Fünfzig Jahre Fortschritt in der Futtermittelkonservierung und Herausforderungen für die Zukunft

Die Fortschritte der letzten 50 Jahre werden anhand der wichtigsten wissenschaftlichen Disziplinen im Futterschutz betrachtet. Hybridsorten von Mais (Zea mays L.), der Feldhäcksler, die Großballenpresse, Polyethylenabdeckungen für Silos, Stretchfolien für Ballen und Zusatzstoffe zur Verbesserung der Konservierung von feuchtem Heu und der Fermentation von Silage trugen alle zu einer verbesserten Technologie bei Effizienz. Die wichtigsten biochemischen Wege, die an der Silagevergärung beteiligt sind, wurden zusammen mit den Auswirkungen auf die Fermentation und die aerobe Stabilität während der Ausfütterungsphase der Bakterienbeimpfung beschrieben. Gesamtmischrationen haben zu einer effizienteren Futterverwertung durch Nutztiere geführt. Der Wert der Abdeckung von Bunker- und Klemmsilos hat sich durch die jüngsten Fortschritte bei der Entwicklung von coextrudierten Sauerstoffbarrierefolien bewährt. Zu den Herausforderungen für die Zukunft gehören die Verbesserung der hygienischen Qualität von Silage zur Reduzierung von Risiken für die Tiergesundheit, die Optimierung der Ernte- und Silagezusammensetzung für Biogasfermenter, die Reduzierung des Verlusts von Futterstickstoff an Boden und Atmosphäre, die Verbesserung der Silosicherheit und die Entwicklung essbarer Dichtungsmittel für Silos.

In den fünf Jahrzehnten von den 1960er bis 2010er Jahren kam es zu enormen Veränderungen in der Landwirtschaft mit zunehmender Mechanisierung und größeren Tierhaltungsbetrieben. Darüber hinaus stieg die Produktion pro Tier, unter anderem durch eine verbesserte Tierernährung. Die Entwicklung von Techniken zur Erhaltung qualitativ hochwertiger und ausreichender Futterpflanzen hat es ermöglicht, in Zeiten des Jahres, in denen das Weidewachstum nicht ausreichte, um den Nährstoffbedarf des Weidetiers zu decken, ein hohes Maß an Tierproduktion aufrechtzuerhalten.

Der Prozess des Anbaus, der Ernte und der Konservierung von Futterpflanzen ist eine angewandte Wissenschaft, die fünf verschiedene Disziplinen umfasst: Pflanzenbau, Ingenieurwesen, Chemie und Biochemie, Mikrobiologie und Tierernährung. Die erfolgreiche Produktion von Silage und Heu erfordert daher ein Verständnis der wichtigen physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren, die den Konservierungsprozess beeinflussen, von denen Sauerstoff und Wasser die wichtigsten sind.

Während meiner Arbeit auf landwirtschaftlichen Betrieben in den 1950er Jahren kam ich mit Silage und Heu in Berührung und war von 1965 bis heute an der Forschung zum Futterschutz beteiligt. Dieser Rückblick ist eine persönliche Auswahl einiger Höhepunkte der Fortschritte bei der Futtermittelkonservierung und einiger Herausforderungen für zukünftige Verbesserungen der technologischen Effizienz.

Schätzungen der Silage- und Heuproduktion in Westeuropa sind in Abbildung 1 für den Zeitraum 1962 bis 2012 dargestellt. Zwischen 1962 und 1992 kam es zu einer Verfünffachung der Silage-TM-Produktion, die mit den unten beschriebenen technologischen Entwicklungen verbunden ist. Die Heuproduktion ging im gesamten Zeitraum zurück, so dass die Gesamtproduktion im Jahr 2012 etwa halb so hoch war wie im Jahr 1962. Die Gesamtproduktion an konserviertem Futter stieg bis etwa 2002 an und erreichte danach einen leichten Rückgang. Seit den 1960er Jahren nahm die Maissilage vor allem in Westeuropa erheblich zu, sodass im Jahr 2000 48 Millionen Tonnen TM auf Maissilage entfielen, was 50 % der gesamten Silage-TM-Produktion ausmachte. Seitdem ist die Produktion von Maissilage voraussichtlich weiter auf rund 55 Millionen Tonnen TM im Jahr 2012 gestiegen.

Ein ähnlicher Trend war in den USA zu verzeichnen, wo die gesamte Silageproduktion von rund 16 Millionen Tonnen TM im Jahr 1959 auf 44 Millionen Tonnen TM im Jahr 2013 stieg. Maissilage macht derzeit 75 % der gesamten Silage-TM-Produktion in den USA aus. Von der gesamten in den USA produzierten Silage werden schätzungsweise 85 % in Bunkern und nicht ummauerten Klammern (überfahrbaren Pfählen) gelagert, der Rest wird in Türmen, Ballen und Säcken gelagert.

Die Veränderungen im Futterschutz in Europa zwischen 1962 und 2012 gingen in diesem Zeitraum mit einem starken Rückgang der Wiederkäuerpopulation einher; von 201 Millionen Rindern im Jahr 1962 auf 122 Millionen Rinder im Jahr 2012 und von 272 Millionen Schafen im Jahr 1962 auf 129 Millionen im Jahr 2012. In Großbritannien stiegen zwischen 1962 und 1982 die Düngemittel-N-Einträge ins Grünland, danach jedoch die durchschnittliche jährliche Düngemittelmenge Die auf Grünland ausgebrachte N-Menge sank von 126 kg N ha-1 im Jahr 1983 auf 55 kg N ha-1 im Jahr 2012. Daher ist es wahrscheinlich, dass die Grünlanderträge im Zeitraum 1962 bis 1982 anstiegen und dann zurückgingen. Auch die Produktion von Kraftfutter für Rinder durch Tierfutterfabriken in der Europäischen Union stieg von 32 Millionen Tonnen im Jahr 1989 auf 41 Millionen Tonnen im Jahr 2012. In den letzten Jahrzehnten gab es einen Trend weg von der Beweidung hin zu einer intensiveren Fütterung Rinder, die Futter aus Silage und Kraftfutter erhalten, um eine höhere Tierleistung zu erzielen, die bei der durchschnittlichen Milchproduktion pro Kuh in Europa von 2295 kg pro Jahr im Jahr 1962 auf 5580 kg pro Jahr im Jahr 2012 anstieg.

Ein Großteil der in den folgenden Abschnitten beschriebenen Fortschritte bei der Futterkonservierung in den letzten 50 Jahren wurde mit Silage und nicht mit Heu erzielt. Ein wesentlicher Nachteil der Heuernte besteht darin, dass das Wetter bis zu sieben Tage lang trocken sein muss. Während dieser Zeit wird das Erntegut durch ein- oder zweimal tägliches Wenden und Wenden (Schütteln) getrocknet, was zum Verlust wertvollen Blattgewebes führt. Gegen Ende der Feldtrocknungsperiode wird mehr Energie aus Sonneneinstrahlung und Konvektion benötigt, um Wasser aus dem Gewebe des blühenden Stängels zu entfernen, als Wasser aus den Blättern und den äußeren Schichten des Stängels, das in der Anfangsphase der Feldtrocknung schnell verloren geht Verfahren. Folglich nimmt die Geschwindigkeit, mit der die Ernte trocknet, mit fortschreitender Trocknung ab (Jones, 1979; Jones und Harris, 1980; Wilkinson und Wilkins, 1980). Die Anfälligkeit der Heuernte gegenüber Nährstoffverlusten aufgrund schlechter Witterung war in den letzten 50 Jahren ein wesentlicher Faktor für die Umstellung von Heu auf Silage.

Silage wurde in den 1950er und frühen 1960er Jahren ohne den Einsatz von Feldhäckslern hergestellt. Am Feldrand wurden freigelegte Pfähle angelegt, indem ungehäckseltes Material zu Haufen geharkt wurde. Obwohl Kunststofffolien erstmals in den 1950er Jahren als Methode zum Abdecken von Klammern eingeführt wurden (Shukking, 1976), führte eine fehlende Abdeckung zum Eindringen von Sauerstoff während der Lagerung und zum Verlust umfangreicher Nährstoffe aufgrund aerober Verderb (Kompostierung oder Verrottung). Dennoch war die Erfolgswahrscheinlichkeit bei der Silageherstellung viel größer als bei der Heuernte. Das Risiko nasser Witterung nach dem Ernteschnitt bedeutete, dass in Nordwesteuropa in den 1960er Jahren wahrscheinlich in jedem vierten Jahr qualitativ hochwertiges Heu produziert werden konnte. Heute, da zwischen Schnitt und Ernte nur 24 bis 36 Stunden liegen, ist es wahrscheinlich, dass in drei von vier Jahren hochwertige Silage hergestellt wird.

In den folgenden Abschnitten werden die Fortschritte in den wichtigsten wissenschaftlichen Disziplinen der Futtermittelkonservierung hervorgehoben und einige Herausforderungen für die Zukunft diskutiert.

Die wichtigste Entwicklung in der Pflanzenproduktion war die Entwicklung ertragreicher Hybridsorten von Mais (Zea mays L), von denen einige speziell für die Konservierung als siliertes Gesamtfuttermittel bestimmt waren, wobei in nördlichen Regionen der Schwerpunkt auf der Frühreife lag. In Gebieten, in denen Sommertrockenheit und Frühfröste selten sind, ist das Risiko von Ernteausfällen relativ gering. Die Maisforschung in den 1960er Jahren befasste sich hauptsächlich mit der Ermittlung der Faktoren, die die Zusammensetzung und den Nährwert der Pflanze bei der Ernte (Demarquily, 1969; Bunting und Gunn, 1973) und nach der Silierung (Harris, 1965; Cummins, 1970; Danley und Vetter) beeinflussen , 1973; Andrieu und Demarquily, 1974ab; Deinum, 1976). Diese Arbeit legte den Grundstein für Arbeiten zur Rolle von Maissilage in der Ernährung von Rindern und Milchvieh (Thomas et al., 1975; Wilkinson und Penning, 1976; Wangsness und Muller, 1981; Phipps, 1990; Phipps et al., 1995; Bal et al., 1997; Cherney et al., 2004). Jüngste Arbeiten konzentrierten sich auf die Bewertung neuer sfe- und bm3-Mutanten mit niedrigem Ferulatgehalt und potenziell höherer Aufnahme und Verdaulichkeit (Jung et al., 2011).

Die Fähigkeit der Maispflanze, relativ große Mengen kostengünstiger Stärke pro Hektar zu liefern, gepaart mit einer relativ hohen Konzentration an metabolisierbarer Energie (ME) (Tabelle 1) haben die Kulturpflanze zu einer beliebten Wahl für Landwirte in Gebieten gemacht, in denen das Land dafür geeignet ist für seinen Anbau. Von der Zusammensetzung her ist Maissilage eine Ergänzung zu Gras- und Gras-/Klee-Silagen (Phipps, 1990). In Randregionen ist Vollweizenfutter mit ähnlicher Stärkekonzentration, aber niedriger in ME als Maissilage oder Grassilage guter Qualität, oft die bevorzugte einjährige Futterpflanze gegenüber Futtermais.

Weitere bemerkenswerte Höhepunkte der Fortschritte in der Pflanzenproduktion zur Futterkonservierung sind die Entwicklung von Sorten des Deutschen Weidelgrases (Lolium perenne L.) mit höheren Konzentrationen an wasserlöslichen Kohlenhydraten (Wilkins und Lovatt, 2004; Davies und Merry, 2004; Moorby et al. , 2005; Marley et al., 2007) und Hybriden aus Deutschem Weidelgras und Rohrschwingel (Festuca arundinaceae L., Humphreys, et al., 2012), die resistenter gegen Sommertrockenheit sind als Weidelgras. Rohrschwingel ist als mehrjährige Grasart besonders wertvoll für die Produktion von Silage und Heu mit hohem Trockenmassegehalt, da er beim Welken schneller Wasser verlieren kann als andere Gräser.

Die wichtigste technische Entwicklung im Futterschutz im 20. Jahrhundert war die Entwicklung des Feldhäckslers. Frühe Schlegel-Feldhäcksler schnitten und hoben das Erntegut in einem einzigen Arbeitsgang – Direktschneiden – mit wenig oder gar keinem Hacken, um die Partikellänge zu reduzieren. Aktuelle Empfehlungen lauten, trockenere Pflanzen relativ kurz zu zerkleinern (25 bis 50 mm), um die Verfestigung zu unterstützen, und feuchtere Pflanzen auf eine längere durchschnittliche Partikellänge (80 bis 100 mm) zu zerkleinern, um die Partikellänge zu erhalten, das Wiederkäuen anzuregen und auch die Produktion von flüssigem Abwasser zu reduzieren.

Die Einführung komplexerer Häckselzylinder bei Feldhäckslern führte zur Trennung des Mäh- und Häckselvorgangs bei Graskulturen, nicht jedoch bei Mais und Vollkornweizen, für die spezielle Aufnahmeanbaugeräte entwickelt wurden. Getreideverarbeitungswalzen wurden in den 1990er Jahren in die Häckselausrüstung von Feldhäckslern eingebaut, um eine vollständigere Verdauung des Getreides durch das Tier zu gewährleisten (Shinners, 2003). Die Vorteile der Getreideverarbeitung lassen sich am ehesten bei reifen Mais- und Weizenkulturen erkennen (Allen et al., 2003).

Die Erfindung der Großballenpresse in den 1970er Jahren war ein wichtiger Meilenstein sowohl in der Heu- als auch in der Silageproduktion. Mit der Ballenpresse konnte erstmals Silage in kleineren, transportablen Paketen hergestellt werden, die wie Heu problemlos zwischen den Betrieben gehandelt werden konnten. Großballensilage erfreute sich bei kleineren Betrieben mit begrenzten finanziellen Mitteln für Investitionen in Silos und auch in Hochlandgebieten, in denen das Gelände für größere Maschinen ungeeignet war, zunehmender Beliebtheit. Ballenpressen könnten zum Ernten von Stroh nach der Getreideernte auf Ackerflächen und zu anderen Jahreszeiten für Silage oder Heuernte eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Konstruktion eigneten sich sowohl die Ballenpressen als auch die selbstladenden Ladewagen gut für die Ernte verwelkter Grasfrüchte mit einem Frischgewicht von 450 bzw. 550 g DM/kg. In den 1980er Jahren folgte mit der Einführung der Großballenpresse die Einführung automatischer Wickelgeräte. Die Ballen werden in Stretchfolie mit einer Dicke von 25 μm und einer Überlappung von 50 % entweder direkt beim Formen oder später auf dem Feld oder am Lagerort eingewickelt. Ballensilage macht wahrscheinlich etwa 25 % der gesamten Silageproduktion in Europa aus.

Turmsilos, seit dem Ende des 19. Jahrhunderts die vorherrschende Art der Silagelagerung in Europa und Nordamerika, stellten die ultimative Effizienz im Hinblick auf geringe Verluste und die Mechanisierung der Befüllung, Entfernung und Abgabe von Silage an das Vieh dar (Wilkinson et al., 2003; Savoie und Jofriet, 2003). Allerdings waren die Türme teuer und hatten eine begrenzte Kapazität. Mit zunehmender Größe der Tierhaltungseinheiten erfreuten sich neben mechanischen Be- und Entladegeräten auch Bunker und große, nicht ummauerte Stallungen zunehmender Beliebtheit.

Die Einführung von Gesamtmischrationen Mitte der 1960er-Jahre war das Ergebnis der Anbringung von Mischschnecken an einem mobilen Ladewagen oder LKW, sodass Silage und andere Futtermittel miteinander vermischt werden konnten, bevor die Mischung zum Stall transportiert und in einen Futtertrog entladen wurde. Colman et al. (2011) zeigten eine Verbesserung der Futtereffizienz und Tiergesundheit in 273 Milchviehherden in Frankreich und im Vereinigten Königreich nach der Einführung eines Systems zur Fütterung mit vollständig gemischten Rationen, das mit einem internetbasierten Ernährungsunterstützungsdienst verbunden war.

In den letzten 50 Jahren wurden die wichtigsten biochemischen Wege bei der Silagevergärung beschrieben und die beteiligten Prozesse an anderer Stelle untersucht (McDonald et al., 1991; Rooke und Hatfield, 2003). Die Forschung in den frühen Jahren des 20. Jahrhunderts zielte darauf ab, unerwünschte Gärungen zu verhindern, die sich negativ auf die Qualität von Käse aus Milch von Kühen mit schlecht fermentierter Silage auswirkten. Der Schwerpunkt lag auf der direkten Ansäuerung (Übersicht von Watson und Nash, 1960). Die Konservierung von feuchtem Heu durch Ansäuern mit Schimmelhemmern wie Propionsäure, zugesetzt in einer Menge von 10 g kg-1 Frischgewicht, war in den 1970er Jahren eine bedeutende Entwicklung (Knapp et al., 1976; Benham und Redman, 1980) seit der traditionellen Methode von Die Konservierung von feuchtem Heu durch die Zugabe von Natriumchlorid hatte sich als unterschiedlich wirksam erwiesen (Stuart und James, 1931, Watson und Nash, 1960). Eine ungleichmäßige Anwendung und der Verlust des Zusatzstoffs können zu Zonen führen, in denen sich tolerante Schimmelpilze entwickeln und das Konservierungsmittel abbauen können, was wiederum das Wachstum anderer Arten und die Verschlechterung des Heus zur Folge hat (Lacey et al., 1978). Trotz dieser Nachteile werden organische Säuren wie Propionsäure oder Essigsäure und deren Salze immer noch als Heukonservierungsmittel verwendet (Bagg, 2012).

Schwefelsäure, mehrere Jahrzehnte lang der wichtigste Säurezusatz für Silage, wurde in den 1960er Jahren durch die Einführung von Ameisensäure, einem Nebenprodukt der Rohölraffinierung, abgelöst. Die Besorgnis über die schädlichen Auswirkungen von Schwefelsäure auf das Tier führte in den 1960er und 1970er Jahren zu umfangreichen Forschungen zu Ameisensäure, doch ihre relativ hohen Kosten schränkten ihre anfängliche Verwendung ein (Shukking, 1976). Die Entwicklung des Applikators mit Schwerkraftzuführung, der eine gleichmäßige Zugabe der Säure in relativ geringer Menge (20 bis 30 kg Tonne Frischpflanzengewicht) ermöglichte, beschleunigte die Einführung von Ameisensäure (Saue und Brierem, 1969). Die wissenschaftliche Grundlage für seine Verwendung wurde jedoch erst in den späten 1970er Jahren durch die wichtige Arbeit von Woolford (1975, 1978) geschaffen, der zeigte, dass die Mineralsäuren Salzsäure, Schwefelsäure und Orthophosphorsäure keine spezifischen antimikrobiellen Eigenschaften gegen eine Reihe von Bakterien hatten Silagebakterien, Hefen und Schimmelpilze hatten einige geradkettige organische Säuren (Ameisensäure, Propionsäure und Acrylsäure) neben der Ansäuerung auch die Doppelfunktion der Ansäuerung und Hemmwirkung gegen unerwünschte sporentragende Bakterien wie Clostridien.

Tierfütterungsversuche bestätigten die Wirksamkeit von Ameisensäure, insbesondere bei feuchteren Nutzpflanzen (Wilson und Wilkins, 1973; Waldo, 1977; Dulphy und Demarquily, 1977), und in den frühen 1980er Jahren gab es genügend Beweise, um ihre Verwendung durch Landwirte als die wirksamste zu empfehlen Silierzusatz (Wilkinson, 1984) und auch um seine Verwendung als positive Kontrollchemikalie zu rechtfertigen, anhand derer andere potenzielle Zusatzstoffe bewertet wurden (Steen, 1991; Pflaum et al., 1996; Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit, 2006, 2012).

Bunker sind heute die bevorzugte Art der Silagelagerung, doch in den 1960er Jahren und noch mehrere Jahrzehnte danach gab es Debatten über die Wirtschaftlichkeit ihrer Abdeckung. Frühe Untersuchungen zum Nachweis der Auswirkungen der Abdeckung auf Verluste zeigten deutliche Vorteile der Abdeckung von Bunkern mit Neopren-Nylon-Folie (Synthesekautschuk) gegenüber keiner Abdeckung (Gordon et al., 1961). Überraschenderweise sind einige landwirtschaftliche Silos in den USA heute nicht abgedeckt (KK Bolsen, persönliche Mitteilung, 2014), in der irrigen Annahme, dass der Wert des verlorenen Materials geringer ist als die Kosten der Abdeckfolie, obwohl detaillierte Untersuchungen Anfang der 1990er Jahre dies bestätigten deutlich höhere Verluste in nicht abgedeckten landwirtschaftlichen Silos als in abgedeckten Silos (Bolsen et al., 1993). Der TM-Verlust aus unbedeckten Silos war in den obersten 0,5 m sehr hoch. Dieser Befund wurde durch eine Untersuchung von 127 gewerblichen landwirtschaftlichen Silos untermauert, die durchschnittliche Verluste an organischer Substanz (OM) in den obersten 0,5 m von 470 g kg-1 des silierten Ernteguts bei nicht abgedeckten Silos im Vergleich zu 203 g kg-1 bei abgedeckten Silos ergab ( Bolsen, 1997).

Die Entwicklung von Abdeckmaterialien für Bunker und Bunker war in Nordwesteuropa am schnellsten, wo diese Art von Lagerbauten vorherrschte. Mitte der 1970er-Jahre bestand die herkömmliche Methode zur Abdeckung von Bunkern und Bunkern aus einer doppelten Schicht Polyethylenfolie mit einer Dicke von jeweils 125 oder 150 μm. Diese Technologie blieb 30 Jahre lang im Wesentlichen unverändert, bis die coextrudierte Sauerstoffbarrierefolie entwickelt wurde (Degano, 1999).

Die Einführung einer HOB-Folie (High Oxygen Barrier) zur Abdeckung von Silos war ein technologischer Fortschritt, der wahrscheinlich genauso groß war wie die anfängliche Einführung der Polyethylenfolie selbst. Silage unter HOB-Folie zeigte während der Lagerzeit eine geringere Entwicklung von Schimmelpilzen und unerwünschten Bakterien, einschließlich Buttersäurebakteriensporen, in den Randbereichen des Silos oder Ballens (Borreani und Tabacco, 2008; Orosz et al., 2012). Die Ergebnisse einer Metaanalyse von 51 Vergleichen (41 mit Bunker- und Klemmsilos, 10 mit Ballensilage) zwischen Standard-Polyethylenfolie und HOB-Folie sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die HOB-Folie reduzierte Verluste aus den Außenschichten des Silos während der Lagerung Zeitraum und erhöhte die aerobe Stabilität von Maissilage. Die praktischen Auswirkungen dieser Erkenntnisse bestehen darin, dass weniger Arbeit erforderlich ist, um ungenießbares Material zu entsorgen, und dass das Risiko verringert wird, versehentlich verdorbene Silage in die Ernährung der Tiere aufzunehmen. Bei Ballen sind mit der OB-Stretchfolie möglicherweise weniger Wickellagen und ein geringeres Foliengewicht erforderlich als mit der Standardfolie, und der Prozess des Wickelns der Ballen kann beschleunigt werden.

Eine bedeutende Entwicklung in den frühen 1970er Jahren war ein besseres Verständnis der wichtigsten chemischen Komponenten der Ernte, die das Ausmaß und das Muster des Silagegärungsprozesses beeinflussen. Weissbach und Kollegen in Deutschland zeigten die Bedeutung von TS, WSC und Pufferkapazität (BC) bei der Bestimmung des Fermentationsmusters und des minimalen TS, der erforderlich ist, um eine stabile, von Milchsäure dominierte Fermentation zu erreichen (Abbildung 2). Gleichzeitig beschrieben McDonald und Mitarbeiter die Energieveränderungen bei der Silierung und zeigten, dass die Energieverluste geringer waren als die von DM, insbesondere bei heterolaktischen und Hefefermentationen von Glukose sowie bei der clostridialen Fermentation von Glukose und Laktat. Dadurch ist die Bruttoenergie der extensiv vergorenen Silage etwa 10 % höher als die der ursprünglichen Ernte bei der Ernte, da die Endprodukte im Vergleich zu den Substraten chemisch reduziert sind (McDonald et al., 1973).

Die Bedeutung des Wachstums unerwünschter Mikroorganismen wie Clostridien in Nasssilage war seit Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt (Watson und Nash, 1960), und bis heute ist die Produktion von Silage in einigen Regionen Europas entweder verboten oder wird davon abgeraten aufgrund der Gefahr des „Spätblasens“ von Käse, der aus Milch hergestellt wird, die mit Clostridiensporen kontaminiert ist (Wilkinson und Toivonen, 2003). Untersuchungen in den 1960er Jahren zu den Faktoren, die das Muster der Silagegärung beeinflussen, zeigten den erheblichen Verlust an Nährwert, der mit dem Wachstum von Clostridien in der Silage einhergeht, was sich in verringerten Anteilen der gesamten Fermentationssäuren wie Milchsäure und erhöhten Anteilen an Essigsäure und Ammoniak-N insgesamt widerspiegelt N (Wilkins et al., 1971). Die Unterdrückung des Clostridienwachstums in Kulturen mit niedrigem TS und niedrigem WSC kann durch eine Reihe technologischer Eingriffe erreicht werden, einschließlich Welken, Zerkleinern und Zugabe von Säure (siehe oben) oder homofermentativen Milchsäurebakterien (Übersicht von Woolford, 1984; McDonald et al. , 1991; Pahlow et al., 2003 und Kung et al., 2003).

Die Wahrscheinlichkeit der Wirksamkeit einer mikrobiellen Impfung hängt von der Säuretoleranz der Art oder des Stamms und der Anzahl der pro Gramm Ernte zugesetzten bakteriellen koloniebildenden Einheiten ab (Pitt und Leibensperger, 1987). Heron et al. (1988) fanden heraus, dass die Zugabe von 104 Organismen g-1 nicht ausreichte, um die Fermentationsqualität von Weidelgras zu verbessern, wohingegen 106 g-1 ausreichend waren. Auch Milchsäurebakterienstämme beeinflussen wahrscheinlich die Wahrscheinlichkeit einer positiven Wirkung auf die Fermentation (Woolford und Sawczyc, 1984; Weinberg und Muck, 1996), insbesondere wenn die Bakterienstämme die Fähigkeit haben, zellwandabbauende Enzyme zu produzieren, wie z Ferulatesterase (Dupon et al., 2012).

Untersuchungen in Deutschland ergaben, dass Silagen mit Konzentrationen an undissoziierter Essigsäure von mehr als 8 g kg-1 FG an der Luft stabil waren, während Silagen mit Konzentrationen unter 3 g kg-1 FG an der Luft instabil waren (Wolthusen et al., 1989). Daher sollte die Erhöhung der Essigsäurekonzentration die Probleme des Erhitzens und Formens der Silage während der Futterausbringung verringern. Driehuis et al. (1999) und Driehuis und Oude Elferink (1999) berichteten über eine verbesserte aerobe Stabilität nach der Beimpfung von Maissilage mit L. buchneri, das aus wasserlöslichen Kohlenhydraten und Milchsäure Essigsäure und 1,2-Propandiol produziert. Dasselbe Team identifizierte später einen neuen Stamm, L. diolivorans, der 1,2-Propandiol zu 1-Propanol und Propionsäure abbaut und möglicherweise die aerobe Stabilität der Silage weiter verbessert, wenn sie in der Silage vorhanden ist (Krooneman et al., 2002). Acetobacter pasteurianus hat möglicherweise auch das Potenzial, die aerobe Stabilität von Silage zu verbessern (Nishino et al., 1999), obwohl dieselbe Art in späteren Arbeiten an der Auslösung der aeroben Verschlechterung beteiligt war (Dolci et al., 2011). Die jüngsten Entwicklungen konzentrierten sich auf die qualitative Identifizierung mikrobieller Stämme und Arten, von denen einige bisher unbekannt waren, durch DNA-Analyse (Übersicht von Muck, 2012), was eine weitere Aufklärung der Beziehungen zwischen Stämmen, Arten, Gemeinschaften, der chemischen Zusammensetzung und dem Nährwert konservierter Futtermittel verspricht.

Es wurden auch Impfstoffe für Heu entwickelt, von denen einige auf Lactobacillus buchneri (Baah et al., 2005) und andere auf Bacillus pumilus basieren, einem Organismus, der in relativ geringen Konzentrationen des verfügbaren Wassers (aw) wachsen und konkurrieren kann mit schädlichen Mikroorganismen (Mahanna, 1994). Allerdings gibt es relativ wenige unabhängige Forschungsinformationen, die die Wirksamkeit von Impfprodukten belegen, wenn sie auf Heuballen mit einem Frischgewicht von weniger als 800 g DM/kg-1 angewendet werden (Department of Environment and Primary Industries, 2009; Kung, 2014).

Die Entwicklung von Schimmelpilzen stellt eine besondere Gefahr dar, da in der Luft befindliche Sporen sowohl bei Nutztieren, insbesondere Pferden, als auch beim Menschen Allergien und Atembeschwerden auslösen können (Robinson et al., 1996). Mykotoxine können die Leistung, die Anfälligkeit für Infektionskrankheiten und die Fruchtbarkeit von Milchkühen beeinträchtigen (Fink-Gremmels, 2008; Hofve, 2014) und einige, insbesondere Aflatoxin B1, stellen ein Risiko für die Lebensmittelsicherheit dar (Driehuis, 2012). Nachteilige Auswirkungen von Mykotoxinen in Rationen auf die Pansenfunktion, den Immunstatus und die Milchleistung können durch die Aufnahme eines Mykotoxin-Deaktivatorprodukts in die Ernährung von Milchkühen gemildert werden (Kiothong et al., 2012).

Der ultimative Test für den erfolgreichen Erhalt von Nährstoffen in Heu oder Silage ist das Tier. Demarquily und Dulphy (1977) überprüften umfassend frühere Arbeiten, die Vergleiche zwischen Silage und dem entsprechenden Frischfutter oder zwischen Silage und feldgetrocknetem Heu aus derselben ursprünglichen Ernte beinhalteten. Sie gaben an, dass sowohl die Intensität (Ausmaß) der Gärung als auch ihr Verlauf die Aufnahme und Verwertung von Silage beeinflussten; Damit Silage in ähnlichen Mengen wie das entsprechende Frischfutter verzehrt werden kann, muss sie folgende Eigenschaften aufweisen: NH3-N ≤ 50 g kg-1 Gesamt-N, Essigsäure ≤ 25 g kg-1 TM und andere flüchtige Säuren ca. null. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Proteinabbau während der Silierung die Leistung von Tieren mit hohem Proteinbedarf einschränken könnte, wie Clancy et al. (1977) fanden auch im Vergleich verschiedener Konservierungsmethoden heraus.

Thomas et al. (1968) berichteten, dass die verdauliche Energiekonzentration von Silage zwar 1,24-mal so hoch war wie die von Heu aus demselben Kops, obwohl die Aufnahme von Trockenfutter als Heu höher war als die von Silage aus denselben Feldfrüchten, was eine höhere Effizienz bei der Umwandlung von konserviertem Futter in Gewicht erklärt Gewinn oder Milchproduktion. Wilkinson (1980) zeigte, dass der relative ME-Ertrag pro Einheit frischer Ernte bei Silage aufgrund des geringeren Verlusts an verdaulicher Energie während der Konservierung höher war als bei Heu. Der Ersatzeffekt (oder Krafteinsparung) von Silage nimmt mit dem Silageaufnahmepotenzial zu (Wilkins, 1974; Huhtanen et al., 2008), was eine erhöhte Verdaulichkeit und ME-Konzentration widerspiegelt (Flynn und Wilson; 1978; Steen und Agnew, 1995; Keady und Hanrahan, 2013) und verbesserte Fermentationsqualität (Demarquily und Dulphy, 1977; Steen, 1991; Moran und Owen, 1994; Patterson et al., 1996), verstärkt durch eine gute Silageherstellungstechnik (Aston et al., 1994).

Der Abbau von Protein zu wasserlöslichen stickstoffhaltigen Verbindungen, einschließlich Aminen und Ammoniak, während der Silagegärung wird als häufig verantwortlicher Faktor für die verringerte Effizienz der Stickstoffverwertung bei Tieren angesehen, die Silagefutter im Vergleich zu frischem Erntegut oder getrocknetem Material erhalten (Wilkins, 1974). Dies wird auf eine geringere mikrobielle Proteinsynthese im Pansen zurückgeführt (Übersicht von McDonald et al., 1991). Einige mögliche Gründe, einschließlich der Asynchronität der Energiefreisetzung und der N-Solubilisierung von N, wurden von Huhtanen et al. vorgeschlagen. (2012). Die Ergänzung von Silage mit zusätzlichem Protein hat zu Produktionsreaktionen geführt, und es gibt Belege dafür, dass Histidin neben Lysin und Methionin eine limitierende Aminosäure für die Milchproduktion ist (Shingfield et al., 2003; Hristov et al., 2012). Davies et al. (1997) fanden heraus, dass eine hohe anfängliche WSC-Konzentration in Gräsern und beim Beimpfen zu Silage mit verbesserter Proteinqualität führte, was durch einen höheren Anteil des Blattproteins Ribulose-1,5-Biphosphat-Carboxylase (RUBISCO) angezeigt wird als in Silage, die aus Kräutern mit niedrigem WSC hergestellt wurde , ohne Zusatz oder mit Ameisensäure. Kräuter mit niedrigem WSC wurden einer heterofermentativen Fermentation unterzogen, was darauf hindeutet, dass dieser Weg zu einer verstärkten Proteolyse führt.

Die Beimpfung von Nutzpflanzen mit homofermentativen Stämmen von Milchsäurebakterien zum Zeitpunkt der Ernte ist seit den frühen 1980er Jahren in Nordamerika (Bolsen und Heidker, 1985) und seit den späten 1990er Jahren in Europa (Wilkinson und Toivonen, 2003). Metaanalysen der Tierreaktionen auf die Silageimpfung haben jedoch zu zweideutigen Schlussfolgerungen geführt (Kung und Muck, 1997). Mögliche Gründe für Misserfolge sind die Konkurrenz durch epiphytische Mikroflora, unzureichendes fermentierbares Substrat, geringe Wasseraktivität und übermäßiger Sauerstoff (Kung et al., 2003). Es ist auch wichtig, eine größere Anzahl homofermentativer Milchsäurebakterien als die natürliche (epiphytische) Bakterienpopulation hinzuzufügen, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Beimpfung die Fermentation dominiert. Modellierungsarbeiten zeigten, dass eine 10-fache Steigerung erforderlich war (Pitt und Liebensperger, 1987). Die angestrebte Zugabemenge sollte 106 koloniebildende Einheiten pro Gramm frischer Ernte betragen (Heron, 1996; Wilkinson, 2005).

Die Notwendigkeit, die Treibhausgasemissionen (THG) der Viehhaltung und Nebenbetriebe zu reduzieren, ist allgemein anerkannt (Gill et al., 2009). Obwohl die Hauptquelle der Treibhausgasemissionen Methan aus enterischen Fermentationen ist (Opio et al., 2013), sollte der Einsatz von Primärenergie in Tierproduktionssystemen, die stark auf Mechanisierung basieren (z. B. Silage), nach Möglichkeit reduziert werden. Die Energiebilanz der Silageherstellung ist in Tabelle 3 für drei verschiedene Kulturen dargestellt. Primärenergie, hauptsächlich nicht erneuerbare Energie, die bei der Herstellung von Düngemitteln verwendet wird, macht fast 60 % des Gesamtenergieverbrauchs bei Grassilage aus. In dieser Analyse lieferte Maissilage, die mit reduziertem Dünger- und Tiermistanbau angebaut wurde, den höchsten ME-Ausstoß pro Energieeinheit, wobei Luzerne und Gras ähnliche Verhältnisse von ME-Ausstoß zum Energieeintrag aufwiesen. Treibhausgasemissionen können durch Reduzierung der Düngemittelmenge N reduziert werden auf Gras angewendet, durch den Anbau alternativer Futtermittel wie Luzerne und auch durch die Reduzierung des Treibhauspotenzials anderer Inputs wie Polyethylenfolie. Beispielsweise haben Wheelton et al. (2014) zeigten, dass die Verwendung von OB-Folien im Vergleich zu Standard-Polyethylenfolien mit einer Reduzierung des Treibhauspotenzials um 82 % verbunden war.

Das Problem der geringen Stickstoffnutzungseffizienz (NUE, N in tierischen Produkten im Verhältnis zur gesamten N-Aufnahme) bei Nutztieren, die eine futterbasierte Ernährung erhalten, erregt weltweit Aufmerksamkeit. Die N-Ausscheidung steht in direktem Zusammenhang mit der gesamten N-Aufnahme (Dewhurst, 2006; Mills, et al., 2008) und die Arbeit zur Verringerung der N-Ausscheidung im Mist konzentriert sich auf das Ausmaß, in dem die gesamte N-Aufnahme reduziert werden kann, ohne gleichzeitig die Tierzahl zu reduzieren Leistung. Eine detaillierte Studie mit Milchkühen zur Reduzierung der Methan- und N-Ausscheidung durch Manipulation der Futterquelle und der Futter-CP-Konzentration zeigte, dass die Methanemission pro kg Milch bei einer auf Maissilage basierenden Ernährung geringer war als bei einer auf Grassilage basierenden Ernährung. Eine Reduzierung der CP-Konzentration in der Nahrung von 180 auf 140 g/kg DM-1 erhöhte die NUE, obwohl die Milchleistung ebenfalls leicht zurückging (Reynolds et al., 2010). Die stärkere Aufnahme von N aus Tierdüngern und Stickstoffrückständen im Boden wird ein Schwerpunkt künftiger Forschungen zu Nutzpflanzen sein, die in Verbindung mit Mais und Vollkorngetreide angebaut werden, entweder als Winterbegrünung oder als Zweitfrucht auf Doppelanbauflächen in wärmeren Regionen .

Einige Silagen sind an der Luft sehr instabil und können sich in weniger als 24 Stunden an der Luft verschlechtern (Danner et al., 2003). Die Inokulation von Nutzpflanzen mit homofermentativen Milchsäurebakterien kann die aerobe Stabilität verringern (Weinberg et al., 1993; Danner et al., 2003). Wilkinson und Davies (2012) betonten die Bedeutung des aeroben Verfalls von Silage im Hinblick auf Gefahren für die Tiergesundheit, beispielsweise durch die Entwicklung von Mykotoxinen und bakteriellen Endotoxinen in verdorbener Silage. Muller (2012) betonte die Bedeutung einer guten Hygienequalität bei der Silageproduktion für Pferde und betonte die Herausforderung, die Hygienequalität mit verbesserter Genauigkeit zu beschreiben.

Die Bedeutung des aeroben Verfalls von konserviertem Futter im Hinblick auf die Auswirkungen auf das Tier wird derzeit geklärt, obwohl die spezifischen ernährungshemmenden Faktoren noch vollständig beschrieben werden müssen. Untersuchungen in Deutschland zeigten eine durchschnittliche Reduzierung der TM-Aufnahme um 57 % bei acht Maissilagen, die sich in TM, Häcksellänge und -dichte unterschieden und 8 Tage lang der Luft ausgesetzt waren, bevor sie in einem Präferenzversuch den Ziegen angeboten wurden (Gerlach et al., 2013). In diesem Versuch blieb die Temperatur der Silagen während der ersten 48 Stunden an der Luft stabil. Die durchschnittliche Zusammensetzung und Aufnahme der Silagen, die 0, 4 und 8 Tage lang der Luft ausgesetzt waren, sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Die Trockensubstanzkonzentration, der pH-Wert und die Anzahl der Hefen, Schimmelpilze und aeroben mesophilen Bakterien nahmen während der Luftexposition zu, während die Konzentrationen der Fermentationsprodukte abnahmen, wobei die größten Veränderungen zwischen 4 und 8 Tagen der Exposition auftraten. Der kumulierte Anstieg der Silagetemperatur über die Umgebungstemperatur während der Luftexposition war der beste Prädiktor für die Aufnahme. Vergleichbare Arbeiten mit Lolium multiflorum-Silagen ergaben ebenfalls eine mittlere Verringerung der TM-Aufnahme um 0,50 nach 8-tägiger Luftexposition. Im Gegensatz zur Arbeit mit siliertem Mais gab es jedoch während der 8-tägigen aeroben Expositionsperiode kaum Veränderungen in der Temperatur, der chemischen Zusammensetzung oder der mikrobiellen Zusammensetzung, was darauf hindeutet, dass sich kleine und bisher unentdeckte Veränderungen in der chemischen oder mikrobiellen Zusammensetzung während der Luftexposition der Silage auswirken Tierpräferenz und DM-Aufnahme (Gerlach et al., 2014).

Die Verwendung von L. buchneri als Silageimpfstoff zur Verbesserung der aeroben Stabilität der Silage wurde mit der Begründung kritisiert, dass seine Fermentation im Vergleich zur Zugabe homofermentativer Bakterien wie L. plantarum ineffizient sei (Wilkinson und Davies, 2012). Kleinschmitt et al. (2013) berichteten, dass zwar erhöhte Zugaben von L. buchneri zu Maissilage sich in einer verbesserten aeroben Stabilität von Maissilage widerspiegelten, Aufnahme und Milchleistung jedoch nicht verbessert wurden (Tabelle 5). Die Auswirkungen wurden in Übereinstimmung mit Eisner et al. (2006) auf erhöhte Essigsäurekonzentrationen in der Silage zurückgeführt; allerdings fanden Gerlach et al. (2014) einen positiven Zusammenhang zwischen der Essigsäurekonzentration und der Aufnahme von Grassilage durch Ziegen. Möglicherweise liegt in der Silage eine kritische Essigsäurekonzentration vor, die darüber entscheidet, ob das Tier das Material aufgrund des Geruchs oder Geschmacks diskriminieren kann oder nicht. Zu diesem Thema sind weitere Arbeiten erforderlich.

Der Trend zu einer kontinuierlicheren Haltung der Nutztiere und einer gesteigerten Produktion von Biogas aus Silage wird die Nachfrage nach einer ganzjährigen Bereitstellung von qualitativ hochwertigem, konserviertem Futter erhöhen. Da die Anzahl der Tiere pro Betrieb zunimmt, ist eine größere Silokapazität erforderlich. Viele Silos auf Viehställen wurden vor mehreren Jahrzehnten gebaut und sind heute zu klein. Statt in neue Strukturen zu investieren, werden alte Silos überfüllt. Das Problem der Silosicherheit wurde hervorgehoben, mit besonderem Schwerpunkt auf der Gefahr von Verletzungen und Todesfällen durch Lawineneinstürze an der Silozulauffläche in Silos mit einer Absetzhöhe von mehr als 3 Metern (Bolsen und Bolsen, 2013).

Bei der Biogasproduktion werden zunehmend Silagemengen eingesetzt. Weissbach (2009) stellte fest, dass die Gasausbeute mit der verdaulichen (dh fermentierbaren) organischen Substanz (FOM) zusammenhängt, die wiederum anhand der Konzentrationen von Asche und sauren Waschmittelfasern vorhergesagt werden konnte. Bei den meisten Kulturpflanzen betrug der potenzielle Biogasertrag 800 Liter kg FOM-1 und der Methanertrag 420 Liter kg FOM-1. Amon et al. (2004, 2007) fanden heraus, dass die Silierung den spezifischen Methanertrag (Liter CH4 pro kg flüchtiger Feststoffe) von Vollmais im Vergleich zur Verwendung von nicht siliertem (d. h. grünem) Material um 25 % erhöhte, vermutlich weil die Produkte der Silagefermentation chemisch waren reduzierte und damit geeignetere Substrate für die Nutzung durch methanogene Archaeen. Sie fanden außerdem heraus, dass mehrere phänotypische Merkmale der Maispflanze einen signifikanten Einfluss auf die Methanausbeute hatten; nämlich Rohprotein, Rohfett, Zellulose und Hemizellulose. Eine Herausforderung für die Zukunft besteht darin, den Methanertrag durch Inline-Analyse der Rohstoffzusammensetzung zu verbessern, indem detaillierte Bewertungen der Faktoren im Silierprozess vorgenommen werden, die sich erheblich auf die Methanogenese auswirken, und indem Sorten mit höheren Konzentrationen an vergärbarem Substrat gezüchtet werden. Neue essbare Dichtstoffe für Silos.

Die Entwicklung eines effektiven Materials zur Abdeckung von Silos, das auch von Nutztieren gefressen werden kann, muss noch erreicht werden. Berger und Bolsen (2006) beschrieben Kriterien für eine essbare Versiegelung und Experimente mit einer gelatinierten Stärke/Salz-Matrix. Allerdings war die Herstellung des Materials kostspielig und erforderte einen schützenden Wachsfilm, um das Eindringen von Wasser durch Risse in der Matrix zu verhindern. Ähnliche Ergebnisse wurden in deutschen Arbeiten mit einer komplexen sprühbaren Mischung potenziell essbarer Verbindungen erzielt (Uhl et al., 2011). Natriumacrylat könnte ein potenzieller Bestandteil eines essbaren Silodichtmittels sein, da es i) antimikrobiell ist (Woolford, 1978), wahrscheinlich aufgrund seiner Fähigkeit, das 300-fache seines Gewichts an Wasser zu absorbieren und somit die aw zu reduzieren (Gelfand, 2014); ii) schränkt die Fermentation ein und iii) verbessert die aerobe Stabilität von Maissilage (Wilson et al., 1979). Bei Zugabe von 2 kg Wirkstoff pro Tonne frischer Ernte ergab Natriumacrylat Silagen mit einem ähnlichen Nährwert wie solche, die mit Zusatz von Ameisensäure hergestellt wurden (Wilkinson et al., 1979). Das Potenzial von Natriumacrylat als essbares Dichtungsmittel für Silos sollte bewertet werden.

In den letzten 50 Jahren wurden beträchtliche technologische Fortschritte bei der Verbesserung der Futterkonservierung erzielt, es muss jedoch noch mehr getan werden, um die Umweltbelastung zu verringern und die Effizienz der Futterverwendung sowohl bei lebenden Tieren als auch bei mechanischen Fermentern zu steigern. Die Forschung zur Verbesserung der Effizienz der Futterkonservierung vom Feld bis zum Kot ist kostspielig. Angesichts der weltweiten Bedeutung von Silage, der zunehmenden Größe von Viehbeständen, der wachsenden Weltbevölkerung und der Notwendigkeit, die globale Ernährungssicherheit zu gewährleisten, ist es enttäuschend, dass die Kapazität für multidisziplinäre Forschung zu Futterpflanzen, die als Nahrungsquellen nicht mit der menschlichen Bevölkerung konkurrieren, nicht ausreicht , ist mit der Schließung mehrerer großer landwirtschaftlicher Forschungseinrichtungen in Europa in den letzten zwei Jahrzehnten zurückgegangen. Investitionen in die Futterschutzforschung bringen langfristigen Nutzen für viele Bereiche der Gesellschaft, insbesondere wenn sie sowohl von öffentlichen als auch von privaten Organisationen gesponsert werden. Die vielleicht größte Herausforderung für die Zukunft besteht darin, ausreichend politischen Willen zu schaffen, um nachhaltige zukünftige Investitionen in Forschung und Entwicklung im Futterschutz sicherzustellen.