In Chapter 1, the general scientific rationale of the current thesis is introduced. In-feed antibiotics have benefited the animal husbandry for over 80 years, but antibiotic resistance emerged as a massive problem in recent decades. Antibiotics have been broadly used as growth promoters and for veterinary treatments in animal industry. This has contributed to a fast spread of antibiotic resistance, especially in poultry. Thus, it calls for theoretical and practical efforts to select promising alternatives to in-feed antibiotics. Several alternative feed additives have been comprehensively studied, among them probiotics and phytobiotics. However, the limitation in host-specificity of probiotics and their combination with phytobiotics in animal nutrition has restricted the in-depth understanding towards their functionality and role as AGP alternative. Thus, the refinements in probiotic screening, formulation and application is necessary and meaningful to better substitute AGP in animal production.
In Chapter 2, a literature review regarding the research advances of in-feed probiotics and phytobiotics is provided. The literature review summarizes both probiotics and phytobiotics as AGP alternatives from the aspect of growth promotion, GIT microbiome alteration, immunoregulation, practical formulation and their respective combinations with other additives. The main objectives of the present thesis are to develop a rapid and efficient protocol of probiotic screening and preparation and investigate possible beneficial synergistic effects with phytobiotics.
In Chapter 3, on basis of the given background, the aim of this study was to isolate and produce host-specific probiotics and to investigate the possible synergistic effects of these probiotics with commercial phytobiotics. This chapter also clarified the research objectives of the thesis including establishment of new screening method, in vitro characterization, optimization of production and stabilization and a proof-of-principle by an in vivo evaluation.
The Chapters 4 to 6 comprehensively summarize investigations on the establishment of the novel screening method, production of probiotics and their effects of bacterial development in young broiler chickens. With the three-staged screening method, over 7000 isolates were filtered through the screening and finally two candidates were selected for their excellent in vitro and ex vivo activity against ESBL E. coli. The strain-specific production parameters of two probiotic strains were optimized regarding cultivation and formulation, achieving both relative high yields and high stability after production. The chosen probiotic strains and two commercial phytobiotics as well as their combinations were tested in a proof-of-principle feeding trial. The composition and activity of crop and caecum microbiota of young broilers were analyzed to demonstrate the impact of the feed additives on the host intestinal ecology. Additionally, the ability to inhibit colonization of ESBL producing E. coli as well as C. perfringens in either foregut or hindgut of birds was documented. These three consecutive studies showed an overarching process from isolation of probiotic strains to functional feed additives in a feeding trial.
In Chapter 7, the results from the current thesis are discussed in general. The efficiency of the three-staged method was emphasized by discussing handling and financial cost during the screening step. The method also allows an easier enlargement of the screening scale compared to traditional one-step screening procedures. It also endows the feasibility to drastically enlarge the screening scale compared to traditional one-step screening methods. With both experimental and computational means, the formulation of selected probiotic strains into feed additives was improved. Finally, the prepared probiotic feed additives were shown to exert beneficial effects on the gut microbiota of young broilers. This was especially observed for a specific combination of probiotic and phytobiotic. This evidenced the great potential of probiotics in combination with phytobiotics as an alternative to the use of AGP in broiler husbandry.
In Kapitel 1 wird die allgemeine wissenschaftliche Begründung der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Antibiotika haben die Tierhaltung seit über 80 Jahren begünstigt, aber Antibiotikaresistenzen haben sich in den letzten Jahrzehnten zu einem massiven Problem entwickelt. Antibiotika wurden in großem Umfang als Leistungsförderer und zur Prophylaxe und Therapie in der Tierhaltung verwendet. Dieses hat zu einer schnellen Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen beigetragen, insbesondere bei Geflügel. Daher sind theoretische und praktische Anstrengungen erforderlich, um vielversprechende Alternativen zu Antibiotika in Futtermitteln auszuwählen. Mehrere alternative Futtermittelzusätze wurden umfassend untersucht, darunter Probiotika und Phytobiotika. Die Einschränkung der Wirtsspezifität von Probiotika und ihre Kombination mit Phytobiotika in der Tierernährung hat jedoch das eingehende Verständnis der Funktionalität und Rolle als AGP-Alternative eingeschränkt. Daher ist die Verfeinerung des Screenings, der Formulierung und der Anwendung notwendig und sinnvoll, um AGP in der Tierproduktion besser zu substituieren.
In Kapitel 2 wird eine Literaturübersicht zu den wissenschaftlichen Fortschritten bei Probiotika und Phytobiotika gegeben. Die Literaturübersicht fasst sowohl Probiotika als auch Phytobiotika als AGP-Alternativen unter den Gesichtspunkten Leistungsförderung, Mikrobiom des Gastrointestinaltrakts, Effekte auf das Immunsystem, praktische Formulierung unter Berücksichtigung von Kombinationen und der Interaktion mit anderen Additiven. Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit war es, ein effizientes Protokoll für das Screening von potenziellen probiotischen Bakterien, Verfahren für die Herstellung zu entwickeln und mögliche vorteilhafte synergistische Effekte mit Phytobiotika zu untersuchen.
In Kapitel 3 wurde anhand des gegebenen Hintergrunds das Ziel dieser Studie verfolgt, wirtsspezifische Probiotika zu isolieren und zu produzieren und die möglichen synergistischen Wirkungen dieser Probiotika mit kommerziellen Phytobiotika zu untersuchen. In diesem Kapitel wurden auch die Forschungsziele der Dissertation geklärt, einschließlich der Etablierung einer neuen Screening-Methode, der In-vitro-Charakterisierung, der Optimierung der Produktion und der Stabilisierung sowie einer In-vivo-Bewertung.
In den Kapiteln 4 bis 6 werden Untersuchungen zur Etablierung der neuartigen Screening-Routine, zur Herstellung stabiler Probiotika und zu deren Auswirkungen auf die Entwicklung der intestinale Mikrobiota bei jungen Masthühnern umfassend zusammengefasst. Mit einem dreistufigen Screening-Verfahren wurden über 7000 Isolate geprüft und schließlich zwei Kandidaten aufgrund ihrer erwünschten probiotischen Aktivität in vitro und ex vivo ausgewählt. Die stammspezifischen Produktionsparameter wurden hinsichtlich Kultivierung und Formulierung optimiert, wobei sowohl eine relativ hohe Ausbeute als auch eine hohe Stabilität nach der Produktion erzielt wurden. Die ausgewählten probiotischen Stämme und zwei handelsübliche Phytobiotika sowie deren Kombinationen wurden in einem Fütterungsversuch getestet. Die Zusammensetzung und Aktivität der Kropf- und Caecum-Mikrobiota junger Masthähnchen wurde analysiert, um den Einfluss der Futterzusätze auf die Darmökologie des Wirts nachzuweisen. Zusätzlich wurde die Fähigkeit dokumentiert, die Kolonisierung von ESBL-produzierenden E. coli sowie C. perfringens im vorderen und hinteren Verdauungstrakt zu hemmen. Diese drei aufeinanderfolgenden Studien zeigten in einem Fütterungsversuch einen übergreifenden Prozess von der Isolierung probiotischer Stämme bis hin zu funktionellen Futterzusatzstoffen.
In Kapitel 7 werden die Ergebnisse der aktuellen Arbeit übergreifend diskutiert. Die Effizienz der dreistufigen Methode wurde durch die Diskussion der Handhabung und der Kosten während des Selektionsverfahrens unterstrichen. Das Verfahren ermöglicht auch eine einfachere Ausweitung des Testprinzips im Vergleich zu herkömmlichen einstufigen Screening-Verfahren. Es macht es möglich, den Umfang der Untersuchungen im Vergleich zum herkömmlichen einstufigen Screening erheblich zu vergrößern. Sowohl experimentell als auch unter Nutzung rechnerischer Verfahren wurde die Formulierung ausgewählter probiotischer Stämme zu praktisch einsetzbaren Futtermittelzusatzstoffen verbessert. Schließlich wurde gezeigt, dass die hergestellten probiotischen Futterzusätze positive Auswirkungen auf die Darmmikrobiota junger Broiler haben. Dies wurde insbesondere für eine spezifische Kombination von Probiotika und Phytobiotika beobachtet. Dies belegt das große Potenzial von Probiotika in Kombination mit Phytobiotika als Alternative zum Einsatz von AGP in der Masthühnerhaltung.
