário
diminua sua vantagem competitiva, pois baixo custo unitário significa
uma vantagem competitiva no mercado. Porém quando se aumenta
produtividade,
normalmente,
aumenta-se
o
custo
total
(principalmente o variável), entretanto devido a maior quantidade de
produtos gerados (bezerros, kg de peso vivo ou carcaça) o custo
unitário diminui. Com menor custo unitário e mantendo o mesmo
preço médio de venda o lucro unitário aumenta e como ocorrerá
maior receita total, o lucro total também aumenta levando a maior
rentabilidade do sistema.
A produtividade deve ser analisada pela disponibilidade dos
fatores de produção (terra, trabalho e capital), sendo mais escassos,
portanto mais caros. Quando se aumenta a produtividade do
rebanho (kg/cabeça/dia) aumenta também a produtividade da terra
(arrobas/ha), a produtividade do trabalho (cabeças/dia/homem) e a
produtividade do capital (arrobas/ha). Desta forma, pode-se inferir
que quando o produtor elevar a produtividade por unidade de área,
normalmente, o aumento na produtividade dos demais fatores de
produção irão acontecer espontaneamente. O uso de tecnologia
permite aumentar produtividade e, consequentemente, reduzir o
custo médio unitário, e por este motivo que as propriedades mais
tecnificadas são mais competitivas. Porém a eficiência nos processo
pela eficácia nas decisões pela gerência são fundamentais para
competitividade. A competitividade está diretamente relacionada à
racionalidade nos processos de tomada de decisões (Amaral, 2007).
Barbosa (2008) em um estudo sobre a avaliação técnica e
econômica da bovinocultura de corte em propriedades nos estados
de Minas Gerais e Bahia, mostrou que os fatores relacionados ao
sistema de criação, escala, ano, localização e capacidade gerencial
influenciam a rentabilidade da atividade. Conforme tabela 5 o
sistema de recria-engorda extensivo, em Minas Gerais, caracterizado
por baixa tecnificação obteve baixa produção de peso vivo por
hectare, lotação por hectare e taxa de venda. Essa baixa
produtividade ocasionou prejuízo, isto é, a receita total não
conseguiu pagar nem os custos operacionais variáveis totalmente
(margem bruta negativa). Já no sistema de engorda intensivo com
uso de tecnologias (adubação de pastagens e confinamento) obteve
elevados índices produtivos: produção de peso vivo, lotação e taxa
de venda. Apesar de maior necessidade de desembolsos para
custeio e investimento a intensificação proporcionou a atividade lucro
operacional (margem líquida), isto é, a receita total pagou todos os
custos operacionais variáveis e fixos (inclusive depreciações). Os
sistemas de ciclo completo semi-intensivo, com maior escala de
produção, também obtiveram lucro operacional (Tab. 5). Como o
período avaliado desse estudo compreendeu os cenários de baixa
de preço da arroba de bovinos (2000 a 2006), o retorno do capital
investido médio anual foi abaixo das taxas médias anuais de
poupança em todos os sistemas, ficando negativo no sistema de
recria-engorda extensivo. Ao analisar a variação patrimonial positiva
(maior alta para o valor da terra) que ocorreu durante os anos,
mesmo considerando o custo de oportunidade do capital investido, a
taxa de rentabilidade aumentou, mas com retorno abaixo de uma
aplicação de renda fixa (Tab.5).
- 175
Tabela 5 - Médias anuais dos indicadores técnicos e econômicos de
acordo com cada sistema de produção avaliado
Indicadores
Engorda
Intensivo
Recria-engorda
Extensivo
Média de cabeças
Hectares (ha)
Lotação – cabeças/ha
2004 a 2007
Minas
Gerais
459
155
3,0
Peso vivo produzido/ hectare - kg
Taxa de venda %
Taxa de desfrute %
Custos Op. Variáveis – R$
Custos Op. Fixos - R$
Custo Op. Total - R$
Receita total – R$
Margem bruta – R$
Lucro Operacional1 – R$
Lucro Operacional/hectare – R$
Retorno Capital - %
Retorno Capital com VP - %
Período avaliado
Estado
2005 a 2007
Minas Gerais
Completo
Semiintensivo
2000 a 2004
Bahia
Completo
Semiintensivo
2004 a 2006
Minas Gerais
240
458
0,5
3.878
2.926
1,3
10.844
9.129
1,2
703
77,5
NA
844.533,52
53.357,96
897.891,48
922.993,28
78.459,76
50,7
30,6
NA
162.929,43
24.169,24
187.098,67
156.201,04
(6.728,39)
NA
NA
29,0
339.972,72
315.798,88
655.771,60
909.712,42
569.739,70
NA
NA
38,0
2.214.351,34
736.193,21
2.950.544,55
3.990.039,65
1.775.688,31
25.101,81
156,89
1,33
3,44
(30.897,63)
(67,46)
(3,10)
5,34
253.940,82
86,79
3,39
9,75
1.039.495,10
113,87
4,75
9,21
VP = variação patrimonial; NA = não avaliado; 1 - Lucro operacional = margem
líquida; Valores numéricos entre parênteses são negativos.
Fonte: Barbosa, 2008.
Ao analisar os fatores relacionados à escala de produção,
índices zootécnicos e ano de produção no sistema de ciclo completo
de bovinos, em Minas Gerais, os indicadores econômicos (receita
total, lucro operacional e retorno do capital) aumentaram com o
aumento da escala, melhora dos índices zootécnicos e em função do
ano (Tab. 6), pois os preços médios de venda de bezerro e arroba
bovina aumentaram a partir do ano de 2008.
Tabela 6 - Médias anuais dos indicadores técnicos e econômicos de um sistema de
ciclo completo de bovinos, em Corinto-MG, nos anos de 2005 a 2011
Indicadores
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
Média de cabeças
1.460
1.699
1.682
1.901
2.956
3.335
3.972
Hectares (ha)
2.350
2.350
3.071
3.071
5.247
5.247
5.247
Lotação – cabeças/ha
0,62
0,72
0,55
0,62
0,56
0,64
0,76
Taxa de desfrute - %
16,5
16,9
21,6
47,2
25,5
49,3
33,6
Taxa de prenhez - %
54,0
56,0
60,0
64,0
80,0
79,0
76,0
6,5
5,7
5,2
4,2
2,6
1,4
1,3
Custo Operacional Total - R$
343.746,18
333.327,29
498.387,81
604.654,09
688.854,73
1.747.174,10
1.356.699,04
Receita total – R$
340.210,40
322.005,70
581.987,00
1.116.601,70
1.990.614,59
3.523.290,73
3.145.612,51
11.686,95
4.044,77
83.599,19
511.947,62
1.301.759,86
1.776.116,63
1.788.913,47
4,97
1,72
27,22
166,70
248,10
338,50
340,94
0,79
0,19
3,05
20,91
30,15
37,19
28,4
Taxa mortalidade - %
1
2
Lucro Operacional – R$
Lucro Operacional / hectare – R$
3
Retorno Capital - %
1- até a desmama; 2 - Lucro operacional = margem líquida; 3 – não está incluído o valor de terra no patrimônio.
Fonte: Arquivo pessoal, 2011.
- 177
Muitas vezes o produtor não conhece o impacto de cada item
de receita e custo sobre a rentabilidade de seu empreendimento.
Uma forma de entender o efeito de cada item é a análise de
sensibilidade. A análise de sensibilidade é uma opção para
determinar o impacto de cada item de receita e de custo sobre a
rentabilidade da atividade, e para avaliar a maximização de lucros ou
minimização de custos.
Barbosa et al. (2009) realizaram a análise de sensibilidade
para o sistema de engorda intensivo, em Sete Lagoas-MG, descrito
na tabela 5. Na tabela 7 observam-se as variações de rentabilidade
(RCI) em função das variações de preços de venda e os custos de
produção. Com o decréscimo no preço de venda de bovinos de 20%,
o retorno do capital investido (RCI) médio caiu para -12,09%, em 46
meses. Com o aumento de 20% no preço de venda dos bois, o RCI
aumentou para 16,91%, em 46 meses. Com o decréscimo do custo
dos suplementos alimentares em 20%, obteve-se o RCI médio de
4,36%, em 46 meses. Com o aumento dos custos dos suplementos
alimentares em 20%, o RCI médio caiu para 0,53%, em 46 meses.
Com o decréscimo do preço de compra de bovinos em 20%, obtevese o RCI médio de 13,51%, em 46 meses. Com o aumento do preço
de compra de bovinos em 20%, o RCI médio caiu para -6,71%, em
46 meses.
Tabela 7 - Análise de sensibilidade do retorno do capital investido
acumulado sobre o lucro operacional às variações nos
preços de compra de bovinos, compra de suplementos
alimentares e venda de bovinos no sistema de engorda
de bovinos intensivo em Sete Lagoas – MG
Variações de preços
20%
inferior
10%
inferior
Acumulado
10%
superior
20%
superior
Compra – kg
13,51%
7,68%
2,41%
2,36%
-6,71%
Suplementos Alimentares
4,36%
3,38%
2,41%
1,46%
0,53%
-12,09%
-4,84%
2,41%
9,66%
16,91%
Venda – kg
Fonte: Barbosa et al., 2009.
Como pode ser notado na tabela 7, o resultado na
rentabilidade do sistema de produção tem um efeito maior com a
variação do preço de venda de bovinos, do que nas variações da
compra de bovinos e da redução do custo alimentar, sendo uma
importante estratégia comercial para o administrador procurar
agregar valor à venda do produto, conseguindo um diferencial de
preço por qualidade ou fazendo a venda pelo mercado futuro de boi
gordo, através da BM&F, com contratos que estejam com preços de
arroba de boi gordo acima de seu custo de produção. O impacto da
variação no preço de venda de bovinos na rentabilidade do sistema
também ocorreu da mesma maneira nos sistemas de produção
descritos na tabela 5, conforme Barbosa (2008), demonstrando a
necessidade da busca por melhor preço de venda na atividade.
O risco é derivado da incapacidade de se prever os eventos
futuros, tornando a decisão do presente um ato de reflexão,
ponderação e avaliação das possíveis conseqüências futuras dessa
decisão. Como os projetos agropecuários possuem características
de retorno a médio e longo prazo, o risco torna-se um fator
determinante para que a tomada de decisão do administrador seja
avaliada nos diferentes cenários de probabilidades. Enquanto boas
decisões se traduzem em lucros elevados e oportunidades de
mercado, decisões inapropriadas podem resultar em considerável
perda de recursos. Os gerentes são cobrados para quantificar os
riscos inerentes nas suas negociações, e isto requer melhor
indicador de análise (Correia Neto, 2007). A avaliação do risco,
apesar de subjetiva e de difícil mensuração, é fundamental na
tomada de decisão de qual o sistema ou tecnologia deverá ser
adotado (Barbosa et al., 2010b).
Barbosa et al. (2010b) calcularam o risco do retorno do capital
investido em um sistema intensivo de engorda de bovinos usando os
dados médios mensais de preços de boi gordo a prazo – BM&F, de
julho de 1997 a novembro de 2007 (Esalq/Cepea, 2007), corrigidos
pelo Índice Geral de Preços (IGP-DI) da Fundação Getúlio Vargas
(FGV) para novembro de 2007 (FGV, 2007). Os dados corrigidos
foram distribuídos em cinco classes de variações de arrobas que
correspondiam aos cenários de risco. Os retornos anuais calculados
em função da variação nos preços históricos de venda de arroba de
- 179
boi gordo demonstraram que as probabilidades do retorno do capital
investido sobre o lucro operacional (RCILOp) ficar positiva é de
83,2%, e do retorno do capital investido sobre o lucro total (RCILT)
ficar positiva é de 69,6%. A probabilidade de se obterem retornos
acima das taxas de 6,75% ao ano (taxa do custo de oportunidade) foi
32%, tanto para o cálculo pelo LOp e LT. As probabilidades de se
obterem retornos mais altos que a taxa média de poupança são
baixas, correspondendo a 4% (Fig. 5), em um cenário avaliado no
período de crise da bovinocultura de corte, 2004 a 2007. O retorno
médio esperado em função da variação nos preços históricos de
venda da arroba de boi gordo foi de 6,26 e 3,33% ao ano para
RCILOp e RCILT, respectivamente. O desvio padrão foi de 7,07 e
6,41% para RCILOp e RCILT, respectivamente; e o coeficiente de
variação foi de 113 e 192% para RCILOp e RCILT, respectivamente.
Ao analisar o desvio padrão e coeficiente de variação, encontrou-se
um risco alto do RCI, em razão da amplitude e o grau de dispersão
por unidade de retorno esperado terem sido elevados. Diante dessa
situação de risco na atividade, a estratégia de venda futura de venda
de boi gordo pela BM&F torna-se uma ferramenta para minimizar o
risco frente à volatilidade de mercado.
Figura 5 - Retorno do capital investido sobre lucro operacional
(RCILOp), retorno do capital investido sobre o lucro total
(RCILT) e as probabilidades nos diferentes cenários – muito
pessimista, pessimista, realista, otimista e muito otimista
Fonte: Barbosa et al., 2010b.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
As ferramentas de gestão são muito importantes para gerência da
atividade, pois através delas é possível que a tomada de decisão seja
mais efetiva e atinja melhores resultados. Entretanto, o que não é medido
não pode ser gerenciado. As estratégias devem ser realizadas para que
as ferramentas possam servir como um suporte para atingir os objetivos
e as metas. A intensificação do sistema para aumento da escala de
produção está em função do capital disponível para o investimento, o
risco e a taxa de retorno de cada situação. O planejamento técnico aliado
ao financeiro e o monitoramento constante são fundamentais para
verificar a viabilidade operacional e econômica das estratégias
- 181
assumidas dentro do sistema e fornecer com maior precisão as
informações necessárias para a tomada de decisão e manter a empresa
competitiva no mercado.
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BOVINOCULTURA DE ALTO DESEMPENHO COM
SUSTENTABILIDADE
Mário Fonseca Paulino2, Edenio Detmann3, Aline Gomes da Silva6, Daniel
Mageste de Almeida4, Ériton Egídio Lisboa Valente6, Ivan França Smith
Maciel5, Jefferson Luiz Marciano do Nascimento5, Jéssika Almeida
Bittencourt5. Leandro Soares Martins4, Lívia Vieira de Barros6, Nelcino
Francisco de Paula6, Roberta Kely Viana Mendes5, Sidnei Antônio Lopes6,
Victor Valério de Carvalho5
1
Apoio: CNPq e FAPEMIG; 2 Engº-Agrônomo, D.Sc., Professor Associado, Departamento de
Zootecnia, Universidade Federal de Viçosa. Pesquisador do CNPq [email protected].
3
Zootecnista, D.Sc., Professor Adjunto, Departamento de Zootecnia, Universidade Federal de
Viçosa. Pesquisador do CNPq [email protected].
4
Zootecnista, Mestrando, Departamento de Zootecnia, Universidade Federal de Viçosa.
5
Graduando em Zootecnia, Departamento de Zootecnia, Universidade Federal de Viçosa.
6
Zootecnista, Doutorando, Departamento de Zootecnia, Universidade Federal de Viçosa.
A bovinocultura no Brasil é explorada em grande variabilidade
de recursos genéticos e ambientes. Faz-se necessário, portanto,
estabelecer sistemas que se ajustem às realidades específicas,
considerando-se os aspectos econômicos, sociais, culturais e
ambientais importantes local ou regionalmente. Consequentemente,
é natural, encontrarem-se grandes diferenças em produtividade e
eficiência econômica.
A
bovinocultura
fundamentada
nos
princípios
da
sustentabilidade presume desempenho compatível com os recursos
produtivos, humanos e físicos disponíveis, ser detentora de elevada
eficiência social e econômica e conduzida usando e ajustando,
quando necessário, os recursos naturais em prol de uma atividade
que guarde sintonia com a conservação da natureza, para permitir
estabilidade na produção e segurança alimentar ao longo das
gerações humanas. Em suma, atividade que garanta progresso na
escala social para o produtor e aos trabalhadores, segurança
alimentar e nutricional para os consumidores e estabilidade na
produção e equilíbrio ao ambiente na linha do tempo.
Por outro lado, a necessidade de otimização dos recursos
produtivos, do aumento da competitividade no mercado, do
incremento da produtividade e da redução dos custos leva a uma
tendência de adoção de tecnologias capazes de tornar a exploração
pecuária cada vez mais competitiva e rentável.
PASTAGENS NATURAIS: EQUILÍBRIO PRODUÇÃO E
CONSERVAÇÃO
A bovinocultura de corte é a principal atividade econômica
das áreas cobertas por pastagens naturais. Independentemente das
diferentes características ambientais predominam as fases de cria e
recria. Trata-se de um modelo de exploração que presume o
aproveitamento da biodiversidade inerente ao ecossistema. A
exploração de bovinos em ecossistemas naturais presume a
convivência com ecossistemas complexos e frágeis como o
Pantanal, a Caatinga, os Campos Nativos Sulinos, os Cerrados
Naturais e as Áreas Inundáveis da Amazônia, com o desafio de
produzir e manter o ecossistema equilibrado e sadio.
As pastagens nativas, normalmente situadas em solos
marginais, representam cerca de 50% das áreas destinadas à
alimentação dos rebanhos bovinos. Os fatores ambientes são
desfavoráveis ao crescimento das plantas forrageiras. Em geral,
ocupam áreas de baixa fertilidade natural ou aquelas degradadas
pela prática da agricultura extrativista; eventualmente, situam em
áreas acidentadas ou baixadas mal drenadas, de reduzido interesse
para atividades agrícolas. Uma característica comum a esses
sistemas é a pequena produção de matéria seca potencialmente
digestível - MSpd no extrato herbáceo, portanto, a pressão de
pastejo é reduzida e a produtividade auferida é baixa.
A sustentabilidade de qualquer bioma é alicerçada no tripé
social, econômico e ambiental. Portanto, é necessário alcançar o
equilíbrio dinâmico entre a conservação ambiental e a eficiência
econômica da atividade que garanta para as próximas gerações um
ambiente saudável para viver e prosperar.
Considera-se que o equilíbrio ecológico está associado a
ambientes virtuosos de desenvolvimento humano pleno; assim, a
meta de conservação dos ecossistemas naturais passa,
necessariamente, pelo fortalecimento da bovinocultura tradicional
- 185
dessas regiões, ou seja, a sustentabilidade desta atividade
econômica garante a conservação das regiões.
De maneira geral, a pecuária de corte é considerada uma
atividade com forte impacto ambiental negativo sobre as regiões
onde é desenvolvida no país. As generalizações são perigosas e, no
caso do Pantanal, ocorreu e ocorre justamente o contrário; a
pecuária de corte extensiva foi e é a garantia da conservação deste
ecossistema (Abreu, 2010). Neste contexto, o desenvolvimento da
pecuária, pautado pelas especiais características da região, não
poderá ser atingido sem o aprimoramento dos sistemas de
comercialização, uma vez que ineficiências nestes sistemas traduzirse-ão em desestímulos da produção e concomitantes entraves do
próprio desenvolvimento.
Uma visão de posse de propriedades em regiões com
características distintas, viabilizando o uso integrado das pastagens
nativas e cultivadas de forma integrada é uma opção. A exploração
da fase de cria e comercialização dos animais destinados ao abate a
desmama é uma outra possibilidade. Por outro lado, os diferentes
segmentos da cadeia produtiva devem agir em sintonia e
complementarmente.
A idéia de otimização da unidade produtiva tendo como foco o
sistema integrado de produção em que a bovinocultura integra o
processo, sob a lógica de processo interativo que vise explorar as
vantagens comparativas e características regionais é uma alternativa
a ser explorada. A produção de mel na caatinga e turismo ecológico
no pantanal são exemplos reais de atividades associadas à
bovinocultura. O aparato tecnológico deve ser adaptado para as
circunstâncias e características inerentes e específicas para
viabilizar a atividade (Paulino et al., 2006b; 2010).
PASTAGENS CULTIVADAS: OTIMIZAÇÃO E ESTABILIDADE
O incremento da produtividade das pastagens tropicais
envolve o controle do processo de pastejo, gerando uma estrutura de
dossel que viabilize elevada ingestão de energia e nutrientes.
Historicamente, preconizou-se o manejo de pasto baseado na
manutenção do meristema apical, com a argumentação que ele
permite à planta forrageira rebrota vigorosa, uma vez que ela se
processa a partir da área foliar remanescente, além da produção e
expansão de novas folhas originadas do meristema apical.
Entretanto, como o crescimento do colmo não foi interrompido pela
eliminação do meristema apical, observa-se que, mesmo a intervalos
freqüentes de pastejo, ocorre acúmulo de material residual,
caracterizado pela presença de colmos lignificados e partes mortas
da planta, capaz de prejudicar o consumo de forragem. A este
manejo convencional, associou-se desempenho animal durante a
época de crescimento das gramíneas de cerca de 500 g/dia.
Como as gramíneas apresentam crescimento controlado pela
dominância apical, o pastejo intensivo (elevadas pressões de
pastejo) de curto prazo e ordenado para remoção de resíduo, ao
eliminar o meristema apical, quebra tal dominância; assim,
favorecem-se as brotações basilares e impede o alongamento dos
entrenós, cujos tecidos apresentam maior resistência à digestão,
modulando-se a qualidade do pasto.
O impacto animal sobre a vegetação provoca redução dos
tecidos senescentes que inibem germinação, perfilhamento e rebrota
das espécies desejáveis, e promove um aumento na captação de
energia. A preparação e moldagem do perfil da pastagem
favorecendo o desenvolvimento de novos perfilhos e folhas,
associadas aos períodos favoráveis das estações do ano, devem ser
estimuladas.
O manejo operacional da pastagem passa pelo atendimento do
balanço entre a oferta e demanda de forragem (expressa em MSpd) no
médio e longo prazo, envolvendo os conceitos de manejo para
qualidade, o diferimento, a complementaridade entre espécies e ou
cultivares com características diversas e as práticas de suplementação,
dentre outras (Paulino et al. 2001; 2006a).
Associado à aplicação destes conceitos de manejo para
qualidade, desempenhos médios de 1 kg/dia são descortinados se
associado à suplementação mineral adequada. Incrementos de
cerca 200 g/dia, em relação a este patamar, são passíveis de serem
obtidos com a incorporação do sistema pasto/suplementos múltiplos.
Uma avaliação das diferentes fases históricas permite
registrar a evolução de conceitos e quantificar a contribuição das
- 187
tecnologias para o domínio do manejo das pastagens tropicais na
direção da bovinocultura de alto desempenho sustentável (Tabela 1).
Tabela 1 - Desempenho de bovinos em pastagens cultivadas
durante o período de crescimento das plantas no Brasil1
Sistema
Pasto com manejo
convencional/mistura
mineral
Pasto com manejo
para qualidade/mistura
mineral
Pasto com manejo
para
qualidade/suplementos
múltiplos
1
2
Ganho
médio diário
(g/dia)
400 a 700
1220
1015
1065
1160
1020
1380
1261
1130
1134
Ganho
adicional2
(g)
Fonte
Euclides et al. (2000)
200
220
196
199
247
Paulino et al.(2000a)
Paulino et al.(2000b)
Moraes et al. (2006)
Paulino et al.(2005)
Zervoudakis et al (2008)
Paulino et al. (2005)
Acedo et al. (2003a)
Porto et al.(2009b)
Dados agregados; para acessar dados individualizados consultar as
referências bibliográficas.
Em relação ao tratamento recebendo mistura mineral.
Durante o período seco (de dormência das plantas) o
crescimento via rebrota é interrompido, por causa de uma
combinação de estádio fenológico e limitações de condições
ambientes, e o suprimento de forragem pode declinar devido ao
consumo, o desperdício e intemperismo natural; como conseqüência,
o crescimento animal tende para uma sazonalidade estrita, podendo
ensejar perdas de peso de até 500 g/dia.
A otimização do sistema produtivo, na busca de elevadas
eficiências biológica e econômica e sustentabilidade ambiental,
coloca em destaque a necessidade de redução da sazonalidade. O
advento do sistema pasto manejado para qualidade/suplementos
múltiplos permitiu minimizar os efeitos da sazonalidade, permitindo
recrias compatíveis com sistemas de produção com diferentes ciclos,
assim como, a engorda de bovinos durante a época seca. Uma
retrospectiva no tempo permite ilustrar o incremento obtido nos
indicadores técnicos pelo advento de tecnologias compatíveis com
as características das gramíneas tropicais (Tabela 2). Ajustes
tecnológicos são necessários para as circunstâncias e
características inerentes e específicas para viabilizar a atividade
(Paulino et al., 2006b; 2010).
Tabela 2 - Desempenho de bovinos em pastagens cultivadas
durante o período da seca no Brasil1
Sistema
Pasto com manejo
convencional/mistura
mineral
Pasto com manejo
para
qualidade/suplementos
múltiplos
para engorda
Ganho médio
diário (g/dia)
- 490 a -140
972
1137
791
934
983
740
Ganho
adicional2 (g)
Fonte
Euclides et al, (1989)
830
706
Paulino et al (2002)
Acedo et al (2003b)
Santos et al. (2004)
Detmann et al. (2004)
Sales et al (2004)
1
2
BOVINOCULTURA DE CICLOS: A BUSCA DO DOMÍNIO DO
SISTEMA
A maior competitividade da bovinocultura de corte, frente a
outras modalidades de exploração agropecuária, depende da
otimização da eficiência de produção e da produtividade. Por outro
lado, a busca de melhor eficiência de produção deve levar em conta
os custos de produção e o ajuste de todos os fatores que os
envolvem.
Assim os sistemas de bovinos de corte têm evoluído para a
intensificação, em que os animais têm sido selecionados para
produzir cada vez mais em menor espaço de tempo. Os genótipos
melhorados, de alto potencial para crescimento e desenvolvimento
corporal, apresentam demanda de nutrientes intensa.
- 189
Se por um lado, há necessidade de propostas efetivas sobre
produção, manejo e seleção dos animais para o aumento da
produção e da produtividade, por outro, a sociedade demanda a
orientação de produção com utilização racional de insumos, garantia
de bem estar animal, e que seja economicamente viável,
socialmente justa e ambientalmente correta.
Na exploração da bovinocultura de corte intensiva,
caracterizada por índices de prenhez superiores a 85% e em que se
procura a redução nas categorias em desenvolvimento, com as
novilhas sendo acasaladas pela primeira vez aos 14 - 16 meses de
idade, e os machos são abatidos entre 11 e 16 meses de idade, os
ganhos de peso do nascimento a desmama são fundamentais para o
sucesso do sistema. Almejam-se, assim, maiores taxas de desfrute e
eficiência de estoque.
Portanto, o peso a desmama dos bezerros e a taxa de
desmama afetam diretamente a eficiência da criação, quando
avaliada em termos de quilogramas de bezerro desmamado por vaca
por ano, ou do consumo de energia da vaca e do bezerro em relação
aos quilogramas de bezerros produzidos.
A fase de criação de bezerros constitui etapa altamente
responsiva a práticas adequadas de alimentação e manejo. Os
bezerros são seletivos no pastejo, sendo a disponibilidade e
qualidade de forragem de grande importância para o
desenvolvimento destes animais.
A busca de sistemas mais econômicos de criação de
bezerros, com adoção de práticas de manejo e alimentação
adequadas, pode possibilitar tanto melhor criação de fêmeas de
reposição quanto o encurtamento do ciclo de produção de carne.
Portanto, é necessária a definição de sistemas alimentares,
dentro de um sistema de produção de ciclo completo, para garantir a
economicidade dos processos de produção de bovinos de corte, os
quais dependem do custo de alimentação suplementar adicional para
manter as taxas adequadas do crescimento dos bezerros.
Mesmo que o aumento da produção de leite permita aumentar
o ganho e o peso a desmama dos bezerros, não se pode esquecer
que o nível nutricional na maior parte dos sistemas baseados em
pastejo, é limitante para dar suporte a níveis elevados de produção
de leite. Por outro lado, à medida que o bezerro cresce, sua
dependência do leite materno vai diminuindo, sua capacidade de
pastar aumenta e, conseqüentemente, reduz a quantidade de leite
necessária para determinado ganho de peso.
Portanto, os nutrientes e energia para dar suporte ao máximo
desenvolvimento de bezerros devem ser oriundos do leite produzido
pela vaca, das pastagens e da suplementação adicional. A utilização
de matrizes com boa habilidade materna (cerca de 1000 kg de leite
por lactação), o fornecimento de forragens de boa qualidade e de
alimentos concentrados desde a idade precoce têm sido apontados
como práticas eficientes na redução dos custos com alimentação.
Neste contexto, a técnica de alimentação suplementar
adicional para bezerros lactentes, sob o sistema de creep feeding
assume grande importância. O creep feeding refere-se ao
fornecimento do alimento adicional para animais em fase de
aleitamento, em local cujo acesso é restrito aos jovens. No campo
produtivo, o creep feeding, ao complementar e enriquecer a dieta do
bezerro, permite o incremento das taxas de desenvolvimento
corporal até os limiares do mérito genético característico de cada
indivíduo, o que resulta em melhor ganho de peso no período de
amamentação e maior peso corporal a desmama.
Avaliando-se as prioridades do bezerro lactente quanto à
ingestão de nutrientes, um programa de suplementação eficiente
deve adicionar nutrientes à dieta do bezerro e não substituir
nutrientes que estariam presentes no leite e na forragem ingeridos
naturalmente, ou seja, o suplemento deve ser fornecido com o
objetivo de corrigir deficiências nutricionais e manter elevadas
ingestão e digestão de forragem pelo animal. A suplementação de
bezerros lactentes possibilita estabelecer o equilíbrio entre a
demanda e a oferta de nutrientes durante a fase de aleitamento de
bezerros. Assim, procura-se proporcionar maior eficiência alimentar
(kg de ganho por kg de suplemento), assegurando a economicidade
do ganho adicional proporcionado pelo suplemento.
Por outro lado, o creep-feeding pré-condiciona o bezerro ao
tipo de alimentação que ele vai receber na terminação, seja no
sistema pasto/suplemento ou no confinamento, o que beneficia o seu
desempenho.
- 191
Os bezerros oriundos de rebanhos mestiços, em que o leite é
a prioridade, normalmente são desmamados com quatro a cinco
arrobas (Campos, 1985); a melhoria deste sistema presume
associação de pasto de qualidade e suplementação de
concentrados.
Uma abordagem que procura a integração da pecuária de
corte com a de leite tem procurado desenvolver alternativas de
alimentação e manejo que permitam produzir bezerro de qualidade,
sendo registrados pesos de entre seis e sete arrobas a desmama
(Ruas et al., 2007). As estratégias desenvolvidas para valorizar os
animais oriundos deste modelo de produção devem ser estimuladas.
Na bovinocultura de corte estrita visualiza-se a desmama de
bezerros de matrizes com boa habilidade materna, no sistema pasto
manejado para qualidade/mistura mineral, com peso em torno de
seis a sete arrobas. Uma análise prospectiva registra pesos a
desmama próximos a oito arrobas, no sistema pasto/suplemento na
fase de cria (Tabela 3). Ajustes tecnológicos para exploração do
limite genético dos bovinos, ensejando a bovinocultura com ciclos de
11 a 16 meses de idade, permitem visualizar desmama de bezerros
com peso entre 270 e 300 kg.
Informações sobre integração de conhecimentos no sistema
pasto/suplementos em vários ciclos de produção foram delineadas
por Paulino et al. (2001; 2008; 2010).
Tabela 3 - Desempenho de bovinos em fase de cria sob sistemas
diversos1
Sistema
Ganho
adicional2 (g)
Pastagem natural
Rebanhos mestiços com
prioridade para leite
Vaca de leite/bezerro de
corte de qualidade
Pastagem
cultivada/mistura
mineral
Peso corporal
final (kg)
135,5; 149,5
135,0
Santos et al. (2011)
Campos (1985)
189,2
Ruas et al. (2007)
182,3
194,7
Porto et al. (2009a)
Zamperlini et al.
(2006)
Zamperlini et al.
(2005)
Fernandes et al.
(2012)
Zamperlini et al.
(2005)
Zamperlini et al.
(2006)
Porto et al. (2009a)
Fernandes et al.
(2012)
Monteiro et al. (2011)
200,3
200,0
Pastagem
cultivada/suplementos
múltiplos
Fonte
146
219,0
186
228,2
100
180
214
197,8
218,0
232,8
1
2
CONFINAMENTO DE BOVINOS: AJUSTANDO O MODELO
O sistema de engorda em confinamento é uma estratégia que
permite produzir carne de qualidade, com valor agregado, para diferentes
mercados consumidores e, sobretudo, em qualquer época do ano.
Inicialmente usado para dar suporte à compra de animais na
época de safra e sua revenda nos períodos de entressafra ou como
forma de aproveitamento de resíduos ou subprodutos das
agroindústrias, o confinamento pouco contribuiu para mudar os
indicadores de produtividade do rebanho bovino brasileiro; posto
que, trazia o efeito residual da falta de domínio do sistema de cria e
recria a pasto, que intercalava ganhos e perdas de peso ao longo do
ano, ensejando ciclos longos. Uma vez que dois terços do peso final
- 193
é colocado a pasto, a engorda completava-se com mais de três anos
de idade. Quando inserido no sistema de produção de ciclo
completo (cria, recria e engorda), o confinamento constitui
ferramenta auxiliar no manejo racional de pastagens, caracteriza-se
em atividade com características estratégicas, contribuindo
efetivamente para a redução de ciclos, desde que associado ao
sistema pasto/suplemento nas fases de cria e recria, com grande
impacto na bovinocultura de alto desempenho e profunda
repercussão social e econômica, permitindo aproximar-se da
exploração do mérito genético dos animais.
Historicamente, os confinamentos são conduzidos entre abril e
meados de dezembro; podendo ocorrer terminação de dois ou três
diferentes lotes em um mesmo curral, dentro deste período. Uma evolução
nesta linha seria a terminação em confinamento o ano inteiro incluindo o
período das precipitações mais intensas de verão. A viabilização deste
processo depende de pagamento de prêmios, por parte do mercado de
exportação, de restaurantes e churrascarias diferenciados, visando
compensar alguns fatores restritivos inerentes a esta atividade.
Alguns aspectos tecnológicos da terminação de bovinos em
confinamento foram discutidos por Paulino et al.(2010).
A integração do sistema pasto/suplementos múltiplos com
confinamento permite visualizar a engorda de bovinos logo após a
desmama, durante a primeira época seca de suas vidas, viabilizando
abates de animais com idade entre 11 e 14 meses.
IMPLICAÇÕES
A sociedade demanda a construção de um modelo de
desenvolvimento sustentável, que procure conciliar desenvolvimento
sócio-econômico com conservação dos recursos naturais. Em tese
não existem conflitos reais aparentes; a questão é conciliar os
interesses diversos envolvidos para diminuir o impacto das
atividades produtivas no meio ambiente.
Os fundamentos da bovinocultura de alto desempenho com
sustentabilidade são coerentes com elevada eficiência biológica,
menor produção de metano por unidade de produto, economia de
energia, menor utilização de vacinas e medicamentos, alimentos
saudáveis, respeito ao consumidor, evolução social para produtores
e trabalhadores e melhor uso da terra.
O modelo delineado aqui permite assegurar bem estar à
população, criar oportunidade de trabalho e emprego, preservar a cultura e
melhorar a qualidade de vida da população em geral. Entretanto, é preciso
agir de maneira coordenada, conjugar os interesses dos diferentes
segmentos em torno do objetivo comum de proporcionar bem estar para a
população no presente e no futuro, ou seja, ter como referência a noção
de que todo o sistema ruiria sem o equilíbrio das partes.
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APLICAÇÃO PRÁTICA PARA A BOVINOCULTURA
DE CORTE BRASILEIRA
Mario Luiz Chizzotti, 2Otávio Rodrigues Machado Neto, 1Márcio Machado
Ladeira, 3Sebastião de Campos Valadares Filho
1
1
Prof Adjunto da UFLA-MG, [email protected]; 2Doutor em Zootecnia, 3Prof.Titular
DZO-UFV,Coordenador do INCT de Ciência Animal, [email protected].
A modelagem pode ser definida como a representação
matemática de um sistema biológico que integra o conhecimento
científico gerado ao longo do tempo, e nos permite prever as
conseqüências de modificações de determinados parâmetros sobre
o comportamento desse sistema.
A taxa de publicação de artigos científicos por ano, em âmbito
global, tem aumentado significativamente ao longo dos tempos,
resultando no acúmulo de informações de pesquisa. A modelagem
pode ser utilizada como ferramenta de integração dos resultados
experimentais, permitindo simulações que auxiliem no processo de
tomada de decisão, otimização de dietas, manejo de pastagem,
maximização do lucro e redução no impacto ambiental da atividade.
Adicionalmente, modelos matemáticos são de extrema utilidade na
identificação de lacunas no entendimento de sistemas e podem
auxiliar no ensino e na extensão rural.
Os modelos matemáticos podem ser classificados em
modelos empíricos, que são caracterizados por equações que
ajustam ou descrevem observações através de dados, sem
necessariamente entender os processos que causam estas repostas,
e em modelos mecanicistas, que representam sistemas ou
fenômenos a partir de sub-modelos integrados que descrevem com
maior detalhamento as causas de possíveis variações no sistema.
Os modelos também podem ser estáticos, descrevendo relações
entre variáveis que são constantes (ou no estado de equilíbrio) ou
dinâmicos, que representam sistemas ou fenômenos que mudam ao
longo do tempo. Os modelos também podem ou não considerar a
variabilidade de suas estimativas, sendo classificados em modelos
determinísticos, cujos resultados são previsíveis e únicos, ou
estocásticos, ou seja os que contém elementos de
incerteza/variabilidade ou aleatórios, que resultam em diferentes
respostas cada vez que os cálculos são executados.
As etapas de desenvolvimento de modelos incluem o
delineamento dos objetivos, a escolha do sistema, a formulação de
hipóteses qualitativas, a formulação de hipóteses quantitativas, a
determinação dos parâmetros, e as avaliações (Sauvant, 1992). A
análise gráfica de dados permite entender o comportamento do
sistema e facilita a formulação das hipóteses. Os dados oriundos de
experimentos distintos deveriam ser sumarizados utilizando-se o
artifício estatístico da meta-análise para determinação de parâmetros
a partir de dados da literatura. Finalmente, a avaliação de modelos
consiste na verificação da acurácia e precisão das estimativas
(Tedeschi, 2006).
Figura 1 - Etapas do processo de modelagem matemática.
- 199
Modelos exercem um papel importante na melhoria dos
sistemas de produção e auxiliam o entendimento da estrutura que
dita o seu comportamento sendo ferramentas fundamentais no
auxílio ao processo de tomada de decisão. Portanto, eles podem
fornecer informações essenciais a serem utilizadas no processo de
tomada de decisão por estrategistas, produtores e consultores para
maximizar a produção e concomitantemente minimizar os impactos
ambientais através da redução da excreção de nutrientes de maneira
economicamente viável. Diversos modelos matemáticos nutricionais
têm sido desenvolvidos (NRC, AFRC, CNCPS, CSIRO, BR-CORTE)
e a revisão e atualização desses modelos deveria ser realizada
constantemente.
A representação matemática de sistemas deve ser embasada
em premissas estatísticas coerentes para sua correta interpretação.
Nesse sentido, diversas metodologias matemáticas têm sido estudas
de forma a melhorar a predição de modelos e, dentre essas, a
ferramenta conhecida como meta-análise se destaca.
Quando o efeito de estudo é quantificado e considerado pelo
modelo estatístico na comparação de dados oriundos de diferentes
experimentos, essa análise estatística é denominada meta-análise
(Glass, 1976). Há mais de três décadas este procedimento foi
proposto, e combina resultados de vários estudos para fazer uma
síntese reproduzível e quantificável dos dados. O objetivo principal
da meta análise é avaliar a literatura existente de forma crítica e
fornecer um resumo geral dos efeitos dos tratamentos. Essa síntese
melhora a potência estatística na pesquisa dos efeitos dos
tratamentos, sendo mais precisa na estimação e na magnitude do
efeito. A meta análise permite, em caso de resultados
aparentemente discordantes, obter uma visão geral da situação
(Boissel et al., 1989; Boissel, 1994; D'Agostino & Weintraub, 1995).
Quando os efeitos de estudo sobre as observações bem
como a heterogeneidade das variâncias não são considerados em
regressões envolvendo dados de múltiplos experimentos, erros
consideráveis podem estar contidos nas estimativas dos parâmetros
da equação de regressão (St-Pierre, 2001), limitando a inferência
quantitativa dos dados avaliados.
Com o avanço nos softwares estatísticos e no conhecimento
do uso de modelos mistos (aqueles contendo efeitos fixos e
aleatórios), a análise de dados provenientes de diferentes
experimentos, foi aprimorada, possibilitando uma avaliação
quantitativa dos resultados disponíveis na literatura. Os
procedimentos e vantagens da realização de uma meta-análise
aplicável a nutrição animal foram descritos em revisão de St-Pierre
(2001). O uso de um modelo misto, que inclui efeitos fixos de
tratamentos e aleatórios para estudos e a escolha da melhor
estrutura da matriz de variância-(co)variância, baseada nos critérios
de informação Bayesiana ou de Akaike, são, em suma, os
procedimentos básicos de uma meta-análise.
Em situações de limitação de recursos para a pesquisa
científica envolvendo grande número de unidades experimentais, a
utilização deste procedimento tem colaborado com a obtenção de
novas informações a respeito de um determinado tópico de
interesse, com baixo emprego de recursos financeiros para essa
finalidade.
Na área zootécnica, o número de meta-análises publicadas
tem aumentado nos últimos anos (McPhee et al., 2006; Schreurs et
al., 2008; Chizzotti et al., 2008; Wileman et al., 2009; Azevedo et al.,
2010), sinalizando que esse procedimento pode se tornar rotina
nesse campo da ciência. Além disso, as demandas dos
pesquisadores e também dos usuários das tecnologias que podem
ser empregadas na pecuária de corte, estão estimulando e forçando
o uso de alternativas para metodologias de análise que dêem visões
globais e quantitativas dos resultados experimentais.
Chizzotti et al. (2008) conduziram uma meta análise com o
objetivo de determinar as exigências nutricionais de energia e
proteína para mantença e crescimento de touros, novilhos e novilhas
Nelore e Nelore x Bos taurus, de diferentes estudos que utilizaram o
abate comparativo para mensurar o balanço de energia e proteína.
Para isso, foram utilizados dados de 16 estudos, totalizando 389
unidades experimentais. Os autores verificaram que as exigências
de energia para mantença são semelhantes entre as diferentes
classes sexuais (machos inteiros, castrados e fêmeas). Da mesma
forma, as exigências de proteína para mantença não diferiram. Em
- 201
relação às exigências nutricionais para ganho de peso, verificou-se
que a exigência de energia líquida de energia de novilhos foi maior
que a de touros mas inferior à observada para novilhas, o que é
conseqüência das diferenças observadas na composição corporal.
Os autores também não verificaram diferenças entre as classes
sexuais para as exigências de proteína para ganho de peso, apesar
da porcentagem da energia retida como proteína ter sido
negativamente correlacionada com a concentração de energia no
ganho.
A avaliação dos dados acumulados em exigências
nutricionais é de extrema importância para a bovinocultura de corte
nacional, pois a determinação das exigências nutricionais de bovinos
Nelore e seus cruzados no Brasil é indispensável para a elaboração
de modelos matemáticos de predição destas exigências, o que
possibilita a otimização da utilização de dietas (redução dos custos
com alimentação) nas diferentes fases da vida dos animais,
melhorando a economicidade dos sistemas de produção, reduzindo
a excreção de nutrientes ao meio ambiente e consequentemente o
impacto ambiental da atividade pecuária.
Azevedo et al. (2010) utilizaram o princípio da meta-análise
com o objetivo de avaliar e desenvolver novas equações para
predição do consumo de matéria seca em bovinos Nelore e
mestiços. Para estimar os parâmetros, os autores utilizaram dados
coletados em experimentos de desempenho independentes com
bovinos nas fases de recria e terminação, totalizando 561 unidades
experimentais. Os interceptos e as inclinações das equações para
bovinos Nelore e mestiços não diferiram de zero e um,
respectivamente, o que demonstra a acurácia das equações. O
desenvolvimento de equações de predição para bovinos alimentados
em condições tropicais também é de grande relevância para a
bovinocultura de corte nacional, uma vez que a superestimação do
consumo implica em custos desnecessários na confecção e
fornecimento de dietas além da possibilidade do desenvolvimento de
distúrbios digestivos pelos animais. Por outro lado, subpredições do
consumo de matéria seca podem resultar em desempenho
insatisfatório e também reduzir a economicidade dos sistemas de
produção. Considerando que no Brasil, os animais são submetidos a
diferentes sistemas de alimentação, muitas vezes com restrição
alimentar no período da seca, o que pode ter efeito sobre a ingestão
de matéria seca no período chuvoso subseqüente, a utilização de
equações de predições desenvolvidas em países de clima
temperado com animais taurinos submetidos a diferentes sistemas
de produção pode ser inadequada para a obtenção de desempenho
ótimo. Diante do exposto, a avaliação e desenvolvimento de novas
equações requer um vasto banco de dados para a obtenção de
equações acuradas, sendo a meta-análise uma importante
ferramenta para a obtenção destas equações.
O sistema brasileiro de exigências nutricionais de Zebuínos –
BR-CORTE (Valadares Filho et al., 2010) utiliza a meta-análise em
praticamente todas equações propostas, tendo em vista a natureza
multi-experimental do banco de dados utilizado. O BR-CORTE está
em constante atualização e deverá ser revisado a cada quatro anos,
incorporando novos resultados de pesquisa gerados nesse
interstício. Além de uma importante ferramenta de formulação, a
modelagem utilizada nesse sistema permite a identificação de
lacunas no conhecimento que norteiam a condução de futuras
pesquisas, otimizando a utilização de recursos de pesquisa.
A meta-análise também pode ser utilizada para o
esclarecimento de controvérsias na pesquisa. Com freqüência na
área de produção animal, resultados experimentais conflitantes são
reportados, o que estimulam a condução de novos experimentos
sobre um mesmo tema para o esclarecimento das dúvidas
existentes. Com o acúmulo desses resultados, revisões sistemáticas
sobre o tema são realizadas mas falham ao não serem conclusivas.
O agrupamento dessas informações e a meta-análise dos fatores de
variação, eliminando-se a variabilidade inerente às diferentes
condições em que os experimentos foram realizados, pode depurar
os resultados e favorecer a conclusão sobre um tema duvidoso.
Porém, para que esse objetivo seja alcançado, o banco de dados a
ser utilizado em uma meta-análise deve ser aleatório para evitar
conclusões equivocadas. Por exemplo, no teste de produtos
comerciais, resultados negativos da utilização desses produtos
podem ser suprimidos ou deixarem de ser publicados por razões
comerciais, o que aumenta a porcentagem de publicações com
- 203
resultados positivos. Adicionalmente, uma busca por experimentos
realizada de maneira incompleta pode suprimir experimentos
importantes e afetar o resultado da meta-análise. Nesses casos, o
agrupamento de dados torna-se perigoso e pode favorecer a
conclusão de que determinado produto é eficaz pela falta de
independência na publicação de resultados. Para solucionar
problemas dessa natureza, testes adicionais podem ser realizados
para avaliar a qualidade do banco de dados, como o teste
denominado “funnel plot asymmetry” (Egger, 1997). Esse método é
baseado no grau de associação entre a magnitude do efeito
detectado (dependente do numero de unidades amostrais) e a sua
variância, onde quando experimentos menores apresentarem
magnitudes de efeito superiores e menores variâncias em relação a
estudos com mais unidades experimentais, o banco de dados pode
estar viesado.
Outros exemplos de aplicações de meta-análise na pesquisa
em bovinocultura de corte são apresentados a seguir.
McPhee et al. (2006) conduziram uma meta-análise com o
objetivo de determinar a influência do tipo biológico (maturidade
moderada ou tardia) e do uso de hormônios (implantes) ou de ambos
em conjunto, sobre algumas características de carcaça (peso de
carcaça quente, teor de gordura intramuscular, espessura de gordura
subcutânea na altura da 12ª costela, área de olho de lombo e teor de
gordura renal-pélvica-cardíaca). Os autores também tinham o
interesse de construir uma tabela com valores médios destas
características de carcaça baseada nos resultados obtidos, que
seriam utilizados como inputs em um programa de modelagem do
crescimento de bovinos de corte e qualidade de carcaça. Foi
realizado um levantamento de 43 estudos publicados e estes dados
foram utilizados para a condução da meta-análise. Verificou-se que o
tipo biológico e a utilização de implantes respondem por grande
parte das diferenças observadas nestas características de carcaça.
Em todos os pesos de abate (550, 575 e 600 kg) os animais de
maturidade tardia apresentaram maior área de olho de lombo, menor
espessura de gordura subcutânea, maior proporção de gordura
renal, pélvica e cardíaca além de menor teor de gordura
intramuscular, característica altamente desejável no mercado norte-
americano. Foi também verificado que a utilização de implantes
hormonais, pode reduzir a espessura de gordura subcutânea e a
porcentagem de gordura renal, pélvica e cardíaca, além da gordura
de marmoreio.
Schreurs et al. (2008) também realizaram uma meta-análise
com o objetivo de avaliar o efeito da maturidade animal sobre a área
transversal das fibras musculares, porcentagem dos tipos de fibras,
atividade das enzimas isocitrato desidrogenase e lactato
desidrogenase, colágeno total e insolúvel e por fim, concentração
lipídica. Essas avaliações foram realizadas nos músculos
Longissimus thoracis, Semitendinosus e Triceps brachii. Para esta
meta-análise foram utilizadas 2642 amostras de músculos de touros,
novilhos e vacas das raças Aubrac, Charolês, Limousin, Montbéliard
e Salers e são oriundos de experimentos conduzidos entre os anos
de 1986 e 2006 no Institut National de la Recherche Agronomique,
na França. Os autores verificaram que para os touros, a área
transversal da fibra, a porcentagem de fibras oxidativas de contração
lenta e a atividade da isocitrato desidrogenase, tiveram uma relação
quadrática com o aumento da maturidade. Por outro lado, a
percentagem de fibras glicoliticas oxidativas de contração rápida,
bem como a atividade da enzima lactato desidrogenase, tiveram um
comportamento cúbico com o aumento da maturidade. Ademais, foi
verificada uma relação linear do grau de maturidade dos animais
com a concentração de lipídeos totais e colágeno. De acordo com os
autores, o desenvolvimento das características musculares é
diferente para cada músculo. Quando comparados com os demais
músculos avaliados, o Semitendinosus apresenta maiores área de
secção transversal, proporção de fibras glicolíticas de contração
rápida, atividade de lactato desidrogenase e conteúdo de colágeno.
Já o músculo Longissimus thoracis, apresenta maiores proporções
de fibras oxidativas de contração lenta e de lipídeos. As
características avaliadas neste trabalho são de grande relevância,
uma vez que estão intimamente ligadas com atributos de qualidade
da carne bovina, tópico de grande interesse na bovinocultura atual.
Diante disso, a utilização da meta-análise possibilitou o agrupamento
de dados avaliados ao longo de vinte anos, o que pode permitir
conclusões mais confiáveis e acuradas a respeito do tema.
- 205
Wileman et al. (2009) utilizando dados de literatura
previamente publicados, conduziu uma meta-análise com o objetivo
de comparar sistemas convencionais de terminação de bovinos com
sistemas alternativos (orgânicos ou naturais) principalmente no que
diz respeito ao impacto dos distintos manejos alimentares sobre o
ganho de peso diário, a eficiência alimentar e consumo de matéria
seca. Foram avaliados os impactos de diversas tecnologias proibidas
em sistemas chamados orgânicos ou naturais, como por exemplo os
implantes anabólicos, monensina, tilosina, endectocidas e também
do uso metafilático de antimicrobianos. Os autores observaram que
animais submetidos ao tratamento metafilático na entrada do
confinamento apresentaram ganho médio diário adicional de 0,11
kg/dia quando comparados aos animais que não receberam este tipo
de tratamento. Ademais, foi verificado que novilhas que receberam
implante hormonal no inicio da engorda confinada apresentaram
ganho médio diário adicional de 0,08 kg/dia, não tendo sido
observados efeitos deste tratamento sobre a eficiência alimentar e
consumo de matéria seca nesta classe sexual. Por outro lado,
novilhos que receberam implante hormonal apresentaram taxa de
ganho de peso adicional da ordem de 0,25 kg/dia além de maior
consumo diário (0,53 kg/dia) quando comparados aos animais não
implantados. Além disso, nesta classe sexual também verificou-se
melhoria da eficiência alimentar com o uso de implantes (0,17 vs.
0,15 g de ganho de peso /kg de MS ingerida). Devido às diferenças
observadas em desempenho e eficiência alimentar, os autores
concluíram que animais implantados têm um custo de produção
inferior, de aproximadamente 77 dólares e 359 dólares, em relação
aos animais não implantados e aos terminados em sistemas
orgânicos, respectivamente. Neste tipo de estudo, a meta-análise
também é de grande importância, uma vez que resultados obtidos
com a utilização de implantes anabólicos e aditivos podem ser
bastante contrastantes. Diante disso, a avaliação de grande número
de dados permite uma maior segurança na tomada de decisão para
a adoção de determinadas tecnologias.
Modelar é Preciso! O acúmulo de dados de pesquisa e as
inovações computacionais e de softwares permitem integrar
conceitos existentes, reduzir dificuldades conceituais em sistemas
complexos e auxiliam na interpretação de dados para que a
produção animal possa ser otimizada.
A modelagem matemática é uma importante ferramenta no
auxílio à interpretação de dados e no processo de tomada de
decisão, e tem sido amplamente utilizada na produção de bovinos de
corte.
A meta análise é um dos muitos métodos com aplicação em
modelagem e é preferencial em relação à revisão de literatura e ao
agrupamento indiscriminado de dados experimentais.
Em conjunto, a meta análise e a modelagem geram
informações úteis a baixo custo e auxiliam na identificação de
lacunas de conhecimento e no planejamento de futuras pesquisas
em áreas deficitárias.
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FORMULAÇÃO DE DIETAS USANDO OS
PROGRAMAS CQBAL 3.0 E BR-CORTE 2010
Sebastião de Campos Valadares Filho1, Polyana Albino Silva Machado3,
Mario Luiz Chizzotti2, Heber Fernandes Amaral4, Tiago Furtado5
1
Prof.Titular DZO-UFV,Coordenador do INCT de Ciência Animal, [email protected]; 2Prof
Adjunto da UFLA-MG, [email protected]; 3Estudante de Pós-doutorado UFV,
[email protected] ; 4Bacharel em Ciência da Computação, [email protected]; 5Mestre em
Ciência da Computação, [email protected].
Os Programas CQBAL 3.0 e BR-CORTE fornecem,
respectivamente, dados de composição de alimentos e exigências
nutricionais de zebuínos. Esses programas são financiados pela
Fapemig, pelo CNPq e pelo INCT de Ciência Animal.
O CQBAL 3.0 apresenta em seu banco de dados mais de
2130 derivados de alimentos cadastrados, sendo as informações que
compõem este banco de dados provenientes de teses e dissertações
geradas ao longo dos últimos anos em várias universidades
brasileiras.
Este banco de dados é constituído por informações geradas
sob diferentes condições climáticas, experimentais e de análise,
sendo observados valores bastante diferentes em um mesmo
alimento para os mesmos nutrientes, o que não significa erro, uma
vez que o objetivo da compilação de dados é gerar uma média que
represente as condições reais de cada região. No entanto, quando
as informações são inconsistentes , essas são descartadas. A tabela
completa com todos os derivados pode ser acessada pelo site
www.ufv.br/cqbal. Usando esse banco de dados, o usuário pode
compor a tabela da forma que desejar.Existe nesse site um manual
explicando que tipos de relatórios o programa pode gerar.
Para a utilização desse banco de dados de composição de
alimentos,no programa de formulação de dietas, apenas uma tabela
resumida de alimentos foi utilizada. Os alimentos da tabela resumida
foram divididos nos seguintes tipos: forragens secas, forragens
verdes, silagens; concentrados energéticos e protéicos; subprodutos;
aditivos e outros, e fontes de minerais.
Os critérios para compor essa tabela resumida foram
baseados nas informações necessárias de composição de alimentos
disponíveis no site para atender as exigências nutricionais, devendo
os alimentos selecionados possuir em sua composição os dados,
expressos na base de matéria seca (MS), de proteína bruta (PB),
frações da PB: A, B e taxa de degradação (kd) ou valores fixos de
proteína degradada no rúmen (PDR) e proteína não degradada no
rúmen (PNDR),fibra em detergente neutro (FDN) preferencialmente
corrigida para os teores de cinzas e proteína (FDNcp), extrato etéreo
(EE), cinzas, proteína insolúvel nos detergentes neutro (PIDN) e
ácido (PIDA) e lignina. Essa composição é necessária para calcular
os valores de nutrientes digestíveis totais (NDT), conforme equações
preconizadas no BR CORTE (Detmann et al.,2010, para bovinos de
corte em consumo voluntário), e também de carboidratos não
fibrosos (CNF), quando esses não estão citados. Além desses, as
fontes de minerais também constituem parte dessa nova tabela. Os
valores de PDR foram calculados conforme sugerido pelo NRC
(2001): PDR= A+(B*kd/kd +kp), sendo a taxa de passagem (kp)
estimada pelas equações sugeridas pelo NRC (2001) para
volumosos úmidos, secos e concentrados.
Para o cálculo das exigências nutricionais foi desenvolvido o
programa usando as equações de predição descritas no BR-CORTE,
onde o usuário adiciona dados do peso corporal sem jejum do
animal e do ganho médio diário e tem opções de escolher dentro de
categoria animal: bezerro,animais em crescimento e terminação, ou
vacas; dentro de raça: nelore ou cruzados; dentro de regime de
alimentação: confinamento ou pasto e dentro de sexo: castrado,
fêmea ou macho inteiro. Esses cálculos podem ser obtidos pelo site
www.ufv.br/brcorte.
O programa gera então informações sobre consumo de
matéria seca predito (kg/dia), peso corporal em jejum (kg), peso de
corpo vazio (kg), peso de corpo vazio equivalente (kg), exigências de
energia líquida para ganho (Mcal/dia), energia retida como proteína
(%), eficiência de utilização da energia metabolizável para ganho
(%), exigências de energia metabolizável para ganho (Mcal/dia),
exigências de energia líquida para mantença (Mcal/dia),eficiência de
utilização da energia metabolizável para mantença (%), exigência de
energia metabolizável para mantença (Mcal/dia), exigências totais de
energia metabolizável (Mcal/dia), exigências totais de energia
- 211
digestível (Mcal/dia), exigências totais de nutrientes digestíveis totais
(kg/dia), exigências líquidas de proteína para ganho (g/dia),
eficiência de utilização da proteína metabolizável para ganho (%),
exigências de proteína metabolizável para ganho (g/dia), exigências
de proteína metabolizável para mantença (g/dia), exigências totais
de proteína metabolizável (g/dia), produção de proteína bruta
microbiana (g/dia), exigências totais de proteína degradada no
rúmen (g/dia), exigências totais de proteína não-degradada no rúmen
(g/dia), exigências totais de proteína bruta (g/dia), exigências
dietéticas de cálcio, fósforo, magnésio, potássio, sódio (g/dia) para
mantença, ganho e totais. Todas essas exigências estão descritas
no BR CORTE em 2010, descrito por Valadares Filho et al. (2010).
Além disso, o programa calcula as exigências de cobalto,
cobre, iodo, manganês, selênio e zinco (mg/dia), usando os valores
recomendados pelo NRC (1996) para gado de corte.
O programa de formulação de dietas, em desenvolvimento,
visa o cálculo de rações para bovinos de corte, baseado nos dados
de exigências gerados pelo BR-CORTE, usando as composições de
alimentos da tabela de composição de alimentos CQBAL 3.0.
Inicialmente o programa irá calcular os dados de exigências
com base nas informações do tipo de animal e do ganho
apresentadas pelo usuário. Posteriormente, os alimentos serão
selecionados e as rações formuladas para atender às exigências de
NDT, PDR,PNDR,PB, e minerais.Para esses cálculos, o programa
vai trabalhar com limites para os valores de FDN, CNF e de EE das
dietas e também vai usar o preço dos ingredientes para otimizar as
dietas. O programa de formulação de dietas estará disponível, on
line, sendo denominado de BR CORTE 1.0.
EQUAÇÕES DO NRC (2001) UTILIZADAS NO PROGRAMA BR
CORTE 1.0 PARA ESTIMAR AS TAXAS DE PASSAGEM (kp)
Kp = 3,054 + 0,614 X1, para forragens úmidas (silagens, forragens
frescas);
Kp = 3,362 + 0,479 X1 - 0,007 X2 – 0,017 X3, para forragens secas;e
Kp = 2,904 + 1,375 X1 – 0,020 X2, para alimentos
concentrados,sendo X1 o consumo de MS em % do peso corporal, X2
a % de concentrado expressa na base da MS dietética e X3 o teor de
FDN da forragem (em % da MS).
EQUAÇÕES DE DETMANN ET AL. (2010) UTILIZADAS NO
PROGRAMA BR CORTE 1.0 PARA CALCULAR O TEOR DE
NDT DOS ALIMENTOS
1 Carboidratos não fibrosos aparentemente digestíveis para gado de
corte em consumo voluntário (CNFDGCv) = (0,9507 x CNF) - 5,11
2 Fibra em detergente neutro digestível para gado de corte em
consumo voluntário (FDNDGCv) = 0,835 x (FDNcp – L) x [1(L/FDNcp)0,85]
3 Proteína bruta aparentemente digestível para gado de corte em
consumo voluntário (PBDGCv) = 0,98 x (PB - PIDN) + 0,84 x
{PIDN x [1 - e-(o,8188 + 1,1667 x PIDA)]} - 1,61, onde PIDN = proteína
insolúvel em detergente neutro e PIDA = proteína insolúvel em
detergente ácido expressas em % da MS.
4 Extrato etéreo aparentemente digestível para gado de corte em
consumo voluntário (EEDGCv) = (0,8596 x EE) – 0,18
5 Nutrientes digestíveis totais aparentes para gado de corte em
consumo voluntário (NDTGCv) = FDNDGCv + PBDGCv +
EEDGCv + CNFDGCv
REFERÊNCIAS BIBILIOGRÁFICAS
DETMANN, E.; VALADARES FILHO, S.C.; PAULINO, M.F. Predição do valor
energético de dietas para bovinos a partir da composição química dos
alimentos. In: Exigências nutricionais de zebuínos puros e cruzados. (BR
– CORTE). 2ed. Viçosa: UFV, Suprema Gráfica Ltda. 2010. p.47-63.
NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Nutrient Requirements of Beef Cattle. 7 ed.
Washington, D.C. National Academy Press. 1996. 242p.
NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Nutrient Requirements of Dairy Cattle. 7 ed.
Washington, D.C. National Academy Press. 2001. 381p.
VALADARES FILHO, S.C.; MARCONDES, M.I.; CHIZZOTTI, M.L.; PAULINO,
P.V.R. Exigências nutricionais de zebuínos puros e cruzados – BR
CORTE. 2 ed. Viçosa: UFV, Suprema Gráfica Ltda. 2010, 193p.
USO DE ALIMENTOS RICOS EM LIPÍDEOS PARA
ALIMENTAÇÃO DE BOVINOS DE CORTE:
RECOMENDAÇÕES DE USO, LI MITAÇÕES E
IMPACTOS NA QUALIDADE DA CARNE
Sergio Raposo de Medeiros1 e Tiago Zanett Albertini2
1
2
Pesquisador A - Embrapa Gado de Corte; [email protected]
Pos-doc PNPD/CNPq - Embrapa Gado de Corte; [email protected]
INTRODUÇÃO
Nenhum nutriente de bovinos de corte tem tantas implicações
como a gordura. Ele interfere desde a mistura de ingredientes da
dieta até o tempo de prateleira da carne. Entre esses dois extremos,
ela modifica a fermentação ruminal, influi no aproveitamento de
energia da dieta, afeta o metabolismo intermediário, altera a
composição nutricional da carne e, até, interfere no número de
acidentes nos frigoríficos. O objetivo deste texto é trazer informações
multifacetadas sobre o uso desse fascinante nutriente para
possibilitar o entendimento de suas restrições e potencialidades e,
assim, permitir o melhor uso possível de qualquer que seja o
ingrediente rico em lipídeos.
IMPLICAÇÕES NO USO DA GORDURA NA ALIMENTAÇÃO DE
BOVINOS
Implicações no Manejo da Alimentação de Bovinos
Alimentos ricos em lipídeos, representados por grãos de
oleaginosas e seus óleos, apresentam vantagens e desafios desde a
operacionalização de seu fornecimento aos animais. Quando usados
como óleo, tem a vantagem de reduzirem o fino das rações (pó),
que, além do desconforto do animal ao consumir pode levá-lo a ter
problemas respiratórios.Por outro lado, há o desafio de obter uma
mistura homogênea desse óleo com os demais ingredientes.
Aquecer o óleo e ir dosando aos demais ingredientes já misturados
ou em processo de mistura melhora o processo. O aquecimento
deve ser brando (temperaturas inferiores à 50º C), pois o calor
excessivo pode gerar a produção de peróxidos (CHRISTIE, 1981),
especialmente os ácidos graxos poli-insaturados (AGPI). Se, em vez
de óleo, a própria semente da oleaginosa é utilizada, a facilidade na
mistura depende de cada ingrediente. O grão de soja moído, por
exemplo, é adequado para misturar com os demais ingredientes,
apenas devendo evitar misturar com ureia por conta da urease
provocar a liberação de amônia que, além de ser uma perda, reduz a
palatabilidade da mistura. Já o caroço de algodão não se presta a
moer, pois, ocorre seu emplastramento, sendo comum colocá-lo
como um ingrediente à parte ao concentrado e pré-misturando
ambos antes de juntá-los ao volumoso.
Outro desafio no uso de ingredientes ricos em gordura é a
menor estabilidade da mistura, pois a oxidação das gorduras
(rancificação) reduz o tempo de estocagem. Há alguma preocupação
com a ingestão dos radicais livres formados no processo (FERRARI,
1998), mas o grande problema com alimentos rancificados é sua
baixa palatabilidade e consequente menor consumo. O uso de
antioxidantes ajuda a retardar esse processo e aumentar a vida de
prateleira do produto. Algum dos produtos utilizados pela indústria
são
o
Butilhidroxianisol
(BHA,
máximo
200mg/kg),
o
Butilhidroxitolueno (BHT, máximo 100mg/kg). Podem ser usadas
vitaminas lipossolúveis, também, especialmente a Vitamina E. A
estocagem em local coberto e ventilado ajuda na conservação, pois
luz e calor interferem na peroxidação.
Implicações Ruminais
Gordura e Rúmen
Os caminhos evolucionários que moldaram os ruminantes
foram baseados em consumo de forragens, cujos teores de gordura
médios ficam, em geral, abaixo de 30 g/kg de MS (VAN SOEST,
1994). Portanto, não surpreende a dificuldade que o ecossistema
ruminal tem em lidar com altos teores de gordura. Os ácidos graxos,
principais componentes das gorduras, são tóxicos para os
microrganismos ruminais, sendo particularmente negativos para
- 239
bactérias gram positivas, metanogênicas e protozoários
(PALMQUIST e MATTOS, 2006). A degradação da fibra costuma ser
prejudicada e acreditava-se que o principal efeito seria por
recobrimento das partículas de alimento que dificultaria a
colonização pelas bactérias celulolíticas. Todavia, a toxicidade dos
ácidos graxos aos microrganismos ruminais, particularmente as
celulolítica se o fator principal (HENDERSON, 1973; MACZULAK et
al., 1981). Quando o excesso de ácidos graxos no rúmen é grande,
ocorre redução na ingestão de MS (IMS) total do animal (URANO et
al., 2006; SOUZA et al., 2009; JORGE et al., 2009). Em dietas com
maior relação volumoso:concentrado, pode ocorrer redução da taxa
de passagem pela mais lenta redução do tamanho das partículas de
fibra. Já em dietas ricas em concentrado, a explicação mais lógica
para menor IMS recai sobre o controle quimiostático de mecanismos
regulatórios de consumo, com efeito da maior quantidade de ácidos
graxos na corrente sanguínea reprimindo no sistema nervoso central
o desejo de ingestão. Nesta sinalização, a capacidade limitada de
ruminantes em oxidar ácidos graxos tem importante papel. Seja qual
for a razão da redução de IMS, o maior tempo de permanência no
trato digestivo pode compensar a menor taxa de digestão ruminal
(que ocorre especialmente na fração fibrosa) com o efeito final sendo
um aumento na digestibilidade da dieta. Essa pode ser uma das
explicações para melhoria da eficiência alimentar com uso de dietas
ricas em gordura.
AGPI, Rúmen e Biohidrogenação
Em sua evolução, o ruminante teve que criar estratégias para
lidar com uma parcela dos ácidos graxos que é especialmente tóxica
e que pode ocorrer em quantidades apreciáveis nas forragens:ácidos
graxos monoinsaturados (AGMI) e poli-insaturados (AGPI). Além
disso, quanto mais insaturada a gordura, mais tóxica ela é para os
microrganismos ruminais (MACZULAK et al., 1981) devido a maior
solubilidade dos AGPI (PALMQUIST e MATTOS, 2006). Como forma
de defesa à toxidez, o rúmen tem microrganismos muito
competentes em produzir enzimas extracelulares que colocam
átomos de H nas duplas ligações tornando-as simples (saturadas),
processo chamado de biohidrogenação. A biohidrogenação é
extensa e, em geral, apenas 10-35% dos ácidos graxos insaturados
escapam da biohidrogenação (PALMQUIST, 1988). Assim, apesar
do ácido linoleico (18:2) e linolênico (18:3) serem os principais AGPI
na dieta de ruminantes, a biohidrogenação faz com que o principal
ácido graxo que saia do rúmen seja o esteárico (C18:0) (WOODS e
FEARON, 2009). Esse é o motivo pelo qual a gordura da carne do
ruminante é mais saturada do que a do monogástrico (Figura 1).
60
52,31
51,14
50
41,3
Teor (%)
40
C 18:0
30
C 18:1
20,46
C 18:2
17,46
20
10,25
10
6,19
2,21
3,9
0
Dieta
Digesta
Marmoreio
Figura 1 - Teores dos ácidos graxos em três situações: antes da
ingestão, no duodeno (digesta) e o marmoreio resultante
(Duckett, 2000).
Uma maneira de tentar fazer os ácidos graxos serem menos
expostos à biohidrogenação no rúmen seria através da própria
proteção pela planta (ou parte da planta) que os contêm
(PALMQUIST, 1988; CHILLIARD et al., 2001). Ainda outra estratégia
para reduzir a biohidogenação é o aumento na concentração de
ácidos graxos na dieta (BEAM et al., 2000). O uso de ionóforos e a
redução do pH ruminal também reduzem a biohidrogenação
(DEMEYER & DOREAU, 1999).
- 241
Gordura no Rúmen e Produção de Metano
Conforme já comentado, as bactérias metanogênicas também
são mais sensíveis aos ácidos graxos, o que abre a possibilidade de
usar a suplementação com gordura para obtenção de uma
fermentação ruminal mais eficiente, com maior produção de ácido
propiônico e consequente maior retenção de carbono (CLARY et al.,
1993; LANA & FOX, 2001). Já HESS et al. (2008) alertam que em
dietas em que o óleo de soja suplementar a dieta em 30 g/kg de MS,
a redução da relação acetato:propionato estaria mais relacionada ao
milho presente na dieta do que ao próprio óleo em si, havendo
também contribuição da fermentação do glicerol que resulta em
produção de propionato. Há, portanto, um confundimento de efeitos
difíceis de serem isolados.TEDESCHI et al. (2003) comentam que a
suplementação com gordura pode alterar a resposta ao ionóforo,
pois seus modos de ação se sobrepõe, mas que, por outro lado, o
efeito do ionóforo em reduzir a lipólise dos triglicerídeos no rúmen
poderia ser benéfico ao animal, pois menos ácidos graxos não
esterificados haveriam no rúmen.
Apesar do grande interesse em se reduzir a emissão de
metano com a suplementação de gordura, ainda há um grande
confundimento de quanto o efeito é por alteração qualitativa da
fermentação ruminal (rotas metabólicas alternativas mais eficientes
como discutido acima) ou, além disso, por um efeito decorrente da
menor atividade fermentativa, que pode reduzir o desempenho.
BEAUCHEMIN et al, (2008), agregando o resultado de trabalhos com
inclusão de gordura de várias fontes em diversas situações,
estimaram que o metano (g CH4/kg IMS) seria reduzido em 5,6%
para cada 1% de adição de gordura a mais na dieta (1% = 10 g de
gordura suplementar/kg de MS, Figura 2).
Esses autores, além de determinarem que a gordura
suplementar explicava 67% da redução de metano em relação aos
tratamentos controle, fizeram observações interessantes:
Canola,óleo
Canola, semente
Soja, óleo
Soja, semente
Girassol, óleo
Girassol, semente
Peixe/Girassol,
Caroço de algodão
Peixe/LInhaça,
Caroço de algodão/Canola semente
% Redução Metano/IMS
Linhaça, grão
Ácido mirístico puro
Côco, óleo
Farelo de Côco
Gordura Adicionada (%MS)
Figura 2 - Efeito da gordura adicional na redução de emissão de
metano por quilograma de MS ingerida em relação ao
controle sem suplementação de gordura (Beauchemin et
al., 2011).
(i) a variação entre as diversas fontes foi muito grande,
chegando a reduções de até 63,8% com 70 g gordura/kg MS óleo de
coco a mais na dieta; (ii) óleos contendo altos teores de ácidos
graxos de cadeia média (AGCM) (C12:0 e C14:0), como o óleo de
coco e o óleo de palma são os que mais reduzem o metano, mas
tem pouco apelo comercial por serem caros e (iii) os ácidos graxos
de cadeia longa (AGCL) provenientes de algumas fontes de grãos de
oleaginosas que não são extensamente mastigadas (linhaça, por
exemplo), precisam ser mecanicamente processadas para que
- 243
exerçam o efeito redutor de emissão e (iv) parte da redução ocorre
por degradação da fibra e parte por redução de IMS. Conforme já
comentado, se essa redução de IMS for grande, pode resultar em
pior desempenho. Nesse caso, apesar de ocorrer a redução da
emissão de metano, o resultado pode não ser vantajoso, uma vez
que a produção de metano por quilograma de carne pode menor ao
tratamento sem a gordura suplementar. BERCHIELLI et al. (2011),
por exemplo, concluíram que soja grão e óleo de linhaça produziram
menores valores de produção de metano por quilograma de carcaça
de bovinos da raça Nelore (menos 15% e 20%, respectivamente) em
relação a uma dieta controle sem adição de gordura suplementar ou
dietas com óleo de palma ou gordura protegida. Todavia, o ganho de
peso do tratamento com óleo de linhaça (0,79 kg/cab.dia) foi
significativamente inferior ao controle e ao de gordura protegida (1,
15 e 1,03 kg/cab.dia)
Implicações Metabólicas
Um dos aspectos mais interessantes do uso da gordura é o
aumento da eficiência alimentar decorrente da inclusão deste
nutriente. Há basicamente dois motivos para o aumento da
eficiência: (i) ácidos graxos pré-formados dispensam síntese de novo
a partir do acetato, evitando parte do incremento calórico associado
à esta rota metabólica (economia no anabolismo) e (ii) a geração de
energia por oxidação de AGCL é cerca de 10% mais eficiente que a
oxidação de acetato (economia no catabolismo). A gordura no animal
foi vista por muito tempo apenas como fonte de energia e insulante
corporal, mas, a essencialidade de alguns ácidos graxos levou a
descoberta deles serem importantes precursores de compostos
reguladores do metabolismo como as prostaglandinas, tromboxanas
e leucotrientos, conhecidos como eicosanóides (PALMQUIST &
MATTOS, 2006).Também foi reconhecida importante ação de ácidos
graxos individualmente na lipogênese (GRIINARI et al., 1998) já com
trabalhos realizados no Brasil (GAMA et al., 2008; MEDEIROS et al.,
2010). Ainda mais surpreendente foi a descoberta que o tecido
adiposo era o produtor de um importante hormônio com efeitos
drásticos em consumo e uma série de outros importantes efeitos, a
Leptina (JI et al., 1998). A leptina é um pequeno hormônio proteico
(16 kDa) secretado pelo tecido adiposo branco que regula a ingestão
de matéria seca (IMS), o dispêndio energético, a homeostase do
peso corporal e, consequentemente influencia a deposição de
gordura em animais e humanos (HOUSEKNECHT et al., 1998)
Entre os efeitos metabólicos que os ácidos graxos podem
influenciar um dos mais bem documentados são as melhorias na
reprodução animal. A quantidade que parece fazer diferença seria
algo em torno de 400 g por vaca por dia e identificou-se que fontes
de gordura vegetal dão melhores resultados que fontes de gordura
animal. Isto está ligado a maior proporção de AGPI (particularmente
ácido linoleico) das fontes vegetais. Uma das explicações
metabólicas para isso é que a Prostaglandina F2α, quando não
bloqueada pelo embrião, resulta em morte embrionária. A enzima
responsável por esse bloqueio é a Ciclooxygenase-2 (COX-2), cuja
enzima limitante para sua produção é regulada por AGPI (18:2, EPA
= 20:5, DHA = 22:6, CLA) (STAPLES et al, 1998; MATTOS et al.,
2002 ). Portanto, teores baixos desses ácidos graxos podem
predispor a morte embrionária. No Brasil-Central, onde temos
estacionalidade pronunciada e devemos ter menor ingestão de
AGPI, por conta das forrageiras tropicais terem um perfil de ácidos
graxos mais saturados (O’KELLY e REICH; 1976), pode-se esperar
resultados na exploração desta técnica. HESS et al. (2008)
comentam situações em que excesso de suplementação fez com
que as novilhas engordassem demais e resultados negativos fossem
observados. Eles sugerem a suplementação de gordura para
novilhas de 90 a 60 dias antes da estação de monta, porque as
concentrações de colesterol aumentada pela suplementação
atingiram seu plateau entre essas datas. Uma estudo contendo uma
meta análise de cinco estudos envolvendo a suplementação de CLA
no inicio da lactação demonstra a melhoria no desempenho
reprodutivo (DE VETH et al. 2009). Interessantemente, as melhorias
na reprodução foram relacionadas a dose do CLA t10, c12, mas não
a melhoria no balanço energético, o que sugere que o efeito do CLA
seria independente do balanço de energia. Resultados positivos na
reprodução também foram obtidos com vacas de leite em pastagem
por MEDEIROS et al (2010).
- 245
Implicações na Qualidade da Carne
Dietas com Gordura e Qualidade da Carcaça
Dietas ricas em gordura podem ter efeitos na qualidade da
carne por vários motivos. O primeiro deles, seria decorrente do efeito
da gordura na terminação da carcaça, usualmente medida pela
espessura de gordura subcutânea (EGS) na altura da 13ª costela. A
EGS é importante por reduzir a chance de resfriamento rápido da
carcaça que causa o encurtamento das fibras da carne,
comprometendo fortemente a maciez (FELÍCIO, 1997). O valor
mínimo de 3 mm é recorrente em programas de qualidade de carne,
como no caso do programa do Novilho Precoce de Mato Grosso do
Sul. Também há uma forte relação entre EGS e os mercados
internacionais que melhor remuneram a carne. Com relação a isso,
não se trata da carcaça em si, mas que há uma remuneração maior
do mercado para carnes com maiores teores de gordura
marmorizada (LANNA e ALMEIDA, 2005) e, quanto mais intensa a
terminação, maior o marmoreio (SCOLAN et al., 2006, SMITH et al.,
2009).É curioso observar que alguns confinadores vem sendo
orientados a fornecer gordura, principalmente como gordura
protegida para aumentar a espessura de gordura subcutânea, sem
qualquer suporte dos resultados obtidos na literatura, que mostram
haver pouco efeito da inclusão de gordura na dieta na terminação da
carcaça. O efeito da gordura tem sido indireto: em dietas com
gordura acima do limite ruminal, que reduzem o consumo de energia
e resultam em ganhos menores, a EGS da carcaça é menor,
ocorrendo o oposto, quando a energia da gordura aumenta o ganho.
Esse é o motivo para o menor teor de gordura de animais criados em
pastagens. WARREM et al (2008), por exemplo, observaram maior
teor de gordura na carcaça comparando dieta com silagem de
gramínea do que dietas com concentrado porque a oferta destes foi
restrita de forma a resultar em mesmo ganho. Portanto, não é
necessariamente o tipo de dieta que causa a maior deposição de
gordura, mas a taxa de ganho (SCHOONMAKER et al.; 2004).
Maiores taxas de ganho resultam em aumento na taxa de deposição
de gordura quando se ultrapassa a capacidade de deposição de
proteína muscular (OWENS et al. 1993, REEDS e MERSMANN, 1991).
Dietas com Gordura e Marmoreio
Outro aspecto fundamental para qualidade da carne é a
quantidade de gordura intramuscular da carne que se deposita
particularmente na terminação dos animais, por uma manutenção de
síntese de gordura e declínio no crescimento muscular (SCOLAN et
al. 2006). Sua valorização está relacionada, principalmente, a dois
aspectos: maciez e sabor. No caso da maciez, a gordura tem efeito
direto modesto (SCOLLAN et al. 2006), especialmente quando
medida fisicamente (Warner-Bratzler, por exemplo), mas, como ela
aumenta a sensação de maciez por sua ação lubrificante, é melhor
identificada pelos painéis sensoriais. Na questão do sabor, por sua
vez, a importância se dá principalmente em função de que os
compostos que dão flavor (aroma + sabor) solubilizam-se na gordura
e pela própria participação dos ácidos graxos, inclusive pós-cocção
quando resultam em vários compostos que alteram a palatabilidade
da carne (CALKINS e HODGE, 2007).
Uma hipótese que a inclusão da gordura na dieta poderia
atrapalhar o marmoreio é que a maximização da energia para ganho
como carboidrato (glucose, particularmente) aumentaria a deposição
de gordura. Isso ocorreria por ação de hormônios (especialmente a
insulina) que estimulariam a lipogênese e/ou a preferência dos
adipócitos responsáveis pelo marmoreio pelos carbonos de
carboidratos, em contraste com os adipócitos da carcaça (SCOLLAN
et al. 2006). Os resultados de GUNN et al. (2009), que observaram
maior marmoreio nas dietas com maior ganho quando estudavam
dietas com diferentes proporções de DDGS (Dried distillers grains
with solubles) e dietas com alta proteína (21-22% na MS) ou alta
gordura (9% da MS), poderiam indicar o efeito do carboidrato, mas
na verdade houve efeito do ganho na marmorização, pois as dietas
com altos teores de gordura e proteína tinham níveis nutricionais
problemáticos em termos de fermentação ruminal e custos de
excreção de proteína, respectivamente. Assim, de forma geral, dietas
com elevada porcentagem de gordura que resultem em ganhos
- 247
equivalentes às dietas convencionais parecem não ter grande influência
no marmoreio (RULE & BEITZ, 1986; ANDRAE et al., 2001)
Dietas com Gordura ePerfil de Ácidos Graxos
O ponto em que a suplementação com gordura mais pode
influenciar na qualidade da carne, sem dúvida, é o perfil de ácidos
graxos. Uma elevada ingestão de ácidos graxos insaturados pode
exceder a capacidade dos microrganismos do rúmen em
biohidrogenar, o que aumenta a absorção intestinal de ácidos graxos
insaturados (RULE & BEITZ, 1986). A mera adição de grandes
quantidades de ácidos graxos na dieta não garante a alteração do
perfil lipídico produzido, como relatado por HUERTA-LEIDENZ et
al.(1991) que usaram altas porcentagens de caroço de algodão (15 e
30% da MS da dieta) obtendo apenas discretas alterações na
composição de gordura perirenal e subcutânea. Um dos motivos
seria a presença de ácidos graxos ciclopropenos, que inibem a ação
das dessaturases e, portanto, aumentariam a saturação dos ácidos
graxos (KELLY et al., 2001), o que ilustra bem que a alteração do
perfil lipídico tem particularidades dependendo de cada fonte de
gordura. Outro motivo de não ter alterado o perfil de ácidos graxos é
a extensa biohidrogenação dos ácidos graxos do caroço que, uma
vez protegidos com caseína (GULATI et al.; 1996) e variando de 3,5
a 7,5% da MS da dieta, aumentaram em 5 a 8 vezes no valor de 18:2
na gordura perirenal, omental e subcutânea de animais britânicos.
CHANG et al. (1992), também usando semente de girassol
(9,57% da MS), observaram aumento de oleico (18:1), mirístico
(14:0) e esteárico (18:0) na gordura da base da cauda de animais.
Além de sementes de oleaginosas, milho de alto teor de óleo (7% de
gordura na MS) também podem ser usados para mudar o perfil
lipídico e, assim, ANDRAE et al. (2001), substituindo milho
convencional, obtiveram aumento de linoleico (18:2), araquidônico
(20:4) e AGPI, com redução nos ácidos graxos saturados no
Longissimus dorsi. A gordura de marmoreio pode ser mais difícil de
ser alterada, como em trabalhos com 14% de sementes de soja
extrusada que não causaram alteração na composição da gordura
de marmoreio, apesar de causarem aumentos de ácido linoleico
(18:2) e α-linolênico (18:3 n-3, ALC) de mais de 24% na gordura
subcutânea (RULE & BEITZ, 1986; ANDRAE et al., 2001). O perfil
lipídico alterado por quantidades crescentes de soja extrusada pode
ser visualizado na Tabela 1.
Tabela 1 - Concentração de ácidos graxos na carne de bovinos
alimentados com soja extrusada: baixa soja (2,7% EE na
MS) e alta soja (5,6% EE na MS)
mg/g de gordura
C18:0
C18:1 c9
C18:1 t10
C18:1 t11
C18:2 c9,c12
C18:3 c9,c12,c15
C18:2 c9,t11 (CLA)
Controle
141,3
392,8
8,5
13,3
16,1
2,1
6,6
baixa soja
b
a
b
b
b
c
b
155,2
385,2
11,7
14,2
16,7
2,3
6,9
alta soja
a
ab
a
b
ab
b
b
165,2
377,5
12
17,1
19,1
2,8
7,7
a
b
a
a
a
a
a
Fonte: Madron et al (2004) citados por Ladeira e Oliveira(2006).
Dentro da mesma linha médias acompanhadas por letras minúsculas diferem
(P<0,05).
O uso de óleos vegetais na dieta de ruminantes é bem menos
comum do que o uso de sementes de oleaginosas pelas dificuldades
operacionais, preço e por serem mais desafiadoras ao ambiente
ruminal como já comentado. Todavia, exatamente por
proporcionarem maior disponibilidade dos ácidos graxos no rúmen,
podem resultar em maiores alterações lipídicas. OLIVEIRA et al.
(2008) demonstraram bem isso na terminação de novilhos bubalinos,
pois não obtiveram aumento de ácido linoleico conjugado (18:2 c9,
t11, CLA) com 13% de grão de soja em relação ao controle (~ 2 mg
CLA/g gordura), mas obtiveram 4,6 mg CLA/g gordura com o uso de
2,5% de óleo de soja, aporte equivalente ao proporcionado pelo
grão. Neste mesmo trabalho, apenas com o aumento da
disponibilidade dos ácidos graxos no rúmen (por ser como óleo)
houve redução de palmítico (16:0) e esteárico (18:0; ~25 para 23
g/100 g gordura). Já o aumento de gordura, independente do tipo de
- 249
oferta (grão vs. óleo), aumentou a quantidade de vacênico (18:1 t11;
~0,7 para 0,9). O uso do óleo aumenta a relação AGI/AGS,
especialmente pela redução do 16:0 e do 18:0. Os AGPI têm uma
maior capacidade para inibir a síntese de novo de lipídeos do que os
AGS. Portanto, além do efeito de reduzir ácidos graxos de maneira
relativa, quando se aumenta oferta de AGPI, pode ocorrer também
uma redução na síntese de AGS de cadeia curta e média, o que é
positivo em termos de perfil de ácidos graxos uma vez que o láurico
(12:0) e o mirístico (14:0) são os principais ácidos graxos
hipercolesterolêmicos.
SCOLLAN et al. (2001) utilizaram óleo de linhaça na
alimentação de bovinos, suplemento rico em ácido α-linolênico,
resultando em um aumento de 100% na concentração deste no
músculo bovino. O óleo de linhaça tem se mostrado o alimento mais
interessante para alterar o perfil lipídico da carne, mas seu uso
esbarra no seu elevadíssimo custo quando comparado às demais
fontes.
Perfil de Ácidos Graxos e Sabor
Ácidos graxos individualmente podem interferir com o sabor
da carne. Foi detectada correlação positiva entre sabor favorável os
seguintes ácidos graxos: miristoleico (14:1); palmítico (16:1);
esteárico (18:0); oleico (18:1 c9); linoleico (18:2 c9,c12) e linolênico
(18:3 c9,c12,c15) (Davis e Backus, 1982 citado por CALKINS e
HODGEN, 2007). Forante o 14:1 e o 18:0, o aumento no teor dos
demais está em linha com um perfil de ácidos graxos mais saudável.
O teor de oleico (18:1 c9) foi positivamente relacionado com
qualidade sensorial da carne em vários trabalhos (WESTERLING &
HERDRICK, 1979; DRYDEN & MARCHELLO, 1970; MELTON et al.,
1982). Isto poderia ser por um efeito indireto: HAUSMAN et al.(2009)
afirmam que, em parte, o melhor sabor pode estar ligado ao oleico
(18:1 c9) conferir menor rigidez da gordura em função do seu menor
ponto de fusão, o que faria a gordura mais solubilizável e, portanto,
mais fácil de ser sentida pelas nossas estruturas gustativas. Todavia,
ter mais AGPI, não resulta necessariamente em melhorias no sabor,
como observado por ANDRAE et al. (2001). Neste trabalho,apesar
do Longissimus dorsi produzido com milho de alto teor de óleo ter
significativamente mais AGPI que o controle (4,7% vs. 5,7%), não
houve diferença no sabor pelas notas de um painel sensorial.
Estabilidade da Carne com Perfil mais Insaturado
O aumento de AGPI predispõe a rancificação da carne.
(RULE et al., 1995; NURNBERG et al., 1998; CALKINS e HODGE,
2007), pois eles são mais susceptíveis à oxidação, sendo por vezes
negativamente correlacionados com notas de flavor dadas em
painéis sensoriais (DUCKETT et al., 1993; CALKINS e HODGE,
2007). O linolênico (18:3) seria duas vezes mais susceptível à
oxidação do que o linoleico (18:2) (SHAIDI, 1992 citado por YANG et
al., 2002). MANDELL et al. (1997) observaram que o aumento de
AGPI contribuiu para menor vida de prateleira e problemas de flavor
típicos daqueles encontrados em animais com dieta à base de
forragem. A inclusão de Vitamina E na dieta é uma das maneiras de
tentar reduzir o problema. JUAREZ et al. (2012) usando vários
tratamentos nutricionais (controle, alto teor de vitamina E, 10% linho
moído ou alto teor de vitamina E e 10% linho moído) encontraram
que, enquanto os tratamentos não tiveram efeito na composição da
carne ou sua maciez, o aumento na ocorrência de produtos de
oxidação foram menores na carne de novilhos suplementados com
vitamina E os valores mais elevado ocorreram na carne de novilhos
suplementados com a linhaça, rica em 18:3. Os dados de
composição em ácidos graxos, em geral, é obtida do tecido in natura,
levantando dúvidas quanto ao que efetivamente o consumidor iria
ingerir após o preparo que envolve altas temperaturas. Neste
sentido, o trabalho de ALAFAIA et al (2010) confirma a boa
estabilidade do AGPI da carne após processamentos térmicos.
- 251
LIMITES NO USO DE LIPÍDEOS EM DIETAS DE BOVINOS DE
CORTE E RECOMENDAÇÕES DE USO DE ALIMENTOS RICOS
EM GORDURA
A recomendação usual, como limite crítico a partir do qual piores
resultados são obtidos, fica entre 50 a 60 g de gordura/kg de MS (5 a
6% da MS). Quanto se ultrapassa esse nível crítico efeitos negativos
em eficiência alimentar, desempenho e atributos de carcaça, podem
ocorrer (ZINN & PLASCÊNCIA, 1993; HUERTA-LEIDENZ et al., 1991;
GUNN et al., 2009). Em uma interessante revisão com suplementação
em pastagem e confinada, HESS et al. (2008) sugerem inclusão de
menos de 30 g/kg de MS da dieta de gordura suplementar para
maximizar o uso de dietas baseadas em forragem. Considerando a
dieta basal com valores próximos a 30 g/kg de MS, isso equivaleria a
manter a dieta com 3 a 6% da MS como gordura. O outro extremo seria
a recomendação de uso de 80 a 100 g/kg de MS em locais de elevado
estresse calórico, onde o consumo é comprometido pelo calor e, assim,
esse aporte permite aumento de consumo de energia (além da
vantagem do menor incremento calórico da gordura).
O valor crítico de inclusão de gordura não leva em consideração
a fonte de gordura, nem a sua forma de apresentação, sendo que
ambas influem neste efeito. Assim, grãos de oleaginosas têm perfil
altamente insaturado, mais deletério (PALMQUIST & JENKINS, 1980),
que é um pouco aliviado pelo fornecimento dos grãos inteiros, uma vez
que o óleo fica inicialmente isolado do ambiente ruminal e tem sua
liberação mais lenta no tempo (CHILLIARD et al., 2001). Todavia,
mesmo a gordura ingerida dentro dos grãos costuma ser extensamente
biohidrogenada (PALMIQUIST, 1988; ZINN e PLASCENCIA, 1993;
CHILLIARD et al., 2001).
Há trabalhos com valores bem acima dos limites sugeridos, sem
grandes problemas. Assim, apesar do fornecimento como óleo
costumar ser mais danoso ao ambiente ruminal, há trabalhos como o
de BEAULIEU et al. (2002) em que novilhas Angus x Wagyu receberam
dietas com 0% ou 5% de óleo de soja e apesar da dieta com o óleo de
soja ter 10,7% de gordura na MS, a ingestão foi a mesma. Um dos
fatores que parece ser muito importante para explicar resultados que
contrariam os limites usuais é a relação volumoso:concentrado.
JORDAN et al (2006) observaram que, em suas dietas
experimentais com relação volumoso:concentrado (V:C) de 10:90,
apesar de altos níveis de inclusão de gordura suplementar, a redução
de ingestão não foi tão grande quanto em outros trabalhos com relação
V:C maiores, o que faz sentido ao se focar o efeito da menos IMS na
redução da digestibilidade da fibra. Outro aspecto interessante, é que
em dietas com maiores teores de concentrado a menor taxa de
biohidrogenação faz aumentar o fluxo ruminal de AGI, cuja absorção
intestinal é maior, o que faz com que haja aumento do teor de energia
metabolizável (PLASCENCIA et al, 2003). Ainda com relação à relação
V:C na dieta, quando ela é alta o efeito dos lipídeos da dieta é menos
negativo, pois a interação dos ácidos graxos com as regiões
hidrofóbicas das partículas de alimento reduzem sua toxicidade
(PALMQUIST e MATTOS, 2006).
A composição lipídica basal da dieta também pode influir. No
caso dos países tropicais, por exemplo, seria lógico esperar uma maior
margem de segurança, uma vez que as forragens tropicais seriam
menos insaturadas (O’KELLY & REICH, 1976), permitindo, assim,
maiores níveis de inclusão dos nutrientes ricos em gordura.
O sebo, por ser menos insaturado, é menos prejudicial que o
óleo (ZINN e PLASCENCIA, 1993; PALMQUIST e JENKIS, 1980).
Todavia, o uso de sebo no Brasil está proibido1 . O motivo da proibição
seria o risco de disseminação da BSE (doença da vaca louca). A lei
intenciona abranger o risco de sebo que contenha ainda restos de
tecido nervoso que poderiam conter o príon defeituoso causador dessa
doença. Há críticas no sentido dessa proibição ser severa demais, mas
tem prevalecido o entendimento mercadológico que o rigor demonstra
uma posição sanitária firme necessária frente aos nossos importadores.
O uso de suplementos contendo gordura em pastagem é pouco
comum, o que deve ocorrer principalmente pelos desafios operacionais
comentados no item 2.1. Com o uso de forragens temperadas, HESS et
al (2008) sugerem não incluir mais de 20 g/kg de MS da dieta de
gordura suplementar para evitar efeito de substituição da forragem pelo
suplemento, o que equivaleria a não ter esse efeito até cerca de 5% de
gordura da MS somada da pastagem (3 unidades percentuais) com a
1
Instrução Normativa no. 8 de 25 de Março de 2004 do Ministério da Agricultura, Pecuária e
Abastecimento
- 253
do suplemento (2 unidades percentuais). Esses mesmos autores
comentam que para o objetivo de aumentar a ingestão de energia
digestível, não se deve passar dos 40 g/kg de MS da dieta de gordura
suplementar (dieta final com cerca de 7% de gordura na MS). No Brasil,
ainda há menos estudos, dos quais se destacam os trabalhos
desenvolvidos por PAULINO et al. (2002, 2006) que avaliaram o efeito
da utilização de suplementos contendo soja em grão, bem como caroço
de algodão, na terminação de bovinos durante a época seca e das
águas. De acordo com PAULINO et al. (2002) na estação seca os
animais foram manejados sobre pastagem diferida com 4 kg/animal.dia
de suplementos(7,9% EE, na MS). O pH ruminal para um suplemento
tradicionalmente formulado com farelo de soja (3,2% EE) foi menor que
nos suplementos contendo soja em grãos e caroço de algodão, todavia,
os autores não observaram para os diferentes tratamentos reduções de
pH abaixo do nível crítico (i.e. pH 6) onde iniciariam os efeitos deletérios
sobre a microbiota celulolítica ruminal. Esse efeito dos suplementos
contendo grão de oleaginosas pode ser interessante e estaria mais
ligado a substituição do amido pela gordura do que um efeito
tamponante propriamente dito. O desempenho dos animais na estação
seca para ganho e rendimento de carcaça foram 1,07 kg/d e 52,9%,
respectivamente. Já no estudo realizado no período das águas
(PAULINO et al, 2006), em que os suplementos foram oferecidos na
quantidade de 500 g/animal/dia (82% NDT e 59,6% PDR) em intervalos
não frequentes (3 vezes/semana) houve ganhos adicionais de até 143
g/animal.dia em relação ao grupo testemunha apenas recebendo sal
mineral. Com o objetivo de avaliar o efeito da suplementação de
gordura por um período curto de tempo (flushing), MULLER et al.
(2008) suplementaram vacas de corte no período pós-parto e avaliaram
a taxa de ganho dos mesmos. As vacas foram suplementadas ad
libitum (30% grãos de soja e 70% de milho, com 8% EE) durante 15
dias após o parto, contudo, não verificaram diferença significativa
quando comparada ao grupo controle.
Por outro lado, o número de estudos de suplementação com
gordura em animais terminados em confinamento no Brasil é mais
expressivo ( Tabela 2).
Tabela 2 - Alguns resultados de experimentos que avaliaram os efeitos de
suplementados contendo gordura em confinamento no Brasil
Autor
JAEGER et
al. (2004)
SILVA et al.
(2007)
WADA et al.
(2008)
JORGE et
al. (2009)
N°
animais
32
48
24
Objetivo
Tratamento
Resultados
Verificar o efeito da
gordura protegida
sobre as
características de
carcaça.
Dieta contendo
gordura
1
protegida . Dieta
controle (9,5%
PB, 2,4% EE em
base de MS);
dieta com gordura
(11% PB, 6,16%
EE).
Não houve
efeito do tratamento.
Avaliar os efeitos
dos sais de cálcio
de ácidos graxos
no desempenho,
características de
carcaça de
novilhos e na
população de
protozoários no
rúmen.
Avaliar a influência
de sementes de
linhaça e grãos
canola no
consumo,
digestibilidade de
nutrientes e
desempenho.
Avaliar o consumo,
desempenho e
características de
carcaça.
48
Duas dietas (com
45% de grão seco
ou úmido de
milho, 78% NDT,
13,9%PB e 6,57%
EE) contendo de
sais de cálcio de
2
ácidos graxos em
base de MS.
Dietas contendo
sementes de
linhaça (inclusão
de 9,25% em
base de MS) e
grãos de canola
(inclusão de
9,2%).
Dieta contendo
caroço de algodão
(15% de inclusão
em base de MS),
com 71,6% NDT,
12,6% PB e 5,7%
EE.
Os animais tratados com
sais de cálcio de ácidos
graxos apresentaram
maior consumo
comparados ao grupo
controle, contudo, não foi
detectada diferença na
eficiência alimentar. A
população de
protozoários ciliados
reduziu em função das
dietas contendo os sais
de ácidos graxos.
A ingestão de energia
bruta foi 5% maior para
as dietas contendo grãos
de linhaça e canola em
relação ao tratamento
controle (sem a inclusão
de oleaginosas), contudo,
não houve melhoria na
eficiência alimentar.
A ingestão de MS foi 8%
menor para os animais
que ingeriram caroço de
algodão, contudo, não
houve melhoria na
eficiência alimentar,
desempenho ou
características de
carcaça.
- 255
Tabela 2 – Continuação...
SOUZA et
al. (2009)
COSTA et
al. (2011)
29
Avaliar o
desempenho com
dietas contendo
diferentes teores
de gordura.
Desempenho e
características de
carcaça
36
Desempenho e
qualidade de carne
MARGARID
O et al
(2011)
1
60
Dietas contendo
baixo (3,15% EE
e 72,8% NDT) e
alto teor de
gordura (7,28%
de EE e 71,7%
NDT). O nível de
EE foi elevado
com grãos de soja
moídos.
Foram utilizados
níveis crescentes
de inclusão de
caroço de
algodão: 0, 14,3,
27,5 e 34%(em
base de MS).
Sais de cálcio de
4
ácidos graxos
foram acrescidos
em dietas
contendo baixo
(46,7% da MS,
65% NDT e 12%
PB) e alta teor de
concentrado
(76,6%, 71% NDT
e 13,9 % PB)
A ingestão de MS (como
% PV) foi 7,3% menor
para os bovinos que
ingeriram a dieta de alto
teor de gordura e para um
dos genótipos avaliados
melhorou a eficiência
alimentar (kg ganho/kg
consumo MS) em 8%.
Houve redução linear no
consumo e no tamanho
do músculo Longissimus
dorsi.
Os sais de cálcio de ácido
graxo aumentaram 18%
da taxa de ganho de peso
e 2% do rendimento de
carcaça de animais que
ingeriram a dieta com
maior proporção de
concentrado.
5% de inclusão (em base de MS) do produto comercial LAC 100 – Yakult® com 88%
2
EE à base de óleo de soja. 4% de inclusão (em base de MS) do produto comercial
®
Lactoplus (Dalquim Indústria Química Ltda, Itajaí, SC, Brasil). 3Dieta com a proporção
30:70 (volumoso:concentrado) contendo 46% de grãos de soja ou 5% de gordura
protegida e dieta 70:30 contendo 6,5% de grãos de soja ou 5% de gordura protegida.
4
3% de inclusão (em base de MS) de Lactoplus®.
Dietas com Uso de Gordura Protegida
O uso de gordura protegida para alterar a composição de
ácidos graxos na carne é uma saída óbvia, uma vez que o perfil
lipídico mais saturado dos bovinos ocorre, exatamente, pela ação de
biohidrogenação ruminal. Ao se reduzir a ocorrência da hidrólise das
ligações ésteres estáveis no rúmen, evita-se a biohidrogenação que
só ocorre no ácido graxo livre. A busca por sistemas que, além de
eficazes na proteção dos lipídeos, sejam economicamente viáveis é
um dos grandes desafios do setor. A única forma comercialmente
empregada com sucesso há mais de 20 anos são sais de cálcio de
ácidos graxos. Ocorre que esse tipo de proteção é eficiente apenas
quando o óleo vegetal usado como matéria prima tem elevada
porcentagem de ácidos graxos saturados, como o óleo de palma,
rico em ácido palmítico (16:0). Hoje existe a variante, feita com o
óleo de soja como matéria prima. Como o óleo de soja é bastante
insaturado, com cerca de 50% de linoleico (18:2), a proteção como
sais de cálcio é bem menos eficaz. Resultados do trabalho de
JENKINS & PALMQUIST (1984) explicam isso: o sal de cálcio
produzido com óleo de soja apresentou valores de 80% de
dissociação, em função do menor pKa dos AGI, enquanto que os
sais de ácidos graxos com óleo de palma apresentaram menos de
1% de dissociação em pH 6,5 ou menos de 10% em pH 5,5. Outras
formas de proteção à biohidrogenação ruminal como a reação de
ácidos graxos com aminas primárias para produzir amino-acil graxos
(JENKINS et al., 1996) e a mistura com caseína e proteção (GULATI
et al., 2000) são relatadas na literatura. Este último, desenvolvido
originalmente na Austrália nos ano 1970, tem alto grau de proteção,
entre 79–84% para uma gama de suplementos ricos em gordura n-3
(GULATI et al. , 2002). Apesar do sucesso técnico, essas tecnologias
não se estabeleceram na prática particularmente por serem caras. Já
existe tecnologia para a proteção ruminal de ácidos graxos com uso
de nanotecnologia (CHO et al., 2010) e essa é uma vertente que
poderá mudar radicalmente a possibilidade de alterar o perfil de
ácidos graxos da carne.
Em um trabalho com terminação de vários grupos genéticos
comparando um tratamento controle com outro contendo gordura
- 257
protegida como sais de cálcio de ácidos graxos, JAEGER et al.
(2004) não obtiveram efeito na terminação com os animais sem
diferença significativa para EGS: 7,46 mm e 8,04 mm,
respectivamente para dieta controle e com a gordura protegida
(Tabela 2). Isto mostra, também, que a gordura per se também não
altera o grau de acabamento, pois, o tratamento com gordura
protegida tinha mais de 2,5 vezes mais gordura (6,16% vs 2,40%).
PIRES et al. (2008) obtiveram aumento de AGPI nas dietas com
gordura protegida (5% da MS como sais de cálcio de ácido graxo)
tendo 5,41% contra 4,21% do controle, todavia isso provavelmente
ocorreu porque a dieta controle continha apenas 2,4% de gordura e
a dieta com a gordura protegida 6,2%. Recentemente, SCHIAVON et
al (2011) realizaram trabalho usando CLA protegido da fermentação
ruminal (produto comercial: SILA, Noale, Itália), no qual ésteres
metílicos de ácidos graxos estão ligados à uma matriz de sílica e,
recobrindo esse complexo, óleo de soja hidrogenado. A proteção
alterou ligeiramente o perfil de ácidos graxos músculo e em tecidos
gordurosos quando oferecido (80 g/cab.dia ou ~0,9% MS) por sobre
o alimento no cocho por longo período, mas sem alterar o teor de
gordura. Os CLA foram significativamente aumentados e o isômero
t10, c12 aumentou muito mais no músculo (20 vezes mais que o
controle) em relação ao tecidos gordurosos (de 0,2 a 0,9 vezes
mais), mostrando que ele é preferencialmente depositado no
músculo.
Dietas com Caroço de Algodão
É comum as pessoas associarem a inclusão de caroço de
algodão na dieta de bovinos de corte com o desenvolvimento de
sabor desagradável na carne, todavia isso ainda não foi reproduzido
em condições experimentais, mesmo com dietas contendo 20% de
caroço de algodão (PESCE, 2008). Em um trabalho conduzido na
Embrapa Gado de Corte com a suplementação de 9% de gordura na
MS por 178 dias não foi detectado diferença por painel sensorial
quanto a sabor ou aroma (MEDEIROS et al, 2005). Isto pode estar
ligado ao fato que as análises são feitas apenas com o músculo
Longissimus dorsi. Adicionalmente, há relatos de ocorrência de
graves problemas com o sabor da carne com o uso elevados teores
de gordura que não o caroço de algodão. Os fatores, isoladamente
ou em conjunto que podem levar a problemas de sabor com
oleaginosas seriam: a) Inclusão acima dos limites nutricionais (6-7%
da MS); b) uso de oleaginosas em mal estado de conservação; c)
acúmulo de algum componente aromático na gordura e d)
peroxidação dos ácidos graxos da carne durante seu
armazenamento. O gossipol, um composto polifenólico solúvel em
lipídeos mais conhecido por sua ação tóxica para animais é também
um composto aromático e poderia esta envolvido no problema.
Como seu teor no caroço de algodão é muito variável, ajudaria a
explicar o problema ser intermitente.
O uso de alimentos ricos em gordura tem se mostrado
compensador seja por motivos econômicos (R$/unidade de energia),
seja por terem vantagens nutricionais como menor incremento
calórico ou menor estresse ao pH ruminal. Por isso, eles têm sido
bastante usados e devem continuar sendo.
Já quanto a alterar o perfil de ácidos graxos, de forma geral,
as estratégias de suplementação mais efetivas são caras e
causariam impacto negativo na rentabilidade. Seria, então,
imperativo que fosse pago um bônus para viabilizar economicamente
sua produção, o que faz com que apenas alguns nichos de mercado
ou condições especiais viabilizem produzir carne assim diferenciada.
Soma-se a isso, a incerteza se o mercado estará disposto a pagar a
mais por essa carne mais saudável.
Por fim, o fato de serem ricos em gordura tem pouca
influência no teor de gordura da carcaça ou no da gordura
intramuscular, que são bem mais influenciados por fatores genéticos
e pela taxa de ganho, sendo, portanto, fundamental o correto
balanceamento da dieta como um todo.
- 259
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INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS NOS SISTEMAS DE
INTEGRAÇÃO LAVOURA-PECUÁRIA-FLORESTA iLPF
Ramon C. Alvarenga¹; Miguel M. Gontijo Neto¹
¹ Eng. Agrônomo, DSc, Pesquisador da Embrapa Milho e Sorgo
Sistemas integrados de produção vêm sofrendo inúmeros
ajustes no decorrer do tempo. Neste sentido, a Integração lavourapecuária-floresta – iLPF representa uma nova abordagem destes
sistemas, que visa aliar produção sustentável com a preservação
dos agroecossistemas. Barcellos et al. (2011) conceituaram a iLPF
como sendo “estratégias que visam a produção sustentável por meio
da integração de atividades agrícolas, pecuárias e florestais,
realizadas na mesma área, em cultivo consorciado, em sucessão ou
rotacionado, buscando efeitos sinérgicos entre os componentes do
agroecossistema, contemplando a adequação ambiental, a
valorização do homem e a viabilidade econômica”. Dentro do atual
conceito de iLPF estão contempladas as 4 combinações de
componentes possíveis, quais sejam: Integração Lavoura-Pecuária
(agropastoril); Integração Pecuária-Floresta (silvipastoril); Integração
Lavoura-Floresta (silviagrícola); e Integração Lavoura-PecuáriaFloresta (agrossilvipastoril).
Portanto, a iLPF incentiva a intensificação do uso da terra de
maneira harmônica e sustentada nos doze meses do ano,
necessariamente com adoção de práticas de manejo e conservação
do solo e da água como base para alcançar a sustentabilidade do
sistema, além de contribuir na preservação do meio ambiente.
Considera, ainda, a necessidade de melhoria da qualidade de vida
do produtor rural e da sociedade como um todo.
A diversificação de atividades na iLPF permite que haja
melhor aproveitamento dos recursos financeiros, da mão de obra e
de máquinas e equipamentos durante todo o ano, concorrendo para
a redução de custos de produção e consequente aumento da renda.
Tudo isso contribui para o melhor fluxo de caixa. Do ponto de vista
social, a demanda por mão de obra durante todo o ano contribui para
a criação de empregos permanentes, diminuindo o fluxo de
migração, especialmente em direção a periferia das cidades.
Em função da perspectiva de aumento da produção e renda,
aliada aos serviços ambientais prestados pela iLPF, há uma intensa
discussão acerca das possibilidades destes sistemas atenderem aos
anseios da sociedade. Neste sentido, o governo federal, dentro do
Plano Nacional de Mudanças Climáticas (PNMC), instituiu o Plano
Setorial de Mitigação e de Adaptação às Mudanças Climáticas para
a Consolidação de uma Economia de Baixa Emissão de Carbono na
Agricultura (Plano ABC), em que a iLPF é considerada uma das
tecnologias chaves, contando inclusive com linhas de crédito
específicas dentro do Programa ABC, com recursos do BNDES.
Em razão das características de diversificação da produção,
pode haver necessidade de maior apoio ao produtor, pois ele terá
que sair da sua zona de conforto na medida em que experimentará
novas atividades aliadas àquelas as quais ele já está acostumado a
gerenciar. A assistência técnica oficial e privada tem cumprido bem
este papel, entretanto, ainda é bastante comum ver situações em
que o produtor, inconscientemente ou por comodidade, privilegia
aquele sistema ao qual tem maior afinidade. Se um dos pilares da
iLPF é buscar o sinergismo entre os componentes dos sistemas
vegetal e animal, é de se pensar sobre a necessidade de um
planejamento a longo prazo que contemple todo o sistema, desde
sua implantação até sua maturação. Raros são os produtores
capazes de fazer este planejamento sem auxílio de técnicos
experimentados no assunto.
RESGATANDO PRÁTICAS COMO INOVAÇÃO
Para atender ao quesito da sustentabilidade, o manejo e a
conservação do solo e da água devem ser prioritários. Portanto, tão
logo se faça a correção química e física do solo em áreas com
declive, deve-se implementar as práticas mecânicas de conservação
do solo e da água que se fizerem necessárias, tais como o
terraceamento e bacias de contenção de água pluvial. Somente
depois disso deve-se iniciar o plantio das mudas de árvores, em
nível. O plantio das árvores em nível vai orientar todo o manejo e o
- 269
trânsito de máquinas e equipamentos na área, orientando o plantio
das lavouras e as práticas culturais, também em nível.
Existe uma linha de pensamento que defende o plantio das
árvores no alinhamento leste-oeste como forma de maximizar a
entrada de luz solar nas faixas de cultivos. Advoga-se que nesse
alinhamento é possível implantar maior número de árvores e, mesmo
as faixas sendo mais estreitas, é possível cultivar lavouras por maior
tempo e as pastagens se desenvolvem mais. Esse sentido do
alinhamento das árvores só deve ser implementado em terrenos
predominantemente planos, pois, caso contrário, corre-se o risco de
haver erosão do solo e perda gradativa do seu potencial de
produção. O risco aumenta na medida em que o sentido de
alinhamento de plantio se aproxima do sentido da declividade do
terreno.
Como a declividade dos terrenos geralmente é variável,
lança-se mão de linhas mestras para alocação das árvores. Assim,
na metade do comprimento da rampa de declive do terreno,
seleciona-se um alinhamento em nível por onde começa o plantio
das árvores. A partir desse, e considerando o número de linhas de
árvores, deixam-se faixas de mesma largura no espaçamento
escolhido, para os cultivos de lavouras e depois, pastagens. A
mesma largura da faixa é importante por questões operacionais dos
equipamentos de plantios, pulverizações e colheita, evitando com
que haja linhas mortas que dificultam essas atividades. Entretanto,
se o comprimento de rampa da encosta for muito grande e a
declividade variável, pode ser necessário subdividi-lo com maior
número de linhas mestras para evitar o aparecimento de alinhamento
mais no sentido morro abaixo. Nesse caso, o aparecimento de
algumas linhas mortas de lavoura é inevitável e o produtor deverá
conviver com esta situação durante esta fase.
Em adição, o sistema de plantio direto deve ser preferido aos
métodos convencionais de aração e gradagens. Todos esses
cuidados com o uso e manejo dos solos, além de minimizarem a
erosão, favorecem a infiltração de água no solo e têm efeitos
positivos no meio ambiente. Além disso, mais água no solo significa
menor risco de déficit hídrico, maior taxa de crescimento das árvores
e, principalmente, das pastagens, notadamente na primeira parte do
período seco do ano.
A proposta do novo código florestal brasileiro faz menção a
sistemas agrossilvipastoris como adequados às condições de topo
de morro e áreas com declividades >45%, áreas estas classificadas
como de reserva legal diante da fragilidade de degradação destes
ambientes. Nesta situação existem experiências muito positivas,
como a “Agricultura de Montanha”, desenvolvido na região da Zona
da Mata mineira sob a liderança de Ferreira (UFV) e Gomes
(Emater-MG). Este trabalho mostra a viabilidade em se implantar
sistemas sustentáveis e competitivos em áreas semelhantes às
mencionadas. Adota tecnologias conservacionistas, como o plantio
direto de lavouras, pastagens e coveamento para as árvores,
lançando mão da tração animal, tudo isto realizado em nível.
PLANEJAMENTO E IMPLANTAÇÃO DE SISTEMAS iLPF
Para a definição e o pleno alcance das metas da iLPF é
necessária uma tomada de consciência sobre o real papel de cada
componente (lavoura-pecuária-árvores) com vistas a extrair dele o
melhor resultado, tanto técnico quanto econômico ou ambiental. As
lavouras, além da produção de grãos ou forragem, principalmente
conservada (silagem), têm a função de gerar renda no curto prazo
para o custeio do empreendimento e de deixar no solo nutrientes
residuais importantes às árvores e decisivos às pastagens, não só
em termos de quantidade e qualidade, mas também em longevidade
delas. Então, como a lavoura é o componente da iLPF de maior
exigência, especialmente em fertilidade do solo, os critérios de
correção inicial do solo devem ser baseados nestas exigências,
sendo possível construir uma boa base de fertilidade do solo por
meio das correções e fertilizações durante a fase de implantação e
de cultivo das lavouras para atender tais exigências.
Ainda, com relação as lavouras, e dependendo do interesse
em cultivá-las por maior período de anos, esta decisão vai interferir
diretamente sobre o espaçamento dos renques de árvores, que
neste caso devem ser mais afastados entre si a fim de reduzir o
sombreamento sobre a faixa de cultivo anual. As características de
- 271
crescimento das árvores irão afetar, também, a larguras das faixas
de cultivos anuais. Crescimento mais lento torna a fase agrícola mais
longa. Com o crescimento das árvores, a sombra passa a prejudicar
acentuadamente a produtividade das lavouras. Então, é hora de
substituir as lavouras por pastagens que têm maior habilidade em
desenvolver-se nesta condição.
Geralmente, na última safra de lavoura faz-se o consórcio
com o capim que já poderá ser pastejado na entressafra. Muitos
trabalhos têm sido realizados para estudar maneiras adequadas de
produção de lavouras, especialmente do milho, em consórcio com
capim. É consenso o uso de subdoses de herbicidas graminicidas
seletivos ao milho para paralisar temporariamente o crescimento do
capim para que este se estabeleça sem interferir na produtividade do
cereal. Por outro lado, a produtividade da pastagem formada neste
consórcio ainda é questionada, mesmo quando há entrelinhas de
capim entre as linhas do milho, pois o capim da entrelinha é abafado
pelo capim da linha do milho devido à adubação somente desta faixa
de solo. Neste sentido, Alvarenga et al. (2011) estudaram diferentes
estratégias de adubação de base no consórcio milho + capim
braquiária brizantha com o objetivo de, além da produção de grãos
de milho, proporcionar adequado estabelecimento do capim.
Verificaram que, para solo já corrigido quimicamente, a adubação de
base do consórcio milho + braquiária brizantha pode ser feita na
proporção de 33,3 - 33,3 - 33,3 ou 25 - 50 -25% de adubo NPK em
sulcos de plantio do milho + braquiária, e laterais somente com
braquiária em sistemas de integração lavoura-pecuária, em
detrimento da recomendação atual de 100% do adubo na linha de
semeadura do milho (00 - 100 - 00). O milho não perde produtividade
e depois da colheita do cereal o capim da entrelinha, melhor nutrido,
cresce semelhantemente ao da linha não sendo abafado por este,
resultando num pasto mais bem fechado e produtivo.
A partir da implantação da pastagem, a pecuária passa a
gerar renda até o final do empreendimento. É importante monitorar a
fertilidade do solo, pois, apesar de as pastagens e de as árvores
reciclarem nutrientes, a exportação desses é muito maior,
principalmente em se tratando de boas pastagens. É comum
observar pastagens produtivas originadas em sistema iLPF que
decaíram acentuadamente a produtividade nos anos subsequentes
ao da implantação, o que se acentua quando se alonga o ciclo da
silvicultura para obtenção de madeiras para serraria. Portanto, deve
haver um planejamento de reposição de nutrientes e/ou ajustes da
carga animal em conformidade com a disponibilidade de forragem
das pastagens. Para uma expectativa de produção de 10 @ de
carne/ha/ano é razoável prever uma adubação do pasto ao custo de
fertilizantes equivalente a 1,5 @/ha/ano (15% sobre o ganho líquido
de @). Em valores atuais (fevereiro de 2012), 1,5 @/ha/ano custa
R$150,00 (cento e cinquenta reais) que é o custo de 56,25 kg de
nitrogênio (ureia 45% N custa R$1.200,00/t). Um nível de adubação
desta magnitude é suficiente para manter o patamar de
produtividade da pastagem. Para o caso de outro nutriente se tornar
limitante, a formulação deve ser ajustada.
Ainda persistem indagações sobre qual capim é mais
adequado para iLPF em função da sua tolerância ao sombreamento.
As informações são um pouco variáveis, em função das condições
locais de clima e de fertilidade do solo, grau de sombreamento e
manejo da pastagem. A Embrapa Gado de Corte recentemente
demonstrou que aumentando o sombreamento o capim braquiária
brizantha cv Piatã foi mais produtivo que o Marandu e este superior
ao Massai. De modo geral, diversos pesquisadores têm trabalhado
com perdas de produtividade da pastagem em torno de 30% em
relação àquela a pleno sol, embora isto seja muito variável. Duas
considerações devem ser feitas: a) Se não há reposição de
nutrientes na pastagem ela, naturalmente, irá perdendo
produtividade com o tempo. Por exemplo, há casos em iLPF que não
havendo reposição de nutriente, o capim Panicum maximum cv
Tanzânia, exigente em fertilidade do solo, degrada-se rapidamente
tendendo a desaparecer da área. Havendo adequada oferta de
nutrientes, pode haver perdas de produtividade, entretanto, ele se
mantém estabelecido; b) No caso de exploração multiuso do
povoamento, a intensidade do sombreamento é reduzida com o
tempo, embora as árvores ainda estejam crescendo. Isto ocorre
primeiramente devido à desrama e, depois, pelo corte das árvores
com menor potencial em produzir toras. Isto contribui sobremaneira
para favorecer a pastagem ali estabelecida.
- 273
O componente arbóreo exige cuidados desde o plantio até a
colheita final. Na iLPF, uma boa sugestão é planejar e manejar as
árvores com vistas à exploração multiuso do povoamento. Assim,
obtém-se rendas intermediárias. A primeira aproximadamente aos
quatro anos de idade do povoamento, com o desbaste daquelas
árvores defeituosas e de menor crescimento, cujo destino pode ser
estacas, escoras, lenha ou carvão. Mais à frente, novo desbaste
produz peças de maior calibre para mourões de cercas e currais,
dentre outros usos, além de carvão ou lenha feitos com partes
menos valorizadas destas árvores. Outros desbastes poderão
ocorrer até a maturação do povoamento, quando o restante das
árvores é destinado a usos mais nobres, como toras para serraria de
alto valor agregado. Geralmente, de metade a 2/3 das árvores são
retiradas nos desbastes.
As árvores, até a colheita, prestam importantes benefícios ao
sistema. Devem ser o primeiro componente da iLPF a ser implantado
e, assim, orientam o sentido de cultivos nas faixas de plantio das
lavouras.
Funcionam
como
quebra
vento,
beneficiando
primeiramente as lavouras e depois as pastagens. Durante o
segmento silvipastoril elas têm papel fundamental sobre o microclima
das faixas de pastagem e geração de sombra, com efeitos positivos
no desempenho dos animais. Outro benefício é a reciclagem de
nutrientes. Quanto à melhoria do microclima, tanto durante a fase
lavoura-floresta (silviagrícola) quanto na pasto-floresta (silvipastoril),
merece destaque o fato de que esta melhoria beneficia também
insetos-praga, dentre outros. Fato desta natureza ocorreu
recentemente num sistema iLPF nos campos experimentais da
Embrapa Milho e Sorgo. A lavoura de milho do sistema teve ataque
intenso de lagarta-do-cartucho, ao passo que fora do sistema, a
pleno sol, este ataque foi bem menor. Assim, é importante ficar
atento e, se possível, adotar a priori um manejo integrado de pragas.
O uso de materiais com tecnologia de transgênicos é outra
possibilidade.
Um outro benefício prestado pelas árvores diz respeito ao
potencial de sequestro de carbono contribuindo para a mitigação da
emissão de gases do efeito estufa (GEE) em sistemas de produção
pecuária. Em trabalho conduzido por Almeida et al. (2011) com
sistemas iLPF com renques de eucalipto em pastagem, usando
tratamentos com 227 e 357 árvores/ha, observou-se aos 16 meses
após o plantio a fixação de média de 4,2 kg de C por árvore,
resultando em um sequestro de 0,9 e 1,5 t/ha de C. Estes valores
correspondem ao sequestro de 3,4 e 5,5 t/ha de CO2eq para os
tratamentos com 227 e 357 árvores/ha respectivamente.
Considerando que um bovino de 450 kg (1 UA) emite em torno de
1,5 t/ano de CO2eq, o sequestro de carbono efetuado pelo
componente arbóreo seria suficiente para neutralizar as emissões de
1,84 e 3,04 UA/ha, respectivamente.
Há de se considerar,
entretanto, alguns pontos críticos para o perfeito desenvolvimento de
um sistema iLPF. Por envolver maior número de variáveis, com
características bastante contrastantes, o seu manejo torna-se
diferenciado e bem mais complexo, exigindo experiência do técnico
planejador. Por exemplo, o manejo do componente arbóreo exige
podas ou desramas, desbastes seletivos, aceiros, controle de
pragas, etc. Por outro lado, as lavouras também exigem cuidados e a
aplicação de herbicidas é crítica pois pode afetar o componente
árvore. Também, os animais podem interferir na qualidade do
produto final das árvores devido a quebras, caso o tamanho delas
não seja compatível com a categoria animal. O técnico deve ter
sempre em mente que o ótimo para o sistema geralmente não é o
ótimo para um dos componentes, isoladamente. Portanto, o
planejamento deve ser criterioso, levando em consideração a
escolha das espécies que irão compor o sistema, bem como a
elaboração do cronograma das atividades. Esse cronograma deve
ser iniciado pela amostragem de solo, passar pelo seu
condicionamento físico e químico, incluindo as práticas de manejo e
conservação de solo e de água e realocação de cercas e estradas,
dentre outras. É importante que o arranjo das árvores no sistema
esteja muito bem equacionado nesta etapa inicial pois dele
dependerão todas as demais.
As possibilidades de combinação entre os componentes de
sistemas iLPF são grandes. Na escolha do componente arbóreo
deve-se dar preferência a cultivares ou clones adaptados à região,
que possam originar produtos de maior valor agregado e que o
mercado absorva, e que tenham crescimento mais rápido e produtos
- 275
acabados em menor tempo. Se o crescimento for lento, a fase
silviagrícola (árvore-lavouras) será mais longa, sem efeito tóxico para
os animais nem alelopático para as lavouras ou as forrageiras. Não
se pode descartar a possibilidade de utilização de espécies nativas
com o objetivo de recomposição paisagística e sombreamento em
pastagens. Além disso, estas árvores podem ser exploradas
comercialmente com a produção de frutos, sementes, resinas,
fármacos e óleos, dentre outros. Em qualquer destas situações a
produção de mel é uma realidade.
Trabalhando com diferentes cenários de produção de carvão
vegetal, sistema agrossilvipastoril e silvipastoril, Cordeiro e Silva
(2010) obtiveram melhores indicadores financeiros para os sistemas
consorciados. Atribuíram isto ao valor da madeira para serraria, que
agrega maior valor de comercialização quando comparado ao carvão
vegetal.
Informações da Votorantin Metais (junho de 2010) dão conta
de que um povoamento de eucalipto com 250 árvores/ha e com nove
anos de idade foi vendido, em pé, ao preço de R$200,00 a árvore.
Resultados semelhantes a este podem ser conseguidos pelos
produtores rurais com um acompanhamento criterioso das suas
atividades de iLPF. Como foi mostrado, há diferentes momentos de
entrada de capital no negócio e parte deste amortiza os custos com
as árvores. No final de um ciclo de iLPF, a venda das árvores pode
ser considerada como lucro líquido. Transforma-se na caderneta de
poupança do produtor rural.
A iLPF é uma boa estratégia de uso intensivo e sustentado
dos solos. Permite a diversificação de atividades, diminuindo os
riscos e aumentando a produção agrícola, pecuária e florestal. Para
tanto, é necessário que seja adequadamente planejada e o
cronograma de atividades, fielmente cumprido, como forma de
maximizar a produtividade e a renda, além de evitar atropelos e
improvisações. A possibilidade de produção de agroenergia (lenha,
carvão, óleo para biodiesel, etanol) e de madeiras contribui,
marcadamente, para a redução da pressão de desmatamento das
áreas sob florestas nativas.
A produção pecuária em sistemas iLPF também apresenta
números bastante favoráveis (10 @ de carne/ha/ano e idade de
abate de 24 meses), especialmente quando se compara com a
pecuária tradicional (3 @ de carne/ha/ano e abate com 40 meses).
A possibilidade de se produzir um bovino mais precoce pode
contribuir para a redução da taxa emissão de GEE por animal (kg de
CO2eq / @ produzida) e a fixação de carbono pelos outros
componentes dos sistemas iLPF, especialmente o componente
arbóreo, pode contribuir sobremaneira para a mitigação da emissão
de gases do efeito estufa, adequando os sistemas de produção
pecuária aos moldes da Agricultura de Baixa Emissão de Carbono.
ALVARENGA, R. C.; GONTIJO NETO, M. M.; CASTRO, A. A. D. N.; COELHO,
A. M.; ALMEIDA, E. de P. C. Rendimento do consórcio milho-braquiária
brizantha afetado pela localização do adubo e aplicação de herbicida.
Revista Brasileira de Milho e Sorgo, v. 10, n. 3, p. 224-234, 2011. 11 p.
BARCELLOS, A. de O.; MEDRADO, M. J. S.; GRISE, M. M.; SKORUPA, L. A.;
ROCHA, W. S. D. Base conceitual, sistemas e benefícios da iLPF. In:
BALBINO, L. C.; BARCELLOS, A. de O.; STONE, L. F. (Ed.). Marco
referencial: integração lavoura-pecuária-floresta. Brasília, DF: Embrapa,
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CORDEIRO, S. A.; SILVA, M. L. da. Análise técnica e econômica de Sistemas
Agrossilvipastoris. In: OLIVEIRA NETO, S. N. de; VALE, A. B. do; NACIF, A.
de P.; VILAR, M. B.; ASSIS, J. B. de. (Ed.). Sistema Silvipastoril: Integração
Lavoura, pecuária e Floresta. Viçosa, MG: Universidade Federal de Viçosa,
2010. P. 167-189.
INTEGRAÇÃO ENTRE AVALIAÇÕES VISUAIS E DE
ULTRASSONOGRAFIA EM PROGRAMAS DE
MELHORAMENTO GENÉTICO DE ZEBUÍNOS
William Koury Filho
Diretor da BrasilcomZ – Zootecnia Tropical
www.brasilcomz.com – [email protected]
INTRODUÇÃO
Para escrever o artigo “Interação entre avaliações visuais e
de ultrassonografia em programas de melhoramento genético de
zebuínos” serão utilizados não somente trabalhos científicos
publicados, mas também a experiência prática de mais de 10 anos
em consultoria em melhoramento de bovinos. Ou seja, exercício
profissional que exige a constante de interpretação de informações
genéticas e fenotípicas a serem utilizadas como critério de seleção
para se atingir objetivos particulares de cada rebanho assessorado.
Com redação não ortodoxa aos padrões acadêmicos, o artigo
será escrito a partir de uma ótica e reflexões particulares sobre a
utilização destas duas ferramentas de forma isolada e em conjunto
de maneira complementar. Muitos dos conceitos apresentados foram
absorvidos ao longo de anos de estudos, observações e convivência
com diferentes professores, acadêmicos profissionais da área,
criadores, e práticos de campo.
Atualmente, a velocidade e volume com que a informação
transita e, também, a maior abertura no mercado mundial de carnes,
trazem consigo comparações inevitáveis em relação à qualidade,
sistemas de produção e custos do que se está produzindo. Melhorar
a relação custo/benefício para o produtor e atender às exigências
dos consumidores em relação à segurança alimentar, qualidade do
produto, bem-estar animal e responsabilidade social, além de
respeito ao meio ambiente, fazem parte dos desafios diários
enfrentados pela cadeia produtiva da carne bovina brasileira.
Com o segundo rebanho do mundo em número de cabeças, o
Brasil é também o segundo em volume de produção e, ainda, o
primeiro em exportação de carne bovina. O país apresenta área e
condição climática favoráveis para pecuária de corte, o que contribui
para
os
baixos
custos
de
produção
em
sistemas
preponderantemente a pasto. Mesmo com a grande evolução nas
últimas duas décadas, a atividade no país ainda apresenta potencial
para se tornar mais eficiente.
Uma das ferramentas para aperfeiçoar os índices zootécnicos
é a utilização de programas de melhoramento genético que permitam
identificar os melhores indivíduos, para utilizá-los como reprodutores
e, com isto, promover ganho genético aditivo.
JUSTIFICATIVA
A seleção de zebuínos no Brasil passou por várias fases,
inicialmente era baseada em características qualitativas,
principalmente relacionadas à caracterização racial e, somente a
partir de meados do século XX, é que foram implantados processos
seletivos para características de produção, tais como: controle
ponderal, controle leiteiro, provas de ganho em peso e testes de
progênie.
Atualmente, somente na raça Nelore, existem pelo menos oito
sumários de touros no país. Apesar disso, os programas de
melhoramento devem ser constantemente avaliados para verificar
sua eficácia.
Na última década, muitas raças bovinas de corte, além da
Nelore, implementaram programas de melhoramento no Brasil.
Esses programas utilizam, principalmente, características de
crescimento, tais como: pesos padronizados em diferentes idades,
ganhos de peso e dias para atingir determinados pesos. Essas
características são de fácil obtenção, e de acordo com a literatura,
apresentam variância genética aditiva direta de magnitude média a
alta, portanto, respondem bem à seleção, argumentos que justificam
a grande aceitação por parte dos produtores.
A Figura 1 corresponde a representação simplificada de
curvas de crescimento de dois biotipos distintos – tardio e precoce.
Os pontos A e B sinalizam o início da desaceleração do crescimento
e início da deposição de gordura de acabamento. Vale ressaltar que
- 279
existem indícios que a precocidade em deposição de gordura
coincide fisiologicamente com a precocidade sexual nas fêmeas.
Figura 1 - Representação rudimentar de curvas de crescimento de
diferentes biótipos
Fonte: www.brasilcomz.com.
A estrela apresentada na Figura 1 destaca o momento em
que as curvas se cruzam. Exatamente nesse ponto os animais estão
com o mesmo peso, e a balança – simples interpretação do peso –
diria que esses indivíduos são iguais, mas na realidade caracterizam
biotipos completamente diferentes. Essa situação pode ocorrer em
pesagens de um programa de melhoramento, provas de ganho em
peso e levar a conclusões e decisões de seleção não
necessariamente corretas – a balança mede o peso, mas é cega.
Figura 2 - Animais de biotipo distintos com o mesmo peso no
momento da foto. (Fonte: Agropecuária Jacarezinho).
Na Figura 2 podem ser observadas diferenças morfológicas
bastante significativas entre as duas novilhas, é notório o quanto a
rês da esquerda é mais profunda de costelas, além de apresentar
maior volume de massas musculares quando comparada a rês da
direita, que representa o biótipo mais exigente, tardio ou “pernalta”.
Os conceitos apresentados reforçam a necessidade de que
seleção em bovinos de corte não deve ser pensada exclusivamente
na balança, mas sim na composição do peso, que basicamente é o
resultado da distribuição/proporção dos tecidos: músculo, osso e
gordura.
Contudo, o maior prejuízo econômico da seleção
exclusivamente por peso, deve ser o comprometimento do
desempenho reprodutivo das matrizes, pois a reprodução tem
grande impacto econômico, e só ocorre quando as fêmeas estão em
bom estado de escore corporal, condição necessária para que a
vaca crie bem seu produto e volte a emprenhar – ano a ano (Figura
3). Esse conceito é explicado pela maior exigência de mantença de
vacas muito altas e pesadas, que podem estar em desarmonia com
- 281
o sistema de produção em que estão sendo criadas, uma vez que,
no Brasil, as terras menos férteis ou de fronteiras são aquelas mais
utilizadas pela pecuária bovina, em sistemas de produção
preponderantemente à base de pastagens tropicais.
Figura 3 - Representação, por analogia, relacionando as canecas
com uma matriz e o preenchimento do líquido pelo
sistema de produção de acordo com a ordem de
necessidades/funções fisiológicas da vaca. (Fonte:
Adaptado de Hill 1995).
Em trabalho publicado em 1999, Vargas e colaboradores
classificaram matrizes em pequenas, médias e grandes, utilizando o
“frame size” baseado na altura de posterior. Por essa classificação
foram observadas diferenças significativas em desempenho
reprodutivo entre os três grupos de diferentes tamanhos, com
vantagens adaptativas, em ambientes a pasto, daquelas matrizes de
menor e médio “frame size”. Trabalhos similares apresentaram
resultados parecidos, o que coincide com observações de campo em
zebuínos no Brasil.
Avaliando características distintas, os escores visuais e a
ultrassonografia têm sido ferramentas utilizadas, com eficácia, em
programas de melhoramento genético com o objetivo de selecionar
por composição de peso.
Figura 4 - Representação das curvas de crescimento de diferentes
frames e suas respectivas composições de peso. (Fonte:
Adaptado por Velloso 2011).
ESCORES VISUAIS
Utilizado desde o início do processo de domesticação dos
animais, o olho humano é a mais antiga ferramenta de seleção de
bovinos que atende as características almejadas pelo homem. Nos
dias atuais, a avaliação visual empírica continua sendo utilizada em
inúmeras situações, tais como: critério de compra e descarte de
animais; concessão de registros genealógicos por técnicos de
associações das mais diversas raças bovinas; no julgamento
comparativo nas pistas de exposições agropecuárias; e também em
acasalamentos dirigidos, em que muitos profissionais analisam o
exterior dos animais em complemento a genealogia, ao desempenho
fenotípico e às avaliações genéticas.
- 283
Os exemplos citados ilustram situações em que o homem
utiliza a apreciação visual de maneira empírica, com margem para
preferências e interpretações particulares – embora haja arquétipos
preconizados pelas associações de raças.
Outra situação é a aplicação de avaliações visuais em
programas de melhoramento genético para bovinos de corte. Nesse
caso, os escores visuais são coletados por metodologias definidas
por conceitos replicáveis, identificando diferenças morfológicas de
maneira menos subjetiva. O método procura minimizar a influência
pessoal do avaliador e, desta forma, gerar dados apropriados para
compor o universo de características analisadas pelas avaliações
genéticas.
No Brasil o grande mestre e incentivador do uso de escores
visuais em programas de melhoramento genético foi o Dr. Luiz
Alberto Fries. O zootecnista relatou que a utilização de escores
visuais no país coincide com a implantação do PROMEBO
(Programa de Melhoramento de Bovinos) em 1974, que preconizava
além das pesagens em fases estratégicas, a avaliação visual dos
animais baseada em duas metodologias: Escores de Conformação
(EC) do U.S.D.A. (Departamento de Agricultura dos Estados Unidos),
BEEF (1974), que utilizava escala absoluta com 17 graus, e cada um
deles subdividido em 3 sub-graus; e o Sistema de Avaliação Ankony
(LONG, 1973), também baseado em referências absolutas, utilizando
escores com escala de 1 a 10 para cinco características: ausência
de gordura excessiva (G); musculosidade (M); tamanho do esqueleto
(T); aprumos e estrutura óssea (A) e caracterização racial e sexual
(C).
Fries afirmou que o programa funcionou bem nas
propriedades que seguiam seriamente as recomendações do
PROMEBO, no entanto a consequência da seleção por peso aliada a
identificação de animais de carcaça mais magra, pela característica
G da metodologia do sistema Ankony, resultou em tipos morfológicos
com grande velocidade de crescimento, porém tardios.
A solução apontada pelos técnicos foi a seleção visando
identificar o outro extremo da escala para a característica G, então
denominada Precocidade de terminação (P). Desta maneira fora
iniciada a atual configuração para a metodologia que avalia escores
de Conformação, Precocidade e Musculatura conhecida por CPM.
No Programa Natura foram realizadas expressivas mudanças
conceituais no ano de 1990. A partir de sugestões dos técnicos de
campo a escala foi reduzida para 5 classes de escores, e a avaliação
passou a ser relativa ao lote. Escores conceituais e relativos ao
grupo de contemporâneos, com escala de 1 a 5, é a metodologia
atualmente utilizada em zebuínos pela Conexão Delta G, PAINT,
Nelore de Produção, Nelore IRCA e também no PROMEBO com
raças britânicas e sintéticas. Na Agropecuária CFM e Nelore Qualitas
a escala também é relativa e varia de 1 a 6.
Geneplus e Nelore Lemgruber avaliam apenas para
Conformação Frigorífica – uma característica traduzida por um índice
empírico de musculatura, gordura de acabamento e peso.
Técnicos da Associação Brasileira de Criadores de Zebu
(ABCZ) desenvolveram metodologias interessantes de avaliação
visual de tipo para descrever um animal, as mais recentes foram o
DERAS e o PHRAS, (JOSAHKIAN & MACHADO, 1998). A avaliação
era baseada em referência absoluta, com escala de 1 a 5 em relação
ao ideal da raça. Na prática os resultados apresentavam pouca
variabilidade e eram altamente influenciados pelo sistema de
produção e preferências pessoais.
Dr. Fries dizia que sistemas de escores absolutos tendem a
constranger os avaliadores, e resultam em conjunto de dados
extremamente concentrados em torno de um valor considerado
como bom, por isso sugeriu sistemas de notas conceituais e relativas
ao grupo de manejo/contemporâneos, procurando conseguir
melhores distribuições dos escores.
Dando sequência ao trabalho de Koury Filho (2001), Koury
Filho & Albuquerque (2002) propuseram a metodologia EPMU(RAS)
com base em estudos e/ou experiência de campo com as
metodologias PROBOV, MERCOS, PHRAS, Sistema Ankony e,
principalmente, CPMU.
Existem muitos estudos abordando diferentes metodologias e
modelos estatísticos, com o objetivo de melhorar as estimativas dos
parâmetros genéticos. Mais abundantes são os trabalhos que
estimam parâmetros genéticos de características de relevância em
- 285
programas de melhoramento. Porém, escassos são os estudos que
analisam a eficiência na coleta dos dados, e a qualidade dos
mesmos para a avaliação genética, embora seja consenso entre os
melhoristas que quanto melhor for a qualidade dos dados, mais
acurados serão os resultados das estimativas dos valores genéticos.
O assunto é ainda mais delicado ao se referir a dados de
escores de avaliações visuais, que não são mensurados por nenhum
tipo de máquina, dependendo de treinamento e aptidão dos técnicos
de campo, e também da clara definição da metodologia.
Após defendida a tese de Koury Filho (2005), a Associação
Nacional de Criadores e Pesquisadores (ANCP), em parceria com a
BrasilcomZ®, adotou a coleta de dados de EPMU pelo padrão de
qualidade denominado SAM® - Sistema de Avaliação Morfológica,
que atualmente geram DEPs morfológicas para o programa Nelore
Brasil. Como o Nelore Brasil possui a maior base de dados em
zebuínos que concilia escores visuais e medidas de ultrassonografia,
este programa será o estudo de caso mais utilizado para discorrer
sobre o tema proposto.
CARACTERÍSTICAS MORFOLÓGICAS AVALIADAS PELO SAM
Estrutura Corporal (E) – Sinaliza o tamanho do animal, é
avaliado pela área (abrangência visual) do mesmo observado de
lado, baseado na altura e comprimento do esqueleto – considerando
as pernas. Indivíduos com DEPs mais elevadas levam à progênies
com maior estrutura corporal. Somente com a utilização em conjunto
com as DEPs de Precocidade e Musculosidade, é que se pode ter
uma melhor percepção do biotipo da progênie.
Precocidade(P) – Avaliada pela relação entre a profundidade
de costelas e comprimento dos membros, considerando ainda a
altura da virilha. Animais com DEPs elevadas favorecem a
diminuição do tempo de engorda e melhor adaptação a sistemas de
produção a pasto. A correta visualização da progênie depende da
análise conjunta com as DEPs de Estrutura e Musculosidade.
Musculosidade (M) – Verifica-se distribuição muscular do
animal, volume e comprimento dos músculos. Animais com DEPs
mais elevadas são indicados, tendo em vista a produção de
progênies com maior rendimento de carcaça.
As avaliações visuais a desmama são coletadas a partir dos 6
meses (150 dias) até 9 meses de idade (270 dias), tendo como
referência a data base, em torno de 7 meses (210 dias). O momento
próximo a desmama é uma boa oportunidade para avaliar os
bezerros antes que ocorra qualquer seleção – comum em muitos
rebanhos.
Ao sobreano as avaliações são coletadas a partir dos 12
meses (365 dias) até 20 meses de idade (610 dias), tendo como
referência a data base, em torno de 16 meses. O sobreano é uma
boa oportunidade para avaliar a adaptação do animal ao sistema de
produção praticado pela expressão das características. As DEPs
morfológicas estimadas atualmente pela ANCP são: Estrutura
Corporal ao Sobreano (DES), Precocidade ao Sobreano (DPS) e
Musculosidade ao Sobreano (DMS).
Fenotipicamente são atribuídos escores de 1 a 6, relativos
aos grupos de manejo avaliados, para as características E, P e M.
Assim os escores 1 e 2 conceitualmente são conferidos para os
animais que menos expressam a característica (fundo), 3 e 4 para os
intermediários (meio) e 5 e 6 para os indivíduos que mais se
destacam (cabeceira).
Figura 5 - Representação didática de diferentes biotipos e
respectivos escores de EPM, atribuídos com relação a um
grupo de manejo fictício. (Fonte: www.brasilcomz.com).
- 287
INTERPRETAÇÃO DAS DEPs PARA CARACTERÍSTICAS
MORFOLÓGICAS PELO ANCP – SAM
As DEPs morfológicas de Estrutura Corporal (tamanho),
Precocidade (comprimento de costelas) e Musculosidade (arqueamento
de costelas e evidência de massas musculares) devem ser interpretadas
em conjunto para a visualização do biotipo. DEPs com valores altos para
Estrutura (E) e baixos para Precocidade (P) e Musculosidade (M) indicam
biotipo exigente (tardio) – de tamanho elevado, pouca profundidade de
costelas e pobre de musculatura. DEPs baixas para E e altas para P e M,
indicam progênies compactas, muito profundas e musculosas. Os
extremos apresentados demonstram que com a correta compreensão das
DEPs morfológicas, o criador pode direcionar seu rebanho para o biotipo
desejado através de acasalamentos dirigidos e seleção.
As DEPs morfológicas são expressas em escala de probabilidade.
Dessa forma valores inferiores a 50% são negativos, e superiores a 50%
são positivos.
Figura 6 - Figura que descreve as características de EPM no
reprodutor. Suas respectivas DEPs morfológicas estimadas é
que indicarão a probabilidade que sejam transmitidas aos
seus descendentes. (Fonte: www.brasilcomz.com).
ULTRASSONOGRAFIA
A ultrassonografia começou a ser utilizada para a predição da
composição da carcaça de bovinos de corte na década e 1950 pelo
Dr. James Stouffer da Universidade de Cornell nos EUA. Na época,
os aparelhos eram primitivos, as medições difíceis e os resultados
não muito concisos. Desde a década de 1980, a tecnologia vem
sendo aprimorada, atualmente as sondas são mais anatômicas, o
aparelho diminuiu de tamanho e houve uma grande evolução dos
softwares para interpretação, o resultado é que as imagens estão
muito melhores.
A evolução da tecnologia não diminui a necessidade de
capacitação de técnicos para coleta e processamento das imagens,
além de protocolos de idade e correta identificação de grupos de
manejo para que os dados sejam apropriados para predições
genéticas confiáveis.
Com sistemas de produção particulares e se tratando de
zebuínos, houve necessidade do desenvolvimento de protocolos de
coleta no país. Maior detalhamento sobre padrões de qualidade
podem ser encontrados em www.aval-online.com.br.
Tabela 1 - Protocolo idade em dias preconizado pela AVAL e
adotado pela ANCP – Associação Nacional de Criadores
e Pesquisadores. (Fonte: www.aval-online.com.br)
Raça
Machos
Fêmeas
Machos confinados Fêmeas confinados
Nelore
490 – 610
490 – 610
330 – 400
330 – 400
Brahman
490 – 610
490 – 610
330 – 400
330 – 400
Guzerá
490 – 610
490 – 610
330 – 400
330 – 400
Tabapuã
490 – 610
490 – 610
330 – 400
330 – 400
Angus
-
-
320 – 340
320 – 360
- 289
CARACTERÍSTICAS DE CARCAÇA OBTIDAS POR
ULTRASSOM
AOL (cm²) – Área de olho de lombo, que é a área de uma
secção transversal do músculo Longissimus dorsi entre as 12ª e 13ª
costelas, correspondente ao corte transversal da carne denominada
contra-filé, frequentemente utilizada como característica indicadora
de musculosidade e qualidade da carcaça e dos cortes cárneos, em
termos de rendimento;
EG (mm) – Espessura de gordura subcutânea na costela, que
é a espessura do depósito de gordura subcutânea entre as 12ª e 13ª
costelas sobre o músculo Longissimus dorsi (gordura do contra-filé).
É uma característica indicadora do grau de acabamento e que
influencia a qualidade da carne por proteger a carcaça no
resfriamento;
Figura 7 - (A) Local de coleta da imagem da AOL e EG pelo
ultrassom no animal, (B) é a descrição dos pontos
anatômicos de uma imagem obtida na região entre a 12 e
a 13 costelas (pontos de referência da medida a e b), e
(C) é o corte cárneo das características AOL e EG.A.
(Fonte: Fotos A e C Marcos J. Yooko; foto B AVAL –
Serviços Tecnológicos S/S).
EGP8 (mm) - Espessura de gordura subcutânea na garupa,
que é a espessura do depósito de gordura subcutânea entre os
ossos íleo e ísqueo, mensurada na intersecção dos músculos
Gluteus mediuse e Biceps femoris (gordura da ponta da picanha). É
também uma característica indicadora do grau de acabamento da
carcaça, sendo interessante para animais criados em pastagem, pois
sua deposição inicia-se mais cedo que o das costelas na idade ideal
de coleta da imagem traduzindo em maior variabilidade fenotípica, o
que é mais interessante para estimar DEPs em programas de
melhoramento;
Figura 8 - (D) é o local da medida da imagem gerada pelo ultrassom
da EGP8, (E) é a descrição dos pontos anatômicos de
uma imagem obtida na garupa (pontos de referência da
medida c), e (F) é o corte cárneo da característica EGP8
(Fonte: Foto D Marcos J. Yooko; fotos E e F AVAL –
Serviços Tecnológicos S/S).
IM (%) - Outra característica de qualidade da carcaça obtida
por ultrassom em tempo real é a porcentagem de gordura
intramuscular (IM, %), que é a porcentagem de marmoreio tomada
na direção longitudinal sobre o músculo Longissimus dorsi entre a
12ª e a 13ª costelas (marmoreio do contra-filé) e serve para predizer
a quantidade de gordura intramuscular depositada na carcaça.
- 291
Figura 9 - (G) é o local da medida da imagem gerada pelo ultrassom
da IM, (H) é a descrição dos pontos anatômicos de uma
imagem obtida no músculo Longissimus dorsi (pontos de
referência da medida d), e (I) é o corte cárneo da
característica IM. (Fonte: Fotos G e I: Ultrasound
Guidelines Council Study Guide; foto H: AVAL Serviços
Tecnológicos S/S).
Figura 10 - Locais das medidas de ultrassom (Fonte: www.aval-online.com.br).
INTEGRAÇÃO ENTRE AVALIAÇÕES VISUAIS E DE
ULTRASSONOGRAFIA EM PROGRAMAS DE
MELHORAMENTO GENÉTICO DE ZEBUÍNOS
Avaliações visuais e medidas de ultrassonografia são
utilizadas em programas de melhoramento genético, em bovinos de
corte, para selecionar por composição de peso. Por consequência, a
utilização destas tecnologias pode alterar a curva de crescimento
com resultados positivos em ganho nas precocidades de terminação
e sexual, o que se traduz numa pecuária de ciclo mais curto e ganho
em eficiência produtiva e ambiental.
Resultados de pesquisa apontam eficácia e viabilidade no uso
tanto das avaliações visuais como das medidas de ultrassonografia
como ferramenta para discriminar os animais quanto à
composição/qualidade da carcaça (May et al., 2000; Koch et al.,
2004).
Outro ponto fundamental para que possam ser utilizadas em
programas de melhoramento é que as características avaliadas por
ambas as tecnologias apresentam herdabilidades estimadas em
populações zebuínas, de moderadas a altas – portanto respondem
bem a seleção (Koury Filho, 2005; Yooko et al.; 2009, Faria et al.,
2009; Koury Filho et al., 2010)
Na Tabela 2 são apresentados parâmetros genéticos
estimados em rebanhos da raça Nelore que evidenciam a resposta a
seleção para EPM. Os rebanhos analisados neste estudo são todos
pertencentes ao programa Nelore Brasil (Rancho da Matinha, Naviraí
Agropecuária, Nelore Colonial, Genética Aditiva, Nelore Sandim e
Fazenda Bacuri).
- 293
Tabela 2 - Componentes de variância e parâmetros genéticos obtidos
em análises uni-característica de Estrutura Corporal (E),
Precocidade (P), Musculosidade (M), Altura de Posterior
(AP) e Peso ao Sobreano (PS) (Koury Filho, 2010)
Componentes de variância*
Característica
Parâmetros genéticos**
σ2a
σ2e
σ2p
h2
e2
E
0,429
1,385
1,814
0,24 ± 0,09
0,76 ± 0,09
P
1,498
0,888
2,386
0,63 ± 0,12
0,37 ± 0,12
M
0,962
1,048
2,009
0,48 ± 0,11
0,52 ± 0,11
AP
4,968
8,465
13,434
0,37 ± 0,08
0,63 ± 0,08
PS
230,744
554,915
785,659
0,29 ± 0,07
0,71 ± 0,07
*σ2a = variância genética aditiva; σ2e = variância residual; σ2p = variância fenotípica.
** h2 = coeficiente de herdabilidade; e2 = proporção da variância fenotípica devida
aos efeitos residuais.
Na tabela 3 são apresentados resultados do mesmo estudo
que permitem considerações interessantes. A primeira é a alta
correlação genética entre precocidade e musculosidade, o que faz
sentido, já que animais com curvas de crescimento para ciclo curto
tendem a expressar a musculosidade em idades mais precoces, pois
param de crescer mais jovens. Outro resultado esperado é o da
correlação positiva da altura de posterior com E, e negativa da altura
com P e M, ou seja, selecionar para altura significa ganho para E,
mas também perda em precocidade e musculosidade. Para fechar,
E, P e M possuem correlação positiva com peso, o que permite dizer
que é possível selecionar para biotipo, e continuar a evoluir no peso.
Tabela 3 - Estimativas de correlações entre os efeitos genéticos
aditivos (acima da diagonal) e entre efeitos residuais
(abaixo da diagonal) entre as características Estrutura
Corporal (E), Precocidade (P), Musculosidade (M), Altura
de Posterior (AP) e peso ao Sobreano (PS), obtidas em
análises bi-característica (Koury Filho, 2010)
Característica
E
P
M
AP
PS
E
0,43 ± 0,10
0,44 ± 0,08
0,49
0,68
P
0,49 ± 0,17
0,56 ± 0,10
0,22
0,58
M
0,63 ± 0,15
0,90 ± 0,05
0,30
0,62
AP
0,57
-0,29
-0,33
-
PS
0,83
0,42
0,50
-
Quando foram coletadas as avaliações visuais no estudo
acima pelo técnico Koury Filho, nos mesmos rebanhos foram
também tomadas medidas de ultrassonografia pelos técnicos
Fabiano Araújo e Marcos Yokoo nos padrões de qualidade da AVAL.
Tabela abaixo colada como Figura 11.
g
f
e
Estimativas de herdabilidade (h²), correlações genéticas (r ), fenotípicas (r ) e residuais (r ) das
características área de olho de lombo (AOL), espessura de gordura subcutânea (EG), espessura de gordura
subcutânea na garupa (EGP8), estrutura (E), precocidade de (P) e musculosidade (M), da raça Nelore.
Figura 11 - Nesta tabela as marcações ovais chamam a atenção para
as correlações genéticas das medidas de ultrassonografia
com os escores visuais. (Fonte: Yooko et al., 2009).
Poucos são os estudos correlacionando medidas de ultrassom com
escores visuais em zebuínos, e nem todos são passíveis de comparações
por utilizarem metodologias diferentes para coleta dos dados.
O trabalho de Yokoo, 2009, é uma oportunidade interessante
de observar parâmetros genéticos obtidos por metodologias bem
definidas e técnicos capacitados em ambas as tecnologias. Esse
- 295
estudo apresenta correlações positivas entre AOL e EPM, sendo a
maior correlação estimada entre AOL e M (0,61) – conforme
esperado – porém deixa claro que, embora de magnitude
relativamente alta e com tendência no mesmo sentido, são
características distintas.
As correlações de EG e EGP8 com os escores de EPM
também se comportaram conforme esperado, já que os valores mais
expressivos se dão entre EG e EGP8 com a característica P (0,40 e
0,42) respectivamente.
Outro ponto interessante é que ambas as características de
acabamento medidas por ultrassonografia apresentaram correlações
genéticas ligeiramente negativas com E, mesmo comportamento
observado entre as correlações de EPM com altura, o que faz
sentido já que a Estrutura Corporal é avaliada pelo tamanho do
esqueleto – basicamente a avaliação visual do “frame”.
Embora utilizadas para objetivos de seleção comum,
apresentam correlações genéticas moderadas e positivas entre AOL
e M e entre EG, EGP8 e P, indicativo de que, em parte, são
expressas pelos mesmos conjuntos de genes (Yokoo et al., 2010;
Dibiasi et al., 2010). Na prática, fica evidente que as tecnologias
avaliam características distintas e podem ser complementares para
se atingir objetivos com maior velocidade e consistência.
REFLEXÕES
Objetivo x Subjetivo
Existe muita polêmica entre o que é objetivo, e o que é
subjetivo, principalmente quando a temática envolve avaliações
visuais – inclusive o assunto já foi pauta para uma reportagem
realizada pela revista DBO em setembro de 2010.
O zootecnista Dr. Roberto Carvalheiro em trabalho sobre
jejum antes da pesagem, pondera que mesmo o peso, que parece
ser um dado simples de ser coletado pode apresentar má qualidade.
O próprio Dr. Roberto Sainz, em documento encaminhado para a
ABCZ em 2001, chama a atenção para subjetividade e baixa
acurácia que pode existir nas medidas de ultrassom pela falta de
padronização dos técnicos de coleta, na interpretação das imagens e
dos próprios aparelhos.
Desde o início da década passada tenho acompanhado o
trabalho da AVAL em definir protocolos e padrões de qualidade para
coleta de medidas de ultrassom para zebuínos no Brasil.
Ciente da importância da padronização necessária entre
avaliadores para que os dados de que escores visuais tenham
credibilidade, a BrasilcomZ seguindo a trilha da AVAL, tem
promovido treinamentos e credenciamentos para técnicos,
colaborando ainda com estudos para definição de protocolos de
idade e padrões de qualidade na coleta de avaliações visuais para
que sejam estimadas DEPs confiáveis.
Um importante ganho com a utilização de ambas as
ferramentas a partir de metodologias e bem definidas, é a correta
formação e informação dos grupos de manejo para os programas de
melhoramento.
MEDIDAS DISTINTAS QUE SE COMPLEMENTAM
Ultrassom mede pontualmente a área do contra filé (AOL) e a
espessura de gordura subcutânea (EG e EGP8). Enquanto os
escores visuais avaliam o biotipo.
A Musculosidade por escores é avaliada pela expressão da
característica apresentada pelo indivíduo, independente do
tamanho/frame, diferentemente a AOL é a medida da área do contra
filé e pode estar associada não somente a evidência da musculatura,
mas também a própria estatura do animal.
O parágrafo acima pode ser melhor explicado pelos gráficos
apresentados por Carvalheiro (Figuras 12 e 13) (Oliveira, et al.,
2008).
- 297
Figura 12 - Distribuição dos resultados para AOL x M. Correlação
Moderada (0,43) e alto grau de discordância foi
observado entre sDEP_AOL e sDEP_M se for
considerado que ambas medidas têm a mesma
finalidade. O grau de discordância foi acessado pela
proporção de animais que apresentaram diferenças
entre as sDEPs maior ou igual a um desvio-padrão
apresentados nos quadrantes da diagonal esquerda
superior e direita inferior (Fonte: apresentação de
Carvalheiro do estudo de Oliveira, et al., 2008).
Figura 13 - Distribuição dos resultados para AOL x M e a
representação
do
biótipo
correspondente
nos
quadrantes de maiores discrepância entre as medidas
(Fonte: apresentação de Carvalheiro do estudo de
Oliveira, et al., 2008 – gravura dos biotipos
www.brasilcomz.com).
O Angus é um belo exemplo de como os escores visuais
associados a medidas de ultrassonografia e dados de frame size
produziram um biotipo produtivo consistente. Atualmente, em muitos
países, a Angus deixou as avaliações visuais, utilizando a
ultrassonografia em conjunto com medidas de frame size para
seleção de qualidade de carcaça. Vale ressaltar que a raça é
conhecida e remunerada (pela indústria) por qualidade de carcaça,
inclusive pelo marmoreio – avaliado diretamente pela ultrassografia.
- 299
No zebu a realidade é outra. Primeiro, por que não recebe
grandes premiações por qualidade de carne. Segundo, seu grande
destaque é a adaptabilidade aos sistemas de produção nos trópicos,
e o consequente reflexo na fertilidade, vigor de bezerro e baixos
custos de produção.
Outra particularidade é que os zebuínos apresentam grande
variabilidade morfológica. Na raça Nelore, por exemplo, são
encontrados reprodutores em centrais de inseminação artificial
variando de 1,50 m à 1,90 m de altura de posterior. Existem
indivíduos fortes em sua linha dorso-lombar e fracos de musculatura
no posterior e vice-versa.
Oliveira et al., 2008 analisando resultados obtidos no CP
Lagoa (prova de desempenho da Central CRV Lagoa), chamam
atenção aos riscos de trabalhar exclusivamente com a
ultrassonografia, já que AOL possui grande correlação com peso e
Estrutura Corporal, e as características EG e EGP8 apresentam forte
influência do sistema de produção. Quanto a opção adotada pela
Angus em segurar o biotipo pela seleção conjunta de ultrassom e
frame, embora interessante, parece ser ainda mais eficiente a
combinação de US e avaliações visuais de E, P e M para seleção de
composição de peso e biotipo funcional/adaptado.
Embora chamada de Precocidade, a avaliação visual para
esta característica não observa diretamente a espessura de gordura
subcutânea, como a medida de ultrassonografia, o que se avalia é o
biotipo. Via de regra, os animais precoces coincidem com aqueles
que apresentam maior profundidade de costelas, virilha baixa e de
porte compacto a mediano – existem exceções. Já aqueles com
menos profundidade de costelas e maior altura correspondem ao
outro extremo em biotipo e são considerados tardios – também
chamados de pernaltas.
Na prática os animais que expressam P e M como cabeceira
em relação ao lote avaliado são sadios e bem adaptados ao sistema
de produção em que estão sendo mantidos – avaliação relativa.
Essa melhor adaptação ao ambiente deve refletir também em
eficiência da performance reprodutiva – principalmente em relação
às fêmeas (Figura 3).
O proprietário do Rancho da Matinha, que tem a precocidade
sexual como um de seus principais objetivos de seleção, é um
adepto da ultrassonografia. O Sr. Luciano Borges, que somente a
dois anos passou a coletar sistematicamente os escores visuais,
relata que mesmo não tendo selecionado diretamente por P e M,
aquelas matrizes que emprenhavam no desafio precoce, e
principalmente as que reconcebiam na estação de monta seguinte
apresentavam costelas profundas, eram grossas e de frame
moderado, o que fez com que o rebanho fosse adquirindo
consistência para o biotipo mais precoce.
Outro exemplo é o dos programas CEIP (Figura 14) que pela
forte pressão de seleção por fertilidade, associado a um índice de
seleção que contempla escores visuais, vem obtendo resultados
muito expressivos para rendimento e acabamento com um perfil de
rebanho diferenciado com relação ao biotipo e mais consistente
quando comparado com a grande variabilidade existente na raça
Nelore.
Figura 14 - Touros selecionados por índices que contemplam
avaliações visuais (Fonte: Programas CFM e Conexão
Delta G.)
Existem ganhos em selecionar para qualidade de carne, mas
economicamente a seleção para composição de peso, em raças
zebuínas (“puras”), deve apresentar maior impacto na adaptabilidade
dos animais aos sistemas de produção praticados no país e,
consequentemente, seu reflexo em características reprodutivas e
encurtamento do ciclo de produção.
- 301
Muitas características são utilizadas como critério de seleção
no país. Como consultores precisamos definir a estratégia para se
atingir um determinado objetivo. Particularmente, sempre penso em
um índice que deve equilibrar características associadas ao
desempenho com outras que segurem o tamanho e desenhem o
biotipo que poderá variar, em específico, em função do sistema de
produção e objetivos de mercado do cliente.
Mesmo em programas de melhoramento bem delineados, a
interpretação de informações genéticas e morfológicas são
necessárias para aprimorar a eficiência produtiva e proporcionar
melhores resultados financeiros.
As reflexões apresentadas neste artigo têm um grande
componente empírico baseado em experiência prática de campo.
Mais estudos devem ser conduzidos para que algumas das
hipóteses expostas possam ser comprovadas cientificamente.
AGRADECIMENTOS
À Equipe BrasilcomZ, pelas frequentes colaborações;
Ao Roberto Carvalheiro (GENSYS), pelas saudáveis conversas
técnicas;
Ao Marcos J. Yokoo (EMBRAPA), pelo material de texto e imagens
referentes a ultrassonografia.
ANCP – Associação Nacional de Criadores e Pesquisadores. 2012
Site: www.ancp.org.br
AVAL – Serviços Tecnológicos S/S. 2012 Site: www.aval-online.com.br
BEEF – GUIDELINES. For Uniforme Beef Improvement Programs. Animal &
Dairy Science Departament, The University of Georgia, Athens, GA. 1974.
BrasilcomZ – Zootecnia Tropical. 2012 Site: www.brasilcomz.com
DIBIASI N. F., THOLON P., BARROZO D., FRIES L. A., QUEIROZ S. A.
Estimativas de correlações genéticas entre características de carcaça
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FARIA, Carina Ubirajara de ; KOURY FILHO, William ; MAGNABOSCO,
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AVANÇOS TECNOLÓGICOS NO EMPREGO DE
FÁRMACOS PARA CONTROLE DA REPRODUÇÃO
DE FÊMEAS BOVINAS DESTINADAS À IATF
Technological advances in the use of drugs to control the
reproduction of cows intended for TAI
Ed Hoffmann Madureira [email protected]; Milton Maturana Filho
[email protected]
Departamento de Reprodução Animal Faculdade de Medicinac Veterinária e Zootecnia ,
Universidade de São Paulo
INTRODUÇÃO
A pecuária atual exige máxima eficiência reprodutiva e
produtiva para possibilitar retorno econômico. Nesse sentido, a
utilização dos hormônios exógenos se faz muito importante no
contexto de se buscar produtividade e rentabilidade. A eficiência
reprodutiva é o principal fator para uma produção eficiente,
economicamente, viável em gado de corte (DICKERSON,1970).
Desde a década de 50, do século anterior, quando vários
hormônios esteróides se tornaram comercialmente disponíveis,
buscam-se avanços tecnológicos para controle farmacológico do
ciclo estral, principalmente os ligados à superovulação e
sincronização das ovulações.
Na década de 70, a disponibilidade das Prostaglandinas do
grupo F2 alfa (PG) trouxe grande avanço e sua associação com
progestágenos e estrógenos, possibilitou o emprego da Inseminação
Artificial em Tempo Fixo (IATF). Na época, os conhecimentos da
área da fisiologia da reprodução eram insuficientes para proporcionar
resultados economicamente interessantes. Entretanto, na década de
80, o emprego da ultra-sonografia e a disponibilidade de se
quantificarem vários hormônios possibilitaram o ajuste dos
protocolos de IATF e eles passaram a ser empregados em maior
escala nos sistemas de produção de carne e de leite.
Na década de 90, vários produtos hormonais estavam
disponíveis comercialmente e os protocolos recomendados já eram
suficientes para possibilitar um avanço no emprego da técnica, o que
só veio a acontecer cerca de uma década depois.
Programas de IATF servem para concentrar as inseminações
e a parições em épocas desejáveis, sendo aplicados em rebanhos
de vacas zebuínas. Os protocolos de IATF visam controlar o
crescimento das ondas foliculares, regular a função do corpo lúteo e
o momento da ovulação (MACMILLAN e BURKE, 1996 ; RIBEIRO et
al., 2009).
Para uma eficiente sincronização da ovulação, com taxas de
prenhez adequadas, é necessário o atendimento a 4 quesitos:
1) Proporcionar um período de 7 a 10 dias de exposição das
fêmeas bovinas a teores de progesterona ou progestágenos,
que mimetizem a fase luteínica do ciclo estral. Isto pode ser
obtido pela administração oral de MGA (acetato de
melengestrol), ou pela utilização de implantes vaginais de
progesterona, ou MAP (medroxiprogesterona), ou FGA (acetato
de fluorogestona), ou implantes auriculares de norgestomet.
Existem diferenças de estrutura química, potência,
farmacocinética, metabolismo (STANCZYK, 2003) e afinidade
de ligação ao receptor de progesterona (MOFFATT et. al.,
1993; BAUER et al., 2000; PERRY et al., 2005) entre os
diversos progestágenos. A capacidade deles em mudar a
frequência e a amplitude dos pulsos de LH parece ser
necessária para a aceleração do início da puberdade (DAY e
ANDERSON, 1998) e do retorno à ciclicidade no início do
período pós parto, em vacas européias e zebuínas.
2) A Fase progestacional deve ser encerrada em todos os animais
de maneira sincronizada e isto pode ser atingido com a retirada
dos implantes ou pela interrupção da administração oral de
progestágenos e pela aplicação de PG.
3) Durante o período progestacional, deve ocorrer uma reorganização das ondas foliculares, de sorte que o “status”
folicular, no momento do encerramento da fase progestacional,
seja muito semelhante entre os animais. Este é um ponto
chave do sucesso e pode ser atingido de várias maneiras,
como por exemplo: a) aspirando-se todos os folículos
- 307
ovarianos, no momento da colocação dos implantes. Assim,
uma nova onda folicular será iniciada em todos os animais e,
no momento da retirada dos implantes e aplicação de PG, uma
grande proporção de fêmeas terá um folículo dominante e
sadio, que poderá ovular assim que ocorrer um pico do
hormônio luteinizante (LH); b) provocando-se a ovulação dos
folículos dominantes, pela aplicação do hormônio liberador de
gonadotrofinas (GnRH). Isto também possibilitará a emergência
de uma nova onda folicular, cerca de 30 a 40 horas após. Vale
a pena ressaltar que as condições de anestro, que comumente
acontecem em 70 a 75% das vacas de corte, no início do
período pós-parto, afetam a eficiência dos protocolos que
utilizam GnRH para sincronizar a onda. É de grande
importância que a vaca esteja ciclando para ovular ao 1°
GnRH, o que, subseqüentemente, aumenta a taxa de ovulação
ao indutor para inseminação; c) provocando-se a atresia dos
folículos ovarianos, independentemente da fase do
desenvolvimento na qual se encontrem. Isto é geralmente
atingido com a aplicação de 17-beta-estradiol (17B) ou de seus
ésteres, como benzoato (BE), cipionato (CE) ou valerato de
estradiol (VE). O estradiol, em associação com os
progestágenos, provoca uma inibição da liberação de FSH e
LH, de modo que os folículos sofrem atresia. Assim que o efeito
dos estrógenos cessa, devido à biotransformação e eliminação
dos mesmos do organismo, surge uma nova onda folicular,
entre 3 e 6 dias (em média 2,8 d para 17B-estradiol, 3,6 d para
benzoato de estradiol e 5 d para valerato de estradiol),
dependendo da vida média do estradiol empregado. Na maioria
dos animais, no momento da retirada dos implantes, haverá um
folículo dominante, com capacidade ovulatória, para responder
ao pico de LH e apresentar uma ovulação sincronizada.
4) Por fim, resta sincronizar o pico de LH o que ocorre pela
aplicação do próprio LH, ou gonadotrofina coriônica eqüina
(eCG) exógena, ou gonadotrofina coriônica humana (hCG)
exógena, ou de um análogo de GnRH, que provocará um pico
hipofisário de LH, ou pela aplicação de estradiol, que
proporcionará um pico de GnRH, no hipotálamo , que também
resultará um pico de LH sincronizado. Como o pico de LH, em
todos os casos, ocorrerá em um momento conhecido, resta
fazer uma IA, cerca de 15 horas antes do momento esperado
da ovulação, para que as taxas sejam aceitáveis. Em média, as
ovulações ocorrem cerca de 25 h após a aplicação de LH ou
hCG, cerca de 30 h após GnRH e 45h após benzoato de
estradiol. Como uma regra prática, recomenda-se atrasar cerca
de 6 h a IATF, quando se utiliza o sêmen sexado, mas esta
recomendação ainda carece de um maior amparo científico.
As taxas de prenhez podem variar de 20 a 80%, mas em
média, são atingidos resultados da ordem de 50%. A que se devem
as variações das taxas de prenhez? Ciclicidade? Escore de condição
corporal (ECC)? Protocolos? Puberdade? Gostaria, portanto, de
tecer alguns comentários, baseados em experimentos científicos,
que vêm sendo realizados no Brasil e no mundo e acrescentar
informações baseadas na experiência prática de nosso grupo.
PRODUTOS VETERINÁRIOS DISPONÍVEIS
De um modo geral, os produtos disponíveis no mercado
brasileiro, tanto os nacionais, como os importados, são de boa
qualidade e as diferenças entre eles não explicam as diferenças de
taxas de prenhez que são comumente obtidas. Há inovações que
poderão trazer benefícios e serão citadas ao final do artigo.
PROTOCOLOS
Nas duas últimas décadas, muito tem sido dedicado ao
desenvolvimento de protocolos IATF para melhorar a fertilidade de
vacas de corte. Abordagens distintas, como o uso de diferentes
hormônios ou doses em dias diferentes, pré-sincronização etc., têm
sido utilizadas para melhorar a sincronia da onda folicular, visando
aumentar a fertilidade das vacas.
No entanto, é importante destacar que os protocolos
hormonais estão bem ajustados e, desde que implementados de
maneira correta, funcionam adequadamente. Há uma tendência de
se supervalorizar a importância dos protocolos! É de suma
importância o conhecimento da fisiologia e endocrinologia básicas
- 309
relacionadas, para que decisões e ajustes possam ser feitos.
Realmente, existem protocolos mais adequados para novilhas ou
vacas de corte, ciclando ou em anestro, ou para vacas leiteiras de
alta ou baixa produção, puras ou cruzadas e isto deve ser levado em
consideração nos programas de IATF. Atualmente, isto não tem sido
um fator limitante dos programas de IATF, pois existe um dedicado
trabalho das empresas fornecedoras dos medicamentos, que contam
com profissionais capacitados e são assessoradas por
pesquisadores de várias instituições. Entretanto, atribuir o sucesso
ou insucesso de um programa de IATF ao emprego do produto A ou
B, fabricado pela empresa A, B ou C, que utilizam o protocolo X, Y
ou Z, é um exagero.
Condição de manejo dos animais
Neste ponto reside, a chave do sucesso e grande parte da
explicação do insucesso dos programas de saúde reprodutiva que
vêm sendo utilizados. Em vários estudos, tem sido demonstrada a
importância dos fatores relacionados com as condições metabólicas,
imunológicas, estresse térmico e de saúde de vacas de corte e de
leite sobre o desempenho reprodutivo (MATURANA FILHO et al.,
2011; BASCHANT e TUCKERMANN, 2010)
Nos sistemas extensivos de criação de bovinos de corte,
observa-se que 50% das vacas não recebem um manejo adequado
que contribua com melhores índices de fertilidade (LUCY et al.,2001;
GASSER et al., 2003 ; MADUREIRA et al., 2006). Os principais
fatores são a nutrição, a baixa condição corporal ao parto, a
amamentação e incidências de ciclos curtos (MADUREIRA et
al.,2006).
Portanto, é necessário dar mais atenção à pergunta: Como
podemos manejar os animais para que eles respondam melhor aos
bons produtos e protocolos disponíveis?
Vacas no início do período pós parto apresentam-se
anovulatórias, principalmente por falhas no manejo nutricional e na
maioria das vezes não concebem no período esperado para que o
intervalo médio entre partos seja mantido (YAVAS e WALTON,
2000).
É necessário que haja um sistema eficiente da
disponibilidade de pastagens, para otimizar o desempenho animal e
o uso de ração suplementar pode superar as deficiências do
componente forragem. Quando as necessidades de energia e
proteína aumentam por causa de lactação, prenhez e crescimento,
poderá ser necessário que parte do componente forragem da dieta
seja substituído por concentrados (FONTANELI, 1999).
Os pecuaristas que se dedicam à cria dão muita atenção ao
período da estação de monta, entre Novembro e Março (apenas
como exemplo), mas muitas vezes não se atentam que grande parte
do resultado que obtêm é fruto de como manejaram o rebanho de
Abril a Outubro.
É importante maximizar ou manter um oferecimento constante
e em quantidade suficiente de forragens, entretanto, quando são
oferecidas à livre escolha, juntamente com concentrados
suplementares em quantidades restritas, o consumo de matéria seca
da forragem pode ser variável (aumentar, diminuir ou permanecer
igual) (MOORE, 1992; MOORE et al. 1999). Em geral, essa
estratégia auxilia na diminuição do consumo de forragem,
principalmente quando a qualidade da mesma é alta. As diferenças
no consumo estão principalmente ligadas à qualidade da fibra das
forragens e ao tipo de forragem, que irão determinar a digestibilidade
e a taxa de passagem, do que às diferenças entre os concentrados
(WALDO, 1986). Entretanto, pequenas quantidades de concentrado
podem aumentar o consumo voluntário, quando o valor nutritivo das
forragens é baixo, especialmente quando a forragem tem elevada
proporção entre NDT e PB (MOORE, 1994).
Neste sentido, outros aspectos básicos do manejo devem ser
considerados para preparar as vacas para estação de monta,
visando a eficiência reprodutiva: sanidade, ECC ao desmame, ao
parto e ao início da estação de monta, momento adequado do
desmame, mineralização, manejo de pastagens, suplementações
estratégicas, planejamento, construção e manutenção de instalações
e cercas, investimentos em recursos humanos etc...
A qualidade do sêmen também está diretamente ligada à taxa
de concepção na IATF e deve ser avaliada antes do uso.
- 311
A qualificação operacional é tão importante quanto a técnica,
de modo que a capacitação de recursos humanos deve ser encarada
como uma prática rotineira e continuada.
Portanto, em última análise, é a condição das matrizes que
impacta o índice de prenhez, tanto da IATF, quanto da EM.
EFEITO DA CC AO PARTO SOBRE A EFICIÊNCIA
REPRODUTIVA
É sabido que o desempenho reprodutivo de rebanhos de
corte está intimamente ligado à condição nutricional das matrizes. Os
ruminantes possuem a capacidade de armazenar energia, na forma
de reservas corporais, como gordura, para disponibilizá-las nos
momentos de privação. Logo após o parto, a amamentação torna-se
prioritária e boa parte do que a vaca consome, ou possui na forma
de gordura, é destinada à amamentação. Outro momento crítico do
ciclo reprodutivo é o terço final da gestação, quando o feto aumenta
cerca de 10 vezes o seu peso. Neste período, quase todo o
metabolismo da vaca está direcionado ao crescimento fetal (NRC,
2000).
Figura 1 - Energia líquida de mantença (ELm) de vacas de corte
durante o ciclo produtivo (NRC, 2000).
Vale lembrar que esta fase do ciclo coincide com o período
mais seco do ano. Portanto, é essencial que a vaca recomponha
suas reservas corporais, no período logo após o desmame, porém
antes que se encontre no terço final da gestação. Rebanhos de cria,
em sistemas extensivos, em regiões tropicais (devido ao
característico regime de chuvas e, consequentemente, da
disponibilidade de forrageiras), devem ser manejados no sentido de
assegurar a recomposição das reservas corporais das matrizes. A
suplementação nutricional durante o terço final da gestação tende a
aumentar o peso do bezerro ao nascer e a suplementação após o
parto tende a aumentar a produção leiteira, de sorte que, além dos
custos não encontrarem justificativa, pouco efeito positivo haverá
sobre o ECC das vacas.
Portanto, a produtividade e a rentabilidade do sistema de cria
dependem do planejamento nutricional durante o período da seca
(NRC, 2000).
A alta proporção de vacas em anestro, no início da estação
de monta, é uma condição comum em vacas de corte Bos taurus
indicus e afeta negativamente a eficiência reprodutiva, causando
sérios prejuízos na pecuária brasileira (BARUSELLI et al., 2004;
RIBEIRO et al., 2009).
Segundo Spitzer et al., (1995), as vacas que parem com ECC
maior ou igual à 5 (escala de 1 a 9) têm uma elevada probabilidade
de conceber na próxima EM. Entretanto, vacas que parem com CC
menor do que 5 apresentam uma probabilidade de gestação cerca
de 35% menor.
Se grande percentual das vacas do rebanho está com ECC ≤
4 no parto, ainda pode haver chance dessas vacas emprenharem
dentro de uma estação de monta, mas para que isso ocorra é
necessário aumentar a oferta de energia e proteína além de suas
exigências (aproximadamente 120%) durante o período inicial pósparto (COOKE et al., 2008). No entanto, este é um procedimento de
emergência e, provavelmente, será prejudicial para a eficiência
econômica e produtividade da fazenda.
É importante ressaltar que vacas de corte excessivamente
condicionadas (ECC ≥ 7) podem ter dificuldades ao parto, além de
custos de mantença elevados, têm chance reduzida de emprenhar
em comparação com vacas com ECC moderado (COOKE et al,
2009). Isto pode ser atribuído aos efeitos de metabólitos como os
- 313
ácidos graxos não esterificados (AGNEs) e seus compostos, sobre o
consumo, ciclicidade e qualidade dos oócitos, o que afeta a
capacidade das vacas manterem o início da gestação. No entanto,
vacas com ECC > 6 ao parto, não devem ser colocadas em dieta
com restrição de nutrientes, pois isso pode intensificar mais o
balanço energético negativo e o anestro pós-parto, resultando ainda
mais em diminuição do desempenho reprodutivo.
Figura 2 - Influência do escore de condição corporal (ECC),
avaliados no início da estação de monta, na probabilidade
de vacas tornarem-se prenhes. Adaptado de Cooke et al.
(2009).
Numa vaca zebuína, um ponto na escala de ECC representa
cerca de 40 Kg de peso vivo ou seja, uma diferença de apenas 40Kg
ao parto pode significar uma taxa de prenhez da ordem de 60%, ao
invés de 90%, ao final da EM. Uma atitude prática de grande
importância é avaliar o ECC das vacas ao desmame e manejá-las de
forma que atinjam um ECC de pelo menos 5 ao parto, lembrando
que, ao atingir o terço final de gestação, a vaca terá dificuldade de
ganhar peso.
De maneira prática, a avaliação do ECC tem sido uma
ferramenta valiosa para refletir o estado nutricional dos rebanhos. O
ECC ao parto tem sido positivamente correlacionado com o
desenvolvimento folicular precoce no período pós parto, com o
estoque hipofisário de LH aos 30 dias pós parto, com as
concentrações circulantes de IGF1 , frequência dos pulsos de LH e
intervalo pós parto após o desmame precoce (MADUREIRA et al.,
2005).
De um modo geral, em fazendas bem manejadas, as vacas
concebem, em média, 90 dias após o parto e os bezerros são
desmamados aos 8 meses de idade. Por ocasião do desmame, as
vacas se encontram ao redor do 5º mês de gestação. Neste período,
a exigência nutricional é baixa e a vaca ainda tem um período de 60
a 70 dias para recompor suas reservas corporais, antes que sua
exigência nutricional volte a aumentar, ao atingir o terço final da
gestação.
Nas fazendas que adotam a IATF, o intervalo entre o parto e
a concepção tem diminuído o que faz com que, ao desmame, as
vacas estejam numa fase um pouco mais avançada da gestação,
sobrando menos tempo para recomposição das reservas corporais.
Com a valorização dos bezerros, nos últimos anos, tem sido
frequente a comercialização dos mesmos antes do desmame, o que,
de fato, ocorre quando da entrega dos bezerros aos compradores,
evitando-se as perdas de peso ocasionadas pelo desmame.
Considerando-se os dois fatores em conjunto, conclui-se que um
encurtamento do período de serviço e um atraso no desmame
praticamente provocam uma sobreposição dos 2 momentos de alta
exigência nutricional, abolindo-se o único período no qual a vaca tem
a oportunidade de recompor suas reservas corporais. Isto tem levado
a uma diminuição do ECC ao parto, principalmente em anos
particularmente secos.
O baixo ECC ao parto leva, de imediato, ao nascimento de
bezerros mais leves, a uma diminuição da taxa de prenhez à IATF e,
por fim, a uma diminuição da taxa de prenhez ao final da EM, pois há
aumento da incidência de anestro, por falta de reservas corporais.
Em vacas com baixo ECC o uso da eCG pode auxiliar as
condições de crescimento folicular e de ovulação, principalmente em
vacas acíclicas (BARUSELLI et al., 2004; BARUSELLI et al., 2002;
CUTAIA et al., 2003).
A vantagem de se utilizar a eCG nos protocolos de
sincronização, é que este hormônio é administrado no momento da
- 315
remoção do implante de progestágenos, evitando assim um trabalho
a mais de manipulação.
Tabela 1 - Taxa de Prenhez à IATF em novilhas Nelore tratadas com
PG no início do tratamento (D0) e com eCG (400UI) na
retirada do dispositivo intravaginal de progesterona
Sem PG/Sem eCG
Com PG/Sem eCG
Sem PG/Com eCG
Com PG/Com eCG
Efeitos Principais
Sem PG
Com PG
Sem ECG
Com eCG
Número
100
97
98
97
198
194
197
195
Taxa Prenhez (%)
14,0 (17/100)
17,5 (17/97)
35,7 (35/98)
34,0 (33/97)
24,7 (49/198)
25,8 (50/194)
15,7 (31/197)
34,9 (68/125)
Fonte: Marques (2005).
Algumas recomendações úteis são que:
1) as vacas não sejam protocoladas antes de 45 dias pós-parto;
2) os desmames sejam feitos no máximo aos 240 dias de idade e
3) que se aproveitem ao máximo, os 60 dias seguintes ao desmame
para oferecer uma condição nutricional que permita a rápida
recomposição do ECC , seja pela disponibilização das melhores
pastagens ou suplementação nutricional (sal mineral proteinado,
por ex.) para esta categoria animal.
NOVILHAS
Frequentemente, as novilhas apresentam resultados
inferiores aos das vacas. Uma das perguntas mais comuns é qual
protocolo devo utilizar para novilhas? Mais importante do que isso é
saber em que estado estas novilhas se encontram para ser
inseminadas. Em lotes de novilhas têm-se várias categorias como as
impúberes, as pré-púberes, as púberes imaturas, as púberes
maduras que mantiveram ou interromperam sua ciclicidade. Cada
uma destas categorias responde de maneira diferente à IATF.
Vários fatores influenciam na idade à puberdade sendo eles o
genótipo, a estação do ano, o comportamento do rebanho (efeito
macho), a terapia hormonal, a taxa de crescimento, nutrição e
genética das novilhas (FIELDS, 1994; FILHO,2007).
Novilhas Nelore têm a idade à puberdade em torno de 22 a 36
meses e a idade ao primeiro parto de 44 a 48 meses, ressaltando
que zebuínos são mais tardios que os taurinos (SOUZA, 1995).
Porém, as novilhas podem atingir a puberdade com idade entre 13 a
15 meses (SÁ FILHO, 2008), considerado o ideal e mais lucrativo.
As novilhas devem ter uma concepção precoce, durante sua
primeira estação reprodutiva e, para isso, a maioria das novilhas
deve estar ciclando regularmente já ao início desta estação
(LOBATO, 1997). Essas novilhas que concebem logo no início da
EM irão parir no início da estação de nascimento com maior
possibilidade de desmamar bezerros mais pesados, aumentando,
consequentemente, sua produção ao longo da vida reprodutiva
(LESMEISTER, 1973).
A condição corporal dos animais é de grande importância na
adoção de alternativas de manejo nutricional com vistas ao aumento
da eficiência reprodutiva das novilhas. No início da estação de
reprodução, as novilhas devem atingir um peso equivalente a 5560% do peso adulto da vaca da raça correspondente. No caso de
novilhas de corte de raças zebuínas, o peso ao início da estação de
monta deve estar em torno de 300 a 330 kg. Pesos inferiores, no
início da EM, podem comprometer o desempenho reprodutivo
dessas fêmeas, e a fertilidade da EM do ano subseqüente
(WILTBANK et al., 1985). No caso de novilhas zebuínas, a
suplementação alimentar para obtenção de um peso vivo de 300 a
330 kg aos 18 meses pode não se justificar economicamente, se a
maior parte desses animais não estiver apta à reprodução (SANTOS
e SÁ FILHO, 2006).
- 317
Tabela 2 - Efeito do ECC (1-5) no diâmetro do folículo dominante no
momento da IATF e na taxa de prenhez de Novilhas
Nelore (Bos Indicus.)
Variável
<2,75
Diâmetro Folículo na IATF
8,21±0,03b
Taxa de prenhez (%)
41,5 (105/253)b
ECC
3
8,29±0,03b
43,1 (84/195)b
P
> 3,25
9,31±0,03b
54,1 (93/172)a
0,03
0,03
Fonte: Adaptado de Sá Filho et al., 2008.
Item
ECC
4
5
6
Ganho de peso pós-parto
Moderado
Alto
a
Percentual de novilhas prenhes de acordo
com os dias indicados no período de monta
0
20
40
60
32
42
49
27
35
47
431
652
903
562
803
963
341
482
272
463
562
763
702
843
Adaptado de Spitzer et al; 1995123 Médias na mesma coluna, em cada item,
sem o mesmo sobrescrito diferem (P<0,05).
Existem diferenças na fisiologia reprodutiva entre Bos taurus
e Bos indicus que pode influenciar a resposta aos protocolos de
sincronização empregados. Uma das diferenças observadas está
relacionada aos teores de progesterona durante o ciclo estral
(RANDELl, 1990; BARUSELLI et al., 2004; BURKE et al., 1996).
De qualquer maneira, mesmo novilhas púberes e maduras
podem não apresentar o mesmo desempenho reprodutivo de vacas
frente à IATF. Programas de IATF em novilhas ainda são um desafio
à pesquisa, principalmente em fêmeas bovinas zebuínas.
ESTRESSE TÉRMICO E OXIDATIVO
Nosso grupo tem verificado o efeito de vários fatores como
estresse térmico, metabólico e oxidativo sobre a fertilidade das vacas
na EM. No estudo inicial de Maturana Filho et al., 2011 com 404
vacas Nelore, com bezerro ao pé, e período pós-parto entre 40 e 70
dias, no início do protocolo de IATF e 102 novilhas da raça nelore,
mantidas em pastagem de Brachiaria brizantha, com livre acesso a
suplemento mineral e água. Foram avaliados os parâmetros das
variáveis: ECC na escala de 1-9, no início do protocolo, no momento
da IATF e no diagnóstico de gestação (DG); Temperatura retal (TR)
no momento da IATF; e o índice de temperatura e umidade (ITU) no
momento da IATF.
O índice de temperatura e umidade (ITU) foi calculado a partir
do modelo definido por Thom, (1959): ITU: 0,8 x T + [(UR(%)/100) x
(T-14,4)] + 46,4, onde: T = temperatura 0C e UR = umidade relativa
do ar.
Posteriormente, de forma retrospectiva, as vacas foram
alocadas para os grupos de acordo com o número de partos
(novilhas, primíparas, vacas de 2 crias e vacas de 3 crias) e com a
temperatura retal
(Tretal 1: 37,0°C -39,4 °C; Tretal 2: 39,5°C 41,5°C), no momento da IATF.
As vacas com temperatura retal abaixo de 39,4ºC
apresentaram taxa de prenhez significativamente superior à das
vacas cuja temperatura retal foi maior do que 39,4ºC (75,6% VS
62,4%). No ano seguinte, no mesmo rebanho, com 506 vacas, as
taxas de prenhez também diferiram, segundo a temperatura retal:
62% VS 48%.
Nota-se que a fertilidade de vacas e novilhas de corte
também é afetada por fatores climáticos, pois esses distintos grupos
têm uma capacidade de regulação metabólica e termorregulatória
diferente. Aparentemente, vacas que já atingiram a maturidade
sexual possuem melhor fertilidade, mesmo frente a desafios como o
estresse calórico. Isto ocorre apesar de já ter sido demonstrado que
há um maior grau de resistência celular ao calor por raças zebuínas
(PAULA- LOPES et al. 2003).
Outro fator relacionado a essas diferenças na taxa de prenhez
estaria ligado à capacidade de tolerância térmica pelo oócito de
raças zebuínas, que provavelmente ocorre depois da maturidade
sexual completa (PAULA- LOPES et al. 2003; HANSEN, 2005).
- 319
Tabela 3 - Odds Ratio e taxa de prenhez das variáveis, incluindo o
modelo final de regressão logística para efeitos climáticos
Fator
ITU
TRETAL
Classe
n
Taxa Prenhez
(%)
Odds ratio
95% Intervalo
confiança
P
1
63
84,2
3,8
1,7 – 8,5
0,002
2
247
74,9
2,1
1,2 – 3,5
3
94
56,4
Referente
1 vs 3
157
-
2 vs 3
341
-
1
295
75,6 (Class 1)
2
109
62,4 (Class 2)
Sim
246
72,1
Não
158
71,9
1
304
70,7
2
100
76
1 vs 2
ECG
PVE
0,009
0,008
1,68
1,1 – 2,7
0,002
0,96
0,30
ITU: Classe 1- (69 – 74), Classe 2 (75- 79), Classe 3 (80- 84); TRETAL:
Classe 1 (37,0°C -39,4 °C); Classe 2 (39,5°C - 41,5°C); PVE: Classe 1: (20 –
40 dias pós-parto); Classe 2: (50 – 70 dias pós-parto).
Esse efeito observado sugere que a capacidade
termorregulatória pode estar diminuída quando o animal passa por
um grande desafio metabólico, como a amamentação e o
crescimento, o que vai ao encontro dos dados de Pereira (2005), que
demonstrou ser a capacidade termorregulatória diferente entre os
zebuínos, corroborando também com os achados de Paula- Lopes et
al. (2003).
Gráfico 1 - Taxa de prenhez de vacas e novilhas Nelore, dentro da
mesma classe de TR e ITU
Fonte: Maturana Filho et al.,(2011).
Gráfico 2 - Taxa de prenhez de vacas e novilhas Nelore, dentro da
mesma classe ITU e diferentes TR
Fonte: Maturana Filho et al.,(2011).
O estresse oxidativo também pode interferir nas taxas de
prenhez. Num estudo preliminar, com 532 vacas nelore, avaliou-se a
atividade do enzima superóxido dismutase (SOD) e separaram-se as
taxas de prenhez segundo atividade alta (acima da média) ou baixa
(abaixo da média) da SOD. A média das concentrações de SOD no
estudo foi de 2101,36 U/g Hb, sendo de 1665,16 U/g Hb e de
2602,16 U/g Hb para os grupo de alta e baixa respectivamente. No
- 321
grupo onde a atividade da SOD foi alta, a taxa de prenhez foi de
67,1%, enquanto foi de 55,8% no grupo no qual a atividade foi menor
(p=0,03).
Gráfico 3 - Taxas de Prenhez aos 30 e 60 dias após IATF de acordo
com as concentrações de SOD
Taxa de Prenhez SOD P1 ‐ Vacas 67.1
55.8
67.1
54.5
54.9
53.9
↓ SOD (30)
↑ SOD (30)
Média Prenhez 30
↓ SOD (60)
↑ SOD (60)
Média Prenhez 60
(124/222)
(57/110)
(181/332)
(122/222)
(57/110)
(179/332)
P= 0.03
P= 0.05
Em nossos experimentos mais recentes, estão sendo
avaliadas variáveis metabólicas em vacas nelore e em vacas
holandesas de alta produção leiteira para observar o efeito do
estresse metabólico sobre a fertilidade. Os dados citados acima
ainda são preliminares e experimentos com delineamentos mais
elaborados vêm sendo propostos, para elucidar e propor medidas de
manejo, para contornar ou amenizar o efeito destas variáveis sobre o
desempenho produtivo e reprodutivo de rebanhos de corte e leite.
CUIDADOS NA INSEMINAÇÃO ARTIFICIAL
Seguem algumas recomendações, com intuito de padronizar
procedimentos operacionais.
Quando se realiza a IATF, geralmente levantam-se as
canecas com as racks, muitas vezes. Cada vez que se levanta a
caneca, expõe-se o sêmen armazenado a temperaturas críticas. Ao
final da EM, não se pode afirmar em que condição de
armazenamento o sêmen se encontra, nos diferentes botijões, nos
diferentes retiros. O procedimento que vem sendo adotado é o de se
retirarem todas as doses de uma rack e colocá-las no banho-maria
ou descongelador. O sêmen está a uma temperatura de -196oC e,
quando cerca de 10 palhetas são colocadas, ao mesmo tempo no
descongelador, a temperatura cai e deixa a curva de
descongelamento mais lenta o que provoca crio-injúria nos
espermatozóides .
Uma recomendação é de que toda a rack seja retirada e
colocada em uma caixa térmica com nitrogênio líquido. Na
sequência, 5 palhetas podem ser colocadas de cada vez no
descongelador. Em recente experimento científico, ficou
demonstrado que, quando 10 palhetas foram descongeladas ao
mesmo tempo, a partir da 6º palheta, a qualidade do sêmen foi
comprometida (OLIVEIRA et. al., 2012).
AVANÇOS ESPERADOS NOS PRODUTOS VETERINÁRIOS
Por fim, quais avanços podem se esperados nos produtos
veterinários em si? Como sabemos que a dose ideal de
progesterona varia segundo a categoria animal, surgirão produtos
mais indicados para novilhas, com quantidades menores de
progesterona do que para vacas de corte, por exemplo. Vacas
leiteiras de alta produção, necessitam de doses de progesterona
significativamente maiores do que vacas de corte e necessitarão
produtos mais específicos.
O fato de se manejarem as vacas 3 ou 4 vezes até que sejam
inseminadas é um fator limitante da IATF. O emprego de produtos
que contenham reservatórios de hormônios, cuja liberação seja
controlada por dispositivos eletrônicos, pode ser uma opção. A
progesterona ou progestágeno nano/micro estruturadas podem vir a
ser grandes aliadas na solução deste problema. Nestes casos,
nano/micro partículas, ou nano/micro-emulsões, ou nano/micro
filamentos têm surgido. De um modo geral, estes medicamentos são
suspensões injetáveis e os hormônios vão sendo liberados das
matrizes poliméricas utilizadas, por mecanismo de simples difusão
- 323
ou erosão, após absorção dos veículos utilizados, permanecendo no
local de aplicação, um depósito de nano/micro partículas.
Nosso grupo de pesquisa em cooperação com grupos da
UEM, UNICAMP e EMBRAPA já conseguiu produzir nanopartículas
e nanofilamentos de progesterona em matrizes biopoliméricas cujos
testes in vivo iniciaram-se em 2012 (BRANDÃO, 2009; MADUREIRA
e CARDOZO-FILHO, 2010; OLIVEIRA et. al., 2012; PIMENTEL,
2010).
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