Effects of glyphosate contaminated feedstuffs and different concentrate feed proportions on health and performance of dairy cows

Schnabel, Karina

Glyphosate (N-phosphonomethylglycine; GL) is the most used nonselective herbicide in worldwide agriculture. In Germany, from 1999 to 2010 the use of GL based herbicides increased by 100%. It is likely that dairy cows are regularly consumers of GL-contaminated and imported feedstuff. GL inhibits the enzyme 5-enolpyruvylshikimate-3-phosphate synthase (EPSPS) of the shikimate-pathway, which is an essential part of the aromatic amino acid biosynthesis of plants and some bacteria. GL is suspected to show direct influence on mammal performance, metabolism and cell health, to cause oxidative stress, act genotoxically and to show indirect effects by causing a change in rumen microflora. To evaluate these effects an exact feeding experiment with 64 German Holstein cows (207 ± 49 days in milk; mean ± SD) was conducted on the experimental station of the Friedrich-Loeffler-Institute (FLI; Brunswick, Germany). At the beginning of the experiment (week 0) all cows were fed with an energetically adequate total mixed ration (TMR). In the following 16 weeks, cows were divided into 4 different feeding groups. Two groups were fed with GL contaminated peas and wheat kernels, which were processed to concentrate and GL contaminated straw (GL, GLLC = 14, GLHC = 15), which had been generated under legal conditions on the fields of the experimental station of the Friedrich-Loeffler-Institute. The two control groups (CON, n = 16), received uncontaminated feedstuff. Both groups were subdivided into one “high concentrate” (HC) and one “low concentrate” (LC) group to provide different energy levels. Feedstuff samples and performance parameters, together with samples of blood and milk were taken and clinical examinations were done. The performance, energy status and clinical health was evaluated and haematological parameters, the leucocyte population and function, and oxidative as well as genotoxic effects were measured. The average individual GL intake was 1.2 μg GL/kg body weight (BW)/day in CON groups, 112.6 μg GL/kg BW/day in group GLLC and 132.8 μg GL/kg BW/day in group GLHC. The net energy intake of CON groups was 117 MJ NE1/d in LC groups and 144.5 MJ NE1 in HC groups. The reached GL concentration in GL groups was 100-times higher than the concentration in CON-groups and a different energy level was reached. GL contamination in feedstuff did not affect performance parameters like dry matter intake (DMI), bodyweight (BW) and body condition score (BCS), nor the metabolism parameters β-hydroxybutyrate (BHB), glucose and non-esterfied fatty acids (NEFA). No GL residues in milk and no adverse effects on milk yield and milk contents were measured. In accordance with results of performance parameters, there was no influence of GL on leucocyte population and subpopulations, oxidative and antioxidative capacity and phagocytic and apoptotic function on dairy cow blood cells. However, the cows in HC groups showed increasing values in DMI and net energy balance and consequently increasing values of BW, BCS, milk yield and differing values of milk-component between the HC and LC feeding groups. Equal effects were measured for leucocytes, granulocytes, red blood cells, haemoglobin, haematocrit, mean corpuscular volume, mean corpuscular haemoglobin and CD4+ T-cells. The clinical examination showed no adverse effect of GL on contaminated feedstuffs on cows´ health condition, irrespective the CFP. In addition, no genotoxic effects were measured. In the literature, most studies use high dosages (4-30,000 times higher than in the presented trial) or evaluate effects on isolated cells which are far from practical conditions. Our 16-week trial with Holstein dairy cows, simulating a “worst case scenario” with GL contaminated feedstuff corresponding to legal regulations in Germany under practical conditions, shows no adverse effects induced by GL. Time and CFP, in turn, do affect dairy cow parameters in a different manner.

Glyphosat (N-Phosphonomethylglycin; GL) ist das am meisten verwendete, nicht selektive Herbizid auf landwirtschaftlich genutzten Flächen und Weideland weltweit. In Deutschland erhöhte sich der Verbrauch zwischen 1999 bis 2010 um 100%. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die GL-kontaminierten Erzeugnisse, sowie importierte Futtermittel regelmäßig in Futtermischungen bei Milchkühen verwendet werden. GL verursacht eine kompetitive Hemmung des Enzyms 5- Enolpyruvylschikimat-3-phosphat-Synthase (EPSPS), welches ein essentieller Bestandteil des Shikimatweg ist. Dieser kommt nur in Pflanzen und einigen Bakterienspezies vor. Es wird vermutet, dass GL einen direkten Einfluss auf die Gesundheit und Leistung von Säugetieren hat. Bei Wiederkäuern wird ein Effekt von GL auf die Pansenflora vermutet. Um die fehlenden Informationen über den Einfluss einer GL-kontaminierten Futterration auf Wiederkäuer zu erhalten, wurde ein kontrollierter Fütterungsversuch an 64 Milchkühen der Rasse Deutsch Holstein (207 ± 49 Laktationstage; ± Standardabweichung) auf der Versuchsstation des Friedrich-Loeffler-Institutes (FLI, Braunschweig Deutschland) durchgeführt. Das Futter wurde zuvor auf den Flächen des FLI hergestellt und die Hälfte in legaler Dosierung mit einem GL-haltigen Herbizid behandelt. Die Tiere wurden in der ersten Woche mit einer energetisch gleichwertigen totalen Mischration versorgt. In den folgenden 16 Wochen wurden die Tiere in 4 Gruppen aufgeteilt, zwei Gruppen erhielten GL-kontaminiertes Stroh, sowie Kraftfutter mit GL- kontaminierten Erbsen und Weizenkörnern (GL, GLLC = 14, GLHC = 15). Die anderen 2 Gruppen dienten als Kontrollgruppen und erhielten unkontaminiertes Futter (CON, n = 16). Um verschiedene Stoffwechsellagen der Kühe zu simulieren, erhielten je eine der GL und CON Gruppen einen geringen Kraftfutteranteil (LC) von 30% und die andere Gruppe einen hohen Kraftfutteranteil (HC) von 60%. Es wurden Futtermittelproben genommen, Leistungsparameter gemessen, klinische Untersuchungen durchgeführt und Blutproben entnommen. Hierdurch konnte der Glyphosatgehalt im Futter, die Leistung und der Energiehaushalt, sowie die klinische Gesundheit der Kühe ermittelt werden. Des Weiteren wurden die Population und die Funktionalität der Blutzellen, sowie die Genotoxizität von GL auf Blutzellen ermittelt. Der durchschnittliche GL-Anteil der Ration lag bei 1.2 μg GL pro kg Körpergewicht (KGW) pro Tag in der Kontrollgruppe und in den GL-Gruppen bei 112.6 μg GL pro kg KGW pro Tag (GLLC), bzw. 132.8 μg GL pro kg KGW (GLHC) und daher 100-mal höher. Die Energieaufnahme der Ration lag bei 117 MJ NE1 pro Tag in den LC und bei 144.5 MJ NE1 pro Tag in den HC Gruppen, somit wurden die Ziele des Tiermodells erreicht. Die Ergebnisse zeigen, dass GL keinen Einfluss auf die Leistungsparameter wie Futteraufnahme und die Futterverwertung, das KGW und die Körpermaße (Body Condition Score; BCS), sowie die Stoffwechselparameter β-Hydroxybutyrat (BHB), Glukose und nicht veresterte Fettsäuren (NEFA) hat. In der Milch konnte kein GL nachgewiesen werden und auch hier zeigte sich kein Einfluss auf die Milchproduktion und die Milchzusammensetzung. Im Gegensatz hierzu zeigten die Kühe der HC Gruppe eine deutlich ansteigende Futter- und Energieaufnahme und daraus resultierend einen erhöhten BCS und erhöhtes KGW. Auch die Milchproduktion in der HC Gruppe war entsprechend höher als in der LC Gruppe und die Milchzusammensetzung unterschied sich signifikant. Die klinische Untersuchung der Kühe ergab keine Unterschiede zwischen den Gruppen, weder durch GL noch durch die Fütterung verursacht. Entsprechend den Ergebnissen der Leistungsparameter zeigte die Fütterung von GL-kontaminiertem Futter ebenfalls keinen Einfluss auf die Leukozytenpopulation, die T-Helferzellen und die zytotoxischen T-Zellen. Die oxidative Kapazität und die antioxidativen Mechanismen waren ebenso wenig von GL beeinflusst, wie die Phagozytose- und Apoptosefähigkeit der Zellen. Zudem konnte keine genotoxische Wirkung von GL auf die Zellen festgestellt werden. Hingegen verursachte die Fütterung eine fortlaufende Erhöhung der Leukozyten-, Granulozyten- und Erythrozytenpopulation, sowie der Hämoglobin-und Hämatokrit-Werte in den HC Gruppen. Ebenfalls ansteigend zeigten sich die Werte des mittleren korpuskulären Hämoglobin, der mittleren korpuskulären Hämoglobin-Konzentration der Erythrozyten und der T-Helferzellen in den HC Gruppen. In der Literatur wurde GL meist in hohen, nicht praxisnahen Dosierungen (4-30.000-fach höher) oder in vitro an isolierten Zellen untersucht. Im vorliegenden, ein „Worst-Case“-Szenario simulierenden Versuch konnte unter Praxisbedingungen mit GL-Konzentrationen, welche den aktuellen gesetzlichen Regelungen zur Verwendung von GL in Deutschland entsprechen, kein Einfluss von GL auf die Leistung, die klinische Gesundheit und die Blutzellen der Milchkühe nachgewiesen werden. Auch unterschiedliche Stoffwechsellagen, hervorgerufen durch unterschiedliche Fütterungen, hatten keinen Einfluss auf dieses Ergebnis, während die Fütterung allein einen deutlichen Einfluss auf die gemessenen Parameter der Milchkühe zeigte.

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Schnabel, Karina: Effects of glyphosate contaminated feedstuffs and different concentrate feed proportions on health and performance of dairy cows. 2020. Tierärztliche Hochschule Hannover.

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