El ecosistema ruminal, métodos de estudio y aplicaciones Rumen

7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen

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Nestor E. ObispoE-mail: nobispo@

El ecosistema ruminal, mtodos

de estudio y aplicaciones


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7 Falla en el desarrollo de las enzimaspara hidrolizar los enlaces !-1,4 de los

carbohidratos estructurales que

forman la fibra vegetal.

7 Desarrollo de relaciones simbiticasentre el animal y los microorganismos

anaerobios (bacterias, protozoarios y

hongos) del rumen.

Evolucin de los vertebrados


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Postgstricos Ciego Colon

chigire caballo

conejo rinoceronte

tapir elefante

Pregstricos Rumen

bovino

ovino

caprino

crvidos

camlidos

jirfidos

Fermentadores


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Los animales con fermentacin pregstric

derivan ventajas de la relacin simbitica

Celulosa y otros polisacridos son hidroliza

a compuestos de menor tamao que son

importantes fuentes de energa para el

hospedero;

Reducen moderadamente el volumen de la Mque ha de pasar al tracto posterior;

Sintetizan vitaminas (excepto A y D);

Los cuerpos de los microbios son fuentes de

protena para el hospedero.

Fermentadores Pregstricos


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El ms grande espacio de fermentacin

animal en el mundo

!Aproximadamente 1,3 billones de cabezasbovinas

!Bacterias 1010 a 1012 cells/mL

!Volumen del Rumen desde menos de 1Len el Blue Duiker a 200L en una vaca


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7 El msticado al comer (mnima)! Preparacin para el tragado;

! Liberacin de los constituyentes solubles;

! Las particulas vegetales que se han daado dula masticacin, son areas para la adhesin

microbiana.

7 La msticado durante la rumia (extensiva)! Disminucin del tamao de la particula para epasaje por el orificio reticulo-omasal;

!Ms dao de la particula vegetal para la adherde los microorganismos.

7 Digestin microbiana (Fermentacin);7 Contracciones ruminales.

Reduccon del tamao de particula


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El ambiente ruminal


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Condicin ambiental casi constante dentro de

ciertos limites, e ideal para el desarrollo de

microorganismosanaerobios.

Capacidad:

3 - 15L oveja

35 - 200L vaca

Temperatura: 38 - 40 C

Los protozoarios no sobreviven a

temperaturas superiores a los 40 C por

perodos prolongados.

El ambiente ruminal


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pH: 5,5 - 7 (en las llamadas dietas normales)

7 Limites extremos: 4,5 - 7,5;

7 Losprotozoarios son ms sensibles que las bacterias celulolticas,desaparecen si sube a 7,8, o baja alrededor de 5;7 Bacterias celulolticas descienden en nmero a 6,5 y son eliminadas

a 5,9;

7Es el factor ms variable;

7 Depende de la naturaleza de la dieta, frecuencia de alimentacin;

7 Es un reflejo de la cantidad de cido producido por la accinmicrobiana sobre los sustratos, y es mediado por la absorcin y la

capacidad tampn de la saliva.

El ambiente ruminal


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El ambiente ruminal


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Presin osmtica:

El licor ruminal es hipotnico con respecto al plasma

Licor ruminal: 250 mOsm Kg-1

Plasma: 300 mOsm Kg-1

Materia seca:

10 - 13%

Tensin superficial:

45 - 59 dinas cm-1

Gases: CO2 (65%), CH4 (27%), H2 (0,2%), H2S (trazas), CO(trazas) N2 (7%), O2 (pequeas cantidades transitorias).

El ambiente ruminal


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Potencial redox (Eh): -150 a -350 mV (Clark, 1977)

Muchas sustancias reductoras estn asociadas a laspartculas y al material en estado coloidal y no a las

bacterias;

Los anaerobios facultativos remueven el oxigeno o loreducen;

Los forrajes tienenEh ms bajo que los concentrados.

El ambiente ruminal


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Microorganismos del rumen


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AGVProtena Microbiana

Vitaminas

Alimento

Ingerido

Alimente los microbios y deje que ellos alimenten a la vac

Los nutrientes del alimento

ingerido, una vez fermentados,

resultan en compuestos diferentes


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P t i


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Observados por Gruby y Delafond (1843).

Clasificacin:

Basada mayormente en caractersticas morfolgicas;

Tamao poblacin: 106 organismos "mL-1;

Mayormente ciliados (algunos flagelados); Varan en tamao (15 - 20 m ancho por 10 - 200 m

largo).

Protozoarios


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Protozoarios


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Fermentan constituyentes de las plantas, Isotrichidos:carbohidratos solubles, Entodiniomrfos, solubles y celulosa;

Se reproducen por fisin binaria, pero actividades deconjugacin se dan en el generoDasytricha (Warner,1966);

Exposicin con un adulto faunado, permite el pasede un animal a otro por la saliva. Tambin se sugiere

la va aerosol;

Son depredadores;

Dificultades para cultivarlos in vitroen mediospurificados (bacterias en los cultivos).

h bi


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Warner (1966) observ que el protozoario flagelado

Callimastix frontalis incrementaba en nmerodramticamente despus la alimentacin del animal y

luego disminua 10h despus;

Orpin (1974) investig estas variaciones en el

organismo, observando que estaba asociado a las

grandes partculas del alimento y sugiri que era alldonde se secuestraba el flagelado;

Orpin (1975) logr el aislamiento, delN. frontalis,

revelando su ciclo de vida y luego identificndolo como

un hongo anaerobio.

Los hongos anarobios



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Nmero 102 -106 UFC

Fermentan los sustratos ms recalcitrantes

Generos

7 Neocallimastix

7 Caecomyces (anteriomente Sphaeromonas)7 Piromyces (anteriormentePiromonas)7 Orpinomyces7 Ruminomyces7 Anaeromyces7 Cyllamyces(Chen et al., 2007)



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Bacterias

Bacterias

The

rumen

and

Its

Microbes

(

Hungate

1966

)


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Rpidos avances:

Hungate y sus alumnos, desarrollan

y modifican tcnicas anaerbicas y

determinan las bacterias anaerbicas

que ms ocurren en el rumen

(Hungate 1950, Bryant y Burkey

1953).

acte as

Pocos progresos:

Primeros experimentos, von

Tappeiner (1984 1940);

Baker y Harris (1947) observancocos que degradan la celulosa en

el rumen;

Hungate (1947) aisla en cultivos

puros varias bacterias celulolticas

aisladas del rumen bovino;Sijpestein (1948, 1951) Holanda,

crecimiento de bacterias

celulolticas y eventualmente

aislamientos de cepas puras;

Marston (1948) Inglaterra,

estudios in vitro con cultivosmixtos de bacterias ruminales.

The rumen and Its Microbes (Hungate, 1966)

El futuro es ms promisorio

Las tcnicas moleculares abren

nuevos caminos para lainvestigacin del rumen.

Ecuacin de Nermst


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Ecuacin de Nermst

Hungate (1969) calcul la concentracin de O2 necesaria

para desarrollar en un medio de cultivo unEh de -0,33V

(crecimiento de metanognicos), a este potencial elmedio contiene 1,48 x 10-56 moleculas de O2"L

-1

7Dificultad de obtener bajosEh;7La cantidad de O2permisible disuelto en solucin en elmedio de cultivo, llega a ser una funcin estadstica deun nmero finito de molculas;

7Es muy cuesta arriba la obtencin de un bajoEhsimplemente por la remocin del O2;

7Para obtener elEh ms bajo, hay que aadir un sistemareductor con un potencial ms bajo.


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Desarrollar medios de cultivo con las caractersticas

del ambiente ruminal

7 Condicin anaerbica;7 PotencialEh;7 Osmolaridad;

7 Factores de crecimiento microbiano;7 pH;7 entre otros.

Trampa para Oxigeno


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Gas con O2

Gas librede O2

Cable (Cromel 21) Conectado a lacorriente elctrica de 110V (genera

calor en la columna para acelerar

reaccin oxido-reduccin delcobre

Tapn de silicn

Tapn de silicn

Trampa para Oxigeno

300C

2Cu + #O2 Cu2O (+1)

300C

Cu2O + H2 Cu + H2O

Preparacin de animales fistulados al rumen


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Preparacin de animales fistulados al rumen

Cmo saber si una bacteria es del rumen?


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7 El organismo puede vivir en el ambiente;7 El nmero de una especie dada que ocurre en el rumen,

es considerablemente superior a su nmero en elalimento o en el agua;

7 Utiliza los sustratos presentes en el rumen o en elalimento (celulosa, hemicelulosa, pectina, almidn, entreotros);

7 Losproductos finales de la fermentacin son compatiblescon los presentes o fcilmente metabolizados en elrumen;

7 Las condiciones para su cultivo, pH,Eh, temperatura yrequerimientos nutricionales similares con las halladas enel rumen;

7 Repetidos aislamientos de una especie particular sobre unperodo de tiempo, en diferentes huspedes, en varioslugares, son buenas evidencias.

Dr. Bryant (1959)

Poblacin 1011 cel "mL-1 de contenido ruminal


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Celulolticos

Ruminococcus flavefaciens

Ruminococcus albus

Fibrobacter succinogenes(Bacteroides succinogenes)

Eubacterium

cellulosolvens

Butyrivibrio fibrosolvens

Hemicelulolticas


Prevotella ruminicola

Fibrobacter succinogenes

Ruminococcus flavefaciens c-94

Rumincoccus albus 7

Pectinolticas


Prevotella ruminicola

Lachnospira multiparus

Succinivibrio dextrinosolvens

Fibrobacter succinogenes

Amilolticas

Streptococcus bovisRuminobacter amylophilus

Succinimonas amylolytica

Selenomonas ruminantium

Succinivibrio dextrinosolvens

Eubacterium ruminantium


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Bacterias utilizadoras de otros substratos:


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Bacterias utilizadoras de otros substratos:

Lactato: Veillonela alcalescens, Megaesphaera elsdenii.

Bacterias metanognicas (arquoebacterias):

Methanobrevibacter ruminantium, Methanomicrobium mobile,

Metanosarcina barkeri y Methanobacterium formicicum.

Productores de cido lctico:

Lactobacillus lactis, L. vitulinus y L. ruminis.

Bacterias proteolticas:

Ruminobacter amylophilus, Prevotella ruminicola,

Selenomonas ruminantium, Butyrivibrio fibrosolvens,

Butyrivibrio akacticidigens.

Mtodos de cultivo


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Mtodos de cultivo

in vitro: fermentacin con contenido ruminalcompleto:

! Esttico o sistema cerrado;

! Sistemas continuos se intenta mantenercondiciones estables (RUSITEC).

Cultivos puros: Envuelve el aislamiento de una cepa

de bacteria y su subsecuente caracterizacin (slo

da informacin de un organismo).Cultivos mixtos: (Da informacin sobre actividades

competitivas, sinergisticas, entre otras).

in vivo in vitro: La llamada tcnica vivar (Finaet al., 1958; 1962);

in situ: tcnica de la bolsa de nylon (Hopson et al.,1963; Johnson, 1966).

Cultivos puros:


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p

Descripcin de las especies aisladas: celulolticas, amilolticas,

proteolticas y otras;

Uso de gases (CO2, N2) libres de O2;

Los contenedores de los cultivos son sellados con tapones de

caucho;

El medio de cultivo que intente reproducir el del ambiente

ruminal, contiene: 40% de licor ruminal, minerales, resazurina

(indicador), cistena (agente reductor), bajo presin de CO2

, libre

de O2, sustratos.

Fermentacin in vitro:


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Celulolticos requieren poca cantidad de protenas o amninocidos,

usan amonio o urea.

Factores de crecimiento de los celulolticos entre otros, el Ac.

Valerico, PABA, Isobutirico, Isovalerico.Estado de madurez y liginificacin del forraje afecta la actividad

degradativa, incluyendo las diferencias entre lapared celular de

leguminosas y gramneas.

7 Soluciones anaerobias para las diluciones;7 Los tubos rodados de Hungate;7 Caldos de cultivo anaerobios;7 Mtodos de conteo basados en la probabilidad

estadstica (NMP).

Contribucin de las tcnicas in vitro:


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7 Estudios sobre la biohidrogenacin de los cidosgrasos (Wilde y Dawson, 1966);

7 Metabolismo del cido ctrico (Wright, 1971);

7 Hidrlisis del Biuret (Bauriedel, 1971; Bauriedelet al., 1971);

7 Degradacin y efectos del oxalato (James et al.,1967);

7Efectos de la cristalinidad de la celulosa sobre su

digestibilidad (Baker et al., 1959);

7 Fijacin de N en el rumen (Jones y Tomas, 1974);7 Efectos de las grasas en la degradacin de la fibra

(Jenkins y Palmquist, 1982);

7 Degradacin de varios compuestos de lignina(Chen et al., 1985).


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Determinacin del valor nutritivo del alimento

7El valor nutritivo de los alimentos de los rumiantes es determinado,principalemente por su digestibilidad;7Las tcnicas de digestibilidad in vivo, no son adecuadas para estasdeterminaciones a nivel de un laboratorio;

7Las tcnicas in vitropermiten simular la actividad fermentativa en elrumen.

Tiley y Terry (1963)

Produccin de Gas in vitro

Rusitec


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Tcnicas de produccin de gas

Permite determinar la extensin y la cintica de

degradacin del alimento a travs del volumen de

gas producido durante el proceso fermentativo

(Theodorou et al 1994).

Sistemas continuos de cultivo:

RUSITEC

Qu balance tenemos del aporte de la microbiologa


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Qu balance tenemos del aporte de la microbiologa

anaerobia en el estudio del ecosistema ruminal?

7 El actual estado de arte de la alimentacin y nutricin delos rumiantes se soporta en casi su totalidad en los estudios

del ecosistema ruminal, un ejemplo son las manipulaciones

alimenticias del animal;

7Basado en las dificultades para aislar y cultivar los

organismos presentes en el rumen, quedan muchas

interrogantes sobre si se han aislado todas las que son o no;

7 Las metodologas emergentes abren nuevas posibilidadespara aclarar muchas interrogantes.


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El f d l i bi l d l


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El futuro de la microbiologa del rumen

Uso de la biologa molecular en la identificacin


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Regensbogenova et al, 2004 (Acta Protozool, 43: 219 - 224)

de los protozoarios del rumen


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Manipulacin del rumen

7 Los protozoarios son depredadores demicroorganismos;

7 Contribuyen poco a la economa del husped;7 Su eliminacin incrementa la produccin dePM y mejora perfiles fermentativos.


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Una vaca produce al ao

entre 45-100 kg de gasmetano T Rebao Nacional

U/,-$).,+V.* 1111Cambios en la alimentacin

Vacunas anti-metanognicos

Eliminacin de protozoarios


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Aceites de maz y de coco como desfaunantes en el


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rumen de ovinos mantenidos en aislamiento


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Totales: 2,7x

Celulolticas: 1,14x


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