Untersuchungen zur Versorgungslage von Milchkühen mit Aluminium, Barium und Strontium

Evaluation of the aluminum, barium and strontium status in dairy cows

Aluminum, barium and strontium are accidental trace elements. They have no physiological meaning for cattle. In contrast to essential trace elements, they are neither necessary for accretion and milk production nor for preserving health. However, forage (food) contains them. Therefore, they are absorbed and metabolized along other nutrients. There is no deficiency syndrome described for accidental trace elements. However, there are intoxications depicted for humans. Similar to essential trace elements, aluminum, barium and strontium posses metabolic cycles and mass balances. For these elements there is only little published regarding cattle, 90Sr* being one exception. No cattle reference values are described for aluminum, barium and strontium. The data of this work is useful for further evaluations.

There are the following foci in this thesis:
(1) Descriptive data analysis of the aluminum, barium and strontium concentrations in serum, plasma, whole blood, urine, hair and feces
(2) Comparison of the element concentrations in different sample media
(3) Evaluation of the influence of lactation status, season (quarter), year of investigation and German state on the element concentrations
(4) Creation of reference values
(5) Comparison of concentration ratios in various sample media from accidental and essential trace elements including sulfur

The analyzed samples derive from the herd management of the Klinik für Klauentiere, Freie Universität Berlin. Therefore, randomized dairy cow herds from the newly-formed German states were chosen. Samples are pooled with a target pool size of n = 10. The pool value correspondents to the average derived from the analysis values for each single dairy cow. Each clinically healthy and multipara dairy cow is randomly chosen. They are grouped regarding lactation status (3 - 0 weeks ante partum, 0 - 1 week, 3 - 5 weeks, 15 - 18 weeks post partum; for herds < 200 cows there are different groups: 3 - 0 weeks ante partum, 0 - 5 weeks, 6 - 20 weeks post partum). 1574 serum pool samples, 1571 plasma pool samples, 1550 whole blood samples, 2019 urine pool samples, 693 hair pool samples and 79 feces pool samples were analyzed by ICP-OES (IDEXX VetMed Labor Ludwigsburg). The intra-day coefficient of variation for the concentration of the three elements in various sample media ranged from 0.7 % to 13.5 %. The inter-day coefficient of variation ranged from 0.6 % to 19.2 %. The same samples were analyzed before regarding copper, iron, zinc, selenium, manganese, molybdenum and sulfur concentrations. These analyses are part of the previously established herd management database. In this thesis they were used for the comparison of the aluminum, barium and strontium concentrations with the concentrations of essential trace elements. The statistical analyses was performed by SPSS 24 (SPSS, IBM, USA). They contain the comparison of averages by t-test for paired samples and performing of ANOVA post-hoc tests for evaluation of the effect from lactation status, year of investigation, season and German state. Furthermore, rank correlation analyses were conducted. Subsequently, reference values were estimated based on the 2.5 percentile and on the 97.5 percentile.
Aluminum, barium and strontium concentrations vary strongly in various sample media (Al serum 0 - 119 μg/l, plasma 0 - 250 μg/l, urine 0 - 148 μg/l, hair 0 - 8207 μg/kg, feces 94 - 1694 mg/kg TM; Ba serum 3.4 - 48 μg/l, plasma 11 - 95 μg/l, whole blood 7.7 - 46 μg/l, urine 22 - 642 μg/l, hair 0 - 34 mg/kg, feces 24 - 93 mg/kg TM, Sr serum 37 - 306 μg/l, plasma 38 - 333 μg/l, whole blood 28 - 245 μg/l, urine 73 - 3080 μg/l, hair 0 - 29 mg/kg, feces 48 - 236 mg/kg TM). The methodology for the determination of the aluminum concentration in whole blood seems unclear. Therefore, this concentration is not suggested for further application. The factors lactation status, season (quarter), year of investigation and German state may influence significantly the results. Nevertheless, quantitative differences are only minor. Therefore, the use of uniform reference values is suitable.
The analysis of concentration ratios in various sample media shows pronounced distribution differences for the accidental trace elements aluminum, barium and strontium in comparison to the essential trace elements and sulfur. Molybdenum behaves like an accidental trace element in accordance to its physiology. In conclusion, the absorption of the investigated accidental trace elements is probably passive and only minor. For avoiding intoxications absorbed aluminum, barium and strontium will be strongly eliminated by the kidneys.
Clinical diagnostics of the nutritive supply status for essential and accidental trace elements is performable by the evaluation of the concentration in each forage or in the total mixed feed ration (TMR). Furthermore, the analysis of feces is suitable. The analysis of the metabolic supply status for accidental trace elements is different to the one for essential trace elements since in case of accidental trace elements only intoxications are important. Therefore, the analysis of urine samples is most suitable. Additionally, the analysis of blood samples is suitable for the determination of intoxications since there is also a high aluminum, barium and strontium concentration increase. Aluminium, Barium und Strontium gehören zu den akzidentiellen Spurenelementen. Für sie ist keine physiologische Funktion für das Rind nachgewiesen. Sie sind im Unterschied zu den essentiellen Spurenelementen weder für das Erreichen einer bestimmten Leistung (Wachstum, Milchbildung) noch für den Erhalt der Gesundheit erforderlich. Da sie aber Bestandteile der Futtermittel (Nahrungsmittel) sind, werden sie gemeinsam mit anderen Nährstoffen resorbiert und metabolisiert. Es gibt keine Mangelerkrankungen, aber beim Menschen sind Intoxikationen beschrieben. Für Aluminium, Barium und Strontium lassen sich wie für essentielle Spurenelemente Stoffwechselkreisläufe und Mengenbilanzen aufstellen. Bisher finden sich zu den drei untersuchten Elementen, mit Ausnahme für das radioaktive Strontium 90Sr*, für Rinder nur sporadisch publizierte Analysenwerte, Referenzwerte sind für das Rind nicht beschrieben. Die vorgelegten Untersuchungsergebnisse sind als eine Datensammlung für weiterführende Untersuchungen einzuordnen.

Folgende Schwerpunkte wurden bearbeitet:
(1) Deskriptive Beschreibung der Elementkonzentrationen an Aluminium, Barium und Strontium in den Probenmedien Blutserum, Blutplasma, Vollblut, Urin, Haare und Kot
(2) Vergleich der Elementkonzentrationen in den verschiedenen Probenmedien
(3) Bewertung der Einflussfaktoren Laktationsstadium, Jahreszeit/Quartal, Untersuchungsjahr und Bundesland auf die Elementkonzentrationen
(4) Ableitung von Referenzwerten
(5) Vergleich der Ausprägung der Konzentrationsverhältnisse in den unterschiedlichen

Probenmedien zwischen akzidentiellen und essentiellen Spurenelementen sowie Schwefel Die analysierten Proben wurden im Rahmen der Bestandsbetreuung der Klinik für Klauentiere der Freien Universität in zufällig ausgewählten Milchkuhherden in den neuen Bundesländern gewonnen. Es wurden gepoolte Proben mit einer angestrebten Stichprobengröße von 10 Kühen pro Pool verwendet. Der Analysenwert der Poolprobe entspricht dem Mittelwert aus den Einzeltierwerten. Die Einzelkühe der Stichproben sind zufällig ausgewählte, klinisch gesunde pluripare Kühe, die der festen Zuordnung zu einem Laktationsabschnitt folgen (3 bis 0 Wochen ante partum, 0 bis 1 Woche, 3 bis 5 Wochen, 15 bis 18 Wochen post partum oder in Beständen mit weniger als 200 Milchkühe 3 bis 0 Wochen ante partum, 0 bis 5 Wochen, 6 bis 20 Wochen post partum). In die Auswertung gingen die Analysenwerte von 1574 Serumpoolproben, 1571 Plasmapoolproben, 1559 Vollblutpoolproben, 2019 Urinpoolproben, 693 Haarpoolproben und 79 Kotpoolproben ein.
Die Konzentration an Aluminium, Barium und Strontium wurden mit der ICP-OES-Technik (IDEXX VetMed Labor Ludwigsburg) gemessen. Der Intra-day-Variationskoeffizient lag für die verschiedenen Untersuchungsmedien und Elemente zwischen 0,7 bis 13,5 %, der Interday-Variationskoeffizient zwischen 0,6 und 19,2 %. Für den Vergleich mit essentiellen Spurenelementen wurden aus dem Datensatz der Bestandsbetreuung die in den gleichen Proben analysierten Konzentrationen an Kupfer, Eisen, Zink, Selen, Mangan, Molybän sowie von Schwefel entnommen. Mit dem Statistikprogramm SPSS 24 (SPSS, IBM, USA) wurden die Daten deskriptiv analysiert, Mittelwerte mit dem t-Test für gepaarte Stichproben verglichen, der Effekt der Einflussfaktoren Laktationsgruppe, Untersuchungsjahr, Jahreszeit, Bundesland mit der ANOVA mit einem anschließenden post hoc Test geprüft sowie Rangkorrelationsanalysen durchgeführt. Schließlich wurden Referenzwerte auf Basis des 2,5 und 97,5 - Perzentils berechnet.
Die Konzentrationen an Aluminium, Barium und Strontium variieren in den einbezogenen Probenmedien über eine weiten Bereich (Al Serum 0 bis 119 μg/l, Plasma 0 bis 250 μg/l, Urin 0 bis 148 μg/l, Haar 0 bis 8207 μg/kg, Kot 94 bis 1694 mg/kg TM; Ba Serum 3,4 bis 48 μg/l, Plasma 11 bis 95 μg/l, Vollblut 7,7 bis 46 μg/l, Urin 22 bis 642 μg/l, Haar 0 bis 34 mg/kg, Kot 24 bis 93 mg/kg TM; Sr Serum 37 bis 306 μg/l, Plasma 38 bis 333 μg/l, Vollblut 28 bis 245 μg/l, Urin 73 bis 3080 μg/l, Haar 0 bis 29 mg/kg, Kot 48 bis 236 mg/kg TM). Die Aluminiumkonzentration im Vollblut lässt ungeklärte methodische Unsicherheiten erkennen und kann deshalb nicht zur Anwendung empfohlen werden. Die untersuchten Einflussfaktoren Laktationsstadium, Jahreszeit/Quartal, Untersuchungsjahr und Bundesland beeinflussen die Werteausprägung zum Teil signifikant. Die Unterschiede sind allerdings überwiegend quantitativ gering ausgeprägt. Deshalb können einheitliche Referenzbereiche benutzt werden.
Die abgeleiteten Konzentrationsgradienten zwischen verschiedenen Probenmedien lassen zwischen den essentiellen Spurenelementen sowie Schwefel und den akzidentiellen Spurenelementen Aluminium, Barium und Strontium ein deutlich differentes Verteilungsmuster erkennen. Molybdän gleicht im Muster den akzidentiellen Spurenelementen, was auch seiner physiologischen Bedeutung entspricht. Das lässt darauf schließen, dass die untersuchten akzidentiellen Spurenelemente nur zu einem sehr geringen Anteil und wahrscheinlich passiv resorbiert werden und dass die resorbierte Menge zur Vermeidung einer Intoxikation zu einem hohen Anteil renal eliminiert wird. Das kann für die diagnostische Beurteilung der Versorgungslage genutzt werden.
Die Diagnostik der nutritiven Versorgungslage kann sowohl bei den essentiellen wie auch bei den akzidentiellen Spurenelementen auf Basis der Konzentrationsbestimmung in den Einzelfuttermitteln oder in der TMR (totale Mischration) sowie alternativ in Kotproben erfolgen. Die Analyse der metabolischen Versorgungslage unterscheidet sich zwischen akzidentiellen und essentiellen Spurenelementen in der Weise, dass bei den akzidentiellen Spurenelementen nur das Erkennen einer Überversorgung von Bedeutung ist. Dieses diagnostische Ziel wird am besten über die Analytik von Urinproben erreicht. Ein Intoxikationsrisiko ist bei Aluminium, Barium und Strontium mit einer starken, vielfachen Konzentrationserhöhung auch im Blut verbunden, was auch über Blutanalysen erkennbar ist.