Emisión de metano: estrategias nutricionales para reducirlo
Estrategias nutricionales para reducir la producción Metano entérico (rumiantes)
Publicado: 5 de marzo de 2023
Por: Alfredo J. Escribano
DVM, MSc, PhD, MBA
1. INTRODUCCIÓN
1.1. Contribución de la producción de rumiantes al Cambio Climático
El ganado vacuno (carne y leche) es responsable del 65% de los gases de efecto invernadero directamente relacionados con la producción animal, seguido por otros rumiantes: búfalos con un 9% de contribución y 7% los pequeños rumiantes. Entre tales gases, el metano constituye la mayor proporción: 44%, seguido por el óxido nitroso (29%) y, muy de cerca, por el dióxido de carbono (27%) (Gerber et al., 2013).
1.2. Áreas de mitigación
La reducción de los GEIs (Gases de Efecto Invernadero) en general, y del metano en particular, debe estar llevarse a cabo mediante un enfoque y estrategia integral (figura 1) que integre desde la genética, a la salud y bienestar animal, la longevidad (emisiones/vida productiva del animal), la gestión del estiércol, del suelo, de los pastos, y como no, de la alimentación, lo cual incluye, la modulación ruminal.
Figura 1. Áreas de mitigación de las emisiones de metano en rumiantes. Fuente: elaboración propia
Profundizando en la alimentación, también existen diferentes puntos (núcleos de oportunidad) que deben abordarse (figura 2). Es fundamental incorporar materias primas nobles (de calidad y altamente degradables y digestibles). Por otro lado, el ajuste de los niveles de proteína y la formulación en base a aminoácidos (AA) va a tener también un efecto sobre la producción de metano (CH4). Asimismo, qué duda cabe que las emisiones de metano, al expresarse de forma relativa (en forma de ratios) estar directamente relacionadas con aumentar la eficiencia de la alimentación, por lo tanto, la nutrición de precisión debe ser una constante. De acuerdo con Provacuno, ajustar continuamente el aporte de nutrientes a las necesidades de cada animal es una estrategia con gran potencial para reducir las emisiones). Y finalmente, un aspecto clave en el rumiante, y en particular en la gestión del CH4, es la fibra. A mayores, la utilización de aditivos puede ser de utilidad.
Figura 2. Campos de actuación para reducir las emisiones de metano a través de la alimentación. Fuente: elaboración propia
2. EL FAMOSO METANO -CH4-. ORIGEN Y AVANCES CIENTÍFICOS
El rumen es un ecosistema complejo a nivel bioquímico y microbiológico, y en este sentido, la complejidad del mismo ha mostrado tener una relación con la eficiencia alimentaria, por tanto, con las emisiones de metano por kg de producto. Shabat et al. (2016) observaron cómo vacas de leche bajo sistemas intensivos y con diversidad microbiana menor en el rumen, así como con la presencia de ciertas especies bacterianas eran de manera consistente más eficientes.
En preparto, debemos preparar a la población microbiana del rumen con suficiente antelación para que el cambio de dieta no desencadene un desequilibrio ruminal (acidosis y/o falta de eficiencia) y/o metabólico (cetosis).
La diversidad así como la abundancia de metanógenos es importante en la formación de CH4, y que esta diversidad está influenciado por la disponibilidad de H2 y las interacciones dentro y entre microbios productores de H2 en el rumen, variaciones en la dieta, el huésped, y condiciones ambientales.
Se han propuesto varias estrategias dietéticas para mitigar la producción de CH4 entérico: mejora de la calidad del forraje, diferentes tipos de forraje, suplementación de lípidos y aditivos, sin demasiado éxito debido a falta de comprensión de diversidad de metanógenos en el rumen, la contribución de linajes metanogénicos individuales a la formación total de CH4, cómo los diferentes inhibidores alteran los linajes metanogénicos individuales y el efecto de estos inhibidores en los microbios productores de H2 y, en consecuencia, sobre la fermentación. varía con la genética del huésped; y a la alta especificidad microbiota huésped (Kittelmann et al., 2014)
Los enfoques "ómicos” están permitiendo aumentar nuestro conocimiento acerca de ante qué poblaciones de arqueas nos encontramos (tipificación y diversidad), su contribución en la metanogénesis, y qué efecto tienen los diferentes enfoques de mitigación según los ecosistemas microbianos.
Adicionalmente, se está profundizando en el conocimiento microbiológico de base, es decir, se están “descubriendo” linajes metanogénicos que era desconocidos hasta no hace mucho tiempo, o al menos, considerados poco importantes. Las investigaciones apuntan que éstos podrían tener un papel más importante en la formación de CH4 de lo que se pensaba, incluso más relevante que la de algunos metanógenos que comúnmente encontramos en el rumen (Söllinger et al., 2018; Söllinger y Urich, 2019).
3. ENFOQUES Y ESTRATEGIAS DE GESTIÓN
No cabe duda, por tanto, de que además de selección genética, el rumen debe ser programado y modulado. A grandes rasgos y en palabras llanas, podríamos definir la modulación ruminal como el enfoque de gestión basado en intervenciones (normalmente nutricionales) que busca dirigir las poblaciones ruminales y/o la fermentación ruminal, sus procesos metabólicos y de síntesis, para obtener objetivos concretos, normalmente, en línea con la mejora de la productividad/eficiencia alimentaria y de la salud animal (ej. maximizar la energía -AGVs- manteniendo niveles de pH ruminal adecuados). En el caso de la metanogénesis, la modulación ruminal ha conformado un paraguas de diferentes herramientas e intervenciones destinadas a “controlar”, ya sea:
- a los productores de metano, ya sea en número o en actividad, y/o
- a los procesos bioquímicos de formación de CH4: cómo derivarse H2 de las metanogénicas a sumideros alternativos para reducir de forma permanente la formación de CH4.
En este sentido, es vital conocer los principales factores que afectan a las arqueas metanogénicas y en la formación del CH4(fig. 3):
- Genética del huésped, estado fisiológico, composición de la dieta y ubicación geográfica (ej. Yañez-Ruiz)
- Genética del hospedador y metanogénicas (Li et al., 2019; Wallace et al., 2015). Metaómica: asociar rasgos fenotípicos con cambios en microbiota ruminal; ejs.:
- Eficiencia alimentación (Shabat et al., 2016; Li and Guan, 2017)
- Composición leche (Jami et al., 2014)
- Acidosis ruminal (McCann et al., 2016)
- Rendimiento de CH4 (Shi et al., 2014; Difford et al., 2018)
- Relación bidireccional entre huésped y microbioma, tiene un efecto significativo en el rendimiento fenotípico del huésped (Mizrahi y Jami, 2018)
- Técnicas metagenómica + metatranscriptómica para identificar animales con fenotipo de baja producción de CH4
- Aditivos
- Patrones de fermentación y relaciones entre poblaciones microbianas
- Tamaño ruminal, microbiota ruminal, tasa de paso y perfil CH4
- Formulación, fibra, y otros
- Programación del rumen – Crianza (con adultos o no; y entrada del alimento sólido)
Fig 3. Factores que influyen en la composición, diversidad y actividad de las arqueas, y en la formación del CH4 . Fuente: elaboración propia
3.1. Aditivos
Desde el punto de vista de la industria de la alimentación animal, hemos asistido a un tsunami de esfuerzos por desarrollar soluciones nutricionales (ingredientes y aditivos) dirigidos a reducir la metanogénesis sin perturbar el ambiente ruminal y el rendimiento del huésped rumiante, y también de testar si los productos comerciales ya existentes, de un modo u otro, son útiles para este propósito (consultar, por ejemplo: Johnson y Johnson, 1995; Hristov et al., 2013; Patra et al., 2017). A grandes rasgos, podría decirse que existen dos enfoques diferentes: uno que se dirige específicamente metanógenos y los otros usos inhibidores generales. Debido al carácter técnico del presente trabajo, el abordaje de este punto va a ser conceptual y a nivel de mecanismo de acción, no va a realizarse un repaso de los aditivos que pueden influir en la fermentación ruminal y en la producción de metano, para evitar que ningún aditivo se presenta en desigualdad de profundidad con respecto al resto, y así, evitar susceptibilidades comerciales.
Diferentes autores (ej. Hristov et al., 2013 y Yañez-Ruiz et al., 2015; Wagner Riddle et al., 2017; Patra et al., 2017) han puesto de manifiesto que la utilidad de tales compuestos a menudo parece limitado ya que los resultados suelen ser inconsistentes o de corta duración. Esto se debe principalmente a la dificultad de modificar un ecosistema microbiano bien establecido y completamente maduro en el rumen de animales adultos. Existe amplia evidencia de una fuerte especificidad de la microbiota huésped (Kittelmann et al., 2014), lo que implica que tras finalizar cualquier intervención (ya sea intercambio de digesta ruminal, aplicación de bacterias exógenas o tratamiento antibiótico), la composición de la comunidad microbiana y el perfil de fermentación tiende a volver al punto de origen (Weimer et al., 2010). Entre los inhibidores entéricos de CH4, merece especial atención el caso de los análogos estructurales a la metil-coenzima M, por su prometedores resultados (ej. Haisan et al., 2014; Dijkstra et al. 2018).
Además de estas limitaciones en su efectividad, existen otras limitaciones que deben tenerse en cuenta (Yañez-Ruiz, entre otros):
- Regulación
- Pureza, homogeneidad, estabilidad de los compuestos
- Adaptación del rumen
- Dieta y pH ruminal: sus efectos sobre microbiota, degradabilidad, fermentación
- Extrapolación de resultados
- Aplicación (dosificaciones, mezclados) y ROI
- Residuos
No obstante, y como se ha mencionado con anterioridad, algunos conceptos y productos están mostrando resultados interesantes, por lo que es necesario seguir investigando. Mi punto de vista particular es que la cuestión no debería estar tan basada (NO ÚNICAMENTE) en buscar y encontrar el santo grial (el producto que soluciona el problema),SINO TAMBIÉN, y debido a la “fortaleza” del rumen para volver al equilibrio inicial, diseñar estrategias de intervención “personalizadas” (según dietas, edades, ventanas de oportunidad fisiológica, según microbiota del animal, cómo se ha criado el animas en sus inicios ya que esto predice su composición microbiológica ruminal, y con dosificaciones variables y en combinación con varios compuestos). La limitación: el hecho de que la gran mayoría de granjas gestionen las vacas en lactación como un mismo animal, cuando etapas de días en leche muy dispares (0 DEL vs > 180 DEL) realmente nos hacen estar ante animales casi de otra especie. Esto es realmenteun agujero de eficiencia que, en mi opinión, se mejorará cada vez más, especialmente en granjas de alto nivel.
3.2. Relaciones entre metanogénicas/producción de CH4 y otros parámetros
3.2.1. Patrones de fermentación y relaciones entre poblaciones microbianas
Entre los enfoques y técnicas empleadas, las tasas de absorción de AGV para predecir las emisiones de CH4 (Williams et al., 2019) han sido testadas.
En relación con el patrón de fermentación, poblaciones de fermentación rápida como Prevotella, Succinivibrionaceae, Sharpea, forman cohortes con metanógenos específicos, y Selenomondales (Kamke et al., 2016; Wallace et al., 2015) como Methanosphaera (Shi et al., 2014) en vacas con fenotipo de bajo CH4. Por el contrario, microorganismos de fermentación lenta pertenecientes a Ruminococcaceae y Lachnospiraceae forman cohortes con metanógenos que consumen CO2 y H2, como los linajes de Methanobrevibacter (Kaplan-Shabtai et al., 2021).
Estas diferencias en las cohortes microbianos entre los fenotipos de alto y bajo rendimiento de CH4 entre los huéspedes rumiantes pueden estar vinculadas a varios factores que incluyen, entre otros, el tamaño del rumen, la tasa de paso, la rumia, la formulación (fibra), y las intervenciones durante la crianza temprana.
3.2.2. Tamaño de rumen, tasa de paso, rumia, y formulaciones (fibra)
- Tamaño del rumen: la diversidad y la metanogénesis se ven afectadas por el tamaño ruminal porque un tamaño pequeño del grupo ruminal y una tasa de paso más rápida pueden eliminar los metanógenos (Løvendahl et al., 2018)
- Tasa de paso ruminal: El tamaño del rumen y la tasa de pasaje pueden influir en la distribución de metanógenos y otras especies microbianas (Henderson et al., 2015). La tasa de paso ruminal es un rasgo moderadamente hereditario (Smuts et al., 1995) que se ha asociado directa o indirectamente con la tasa de crecimiento del metanógeno y sus interacciones con los microorganismo productores de H2 en función de las concentraciones de H2 en el rumen (Janssen, 2010).
- Una tasa de paso más alta permite el lavado de metanógenos -> menor formación de CH4. Por el contrario, una tasa de paso más lenta inducida por más fibra en la dieta (Janssen, 2010; Wang et al., 2016) o una ingesta de alimento restringida (McCabe et al., 2015) favorece la producción de acetato y H2 -> mayor formación de CH4 en el rumen (Janssen, 2010)
- Según el tipo de ración: las dietas altas en forraje tienden a reducir el H2 disuelto y las dietas altas en almidón pueden sobresaturar el fluido ruminal con H2 disuelto (Wang et al., 2016). La tasa de paso potencial durante la degradación del NDF es mucho más lenta (0,02 a 0,03 %/h; Krizsan et al., 2010) en comparación con la tasa de paso más rápida (0,06 a 0,07 %/h) para dietas en ganado lechero (NRC, 2001).
- Interacción entre metanógenos (y CH4) y otras bacterias: los metanógenos se adhieren diferencialmente a las bacterias productoras de H2 y, basándose en esta suposición, Muñoz-Tamayo et al. (2019) modelaron una tasa de paso máxima estándar de 0,12 y 0,07 %/h para M. ruminantium y M. smithii, respectivamente.
- Rumia: mezcla del contenido del rumen y absorción de AGVs. Se ha demostrado que la reducción de la motilidad ruminal puede inducir cambios en las comunidades microbianas ruminales (Attebery y Johnson, 1969), reduciendo así las emisiones de CH4.
3.3. Intervenciones durante la crianza temprana
3.3.1. ¿Las arqueas metanogénicas están presentes “desde el principio”? La ventana de oportunidad. El cuándo actuar
Se han encontrado arqueas metanogénicas en el rumen no desarrollado de corderos mucho antes de la llegada del sustrato sólido al rumen (2 a 4 días) y alcanzan concentraciones equivalentes a las de animales adultos alrededor de 10 a 14 días después del nacimiento (Fonty et al., 1987). ; Morvan et al., 1994).
En el contexto del vacuno lechero, es importante nombrar el trabajo de Guzman et al. (2015), quienes encontraron que en el día 0 de vida de los terneros, ya había presencia de M. mobile, M. votae y Methanobrevibacter sp.
3.3.2. ¿Qué efecto tiene la alimentación sólida?
Durante las primeras semanas de vida el rumen se va desarrollando y colonizando por una compleja mezcla de microorganismos procedentes del alimento, la primera dieta suministrada, del agua, del suelo o las heces, y del contacto con animales adultos (Yañez-Ruiz et al. 2015). Existe amplia evidencia (Fonty et al., 1987; Morvan et al., 1994) de que una proporción significativa de los anaerobios estrictos que se vuelven predominantes en el rumen maduro ya están presentes en el rumen 1 o 2 días después del nacimiento.
Un punto de inflexión clave en la colonización microbiana es la introducción de alimentos sólidos en la dieta (Rey et al., 2013). Desde hace varias décadas, se conoce que la introducción de alimentación solida en edades tempranas aumenta la abundancia microbiana ruminal (Anderson et al., 1987, en terneros), y que dependiendo de la naturaleza de dicha alimentación sólida (forraje vs. Forraje + concentrado) modula la abundancia de un tipo de bacterias u otras (lactobacilos y utilizadores de lactato, respectivamente (Eadie et al., 1959; Ziolecki y Briggs, 1961). Más recientemente, Yáñez-Ruiz et al. (2010) fueron más allá y estudiaron la persistencia de este efecto (4 meses) en corderos.
Es necesario tomar en consideración estos efectos y mirar hacia el futuro de estos animales, entendiendo estas intervenciones como una oportunidad (una ventana de inversión) que no tendremos posteriormente. En este sentido. Soberón y colaboradores (2012) observaron que el 22% de la variación en la producción de leche de terneras estaba explicado por el crecimiento que experimentaban durante las primeras semanas de vida. Si conseguimos modular esta primera fase de colonización y conseguir que se establezca una microbiota más eficiente, ésta perdurará en el animal adulto
3.3.3. Inoculación: directa
Aunque no con facilidad, existe la posibilidad de instaurar una porción de la micropoblación concreta, ya sea mediante hongos ruminales, cultivos de levaduras, extractos de rumen estabilizados, inoculación de líquido ruminal fresco, añadiendo bacterias ácido lácticas a las dietas de iniciación, o microorganismos beneficios contra problemas de alta prevalencia (como utilizadoras de lactato - Megasphaera elsdenii- para reducir el riesgo de acidosis ruminal). Para más información, revisar, entre otros, Fouts et al., (2012) y Yañez-Ruiz et al. (2015).
Fonti et al. (2007) demostraron cómo en corderos gnotobióticos (animales que carecen de metanógenos ruminales), la introducción de acetógenos tras el nacimiento tuvo unos efectos que persistieron 12 meses. Por tanto, los autores sugirieron que en el caso de ser posible o existir métodos para eliminar metanógenos en la vida temprana, la inoculación con acetógenos podría ser una opción factible (útil y durable) para disminuir las emisiones de metano en la vida adulta.
Sin embargo, aún es necesario llevar a cabo más estudios que muestren la efectividad técnica de cada solución en el largo plazo (eficacia y permanencia de efectos), así como su rentabilidad.
3.3.4. Crianza con o sin la madre
La influencia materna ha sido apoyada aún más en estudios recientes en términos de desarrollo microbiano en pre-rumiantes, ya sea (¡) en base a la similitud de micropoblación ruminal de metanógenos entre gemelos, lo cual indica que la madre es la principal fuente de inoculación, como por (2) estudios en los que los animales han sido sometidos a tratamientos antimetanogénicos (bromoclorometano, BCM).
Abecia et al. (2014) demostraron que la alimentación con leche natural a través de la madre frente a la alimentación artificial con sustituto lácteo resultó en un pH consistentemente más bajo en el rumen en desarrollo de los cabritos que permanecieron con las madres. Y esto tiene un impacto interesante, ya que un ambiente con un pH diferente durante el desarrollo sería más beneficioso para algunos grupos microbianos (Palmonari et al., 2010) y podría establecer una población microbiana diferente en el animal adulto.
Abecia y cols. (2014) plantearon la hipótesis de que los niños criados naturalmente habrían consumido más concentrado en una etapa anterior como resultado del aprendizaje de la alimentación social. Este aprendizaje fruto de la interacción social con adultos también había sido reportado por Vieira et al. (2012). En este caso, los autores observaron que terneros criados junto con adultos, presentan mayor frecuencia de visitas al comedero, mayor DMI, que aquellos criados sin compañía.
Figura 4. Explicación visual acerca del efecto de diferentes intervenciones a edades tempranas (dieta, aditivos, contacto con adultos, etc.) sobre la diversidad de la micropoblación ruminal. Fuente: Morgavi et al. (2021)
De nuevo Abecia et al. (2014; 2017), observaron cómo cabritos que recibieron una lactancia natural, presentaron mayor y más rápido desarrollo ruminal y mayor diversidad microbiana ruminal que sus hermanos que recibieron lactancia artificial, a igualdad de forraje y balanceado ad libitum.
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