Untersuchungen zu Einflüssen von Parametern der Eutergesundheit und Tierkennzahlen auf den Blutketonkörperspiegel und das Infrarotspektrum der Milch sowie auf die Eignung der Infrarotspektroskopie für die Früherkennung von Stoffwechselstörungen bei Milchkühen

Lange, Hanka (2019): Untersuchungen zu Einflüssen von Parametern der Eutergesundheit und Tierkennzahlen auf den Blutketonkörperspiegel und das Infrarotspektrum der Milch sowie auf die Eignung der Infrarotspektroskopie für die Früherkennung von Stoffwechselstörungen bei Milchkühen. Dissertation, LMU München: Tierärztliche Fakultät

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Ermittlung möglicher Zusammenhänge zwischen der Eutergesundheit und ausgewählten Tierkennzahlen einerseits und der Konzentration von Betahydroxybutyrat (BHB) im Blut sowie der Veränderung der Extinktion im Infrarot (IR)- Spektrum der Milch andererseits. Basierend auf den Extinktionsunterschieden der Milch zwischen Tieren mit und Tieren ohne Ketonämie wurde ein Frühwarnsystem zur Erkennung von Ketonämien entwickelt und die Beeinflussung dieses Frühwarnsystems durch die Eutergesundheit und die Tierkennzahlen bestimmt und bewertet. 26 Milchviehbetriebe mit automatischen Melksystemen der Hersteller Lely und Lemmer-Fullwood wurden wöchentlich über sieben Wochen hinweg zwischen Mai 2015 und Februar 2016 besucht. Die maximal acht Tiere mit dem niedrigsten Laktationstag zwischen fünf und 50 wurden bei jedem Betriebsbesuch klinisch untersucht und es wurden entsprechende Blut- und Milchproben gewonnen. Ergänzend wurden automatisch erhobene Daten wie die Milchleistung aus den Herdenmanagementprogrammen dokumentiert. Insgesamt wurden 1.073 klinische Untersuchungen mit zugehörigen Milch- und Blutproben von 356 Tieren ausgewertet. Die statistische Analyse berücksichtigte Parameter der Eutergesundheit, Tierkennzahlen, BHB-Konzentrationen im Blut und die Extinktionen der Milchproben. Im Hinblick auf die Eutergesundheit wurden der Zellgehalt und die Leitfähigkeit der Milch, das Vorliegen einer klinischer Mastitis, eines Euterekzems, eines Euterödems und die Zitzenkondition sowie ein spontanes Milchlaufenlassen erfasst und ausgewertet. Bei den Tierkennzahlen erfolgte die Berücksichtigung der Parameter Tagesmilchleistung, Trockenstehzeitlänge, Zwischenkalbezeit, Laktationsstadium und Laktationsnummer. Die Parameter der Eutergesundheit und ausgewählten Tierkennzahlen wurden auf signifikante Unterschiede zwischen den Tieren mit und ohne Ketonämie untersucht. Ebenso wurden anhand dieser Parameter signifikante Änderungen der IR-Spektren der Milch und Auswirkungen auf die Vorhersagbarkeit einer Ketose mit Hilfe des auf IR-Spektren basierenden Frühwarnsystems ermittelt. Der Parameter Leitfähigkeit wurde aufgrund der unterschiedlichen Erfassung und Berechnung getrennt nach AMS-Herstellern bewertet. Eine Ketonämie lag bei einer BHB-Konzentration von ≥ 1,2 mmol/l im Blut vor. Im IR-Spektrum der Milch wurden die Extinktionen bei den zehn relevanten Wellenzahlen 1076 cm-1, 1156 cm-1, 1245 cm-1, 1315 cm-1, 1384 cm-1, 1453 cm-1, 1550 cm-1, 1742 cm-1, 2857 cm-1 und 2926 cm-1 ermittelt. Milchproben eine und zwei Wochen nach sowie zwei Wochen vor einer Ketonämie weisen signifikant häufiger Zellzahlen >100.000 Zellen/ml auf. Mit steigender Tagesmilchleistung nimmt das Risiko für eine Ketonämie signifikant zu. Multipare Tiere sind signifikant häufiger von einer Ketonämie betroffen als Erstlaktierende. Im Zeitraum bis zum 50. Laktationstag ist das Ketoserisiko im mittleren Drittel (2. - 4. Laktationswoche bzw. 16. - 25. DIM) signifikant höher im Vergleich zum letzten Abschnitt (≥5. Laktationswoche bzw. 26. – 50. DIM). Die Parameter spontanes Milchlaufenlassen, Euterekzem, Zellzahlgehalt der Milch, klinische Mastitis und Leitfähigkeit der Milch Länge der Trockenstehzeit stehen in keinem signifikanten Zusammenhang zur Ketonämie. Signifikante Korrelationen zwischen der Extinktion im IR-Spektrum der Milch und dem Zellgehalt sind bei neun der zehn untersuchten Spektralbereiche festzustellen. Mit steigender Leitfähigkeit der Milch sinkt die Extinktion bei acht („Lemmer-Fullwood-Betriebe“) bzw. neun („Lely-Betriebe“) der untersuchten Wellenzahlen signifikant. Von den vier signifikant verschiedenen mittleren Extinktionen in Bezug auf die Zitzenkondition zeigen sich bei drei Wellenzahlen höhere Extinktionen, wenn ein auffälliger Zitzenscore (> 1) vorliegt. Spontanes Milchlaufenlassen erhöht die mittleren Extinktionen bei neun der zehn untersuchten Wellenzahlen. Sowohl positive (1156 cm-1, 1742 cm-1, 2857 cm-1, 2926 cm-1) als auch negative (1079 cm-1, 1315 cm-1, 1550 cm-1) signifikante Korrelationen bestehen zwischen sieben Extinktionen und der Tagesmilchleistung der Tiere. Bis auf die Extinktion bei 1079 cm-1 kann bei allen berücksichtigten Wellenzahlen ein signifikanter Unterschied zwischen Milchproben von Tieren mit und ohne Euterödem festgestellt werden. Der Zusammenhang zwischen Laktationstag und Extinktionen im Milch-IR-Spektrum zeigt sich bei allen zehn untersuchten Wellenlängen signifikant. Die Länge der Trockenstehperiode korreliert bei vier Wellenzahlen negativ mit der Extinktion der Milchprobe. Höhere Extinktionen bei niedrigeren Laktationsnummern wurden bei vier Spektralbereichen erfasst. Die berücksichtigten Parameter Zellzahl, Leitfähigkeit, Zitzenkondition, spontanes Milchlaufenlassen, Euterödem, Länge der Trockenstehzeit, Laktationstag und Laktationsnummer führen jeweils zu Veränderungen der Milchzusammensetzung, sodass sich dies in abweichenden Extinktionswerten in den untersuchten Spektralbereichen der Milchproben zeigt. Die Extinktionen bei den Wellenzahlen 1079 cm-1, 1315 cm-1 und 1550 cm-1 korrelieren negativ mit dem BHB-Gehalt im Blut. Bei den Wellenzahlen 1156 cm-1, 1245 cm-1, 1742 cm-1, 2857 cm-1 und 2926 cm-1 ist eine signifikante Erhöhung der Extinktion mit steigender BHB-Konzentration im Blut festzustellen. Das entwickelte Frühwarnsystem ist durch eine mittlere Sensitivität (64,8 %), hohe Spezifität (84,4 %) und hohe Trefferrate von 82,4 % für die Erkennung einer Ketonämie gekennzeichnet. Die abgeleitete Ampel erleichtert den praktischen Einsatz und die Interpretation der Modellauswertung für den Betriebsinhaber und den bestandsbetreuenden Tierarzt und dient somit als nützliches Werkzeug zur Risikoeinschätzung einer Stoffwechselentgleisung von Hochleistungstieren. Die Berücksichtigung der Parameter Laktationsnummer und Zellgehalt bewirkt eine signifikant verbesserte Modellqualität. Die Kombination von numerischer Laktationsnummer und numerischer Zellzahl zeigt eine Steigerung der Sensitivität um 2,9 % auf 65,7 % im Vergleich zum Referenzmodell, welches allein auf den Infrarotspektren basiert. Die Spezifität und Trefferrate erhöhen sich in dem Modell mit diesen Parametern um 0,80 % bzw. 1,01 %. Zusammenfassend beeinflussen der Eutergesundheitsparameter Milchzellgehalt und die berücksichtigten Tierkennzahlen neben dem Ketoserisiko auch die Qualität des entwickelten Modells zur Ketosefrüherkennung. Außerdem wird das IR-Spektrum der Milch in den untersuchten Bereichen durch verschiedene Parameter der Eutergesundheit, BHB-Konzentration im Blut und ausgewählte Tierkennzahlen beeinflusst, was für Änderungen der Milchzusammensetzung in diesem Zusammenhang spricht.

Abstract

The aim of this work was to determine possible correlations between udder health and selected animal characteristics on the one hand and the concentration of beta hydroxybutyrate (BHB) in the blood as well as the change in extinction in the infrared (IR) spectrum of the milk on the other. Based on the extinction differences of milk between animals with and without ketonemia, an early warning system for the detection of ketonemia was developed and the influence of udder health and animal characteristics on this early warning system was determined and evaluated. 26 dairy farms with Lely and Lemmer-Fullwood automatic milking systems were visited weekly for seven weeks between May 2015 and February 2016. A maximum of eight animals with the lowest DIM (days in milk) between five and 50 were clinically tested at each farm visit and appropriate blood and milk samples were collected. In addition, automatically collected data such as milk yield from herd management programs were documented. 1,073 clinical trials with related milk and blood samples from 356 animals were evaluated. The statistical analysis considered parameters of udder health, animal characteristics, BHB concentrations in the blood and the extinction of the milk samples. With regard to udder health, the cell content and conductivity of the milk, the presence of clinical mastitis, udder eczema, udder edema and teat condition as well as spontaneous milk leakage were recorded and evaluated. The animal characteristics included daily milk yield, duration of the dry period, calving interval, lactation stage and lactation number. The udder health parameters and selected animal characteristics were examined for significant differences between animals with and without ketonemia. These parameters were also used to determine significant changes in the IR spectra of milk and effects on the predictability of ketosis using the IR spectra-based early warning system. The conductivity parameter was evaluated separated by AMS manufacturers due to differences in recording and calculation. Ketonemia was detected at a BHB concentration of ≥ 1.2 mmol/l in the blood. In the IR spectrum of milk, the absorbances were determined at the ten relevant wave numbers 1076 cm-1, 1156 cm-1, 1245 cm-1, 1315 cm-1, 1384 cm-1, 1453 cm-1, 1550 cm-1, 1742 cm-1, 2857 cm-1and 2926 cm-1. Milk samples one and two weeks after and two weeks before ketonemia show significantly higher cell counts of >100,000 cells/ml. The risk of ketonemia increases significantly with increasing daily milk production. Multiparous cows are significantly more frequently affected by ketonemia than first lactation cows. In the period up to the 50th lactation day, the ketosis risk in the middle third (2nd 4th lactation week or 16th - 25th DIM) is significantly higher compared to the last section (≥5. lactation week or 26th - 50th DIM). The spontaneous milk leakage, udder eczema, cell count of the milk, clinical mastitis and conductivity of the milk length of the dry period are not significantly related to ketonemia. Significant correlations between the extinction in the IR spectrum of the milk and the cell content can be observed in nine of the ten spectral ranges investigated. With increasing conductivity of the milk, the extinction decreases significantly in eight ("Lemmer Fullwood farms") and nine ("Lely farms") of the investigated wave numbers. Of the four significantly different mean extinctions with relation to teat condition, three wave numbers show higher extinctions if a conspicuous teat score (> 1) is present. Spontaneous milk leakage increases the mean absorbances at nine of the ten wave numbers investigated. Both positive (1156 cm-1, 1742 cm-1, 2857 cm-1, 2926 cm-1) and negative (1079 cm-1, 1315 cm-1, 1550 cm-1) significant correlations exist between seven extinctions and the daily milk yield of the animals. With the exception of the extinction at 1079 cm-1, a significant difference between milk samples from animals with and without udder edema can be observed for all considered wave numbers. The relationship between lactation day and extinction in the milk IR spectrum is significant at all ten wavelengths studied. The length of the dry standing period correlates negatively with the extinction of the milk sample at four wavelengths. Higher extinctions at lower lactation numbers were recorded at four spectral ranges. The considered parameters cell count, conductivity, teat condition, spontaneous milk leakage, udder edema, length of dry standing time, lactation day and lactation number each lead to changes in the milk composition, wich is reflected in different extinction values in the examined spectral ranges of the milk samples. The extinctions at the wave numbers 1079 cm-1, 1315 cm-1 and 1550 cm-1 correlate negatively with the BHB content in the blood. The wave numbers 1156 cm-1, 1245 cm-1, 1742 cm-1, 2857 cm-1 and 2926 cm-1 show a significant increase in extinction with increasing BHB concentration in the blood. The developed early warning system is characterized by medium sensitivity (64.8 %), high specificity (84.4 %) and a high hit rate of 82.4 % for the detection of ketonemia. The derived traffic light system facilitates the practical use and interpretation of the model evaluation for the farmer and the veterinarian looking after the herd and thus serves as a useful tool for the risk assessment of metabolic derailment of high-performance animals. The consideration of the parameters lactation number and cell content results in a significantly improved model quality. The combination of numerical lactation number and numerical cell count shows an increase in sensitivity by 2.9 % to 65.7 % compared to the reference model, which is based solely on infrared spectra. The specificity and hit rate of the model increase by respectively 0.80 % and 1.01 % when using these parameters. In summary, the udder health parameter milk cell content and the considered animal parameters influence not only the ketosis risk but also the quality of the developed model for early ketosis detection. In addition, the IR spectrum of the milk in the investigated areas is influenced by various parameters of udder health, BHB concentration in the blood and selected animal parameters, which suggests changes in the milk composition in this context.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Ketose, Eutergesundheit, Milchkuh, Infrarotspektroskopie, Melkroboter
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 590 Tiere (Zoologie)
• Fakultäten: Tierärztliche Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Deutsch
• Datum der mündlichen Prüfung: 27. Juli 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Mansfeld, Rolf