Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

The bacterium Lactobacillus reuteri, which natural habitat is in the intestine of mammals and birds, uses glycerol as a substrate for production of the antimicrobial compound reuterin. Glycerol has been shown to decrease the number of Escherichia coli in human feces and it is believed to be due to in situ production of reuterin. E. coli belongs to the large family of Enterobacteriaceae, naturally occurring in the intestine, and pathogenic strains of E. coli have been shown to be one of several bacteria causing diarrhoea in calves. Consequences of diarrhoea are dehydration and energy deficiency and without treatment, i.e. addition of oral rehydration solution (ORS), the situation can be life threatening for the calf. Besides the nutritional value of glycerol, it has been shown that glycerol can maintain the fluid balance in humans, rats and steers. There seems to be no studies done concerning ORS containing glycerol given to calves.

One aim of the present study was to investigate if glycerol, by stimulating the formation of the substance reuterin and thus decreasing the amount of Enterobacteriaceae in calf feces, has a positive effect on the intestinal flora in healthy young calves compared to glucose and water. Secondly, the aim was to evaluate if glycerol can contribute to maintenance of the fluid balance. Furthermore the aim was to investigate if glycerol supplementation may ameliorate effects on metabolism of 24 h feed and fluid deprivation.

Twenty dairy calves of the Swedish Red Breed, one to three weeks old at the start of the experiment were used. The calves were randomly divided to one of three oral supplementations: glycerol (0.67 g glycerol/kg BW and 0.33 g glucose/kg BW) (n=8), glucose (1g glucose/kg BW) (n=8) and control (without addition of ORS) (n=4). The calves were provided with 400 ml of ORS twice a day during the adaptation period, day 1 to 11. Day 11 to 12, the calves were deprived of feed, milk and water for 24 h accepts for 800 ml ORS at 16.00 hr day 11 and 08.00 hr day 12. Blood and feces samples were collected 2 to 3 days before the start of the treatment (day 0) and after 11 days of treatment (day 11). Further, blood samples were collected after the 24 h long deprivation period (day 12). The blood was analyzed for packed cell volume (PCV), total plasma protein (TPP), plasma osmolality and plasma concentration of glycerol, glucose and insulin. The feces were analyzed for the concentration of short-chain fatty acids, lactate and 1,3-propandediol using a HPLC assay, and bacterial quantification of lactobacilli and enterobacteria was determined by plate counts. Detection of reuterin producing lactobacilli and E. coli and determination of 16S rRNA gene sequences of Lactobacillus isolates were also performed.

The PCV, concentration of TPP in plasma and osmolality increased from day 11 to 12 for all treatments, however, no differences among treatments were found within or between days. The effect of treatment showed that calves provided with ORS containing glycerol had higher values for plasma osmolality and a tendency to lower amount of PCV in blood, compared to the other treatments. The concentration of glycerol in plasma was shown to be higher for calves provided ORS with glycerol day 11 and 12 compared to calves treated with glucose and control calves. The concentration of glucose in plasma increased from day 11 to 12 in calves provided ORS with either glycerol or glucose whereas the glucose concentration in plasma tended to decrease in control calves. The insulin concentration in plasma increased from day 11 to 12 in calves treated with glucose. The concentration of short-chain fatty acids, lactate and 1,3-propandediol in feces remained unchanged irrespective treatment and day. The number of Lactobacillus and Enterobacteriaceae in feces was not affected by treatment. The number of Enterobacteriaceae decreased from day 0 to 11, whereas the number of Lactobacillus remained unchanged. L. reuteri and E. coli was detected in feces regardless of treatment both day 0 and 11.

It can be concluded that ORS containing a mixture of glycerol/glucose can maintain the fluid balance in calves in greater extent as ORS containing glucose. Calves receiving pure glucose ORS were markedly hyperglycemic and hyperinsulinemic, whereas calves receiving ORS containing a mixture of glycerol/glucose did not develop hyperglycemia and insulin fluctuated less. ORS containing a mixture of glycerol/glucose was shown to not change the amount of lactobacilli and E. coli in these healthy young calves. Probably glycerol was efficiently absorbed in the small intestine and thereby not available for the intestinal microbiota. Further studies are needed to determine whether glycerol, alone and not in a mixture with glucose, possesses health promoting properties in calves. It is also suggested that further studies focus on the effect of glycerol on either fluid balance or intestinal flora in calves.

Bakterien Lactobacillus reuteri, vars naturliga habitat är i mag-tarmkanalen hos människor, djur och fåglar, använder glycerol som substrat för framställning av den antimikrobiella substansen reuterin. Glycerol har visat sig minska mängden Escherichia coli i avföring hos människa och det tros bero en in situ produktion av reuterin. E.coli tillhör den stora familjen Enterobacteriaceae och är naturligt förekommande i tarmen. Patogena arter av E.coli har visat sig vara en av flera bakterier som orsakar diarré hos kalv. Diarré följs av dehydrering och energibrist och som utan behandling med vätskeersättning, kan vara livshotande. Förutom glycerols höga energivärde har glycerol egenskaper som visat sig upprätthålla vätskebalansen hos människor, råttor och stutar. Det verkar dock inte finnas några studier gjorda med fokus på vätskeersättningar innehållandes glycerol till kalvar.

Syftet med studien var att undersöka om glycerol, genom att stimulera produktionen av reuterin och därmed minska mängden Enterobacteriaceae i kalvträck, har en positiv effekt på tarmfloran hos friska kalvar jämfört med glukos och utan tillförsel av vätskeersättning (kontroll). Vidare var syftet att undersöka om glycerol kan upprätthålla plasmavolymen samt att undersöka skillnader i plasma metaboliter t.ex. glukos och insulin, hos kalvar vilka varit undanhållna mjölk, foder och vatten under 24 timmar.

Tjugo kalvar av rasen Svensk Rödbrokig Boskap i åldern 1 till 3 veckor vid försökets start användes i försöket. Kalvarna delades slumpmässigt till en av tre vätskebehandlingsgrupper: glukos (1 g glukos/kg kroppsvikt) (n=8), glycerol (0.67 g glycerol/kg kroppsvikt och 0.33 g glukos/kg kroppsvikt) (n=8), kontroll (ingen vätskeersättning) (n=4). Kalvarna tilldelades 400 ml kroppstempererad vätskelösning två gånger dagligen under tillvänjningsperioden, dag 1 till 11. Dag 11 till 12, undanhölls kalvarna mjölk, foder och vatten under 24 timmar och tilldelades endast 800 ml kroppstempererad vätskelösning, 16.00 dag 11 och 08.00 dag 12. Blod- och träckprover samlades in 2-3 dagar innan försökets start (dag 0) samt efter 11 dagars behandling (dag 11). Ytterligare blodprover samlades in efter ett dygns svält (dag 12). Blodet analyserades för hämatokrit, totalt plasmaprotein, osmolalitet, plasmakoncentration av glycerol, glukos och insulin. Avföringen analyserades för koncentrationen av kortkedjiga fettsyror, laktat och 1, 3-propandediol med hjälp av HPLC-analys, och mängden laktobaciller och enterobakterier bestämdes genom platträkning. Detektion av reuterin och E.coli samt fastställande av 16S rRNA gensekvensen av Lactobacillus genomfördes.

Resultaten visade att hämtokrit, koncentration av totala plasmaproteiner och plasma osmolaliteten ökade från dag 11 till 12. Hämatokrit, koncentrationen av totala plasmaproteiner och plasma osmolaliteten skiljde sig inte mellan behandlingsgrupperna inom eller mellan dagar. Plasmakoncentrationen av glycerol visade sig vara högre för kalvar behandlade med vätskeersättning innehållandes glycerol dag 11 och 12 jämfört med kalvar som behandlats med glukos eller kontroll kalvar. Koncentrationen av glukos i plasma ökade från dag 11 till 12 hos kalvar behandlade med vätskeersättning innehållandes glukos och glycerol medan glukoskoncentration i plasma tenderade att minska hos kontroll kalvar. Koncentrationen av insulin i plasma ökade från dag 11 till 12 hos kalvar som behandlats med glukos. Koncentrationen av kortkedjiga fettsyror, laktat och 1, 3-propandediol i träcken skiljde sig inte mellan behandlingarna varken inom eller mellan dagar. Mängden Lactobacillus och Enterobacteriaceae påverkades inte av behandling. Mängden av Enterobacteriaceae minskade från dag 0 till 11, medan mängden av Lactobacillus var oförändrad. Lactobacillus reuteri och E. coli återfanns i träcken från alla behandlingsgrupper både dag 0 och 11.

Det kan konstateras att vätskeersättning innehållandes en blandning av glycerol och glukos kan upprätthålla vätskebalansen i större utsträckning än vätskeersättning innehållandes glukos. Kalvar som fick vätskeersättning innehållandes glukos var hyperglykemiska och uppvisade höga nivåer av insulin medan kalvar som fått vätskeersättning innehållandes en blandning av glycerol och glukos inte var hyperglykemiska och koncentrationen av insulin i plasma fluktuerade mindre. Vätskeersättning innehållandes en blandning av glycerol och glukos inte kan förbättra tarmfloran hos unga kalvar och det bero förmodligen på att glycerol effektivt absorberades i tunntarmen och därmed inte blev tillgängligt för tarmens mikroorganismer. Ytterligare studier behövs för att avgöra om glycerol, som enda komponent, har hälsofrämjande egenskaper hos kalvar. Framtida studier bör fokusera på effekten av glycerol på antingen vätskebalans eller tarmfloran hos kalvar.