Combining 3-nitrooxypropanol with different feed additives on growth performance, carcass traits, meat quality, enteric methane emissions, and muscle proteomic profile of beef cattle in a high-concentrate finishing diet in feedlot

Abstract

A demanda por proteína vermelha tem crescido continuamente devido ao aumento populacional, gerando uma pressão constante sobre o setor agropecuário para produzir de forma mais eficiente. No entanto, essa necessidade de expansão na produção é acompanhada pela exigência de reduzir os impactos ambientais associados à produção animal, especialmente em relação às emissões de gases de efeito estufa, como o metano (CH4) entérico proveniente dos ruminantes. Diante desse cenário, esta pesquisa teve como objetivo combinar um potente inibidor de CH4 entérico, o 3-nitrooxipropanol, com diferentes aditivos alimentares, incluindo monensina sódica e um pacote composto por óleo essencial, 25-hidroxivitamina D3 e minerais quelatados, como cromo e zinco. O estudo avaliou os efeitos dessas combinações sobre o desempenho, as características de carcaça, as emissões de CH4 entérico, a resposta fisiológica e o perfil proteômico muscular de bovinos de corte da raça Nelore em confinamento, alimentados com uma dieta de terminação de alto teor de concentrado. A pesquisa foi realizada em dois experimentos simultâneos. No Experimento 1, utilizaram-se cento e sessenta e oito bois da raça Nelore, não castrados, com peso corporal inicial em jejum de 410 ± 8 kg e 16 meses de idade. Esses animais foram alocados em 24 baias, com 7 bois por baia, totalizando 8 baias por tratamento, em delineamento de blocos casualizados, onde foram avaliados o desempenho e a qualidade da carne. No Experimento 2, foram utilizados trinta bois da raça Nelore, também não castrados, com peso corporal inicial em jejum de 410 ± 3 kg e 16 meses de idade. Esses animais foram alocados em uma baia coletiva equipada com 6 cochos eletrônicos e uma unidade de Greenfeed, sendo 10 bois por tratamento em delineamento inteiramente casualizado. Neste experimento, foram avaliados desempenho, características de carcaça, emissão de CH4 e hidrogênio entérico, parâmetros sanguíneos, consumo e digestibilidade de nutrientes, além de análise proteômica shotgun do músculo. Os Experimentos 1 e 2 receberam os mesmos tratamentos e permaneceram sob experimentação por 102 dias, em uma dieta com uma relação de volumoso e concentrado de 10:90, acrescida de três diferentes tratamentos: Controle (CTL) (monensina sódica em 26 mg/kg de matéria seca - MS), M3NOP (monensina sódica em 26 mg/kg de MS e 3-nitrooxipropanol em 100 mg/kg de MS) e Combo (3-nitrooxipropanol em 100 mg/kg de MS, óleo essencial em 100 mg/kg de MS, 25-hidroxivitamina D3 em 0,10 mg/kg de MS, cromo quelatado em 4 mg/kg de MS e zinco quelatado em 60 mg/kg de MS). Todos os dados foram analisados com o auxílio do software SAS 9.4, utilizando o teste de Tukey, exceto os dados proteômicos, que foram analisados com o software R, com apoio de websites como UniProt (https://www.uniprot.org/) e STRING (https://string-db.org/). Foi considerado um nível de significância de 5%. No experimento 1, os bois do tratamento Combo apresentaram maior (P<0,01) consumo de matéria seca (CMS) no dia 28 em comparação ao CTL e M3NOP. Durante os dias 0 a 102, os bois do tratamento Combo tiveram maior (P≤0,03) peso corporal final e ganho médio diário (GMD) em comparação ao CTL. Os bois dos tratamentos Combo e M3NOP apresentaram melhor (P<0,01) conversão alimentar (CA) e eficiência alimentar (EA) em comparação ao CTL. O peso de carcaça quente (PCQ), o GMD de carcaça e o rendimento de carcaça foram maiores (P≤0,05) para os bois do tratamento Combo em comparação ao CTL e M3NOP. Os bois do tratamento Combo apresentaram maior (P=0,01) rendimento de carcaça em comparação ao M3NOP. Os bois do Combo tiveram melhor (P=0,02) eficiência biológica em comparação ao CTL. Os bois do tratamento Combo apresentaram menor (P<0,01) pH da carcaça em comparação ao CTL e M3NOP. No Exp. 2, os bois no tratamento Combo tiveram maior (P=0,04) CMS no dia 28 em comparação ao CTL e maior (P<0,01) CMS no dia 102 em comparação ao CTL e M3NOP. Os bois do tratamento Combo apresentaram maior (P=0,04) PCQ em comparação ao CTL e M3NOP, e o GMD de carcaça foi maior (P=0,04) para os bois do Combo em comparação ao M3NOP. Os bois dos tratamentos Combo e M3NOP apresentaram menor (P<0,01) produção de CH4 (38,8%, g/d), rendimento (41,1%, g/kg CMS), intensidade (40,8%, g/kg GMD de carcaça) e maior (P<0,01) emissão de H2 (291%, g/d) em comparação ao CTL. Os bois do tratamento Combo apresentaram menores níveis (P<0,01) de glicose e insulina no sangue, além de maior consumo e digestibilidade de nutrientes (P≤0,05) em comparação ao CTL e M3NOP. Quanto ao perfil proteômico do músculo, foi observada uma abundância de 1.044 proteínas entre os tratamentos CTL, M3NOP e Combo, das quais 47 apresentaram diferenças significativas em abundância entre os bois do tratamento Combo e CTL, sendo que 45 proteínas foram mais abundantes no tratamento Combo, enquanto 2 foram mais abundantes no tratamento CTL. Ao comparar os bois dos tratamentos CTL e M3NOP, 41 proteínas exibiram diferenças significativas em abundância, com 18 proteínas mais abundantes no tratamento CTL e 23 no tratamento M3NOP. Nos bois dos tratamentos Combo e M3NOP, foram observadas 99 proteínas com diferenças significativas em abundância, sendo 77 mais abundantes no tratamento M3NOP e 22 no tratamento Combo. Essas proteínas promoveram a regulação positiva de diversas vias do metabolismo energético, como a glicólise, ciclo do ácido cítrico e vias de suporte, além do metabolismo antioxidante, como o metabolismo da glutationa, em comparação ao músculo dos bois dos tratamentos CTL e M3NOP, que não apresentaram diferenças em nenhuma via observada neste estudo. A combinação de 3-nitrooxipropanol com diferentes aditivos alimentares melhorou a conversão alimentar e a eficiência alimentar e reduziu as emissões de CH4 entérico, independentemente da combinação. O tratamento Combo melhorou o desempenho, as características de carcaça, o consumo e a digestibilidade de nutrientes, além de melhorar as respostas de glicose e insulina, refletindo em um metabolismo energético e antioxidante mais eficiente em bovinos de corte confinados alimentados com uma dieta de terminação com alta concentração de energia.

The demand for red meat protein has been continuously increasing due to population growth, which places constant pressure on the agricultural sector to produce more efficiently. However, this need for expanded production is accompanied by the requirement to reduce the environmental impacts associated with livestock production, particularly regarding greenhouse gas emissions, such as enteric methane (CH4) from ruminants. In this context, this study aimed to combine a potent enteric CH4 inhibitor, 3-nitrooxypropanol, with various feed additives, including monensin sodium and a blend of essential oil, 25-hydroxyvitamin D3, and chelated minerals such as chromium and zinc. The research assessed the effects of these combinations on performance, carcass traits, enteric CH4 emissions, physiological responses, and muscle proteomic profiles of feedlot-finished Nellore bulls fed a high-concentrate diet. The study was conducted in two simultaneous experiments. In Experiment 1, one hundred and sixty-eight non-castrated Nellore bulls, with an initial body weight of 410 ± 8 kg and 16 months of age, were used. These animals were allocated to 24 pens, with 7 bulls per pen, totaling 8 pens per treatment in a randomized block design, where performance and meat quality were evaluated. In Experiment 2, thirty non-castrated Nellore bulls, with an initial body weight of 410 ± 3 kg and 16 months of age, were used. These animals were housed in a collective pen equipped with 6 electronic feeders and a Greenfeed unit, with 10 bulls per treatment in a completely randomized design. In this experiment, performance, carcass traits, CH4 and hydrogen (H2) emissions, blood parameters, nutrient intake and digestibility, and shotgun proteomic analysis of muscle tissue were evaluated. Both Experiments 1 and 2 received the same treatments and remained under experimentation for 102 days, using a diet with a roughage-to-concentrate ratio of 10:90, supplemented with three different treatments: control (monensin sodium at 26 mg/kg of dry matter - DM), M3NOP (monensin sodium at 26 mg/kg DM and 3-nitrooxypropanol at 100 mg/kg DM), and Combo (3-nitrooxypropanol at 100 mg/kg DM, essential oil at 100 mg/kg DM, 25-hydroxyvitamin D3 at 0.10 mg/kg DM, chelated chromium at 4 mg/kg DM, and chelated zinc at 60 mg/kg DM). All data were analyzed using SAS 9.4 software with Tukey’s test, except for proteomic data, which were analyzed using R software, with the support of websites such as UniProt (https://www.uniprot.org/) and STRING (https://string-db.org/). A significance level of 5% was adopted. In Experiment 1, Combo bulls showed higher (P<0.01) dry matter intake (DMI) on day 28 compared to control and M3NOP. From days 0 to 102, Combo bulls had higher (P≤0.03) final body weight and average daily gain (ADG) compared to control. Combo and M3NOP bulls showed better (P<0.01) feed conversion ratio (FCR) and feed efficiency (FE) compared to control. Hot carcass weight (HCW), carcass ADG, and carcass yield were higher (P≤0.05) for Combo bulls compared to control and M3NOP. Combo bulls showed higher (P=0.01) carcass yield compared to M3NOP. Combo bulls had better (P=0.02) biological efficiency compared to control. Combo bulls also had lower (P<0.01) carcass pH compared to control and M3NOP. In Exp. 2, Combo bulls had higher (P=0.04) DMI on day 28 compared to control and higher (P<0.01) DMI on day 102 compared to control and M3NOP. Combo bulls showed higher (P=0.04) HCW compared to control and M3NOP, and carcass ADG was higher (P=0.04) for Combo bulls compared to M3NOP. Combo and M3NOP bulls showed lower (P<0.01) CH4 production (38.8%, g/d), yield (41.1%, g/kg DMI), intensity (40.8%, g/kg carcass ADG), and higher (P<0.01) H2 emissions (291%, g/d) compared to control. Combo bulls had lower (P<0.01) blood glucose and insulin levels, as well as higher nutrient intake and digestibility (P≤0.05) compared to control and M3NOP. Regarding muscle proteomic profiles, 1,044 proteins were observed across control, M3NOP, and Combo treatments, with 47 proteins showing significant differences in abundance between Combo and control bulls, where 45 proteins were more abundant in the Combo treatment, while 2 were more abundant in the control treatment. When comparing control and M3NOP bulls, 41 proteins exhibited significant differences, with 18 proteins more abundant in the control treatment and 23 in the M3NOP treatment. Between Combo and M3NOP bulls, 99 proteins showed significant differences, with 77 more abundant in the M3NOP treatment and 22 in the Combo treatment. These proteins contributed to the upregulation of several energy metabolism pathways, such as glycolysis, the citric acid cycle, and supporting pathways, as well as antioxidant metabolism, such as glutathione metabolism, compared to the muscles of control and M3NOP bulls, which showed no differences in any observed pathway in this study. The combination of 3-nitrooxypropanol with different feed additives improved feed conversion and feed efficiency and reduced enteric CH4 emissions, regardless of the combination. The Combo treatment improved performance, carcass traits, nutrient intake and digestibility, and glucose and insulin responses, reflecting a more efficient energy and antioxidant metabolism in feedlot finishing bulls fed a high-concentrate diet.