Microbiología del Rumen

Indice
1.
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