Kühe können sich an Nahrung mit unterschiedlichem Kochsalzgehalt anpassen. Wie sie das machen, war bislang ein Geheimnis. Jetzt haben Forscher der Goethe-Universität im Mikrobiom des Pansens ein Bakterium entdeckt, das den Salzgehalt mit einem neuen Typ von Zellatmung reguliert.

Die Kuh kann Gras nur mithilfe von Milliarden Mikroorganismen in ihrem Pansen verwerten. Ein ganzer Zoo von Bakterien, Archaeen und Protozoen arbeitet dort wie am Fließband: Zuerst spalten diese Einzeller die Cellulose, einen Vielfachzucker, auf. Andere Bakterien vergären die freigesetzten Zucker zu Fettsäuren, Alkoholen und Gasen wie Wasserstoff und Kohlendioxid. Schließlich verwandeln methanogene Archaeen diese beiden Gase zu Methan.

Eine durchschnittliche Kuh produziert etwa 110 Liter Methan pro Tag. Durch das Wiederkäuen entweicht es aus dem Maul, wird aber auch wieder mit Nahrungsbrei und vermischt. Dadurch kann der Kochsalzgehalt des Grasbreis stark schwanken (zwischen 60 – 800 milli-Mol Natriumchlorid (NaCl) pro Liter).

Wie sich die Bakterien des Pansens an diese stark schwankenden Kochsalzkonzentrationen anpassen, hat eine deutsch-amerikanische Forschergruppe jetzt herausgefunden: „Bioinformatische Analysen der Genome von Pansenbakterien führten unseren amerikanischen Kollegen Tim Hackmann zu der Vermutung, dass einige Pansenbakterien zwei unterschiedliche Atmungsketten haben. Eine davon funktioniert mit Natriumionen, die andere ohne“, erklärt Prof. Volker Müller von der Abteilung Molekulare Mikrobiologie und Bioenergetik an der Goethe-Universität. Müller schlug seiner Doktorandin Marie Schölmerich deshalb vor, einen typischen Vertreter im Mikrobiom von Wiederkäuen zu untersuchen: das Bakterium Pseudobutyrivibrio ruminis.

Marie Schölmerich hat zusammen mit der Bachelorstudentin Judith Dönig und dem Masterstudenten Alexander Katsyv das Bakterium kultiviert. Tatsächlich konnten sie beide Atmungsketten nachweisen. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) berichten, wird während der Zuckeroxidation der Elektronenüberträger Ferredoxin (Fd) reduziert. Reduziertes Ferredoxin treibt beide Atmungsketten an.

Die eine Atmungskette besteht aus dem Enzymkomplex Fd:NAD-Oxidoreduktase (Rnf- Komplex). Er transportiert Natriumionen unter Aufwendung von Energie aus der Zelle. Bei ihrem Wiedereintritt treiben die Natriumionen eine ATP-Synthase an, so dass ATP entsteht. Diese Atmungskette arbeitet nur in Gegenwart von Natrium-Ionen.

Fehlen Natrium-Ionen, bildet das Bakterium eine alternative Atmungskette mit einem anderen Enzymkomplex: Die Hydrogenase Fd:H+-Oxidoreduktase produziert Wasserstoff und pumpt Protonen aus der Zelle. Treten diese über eine zweite ATP-Synthase, die Protonen, aber keine Natriumionen akzeptiert, wieder in die Zelle ein, entsteht ebenfalls ATP.

„Bis heute ist dies das erste Bakterium, bei dem diese beiden einfachen, komplett unterschiedlichen Atmungsketten nachgewiesen wurden. Unsere bioinformatischen Analysen legen aber nahe, dass sie auch bei anderen Bakterien zu finden sind“, erklärt Marie Schölmerich. „Diese Anpassungsstrategie scheint also weiter verbreitet zu sein“, lautet ihre Vermutung.

Interessanterweise wurden die beiden Enzymkomplexe (Rnf-und Ech-Komplex) auch in evolutionsbiologisch alten Bakterien gefunden. Die Arbeitsgruppe von Prof. Müller hat sie eingehend untersucht, aber immer nur einen der beiden Enzymkomplexe gefunden, nie beide zusammen. „Jetzt werden wir mit Methoden der synthetischen Mikrobiologie Hybride von Bakterien herstellen, die beide Komplexe enthalten, um diese für biotechnologische Prozesse zu optimieren. Dadurch kann man den zellulären ATP-Gehalt erhöhen. Dann lassen sich wertvollere Produkte herstellen“, erklärt Prof. Müller. Geplant ist, die Atmungsketten einzusetzen, um durch die Fermentation von Synthesegasen Wertstoffe zu gewinnen. Dies ist Gegenstand der Untersuchungen in einem BMBF-geförderten Projekt.

Quelle: Goethe-Universität Frankfurt am Main

Von Dr. Hans-Jürgen Kunz, Christian-Albrechts-Universität Kiel

Kälber leiden häufig an Atemwegserkrankungen. Auslöser sind Viren und Bakterien. Zu letzteren zählen auch die Mykoplasmen. Welche Rolle spielen sie im Bestand und wie kann ihnen vorgebeugt werden?

Die Liste der möglichen Erreger von Atemwegsinfektionen ist sehr lang. Die alte Lehrmeinung besagt, dass in der Regel virale Erreger Wegbereiter für bakterielle Sekundärinfektionen sind (Übersicht 1 und 2). Antibiotisch lassen sich nur bakterielle Erreger behandeln. Um viral bedingte Infektionen vorzubeugen, müsste geimpft werden. Diese Möglichkeit gibt es auch, um Infektionen mit Mannheimia haemolytica vorzubeugen. Das alles ist aber leichter gesagt als getan, denn es sollen nur gesunde Tiere geimpft werden, und wer kann dafür garantieren? Darum haben sich lokale Impfungen, wie die intranasale BRSV/PI3-Impfung, bewährt, die aber keinen Langzeitschutz versprechen. In diesem Fall müsste mindestens ein zweites Mal systemisch nachgeimpft werden.

Diagnosen häufig schwierig
Bei Durchfallerregern liefert in vielen Fällen bereits ein immunochromatographischer Schnelltest ein durchaus brauchbares Ergebnis, und das innerhalb von fünf bis zehn Minuten. Für den Nachweis von Atemwegserregern gibt es solche Diagnosemöglichkeiten nicht. Untersuchungen von Nasentupferproben sind häufig nicht aussagekräftig genug, da sich in den oberen Atemwegen möglicherweise Erreger tummeln, die nicht zwangsläufig auch für eine zu diagnostizierende Infektion in der Lunge verantwortlich sind. Hierfür eignen sich Lungenspülproben besser, die heute auch endoskopisch entnommen werden. Eingeschränkt wird die Aussagekraft solcher Proben aufgrund der starken Segmentierung der Rinderlunge. Sie besteht aus 71 Segmenten, die durch Bindegewebe voneinander getrennt sind, jeweils nur einen zuführenden Bronchus besitzen und keine Verbindung untereinander haben. Deshalb kann es durchaus vorkommen, dass die Lungenspülprobe aus einem nicht von der Infektion betroffenen Segment genommen wird und Erreger, die sich in andere Segmente eingenistet haben, nicht diagnostiziert werden. Das heißt, wenn die Spülprobe zu keinem positivem Ergebnis geführt hat, heißt das nicht, dass bei dem untersuchten Kalb keine erregerbedingte Infektion vorliegt.

Welche Rolle spielen Mykoplasmen?
Die Rolle der Mykoplasmen ist in vielerlei Hinsicht eine sehr besondere. Es sind Bakterien die anstelle einer Zellwand nur eine Zellmembran besitzen. Sie sind mit 0,3 bis 0,8 µm etwa 14 Mal kleiner als E-Coli-Bakterien und damit so klein, dass man sie noch am Ende des 19. Jahrhunderts den Viren (0,02 bis 0,2 µm) zugeordnet hat, später einer Zwischenform. Mykoplasmen besitzen jedoch alle Eigenschaften von Bakterien, können sich selbst vermehren und werden darum heute zu den Bakterien gezählt. Da sie, wie zuvor beschrieben, nur schwer nachzuweisen sind, wird ihre Bedeutung bei der Entstehung von Atemwegserkrankungen eventuell unterschätzt.

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Eine Forschungsgruppe um Dr. Daniel Weary, Dr. Marina von Keyserlingk und der Erstautorin Dr. Caroline Ritter (University of British Columbia) hat fast 1.000 US-Amerikaner nach ihrer Einstellung zu bestimmten gentechnischen Eingriffen beim Milchvieh befragt. Die Studie sollte Aufschluss geben, ob bestimmte Gründe für spezifische Eingriffe akzeptabler sind als andere.

Generell ist die Einstellung der Amerikaner zu gentechnischen Veränderungen bei Pflanzen weniger kritisch als in Europa, der Anwendung entsprechender Techniken beim Tier stehen sie jedoch reservierter gegenüber. Etliche Pflanzen denen mittels Gentechnik Krankheits- und Herbizid-Resistenzen verliehen wurden, sind in den USA bereits auf dem Markt, jedoch ist bisher nur ein einziger gentechnisch veränderter Lachs (AquAdvantage Salmon) von den US-Behörden als sicher eingestuft, und könnte ab 2020 dort auf den Markt kommen.

Mithilfe von genetischen Modifikationen konnten Wissenschaftler jedoch vor Kurzem hornlose Rinder erzeugen und Kühen Resistenzen gegen bestimmte Krankheiten verleihen (Mastitis und Rindertuberkulose).

Zunächst sollten die Probanden für die Studie fünf allgemeine Wissensfragen zur Gentechnik beantworten, was ihnen im Durchschnitt auch recht gut gelang (3,9 von 5 richtige Antworten):

• Gentechnisch veränderte Kühe enthalten Gene, normale Kühe nicht (richtige Antwort: falsch)
• Gentechnisch veränderte Tiere sind immer größer als gewöhnliche Tiere (falsch)
• Mit Genen eines Welses modifizierte Kühe würden wahrscheinlich fischig schmecken (falsch)
• Durch den Verzehr eines gentechnisch veränderten Produkts können auch die Gene eines Menschen verändert werden (falsch)
• Es ist möglich Pflanzengene auf Tiere zu übertragen (richtig)

Anschließend wurden sie zu jeder Frage gefragt: Wie sicher sind Sie sich Ihrer Antwort? (1 = überhaupt nicht sicher, 5 = sehr sicher) und haben sich hier durchschnittlich mit 3,5 von 6 Punkten eingestuft.

Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass Modifikationen, die in erster Linie einen wirtschaftlichen Vorteil haben (z. B. höhere Wachstumsraten) negativer wahrgenommen werden als solche, die allgemeinere gesellschaftliche Vorteile wie verbesserte Ernährung und geringeren Einsatz von Chemikalien aufweisen oder die Notwendigkeit schmerzhafter Verfahren bei Tier vermindern. Dem konnte die neueste Studie von Ritter et al. neue Erkenntnisse hinzufügen.

Hier wurden zufällig zusammengewürfelte Gruppen gebeten, verschiedene Begründungen für gentechnische Eingriffe bei Rindern zu bewerten. Eine Gruppe wurde hier zu „Hornlosigkeit“, die zweite zu „Krankheitsresistenz“ befragt. Ihnen wurden jeweils fünf verschiedene Zwecke für den gentechnischen Eingriff genannt: Verbesserung des Tierschutzes, Senkung der Kosten für den Landwirt, Erhöhung der Arbeitssicherheit, alle vorherigen Zwecke zusammen oder kein Zweck. (Tabelle 1).

Teilnehmer, die der Gruppe „Krankheitsresistenzen“ zugeordnet waren, zeigten eine positivere Einstellung als Teilnehmer der Gruppe „Hornlosigkeit“ (4,5 vs. 3,7 auf einer Skala von 1 bis 7). In der Gruppe „Krankheitsresistenz“ war die Einstellung gegenüber GVO am geringsten, wenn als Zweck angegeben war, Kosten zu senken und am höchsten das Wohlergehen der Tiere genannt wurde.

In der Gruppe „Hornlosigkeit“ war die Zustimmung am höchsten, wenn als Zweck Tierwohl genannt war oder wenn alle drei Zwecke erfüllt wurden. Wurden alle Begründungen zusammen genannt, war die Zustimmung höher als zum Zweck der Kostenreduzierung oder wenn gar kein Zweck angegeben wurde.

Zu den einzelnen Zwecken wurde nach assoziativen Begriffen gefragt und diese schließlich in einer Wortwolke dargestellt (s. o.). Den Teilnehmer wurde einer von zwei Anwendungen (Krankheitsresistente oder Hornlosigkeit) und einer von fünf verschiedenen Zwecken genannt (Verbesserung des Tierschutzes, Senkung der Kosten für den Landwirt, Erhöhung der Arbeitssicherheit, alle Zwecke oder kein Zweck). Die Wortwolke enthält Wörter, die aussagekräftigen Inhalt lieferten und mindestens viermal erwähnt wurden. Größere Wörter stehen dort für häufigere Antworten.

Die kanadischen Forscherinnen und Forscher heben hervor, dass es scheine, die Teilnehmer der Gruppe „Krankheitsresistenzen“ seien in der Lage gewesen, sich die Vorteile der Krankheitsresistenz vorzustellen, selbst wenn kein Zweck angegeben wurde. Aber nur wenige wussten, wie man enthornt oder erkannten die potenziellen Probleme, die damit verbunden sind.

Die Studie liefert nicht nur wertvolle Hilfen für die Verbraucher-Kommunikation von Nutztierhaltern, sondern „legt auch nahe, dass Gentechnik eher akzeptiert wird, wenn sie dem Gemeinwohl dient“, schlussfolgern die Autorinnen.

Ritter C, Shriver A, McConnachie E, Robbins J, von Keyserlingk MAG, Weary DM (2019) Public attitudes toward genetic modification in dairy cattle. PLoS ONE 14(12): e0225372.

Link zur Studie

Von Dr. Heike Engels

Ziele setzen und erreichen
Hilmar Zarwel, Herdenmanager der Versuchsstation Iden, stellte sein System für eine hohe Lebenstagsleistung vor. Dieser Parameter stellt die gesamte erbrachte Milchleistung je Kuh in Bezug auf ihr Alter dar und kann auch als Indikator für die Tiergesundheit gelten, da nur gesunde Tiere lange im Bestand gehalten werden und entsprechende Milchmengen produzieren.

Derzeit liegt die Idener Herde bei rund 12.300 Liter Milch je Kuh und Jahr bei dreimaligem Melken. „Damit sind wir sehr zufrieden. Daher ist unser Ziel schon länger nicht noch mehr Milch aus der einzelnen Kuh zu melken, sondern wir wollen Fütterung und Haltung so optimieren, dass die Kühe ihr Leistungspotential über eine längere Zeit voll ausschöpfen können“, so der Herdenmanager. Für eine längere Nutzungsdauer müsse man sich zuerst fragen: Warum gehen Kühe vorzeitig ab und dann die Gründe minimieren. In Iden waren es im Jahr 2002 die Problemfelder Unfruchtbarkeit (6,8 %), Mastitis (5,7 %), Klauen und Gliedmaße (5,5 %), Stoffwechsel (4,4 %) und Melkbarkeit (1,6 %). Die Merzungsrate lag mit über 38 % zu hoch. Daraufhin hat sich Zarwel Ziele gesetzt, um die Merzungsrate auf 20 % zu senken, was ihm auch gelungen ist. „Wir kämpfen um jedes Tier, um dieses Ziel weiter zu halten“, so Zarwel.

Stoffwechsel in Gang halten
Die wiederkäuergerechte Fütterung mit bedarfsgerechten Energiegehalten je Laktationsabschnitt ist sehr wichtig, um Stoffwechselprobleme wie Ketose, Azidose oder Milchfieber zu vermeiden. Denn gerät der Stoffwechsel aus dem Gleichgewicht, schwächt dies das Immunsystem, was wiederum Krankheiten wie Metritis, Mastitis und Lahmheiten begünstigt. Für Zarwel ist der wichtigste Bereich im Stall die Bucht mit den frisch abgekalbten Kühen. „Wir nennen diesen Bereich die 6-Tage-Gruppe, weil die Kühe bei uns bis 6 Tage nach der Geburt intensiv überwacht werden. Der Bereich muss sauber und tief eingestreut sein. Die Kühe müssen vor und nach der Kalbung genug fressen, dafür prüfen wir die Füllung der Hungergrube sowie die Pansenmotorik bzw. Wiederkauaktivität. Direkt nach der Geburt geben wir 20 bis 40 l eines Energietrunks, zur Not auch per Drench. Wir messen täglich Fieber, damit erkennen wir Krankheiten frühzeitig. Zur Milchfiebervorbeugung geben wir zusätzlich zu einer Vorbereitungsfütterung Calciumboli und Vitamin D3 ab der 3. Laktation. Ist nach 6 Stunden die Nachgeburt noch nicht abgegangen, stimmt etwas nicht und wir geben dem Tierarzt Bescheid.“ Sehr gute Erfahrungen hat Zarwel bei Stoffwechselproblemen mit der Pansensaftübertragung gemacht. „Das Futter im Pansen wird von Pansenbakterien zersetzt. Stoffwechselstörungen reduzieren die Pansenaktivität. Über eine Sonde, die durch das Maul in den Pansen geschoben wird, pumpt man Pansensaft gesunder Kühe ab und überträgt diesen auf die kranke Kuh. Das hilft, die Pansenbakterien wieder aufzubauen, und das Futter kann wieder verdaut werden.“

Die seiner Meinung nach wichtigste Investition für das Wohlbefinden seiner Kühe waren allerdings neue Lüfter im Stall. Seitdem herrscht bessere Luft im Stall und die sensorgesteuerte Luftbewegung kühlt die Tiere bei Hitze, denn Hitzestress ist absolut schädlich für die Kühe. Milchmenge und Fruchtbarkeit sind deutlich angestiegen seit Einbau der Lüfter. Und ein wichtiger Tipp zum Schluss: Sich nicht auf Erfolgen ausruhen, sondern regelmäßig betriebliche Abläufe evaluieren, sich dabei einen Bereich nach dem anderen vornehmen. Die Forschung bringt ständig neue Erkenntnisse, diese sollten auch auf dem eigenen Betrieb umgesetzt werden!