ASC 684 VFA Metabolism 

 I. Factors affecting concentrations of VFA 

A. VFA production B. VFA absorption C. Interconversions among VFA 

1. Eg. Acetate/Butyrate II. Factors affecting proportions of VFA 

A. Forage:concentrate ratio 1. More complex than just cellulose yields more acetate, etc.  

Stoichiometric relationships for fermentation of substrates degraded in the rumen for roughage and concentrate dietsa.

60% Roughage 40% Roughage

Substrate Ac Pr Bu Vi A:P Ac Pr Bu Vi A:P

Change in A:P

(40%:60%) ----mol produced/mol substrate degraded---- ----mol produced/mol substrate degraded----

Cellulose 1.32 0.17 0.23 0.03 7.76 1.58 0.12 0.06 0.09 13.17 1.70 Hemicellulose 1.13 0.36 0.21 0.05 3.14 1.12 0.51 0.11 0.07 2.20 0.70 Protein 0.40 0.13 0.08 0.33 3.08 0.36 0.16 0.08 0.33 2.25 0.73 Starch 1.19 0.28 0.20 0.06 4.25 0.80 0.60 0.20 0.10 1.33 0.31 Soluble CHO 1.38 0.41 0.10 0.00 3.37 0.90 0.42 0.30 0.04 2.14 0.64

aAdapted from Firkins et al. 2006. Integration of ruminal metabolism in dairy cattle. J. Dairy Sci. 89(E. Suppl.):E31‐E51. 

 B. Typical VFA concentrations: 70 to 130 mM (lower w/ forage diets/higher w/ high concentrate diets) C. Intake (increasing intake/passage rate assoc. w/ increase in propionate) D. Degradability (increasing starch degradability assoc. w/ increase in propionate) E. Feeding frequency – increased frequency of feeding tends to increase A:P  F. Use of chemical additives  (Figure and Table from Van Nevel and Demeyer, 1988. Manipulation of rumen fermentation. In: Hobson, P.N. (Ed.) The Rumen Microbial Ecosystem. Elsevier Applied Science. London and New York.  

 

 

 

1. Ionophore antibiotics (monensin as example) a) Monensin is a carboxylic polyether antibiotic produced by Streptomyces cinnamonensis. b) Moderate in vitro activity against G(+) bacteria c) Ionophore – acts as carrier for monovalent cations (high affinity for Na+)  ‐ Others, like lasalocid, carry divalent cations, as well. d) Also has anticoccidial properties e) Generally – see increased feed efficiency (concomitant w/ decreased intake, esp. on concentrate diets) f) Increases  propionate production (up to 30%) and molar proportion of propionate & decreases methane production g) Decreases protein degradability (esp. deamination) – related to susceptibility of ‘hyperammonia producers’ to monensin?  

(1) Include Peptostreptococcus anaerobius, Clostridium sticklandii, and Clostridium aminophilum 

III. VFA production A. Methods for measuring 

1. Non‐tracer methods a) Zero­time in vitro method 

(1) Measure incremental increases in VFA concentrations at different sampling times in vitro (2) Extrapolate to “zero‐time” to determine rate of VFA production per unit volume at time sample was taken. (3) Can multiply rates per unit volume by measure of ruminal volume to determine total ruminal production (4) *Rate using this method about 50% of rate using isotope dilution procedures (general decrease in microbial activity in vitro vs. in vivo) 

b) Perturbation of steady­state (1) Measure change in ruminal concentration with infusion of the VFA (2) Assumes disappearance is proportional to pool size (3) At steady state, then, disappearance (D) will equal some rate constant (k) times the quantity of a VFA present, which is its concentration (C) times ruminal volume (V):   D = kCV (4) By definition, at steady state, production (P) will equal disappearance:  P = kCV (5) Continuous infusion at a constant rate (I: mmol/h) of a particular VFA will establish new steady state: P + I = U’ = kC’V’   (where U’, C’ and V’ are the values at the new steady state).  (6) Can combine these equations to ultimately solve for production: P = I/[C’V’/CV – 1] 

(7) Assumes that acid infusion doesn’t perturb the basal fermentation. 

c) Portal­arterial difference (1) Fick Principle 

(a) amount of a substance taken up or output from an organ per unit time is equal to the arterial concentration minus venous concentration times the blood flow. (b) Must sample 

(i) Arterial blood (ii) Venous blood (iii) Determine metabolite concentrations (iv) Measure blood flow 

(a) Many methods exist (i) Ultrasonic (Doppler) (ii) Microspheres (iii) Thermal dilution (iv) Indicator solutions (e.g. PAH) 

(2) Measures NET transformation (a) Does NOT account for utilization or production of a metabolite across the organ (b) Thus, doesn’t work well for assessing VFA production, per se (ruminal epithelial metabolism of VFA). 

d) Methane production (1) Total methane production can be measured using 

(a)  indirect calorimetry  (i) Measures total (i.e. ruminal and hindgut) methane 

(b) Isotope dilution techniques (c) Tracer gas (SF6) 

(2) Multiply methane production by ratio of VFA:methane (total or individual VFA) 

(a) Ratio determined in vitro or stoichiometrically 2. Tracer methods 

a) Single pool scheme (1) Assumes steady‐state conditions (2) Assumes no re‐entry of label into rumen (3) Recommended tracers include 

(a) 1 or 2 – 14C acetate (b) 2­14C propionate (c) 1­14C butyrate or 2­3 3H butyrate 

(4) See figure (adapted from France and Siddons, 1993)  

(5)canand

(a)calculatrumina(b)state, bys*krem; T(c)s*krem carate of xµCi/mm

) Gives ran be estimated assuming t

(a)for forawork byforage:cthat, forgave gobutyrat

 Rate of VFA ted from dosel VFA at plateThis equatioy definition, Thus kprod = kThat the “rean be seen inx mmol/h anmol, then the ate of total Ved by measurthat productiSome have sage diets thany Sutton et alconcentrate rr acetate andood proxy of pte. 

production, ke rate (kdose) eau enrichmeon is generallykprod = krem ; lkrem = kdose/s.moval rate” o the figure –d the enrichmremoval rateVFA productioring proportion is proporsuggested than for concentrl. (2003) J. Daratio may nod propionate,production pr

 

kprod (a.k.a. Enand specific aent (s): kprod =ly derived as flikewise, at st

of specific acif  VFA are bement of that Ve of the label on – rates fortions of each rtional to conat his assumprate diets.  Hoairy Sci. 86:36t be importan concentratioroportions – 

ntry Rate) caactivity of = kdose/s follows: at stteady state, k

tivity equals eing removedVFA pool is y will be x*y.  r individual Vin the total Vncentrationption works bowever, recen620 indicatesnt. They founon proportionless so for 

an be 

teady kdose = 

d at a 

VFA VFA 

better nt s that nd ns 

(6)rat

b) Thr(1)pro

(2)eac

) This mether than conree­pool sche) Not depoduction and

From France) Tracer ch dose, sa of

ethod can bentinuous infueme pendent on thd concentrati

e and Siddonadministeredf all compart

e modified to usion 

he proportioion 

s, 1993. d to each comtments is me

 use a pulse d

onality betwe

 

mpartment inasured. 

dose of trace

een VFA 

n turn and w

er 

with 

(3) Series of simultaneous equations is solved to determine movement of tracer and tracee between compartments (4) Results from a study using this approach (Sutton et al., 2003) are shown here  

   

 Key points from this graphic:  Shift from “normal diet” (40:60 roughage:concentrate) to low roughage (10:90 roughage:concentrate) diet resulted in large increase in propionate production and removal rates, with relatively small effects on acetate and butyrate.  Interconversions with propionate are relatively small, whereas considerable interconversions occur between acetate and butyrate (with both diets, the net consequence of these transactions was a net production of butyrate from acetate).   Other data from that study: