Microbiología del Rumen

Indice1. Microorganismos en el rumen 2. Bacterias 3. Hongos 4. PH del rumen y su regulación 5. Metabolismo de hidratos de carbono 6. Metabolismo del nitrógeno 7. Metabolismo de grasas 8. Bibliografía

1. Microorganismos en el rumen

El rumen provee un ambiente apropiado, con un suministro generoso de alimentos, para el crecimiento y reproducción de los microorganismos. La ausencia de aire (oxigeno) en el rumen se favorece el crecimiento de especies especiales de bacteria, entre ellos las que pueden digerir las paredes de las células de plantas (celulosa) para producir azucares sencillos (glucosa). Los microorganismos fermentan glucosa para obtener la energía para crecer y producen ácidos grasas volátiles (AGV) como productos finales de fermentación. Los AGV cruzan las paredes del rumen y sirven como fuentes de energía para el rumiante. Mientras que crecen los microorganismos del rumen, producen aminoácidos, fundamentales para proteínas. Las bacterias pueden utilizar amoniaco o urea como fuentes de nitrógeno para producir aminoácidos. Sin la conversión bacteriana, el amoníaco y la urea serian inútiles para los rumiantes. Sin embargo, las proteínas bacterianas producidas en el rumen son digeridas en el intestino delgado y constituyen la fuente principal de aminoácidos para el animal.

Población microbiana Las bacterias constituyen la mitad de la biomasa en el rumen normal y son responsables de la actividad metabólica. Los hongos constituyen hasta el 8% de la biomasa intra ruminal y se ubican en la ingesta de lento movimiento evitando su rápido lavado. Y contribuyen a la digestión de forrajes de baja calidad. Y por protozoos son los organismos más notables en el rumen, forman gran proporción de la biomasa, entre un 20 – 40 %, pero su contribución es menor por la gran retención y la menor actividad metabólica. Su tiempo de generación es grande y la sobrevivencia en el rumen depende de las estrategias que reducen el lavado.

2. Bacterias

Las bacterias del rumen son las que realizan varias de las funciones vitales para el desarrollo del huésped. Las fibras y otros polímeros insolubles vegetales que no pueden ser degradados por las enzimas del animal son fermentados a AGV, principalmente acético, propiónico y butírico, y a gases CO2 y CH4. Los AGV atraviesan las paredes del rumen y pasan a la sangre, luego son oxidados en el hígado y pasan a ser la mayor fuente de energía para las células. La fermentación esta acoplada al crecimiento microbiano y las proteínas de la biomasa constituyen la principal fuente de nitrógeno para el animal. Además de las funciones digestivas, los microorganismos del rumen sintetizan aminoácidos y vitaminas, principalmente del complejo B, siendo la principal fuente de esos nutrientes esenciales para el animal. También algunas bacterias degradan componentes tóxicos de la dieta como los aminoácidos mimosina y sus derivados, componentes del forraje de Leucaena, fenoles vegetales como la cumarina (1,2 benzopirona), la canavanina, análoga a la arginina, componente de la leguminosa Canavalia ensiformis, que inhibe algunas bacterias del rumen, pero es hidrolizada por otras. El rumen incluye entre y bacterias/ml, y más del 75 % se asocia a partículas alimenticia. La densidad general no varia con la dieta, pero el numero de las diferentes especies esta afectado a la disponibilidad del sustrato para la fermentación. Numero y volumen de microorganismos en el rumen

Las bacterias del rumen son predominantemente anaerobias estrictas, pero también coexisten con anaerobias facultativas, adheridas a las paredes del rumen, estas usan el O2 que proviene del torrente circulatorio y son muy importantes en las funciones del rumen siendo las mas importantes las que fermentan la celulosa. Muchas de las bacterias del rumen son altamente especializadas, poseen numerosos requerimientos nutricionales que le deben ser aportados por el sistema. Otras, por el contrario, emplean pocas fuentes de energía y otro grupo son más inconstantes en el requerimiento de energía. Cuando dos o más microorganismos combinan sus capacidades metabólicas para degradar una sustancia que no puede ser catabolizada en forma individual por ninguno de los dos se llega al concepto de sintrofia, en el rumen existen grupos sintróficos relacionados a la degradación de fibras, incluyendo, por ejemplo a los celulolíticos, hemicelulolíticos y los microorganismos que los suceden, como las bacterias metanogénicas. Los más competitivos presentan adhesión al sustrato y almacenamiento de energía dentro de la célula. Las bacterias del rumen se caracterizan en base a su morfología, productos de fermentación, sustrato que utilizan, relación molar (G+C) % de su DNA y por su movilidad.

Características de algunas bacterias del rumen

También degradan Xilano.

Bacterias celulolíticas La degradación de la celulosa es la principal función del rumen. Las bacterias activas en el rumen se adhieren a fragmentos vegetales y segregan sus enzimas hidrolíticas que liberan oligosacaridos solubles, principalmente celobiosa, utilizada por la microflora calulolítica y por otros microorganismos que no degradan la celulosa. Si esta no se hidroliza puede producirse una inhibición de otro grupo de bacterias al no estar presente el sustrato que requieren. Es posible que la glucosa, otro producto de la celulolisis, pueda inhibir la actividad de algunas enzimas también. Muchas de las especies celulolíticas pueden también degradar la fracción mal llamada hemicelulosa. Las bacterias celulolíticas colonizan la superficie de restos vegetales en los 5´ de entrada al rumen. Ante la existencia de amonio ellas se multiplican rápidamente. Por esto el agregado de urea al alimento favorece esta multiplicación.

Bacterias amilolíticas La mayoría de ellas no usan la celulosa. Las enzimas amilolíticas se encuentran muy distribuidas entre las bacterias y son las que aseguran la conversión de materiales amiláceos, como granos de cereales, en AGV. Con la presencia de amonio el proceso es más eficiente.

3. Hongos

Los flagelados poseen zoosporas móviles y colonizan regiones dañadas de los tejidos vegetales en las 2 horas de la ingestión, en respuesta a materiales solubles. En las 22 horas mas del 30% de las partículas mayores se ven invadidas por rizoides. Su rol principal es facilitar la desaparición de la pared celular de la célula vegetal. Se han identificado especies de 4 géneros: Neocallimastix, Caecomyces (formalmente Sphaeromona), Pyromyces (formalmente Phyromonas) y Orpinomyces. Su ciclo de vida implica un cuerpo fructificante (esporangio) originado a partir de una zoospora móvil que se adhiere a las fibras y desarrolla esporangios y filamentos rizoidales, que penetran la matriz lignocelulósica, donde actúan las enzimas. Los hongos liberan un complejo celulósico mas soluble que el de las bacterias y atacan partículas rugosas a las que fermentan mas rápidamente que las bacterias. Alimento altamente molidos o concentrados presenta menos hongos. Los hongos producen AGV, gases y trazas de etanol y lactato.

Protozoos Su principal función es ingerir partículas del tamaño de las bacterias, como almidón, fibras, cloroplastos. La mayoría de los componentes son Ciliata, los organismos unicelulares más complejos. Su biomasa es similar a la de las bacterias, pero pueden sobrepasarla mas de 3 veces según la dieta, o inclusive desaparecer. Su densidad es del orden de – / ml. Las diferentes especies varían en tamaño, entre 25 a 250 micras, agrupándose en 17 géneros de la sub clase EntodiniomorpHes y 2 géneros de la sub clase Holotriches, que difiere en su morfología y metabolismo. Las especies presentes varían con la especie animal, la localidad y la dieta. Los tiempos de generación oscilan entre 0.5 a 2 días. Los más lentos pueden llegar a desaparecer con los fluidos del rumen, varios permanecen adheridos a fragmentos de alimento, por lo que son mas retenidos que las bacterias y una gran parte pueden ser lisados en el rumen.

Los ciliados difieren de las bacterias en varios aspectos:

1. Son muy móviles e invaden a los alimentos recién ingeridos tan rápido como las bacterias a pesar de estar en menor numero.
2. Pueden almacenar hidratos de carbono adicionales en forma de polímeros insolubles, la amilopectina.
3. Son mas fácilmente destruidos por la acidez, los Holotriches son los más sensibles y los Entodinomorphes, menos.
4. No pueden sintetizar aminoácidos a partir de compuestos simples de nitrógeno y dependen de las bacterias, empleando los aminoácidos luego de fagocitarlas (1 % de las bacterias son fagocitadas en cada minuto). Son responsables, en gran parte, de la producción de amonio en el rumen.
5. Los ciliados no son esenciales para los procesos de fermentación pero ayudan a que sean más eficientes.

Ciliados celulolíticos Pocos géneros de Epidinium están implicados en la fragmentación de los restos vegetales. Estos segregan enzimas que causan la separación de las células y la fragmentación del material. Mas de la mitad de la actividad celulolítica del rumen se asocia con los ciliados. La mayor actividad se da cuando la enzima es liberada luego de la lisis celular que ocurre por exposición al O2 en la ruminación o por hipotonía causada luego de la ingestión de agua.

Ciliados amilolíticos Todos los EntodiniomorpHes usan almidón cuyo exceso almacenan como amilopectina. Pero uno de los dos géneros Holotriches no puede usar almidón. La mayoría prefiere azucares solubles y se mueven rápidamente hacia ellos. Otras fuentes de energía: los ciliados son responsables del 30-40 % de la lipólisis. Incrementan el contenido de ácidos grasos saturados. Un 75 % de los lípidos microbianos están normalmente asociados con los ciliados. No son muy importantes en la degradación de proteínas de la dieta, usan las de las bacterias fagocitadas. El rumen es un complejo ecosistema, el cual se encuentra en forma dinámica, influenciado por el ingreso desde el exterior del alimento, agua, otros microorganismos etc., la salida de los materiales al intestino, y por las complejas interacciones que se dan dentro de este. Hay que tener en cuenta que funciona como una cuba de fermentación en donde rigen condiciones casi totales de anaerobismo (existe aproximadamente un 0,6% de oxigeno), con condiciones reductoras, pH levemente ácido, y temperatura alrededor de 39º c.

La principal fuente de energía se obtiene por medio de la fermentación de hidratos de carbono. Así los microorganismos obtienen energía, con liberación de AGV, hidrógeno, dióxido de carbono, agua, metano, según el caso que sea. Los AGV más importantes son el ácido acético, el ácido propiónico y el ácido butírico. Es mayor el aprovechamiento energético cuando se produce ácido propiónico que cuando se produce ácido acético, dado que en este último se libera H2 y CH4, que son formas de energía disipada. El animal aprovecha los AGV como principal fuente de energía por medio de la absorción de los mismos, a través de la pared ruminal.

Hay que mencionar que es de gran importancia el efecto que tiene el pH de rumen, dado que infiere en los distintos procesos químicos, niveles de poblaciones, interacciones, sistemas de regulación, etc.

4. PH del rumen y su regulación

Los valores de pH fluctúan en el rumen, influenciado por distintos factores, como por ejemplo el tipo de alimento y tiempo de ingestión. Los valores fisiológicos normales de pH se encuentran entre 5,4 y 6, 9.

Tres puntos a tener en cuenta como factores de regulación

1. 1º) Influencia de los ácidos grasos volátiles en el aumento de la acidez. En los procesos fermentativos se producen estos AGV. Se alcanza la mayor acidez luego de aproximadamente 3 horas de la ingestión, siendo en general mayor cuando los procesos de fermentación son más intensos.
2. 2º) La cantidad de saliva secretada durante la masticación y la rumia. Dado que la saliva tiene un pH entre 8,1 y 8,3, que hace de agente neutralizante de ácidos grasos, propiedad conferida por las sales que contiene (bicarbonatos, fosfatos de sodio y potasio). La cantidad de saliva secretada fluctúa entre 100 y 180 litros.
3. 3º) La velocidad de absorción de AGV funciona como amortiguador de la acidez que estos producen. A menor grado de disociación, mayor es la velocidad. Si el pH baja, se reduce el grado de disociación y por lo tanto, al aumentar la velocidad de absorción, se logra una cierta estabilización del pH.

Algo de la dinámica de la regulación Es de gran importancia el proceso de rumia, dado que con este se produce un gran aporte de saliva al medio. Durante este proceso se aporta tres veces más saliva que cuando la masticación. Hay que tener en cuenta que el tiempo de rumia será afectado por el tipo de alimento y la calidad física y química. A continuación se dará un ejemplo

Figura 8 extraída de Kaufmann.

Como se puede observar una disminución en el porcentaje de fibra en la ración conllevaría a una menor masticación y por lo tanto menor salivación, produciéndose un descenso del pH, dado la intensa producción de AGV. En contra de esto juega una mayor absorción de los AGV, sin lograr mantener el pH en niveles próximos a la neutralidad. Este pH influencia en las poblaciones microbianas. Si se produce un descenso repentino del pH, podría llegarse a una acidosis, de la cual llegar a la muerte de los microorganismos. Luego, frenada así la producción de AGV la continua salivación, llegar a la alcalosis. Por todo esto debe tenerse en cuenta que toda incorporación de concentrados en la dieta del animal se debe hacer en forma gradual.

A continuación se observa la influencia de la ración en el pH ruminal, fig. 7, ( Extraído de Kaufmann)

5. Metabolismo de hidratos de carbono

Los hidratos de carbono son la principal fuente de energía, diferenciándose dentro de estos distintas estructuras. Mencionaremos a continuación.

• Monosacáridos ( Pentosas: ribosa, arabinosa, xilosa; Hexosas: glucosa, manosa, galactosa, fructosa)
• Disacáridos ( sacarosa, lactosa, maltosa)
• Trisacáridos ( rafinosa)
• Polisacáridos (Hexosanas, almidón, glucógeno, celulosa, inulina, pentosanas)
• Heteropolisacáridos (hemicelulosa, pectina, lignina)

Extraido de Kaufmann

Como sabemos la fuente de energía para los microorganismos la obtienen por medio de la fermentación con la producción de AGV, que son aprovechados por el animal. A continuación mencionaremos algunos de estos procesos.

Azucares Los azucares pueden provenir de los alimentos directamente, o de la hidrólisis de polisacáridos. Estos son degradados generalmente en forme rápida por los microorganismos, favoreciendo a la producción de ácido butirico. Raciones ricas en azucares pueden determina presencia de ácido láctico en rumen. Importantes en azucares son los pastos verdes, remolacha y subproductos.

Almidón y otros polisacáridos solubles El almidón es importante en raciones ricas en concentrados ricos en nutrientes. Como se dijo antes, en estos casos se ve una disminución del pH, lo que lleva a la modificación del complejo de microorganismos, adaptándose estos a una fermentación amilolítica. En estas condiciones se observa un aumento en la proporción de ácido propiónico. Otro polisacárido importante es la pectina, la cual es rápidamente degradada, con importante producción de ácido acético. Parte de los polisacáridos solubles pueden quedar, luego de su hidrólisis, como sustancias de reserva de los protozoarios.

Bacterias importantes en estos compuestos son Streptococcus bovis, Ruminobecter amylopHilus, entre otras

Celulosa La celulosa está compuesta por 1 4 beta poliglucósidos, con un alto grado de polimeración. Son importantes en raciones ricas en fibra. La flora que se encuentra degradando la misma de encuentra adherida a las fibras vegetales, y el desarrollo de este tipo de flora se encuentra relacionado con niveles de pH por encima del mencionado para la degradación amilolítica.

Se puede observar que el complejo enzimático que desdobla la celulosa no se encontrará en la fase liquida del rumen.Se ha demostrado en ensayos que el mayor contenido de fibra en la dieta del animal favorece la producción de ácido acético.

Los procesos de degradación de la hemicelulosa son similares a los de la celulosa. Bacterias importantes en estos compuestos son Fibrobacter succingenes, Ruminococcus albus, R. flavefaciens, entre otras. Tanto en celulosa como en almidón encontramos Clostridium polisaccharolyticum .

Lignina Los procesos de degradación de este compuesto lo realizan bacterias aerobias, y dado el bajo contenido d oxígeno en el rumen, su alteración en casi nula. Hay que tener en cuenta que los procesos de desdoblamiento e hidrólisis que se realizan en las distintas sustancias son posibles gracias a los complejos enzimáticos que poseen las bacterias, siendo diferentes según el sustrato que ataquen. Algunas bacterias tienen mayor espectro de ataque que otras dado su mayor batería de enzimas. Además los productos de algunas bacterias sirven como sustratos de otras, creándose interrelaciones y llegando a la reducción casi completa de los sustratos.

6. Metabolismo del nitrógeno

El abastecimiento proteico para el rumiante se realiza a nivel del intestino delgado. A pesar de esto los procesos en el rumen juegan un papel muy importante, dado que los microorganismos son los encargados de la lisis ( proteína proveniente de la ración) y la síntesis de proteínas. Mencionaremos a continuación las rutas de los procesos del nitrógeno. Parte de las proteínas que provienen del alimento pueden llegar al intestino (proteína by pass), pero el resto es generalmente degradada por los microorganismos, transformándola en amoníaco y ácidos grasos principalmente. El amoníaco es utilizado para la síntesis de proteína bacteriana. Estas bacterias son finalmente arrastradas al intestino donde son degradadas. El contenido de proteína bruta contenida en las bacterias es de entre 40 y 65 %, con un valor biológico del 70 % y digestibilidad de 70 %.

Parte del amoníaco no utilizado por las bacterias es absorbido por las paredes del rumen, pasando al torrente sanguíneo para ser excretado en orina o reutilizado, dado que puede regresar en forma de urea a la saliva para volver a introducirse al rumen.

Figura 13 Extraído de Kaufmann.

7. Metabolismo de grasas

Trataremos a las grasas centrándonos en el concepto como esterificaciones de ácidos grasos con glicerina. Estas grasas difieren en los tipos de ácidos grasos que intervienen, en número de carbonos y distinto grado de instauración. En primer término las grasas son hidrolizadas por lipasas producidas por algunas bacterias (ej. Anaerovivio lipolytica), luego los ácidos grasos insaturados son saturados por hidrogenación por otros microorganismos (ej. Butiryvibrio fibrisolvens). De este modo la proporción de ácidos grasos insaturados que llegan al intestino es mínima.

Importancia de la hidrogenación es:

1. La presencia de ácidos grasos insaturados puede causar tensión superficial en la bacteria, alterando la permeabilidad, inhibiendo el proceso fermentativo; Además la adherencia a las fibras vegetales de estos ácidos produce la reducción en la digestibilidad.
2. El proceso de reducción química por hidrogenación alcanza también a otros compuestos que pueden resultar tóxicos como por ejemplo algunos fenoles, alcaloides, etc.
3. Distrofias musculares son producidas cuando los niveles de vitamina E no son elevados y son absorbidas grandes cantidades de ácidos grasos insaturados.
4. Productos secundarios del proceso de reducción son ácidos grasos de cadena ramificada, los cuales pueden detectarse posteriormente en leche por ejemplo. De aquí la importancia de la hidrogenación, dado que son responsables del olor y sabor de la leche, y estos productos secundarios pueden ser distintos a los ingeridos en la ración.

Estudios han demostrado que pueden llegar al intestino mayores cantidades de ácidos grasos que los que se ingieren, debido a la fracción de grasas de los microorganismos.

Algo mas de interacciones Ya se ha mencionado anteriormente algunas interacciones entre los microorganismos, observándose que los mismos pueden actuar como una cadena, donde los productos de unos son sustratos de otros y llevando casi cualquier sustrato AGV aprovechables para el animal.

Competencia : Se da cuando distintos microorganismos ( ya sea inter o intraespecífica) actúan sobre el mismo sustrato. Estrategias que utilizan son Velocidad de colonización, Capacidad de adherencia y Afinidad por el sustrato. Un ejemplo ( Brindado por el profesor Tucchi, y extraído de MIRON et al 1991) Fibrobacter succinogenes tiene menor habilidad degradativa en cultivos mixtos con Ruminococcus flavefaciens, por competencia en sitios de adherencia ( velocidad y afinidad.

Amensalismo : Se da en una competencia con sustancias intermedias. Un ejemplo ( Brindado por el profesor Tucchi, y extraído de 1º ej ODENYO et al 1994; 2º ej STEWART et al 1991. Ruminococcus albus inhibe a R. flavefaciens por medio de bacteriocina. Ruminococcus flavefaciens inhibe el crecimiento a Neocallimastix ( hongo). Sinergismo: ( Brindado por el profesor Tucchi, y extraído de WEIMER et al 1990) La degradación de la celulosa es mayor en cultivos de especies celulolíticas y hemicelulolíticas ( MIRON et al 1991) Se encuentra influenciado por la velocidad de degradación y la velocidad de crecimiento. Interacciones entre protozoos y bacterias

Es de gran importancia la interacción de los ciliados con las bacterias. La eliminación de ciliados produce el incremento de hasta 3 veces la cantidad de bacterias, las cuales aprovechan los productos de la lisis de los ciliados. Algunas bacterias actúan en simbiosis con los protozoos. Las bacterias metanogénicas se adhieren a entodiniomorphes, cuando el H2 es limitante. La celulósis se ve incrementada en presencia de ciliados; además los protozoos son estabilisantes del ambiente, restringen la formación de ácido láctico, limitan fluctuaciones de pH, etc. Aquí también existe la interacción presa predador. Los protozoos obtienen energía y fuente de carbono de las bacterias.

Producción de metano En el rumen existen bacterias que producen metano a partir de H2 y CO2. Bacterias metanogénicas importantes son: Nethanobacterium ruminantium, Methanobrevibacter spp.

La formación de metano se considera como una forma de disipación de energía, y es eliminado por eructo. Un alto contenido de metano puede lleva a metionismo o timpanismo, lo cual se produce cuando se lo lleva al animal muy hambreado al pastoreo, y se alimenta en exceso en poco tiempo con pasturas muy tiernas ( típico de comienzos de primavera).

Rosetas (extraído de Kaufmann)

Rosetas y selmonelas (extraído de Kaufman)

Coccus (extraído de Kaufmann)

Sarcinas (extraído de Kaufmann)

8. Bibliografía

Frioni Lilian, 1999. Procesos microbianos, Tomo 1. Brock, 1997. Biología de los microorganismos. Kaufmann, Fisiología digestiva del rumiante. Hobson, The rumen microbial ecosystem.

Autor:

Andrea Montalbetti