Ambiente ruminal y microorganismos

Introducción

Los rumiantes han desarrollado un aparato digestivo que les permite ser eficientes en el aprovechamiento de los forrajes. Si embargo, éstos, por su alta proporción de substancias estructurales (entre otras celulosa, hemicelulosa y lignina) y a menudo su escaso contenido en proteínas, pueden ser considerados como alimento de escaso valor nutritivo. Por ello, la organización anatómica del tracto gastrointestinal de los rumiantes es el resultado de un largo proceso de adaptación a una alimentación rica en celulosa.

La celulosa es componente principal de la pared secundaria de la célula vegetal y es un polímero de glucosa de elevado peso molecular, con subunidades de celobiosa compuestas de moléculas de glucosa unidas entre sí mediante enlaces ß-D-1,4 glucosídicos. Sin embargo los rumiantes carecen de enzimas celulolíticas propias, que les permitan tener acceso a la glucosa para la síntesis de piruvato y de éste formar ácidos grasos de cadena corta (AGVs).

Por ello los preestómagos deben mantener un ambiente que permita el crecimiento y la multiplicación de los microorganismos, que son responsables de las fermentaciones con las que se obtienen productos finales que el rumiante puede utilizar.

La relación entre el rumiante y los microorganismos constituye una simbiosis. Entre los beneficios que el rumiante otorga a los microorganismos es el ambiente ruminal propicio para su multiplicación y actividad metabólica. Los microorganismos aportan al rumiante los productos de la fermentación que puede utilizar, tales como los AGVs, la síntesis de proteínas bacterianas, aminoácidos esenciales y no esenciales y vitaminas hidrosolubles. Además, algunas bacterias del rumen son capaces de inactivar determinadas sustancias potencialmente tóxicas, tales como nitritos, fitoestrógenos, y toxinas vegetales y de hongos.

Ambiente ruminal

Tal como lo hemos dicho, el ambiente ruminal es importante para la realización de los procesos fermentativos de la digestión ruminal de los forrajes. Este ambiente es controlado principalmente por el tipo y cantidad de alimento consumido, la mezcla de los alimentos, el paso de los alimentos a segmentos posteriores del aparato digestivo, la rumia, la cantidad de saliva que ingresa al rumen, la remoción de los desechos no digeribles y la absorción de los AGVs.

Características del ambiente ruminal:

Estratificación del alimento consumido. El contenido del rumen y retículo está estratificado según peso específico. En la parte dorsal hay gas producido por la actividad fermentativa e inmediatamente por debajo se continúa con una zona con alimento más grueso, recientemente consumido y fragmentado por masticación ingestiva, son fibras de 1 a 2 cm, sobre las cuales comienza la actividad fermentativa y la producción de gas luego un estrato fangoso con partículas finas desde la cual se toma el bolo para ser rumiado, allí el forraje posee un tamaño menor con mayor humectación y peso específico.

Figura 1. Estratificación por capas del contenido del rumen (Modificado de FMVZ, UNAM 2008).

En la parte más inferior hay una zona líquida con contenido finamente triturado y bien humectado y de éste estrato será seleccionado el contenido ruminal que progresará hacia el omaso. Aquí las partículas de alimento tienen un tamaño de 1 a 3 mm en ovinos y hasta 4 mm en bovinos.

Tasa de renovación.Los fluidos y los alimentos ingeridos permanecen un tiempo en el retículo-rumen, posteriormente continua su progresión en el aparato digestivo, absorbidos o eliminados. El flujo de fluidos a través de rumen es influido por la cantidad de saliva secretada y por el agua que bebe o está incorporada en el alimento. La adición de cloruro de sodio o bicarbonato de sodio a la dieta aumenta la sed y la retención de agua en el rumen, favoreciendo la tasa flujo.

El periodo de retención de la ingesta en el reticulorrumen está determinado por la capacidad del reticulorrumen, la magnitud del consumo de alimentos y su tasa de digestibilidad. La materia sólida es retenida en el rumen hasta que se reduce de tamaño para pasar a través del orificio reticulo-omasal. Esta reducción de tamaño de las partículas se logra mediante una combinación de la masticación al ingerir el alimento, la masticación durante la rumia, la participación de los microorganismos y la comprensión que se realiza sobre las partículas durante los movimientos ruminales. Las partículas fibrosas más digestibles se degradan rápidamente, y por ello tiene un periodo corto de retención ruminal, de solo algunas horas. Las de digestibilidad menor pueden estar retenidas en el rumen por días. El periodo de retención promedio, obtenido por pruebas de alimentación a partir de la cinética de la excreción fecal de substancias sin digerir (marcadores), manifiesta que puede variar de 12 horas para los líquidos hasta de 18-72 horas para partículas de alimentos. Así la tasa de renovación del contenido ruminal tiene un efecto significativo en la utilización del forraje, existiendo una relación inversa entre la tasa de pasaje y la degradación de los alimentos.

Un gran llenado del rumen y largos periodos de retención determinan una baja tasa de renovación. Una fermentación ruminal incrementada se asocia a una tasa de renovación más rápida, pero si la velocidad de renovación es más rápida que la capacidad de multiplicación bacteriana, se puede producir un “lavado” de los microorganismos y con ello se disminuye la digestibilidad. Como consecuencia puede haber aumentado la ingesta de alimentos pero habrá disminuido la eficiencia de conversión.

Sistema buffer. El ambiente ruminal posee un sistema buffer eficiente, basado en la presencia de ácidos orgánicos, carbonatos y fosfatos salivales. Adicionalmente ayuda el amonio a concentraciones de 12 mmol/L o mayor. El pH fisiológico es de 5,5 – 7,0, pero con dietas ricas en granos o que no promuevan la salivación puede bajar hasta 4,6.

La saliva fluye constantemente hacia el rumen ayudando a mantener el contenido en estado líquido, controlando el pH y facilitando el acceso de los microorganismos al material vegetal. El volumen de saliva depende del tipo de dieta, siendo mayor en las de contenido fibroso que requieren un mayor número de movimientos masticatorios y estimulan la secreción salival. El volumen de secreción salival de la vaca varía entre 60 y 160 L/día y en la oveja de 6 a 16 L/día.

Temperatura y potencial redox. En el rumen se mantiene una temperatura de 38 a 41ºC, con un promedio de 39ºC y un potencial redox de -350mV, el que varía entre -240 a -450 mV. El potencial redox es una medida de la actividad de los electrones y está relacionado con el pH y con el contenido de oxigeno, siendo análogo al pH, ya que éste mide la actividad de protones y el potencial redox de los electrones. Un potencial redox positivo y de alta magnitud, es indicativo de un ambiente que favorece las reacciones de oxidación y uno negativo, y de baja magnitud, es de un ambiente reductor. Por ello el potencial redox afecta la actividad metabólica de los microorganismos. Los microorganismos aerobios estrictos tienen un metabolismo activo en potenciales redox positivos, mientras que los anaerobios estrictos demuestran actividad metabólica solo a potenciales redox negativos. El potencial redox negativo del rumen es responsable que los hidratos de carbono sólo se descompongan hasta AGVs y no hasta CO₂ y agua, de manera que la energía contenida en los AGVs quede disponible para el rumiante.

Presión osmótica. El rumen posee una presión osmótica que varía en un rango de 260 a 340 mOsmoles/L, pero generalmente se mantiene en 280 mOsmoles/L. Esta presión osmótica es semejante a la de los tejidos y con ello evita las pérdidas de agua desde el líquido intersticial al rumen y viceversa. La presión osmótica no solo influye en el transporte de agua, también lo hace en el transporte de AGVs. En la medida que aumenta la presión osmótica la absorción de AGVs comienza a disminuir.

Gases ruminales. En el ambiente ruminal hay gases producto de la fermentación, siendo los más abundantes el metano y el CO₂. Los gases mayoritariamente se eliminan por eructación.

En el Cuadro 1 se informa de los principales gases que se producen en el rumen.

Microorganismos.El ambiente ruminal se caracteriza por la presencia de microorganismos anaerobios estrictos y facultativos. El rumiante se beneficia con su presencia por la actividad fermentativa de éstos sobre alimentos, resultando productos finales de valor nutricional, tales como AGVs, proteína bacteriana y vitaminas.

Cuadro 1. Valores porcentuales de gases producidos en el rumen.

Microorganismos

Los más importantes microorganismos ruminales son bacterias, protozoos y hongos. De las bacterias se han reconocido 22 géneros y 63 especies anaeróbicas, en una concentración de 10⁹ – 10¹⁰ /g de contenido ruminal y de aeróbicas facultativas, 10⁴ /g de contenido ruminal. Los protozoos representan la microfauna ruminal y se desarrollan preferentemente a pH superior a 6,0. Se han identificado 6 géneros y 16 especies. Su concentración es de 10⁴ – 10⁶/por gramo de contenido ruminal. Si bien su cantidad es menor que la de las bacterias, al tener mayor tamaño les permite representar una biomasa total semejante a las de las bacterias. Hongos anaeróbicos se han reconocido 3 géneros y 4 especies. Poseen una importante actividad celulolítica, en especial cuando el rumiante consume forrajes demasiado maduros o encañados. No predominan en el rumen porque tienen una baja tasa de multiplicación comparados con las bacterias, algunas de las cuales limitan su crecimiento, como el Ruminococcus spp.

Los microorganismos tienen una distribución dentro del ambiente ruminal, algunos están en el contenido líquido del rumen, otros adheridos a las partículas de alimento y otros adheridas a la pared del rumen. La cantidad y especies de microorganismos no es estática en su ubicación, varían en el tiempo y por la alimentación.

Las bacterias, hongos y protozoos colonizan prácticamente todas las partículas de alimento que llegan al rumen, excepto las superficies intactas de las plantas, que por estar cubiertas de cutina, resisten la fermentación microbiana. Por ello el forraje picado es más accesible para las enzimas microbianas, aumentando la velocidad de digestión. Pero, existe un límite en la reducción del tamaño de las partículas del forraje, ya que cuando se suministra molido (menor a 1 - 2 mm) la actividad degradativa de los microorganismos disminuye por destrucción de la matriz tridimensional de las partículas, que es la que favorece la permanencia de las bacterias celulolíticas para realizar la fermentación.

Bacterias. Los animales adquieren las bacterias ruminales por contacto directo con otros bovinos o de manera indirecta por forrajes o agua. Los animales jóvenes tienen una composición similar a la de los adultos a partir de la 6 semana en los corderos y de la 9 - 13 semanas en terneros. Son de un tamaño de 1 a 10 µm y se ubican generalmente en la superficie de las partículas de alimento o de la mucosa ruminal. La población bacteriana ruminal es controlada por diversos factores, siendo los más importantes la concentración de sustratos que liberan energía, la cantidad de nitrógeno disponible, el pH y la acumulación de los productos finales de la fermentación. Sin embargo la composición de las bacterias está determinada en gran medida por el tipo de ración, el pH ruminal, la condición de anaerobiosis y la tasa de transformación de la ingesta. Las bacterias celulolíticas se desarrollan mejor en un medio de pH 6,0 a 6,9 y las amilolíticas en un pH más ácido, de 5,5 a 6,0.

Las bacterias que utilizan oxígeno, estabilizan la condición de anaerobiosis ruminal y con ello el potencial redox negativo. Las que producen metano ( M e t h a n o s a r c i n a s p p., M e t h a n o m i c r o b i u m s p p., M e t h a n o b r e v i b a c t e r s p p. M e t h a n o b a c t e r i u m f o r m i c i u m ) a partir de CO₂ y H₂, mantienen baja la presión parcial de hidrógeno. En definitiva esto impide una producción excesiva de etanol y lactato durante la fermentación en los preestómagos.

Estos dos últimos factores, la actividad bacteriana para establecer la anaerobiosis y la baja presión de hidrógeno, determinan el equilibrio de las reacciones químicas del contenido de los preestómagos permitiendo que las bacterias ruminales sean responsables de la mayor parte de la actividad celulolítica y capaces de sintetizar sus proteínas a partir de compuestos nitrogenados no proteicos, especialmente del amoníaco (NH₃).

La tasa de digestión bacteriana depende de: a) la estructura de la planta, que regula el acceso bacteriano a los nutrientes (carbohidratos insolubles), b) de factores bacterianos que controlan la adhesión, c) del desarrollo de asociaciones bacterianas (consorcios) que pueden actuar en conjunto sobre un sustrato, las que en forma independiente no tendrían acceso para realizar la actividad fermentativa y d) de los complejos de enzimas hidrolíticas de los microorganismos adherentes

Existen varias clasificaciones posibles de realizar de las bacterias ruminales, sin embargo estimo pertinente destacar una clasificación funcional, considerando los sustratos sobre los cuales actúan y los productos finales que producen.

En el Cuadro 2 se presenta una clasificación funcional de las bacterias de rumen.

Existe una importante interdependencia entre las bacterias, algunas especies celulolíticas no pueden degradar proteínas y algunas especies proteolíticas no pueden degradar la celulosa, sin embargo la actividad conjunta les permite aprovechar a unas los productos de las otras. Así las proteolíticas aprovechan las hexosas producidas por las bacterias celulolíticas y éstas aprovechan el nitrógeno y las cadenas carbonadas producidas por las bacterias proteolíticas, formándose un ecosistema complejo que permite un beneficio mutuo entre los microorganismos y por ende para el rumiante.

Protozoos. Los protozoos tienen un tamaño que varía de 20 a 200 µm; anaeróbicos estrictos y representan aproximadamente el 50% de la biomasa, pero contribuyen sólo con el 20% de la proteína microbiana que pasa al duodeno. Son extremadamente sensibles a los cambios de la dieta, aumentando con las que contienen azúcares y almidón de alta digestibilidad.

Los protozoos poseen enzimas capaces de descomponer hidratos de carbono, proteínas y grasas. Los géneros Isotricha y Dasytricha absorben preferentemente hidratos de carbono solubles para fermentarlos o almacenarlos como amilopectinas. Las especies del género Diplodiniumprefieren partículas de la pared celular vegetal. Los protozoos satisfacen las necesidades de nitrógeno ingiriendo pequeñas partículas alimentarias, bacterias, hongos y otros protozoos, además como pueden ingerir almidón y algunas proteínas, cuando la alimentación es rica en hidratos de carbono fácilmente fermentables, los protozoos fagocitan trozos de almidón reduciendo el riesgo de acidosis del rumen. Además, cuando los protozoos mueren pasan al abomaso e intestino sufren digestión enzimática y dejan a disposición las proteínas de las bacterias fagocitadas, de alto valor biológico, pero a elevado costo energético por la recirculación del nitrógeno.

Los productos de fermentación de los protozoos que pueden utilizar los rumiantes, son el acetato, butirato y lactato. No producen propionato. El CO₂ y el H₂ producido son transformados en metano por las bacterias metanogénicas. Cuando los protozoos mueren y pasan al abomaso e intestino sufren digestión enzimática, y por ello constituyen una fuente de proteína de alto valor biológico.

En el Cuadro 3 se presenta una clasificación de los protozoos ruminales.

Cuadro 2. Clasificación funcional de las bacterias ruminales, substratos y productos.

Cuadro 3. Clasificación de los protozoos ruminales y sus substratos de fermentación preferentes.

Los protozoos poseen enzimas hidrolíticas y reductoras, por lo que pueden neutralizar componentes tóxicos del alimento, entre ellos cabe destacar la reducción de los grupos nitritos de los compuestos orgánicos a aminas y también pueden formar compuestos de metales pesados de difícil absorción, como es el caso de los sulfuros de cobre o quelatos de cobre.

Son capaces de fagocitar y matar bacterias, asimilando la mayoría de la proteína bacteriana. La digestión de la proteína bacteriana aumenta la disponibilidad de productos de descomposición orgánicos e inorgánicos en el líquido del rumen y con ello mejora el crecimiento y la eficacia de las bacterias restantes, manteniendo la población bacteriana bajo control.

Cuando los cambios de la ración son demasiado rápidos, provocando disminución del pH y aumento de la osmolaridad, se produce disminución de la población de protozoos y pueden desaparecer del ambiente ruminal (defaunación). Sin embargo, ninguna de las acciones de los protozoos parece ser esencial para el metabolismo de los preestómagos.

Hongos.Representan poco más del 8% de la biomasa microbiana ruminal y son estrictamente anaerobios. Tienen un complejo sistema enzimático que les permite utilizar todos los polisacáridos estructurales. Estas enzimas son principalmente extracelulares y tienen una actividad máxima sobre amplios rangos de pH.

Hasta ahora se han detectado especies de los géneros Neocallimastix, Piromonas y Sphaeromonas. El estadovegetativo de los hongos es un esporangio con una extensa red de rizoides que invade las partículas vegetales. El esporangio produce y liberas zoosporas flageladas y móviles que llegan al fluido ruminal y se adhieren a las nuevas partículas de forraje. La quimeotaxis juega un papel importante en la ubicación y colonización de las partículas de forraje. Las zoosporas son atraídas por la presencia del componente hemo de la clorofila y de otros componentes de las partículas de alimento recientemente ingeridas. Una vez en contacto, las zoosporas se enquistan y luego germinan desarrollando el micelio y sus hifas crecen penetrando en el tejido vegetal, disgregando las partículas de alimento. Los hongos colonizan preferentemente los tejidos lignocelulósicos más resistentes, aunque su papel en la degradación de la lignina no está claro, ya que si bien son capaces de solubilizar parte de la lignina de las paredes celulares, no hay evidencia que la utilicen como fuente de carbono; pero al alterar la estructura de las paredes celulares permite que otros microorganismos puedan tener acceso a carbohidratos que antes no estaban disponibles. En términos cuantitativos la contribución de los hongos a la degradación de las paredes celulares no es bien conocida, si bien se ha demostrado que en su ausencia la digestión de la paja “in vitro” disminuye de 53,8% a 44,6%.

Los productos finales que se obtienen durante la actividad fermentativa de los hongos sobre los hidratos de carbono son similares a los obtenidos por la acción de bacterias y protozoos. También en diversas especies se ha detectado actividad proteolítica. Hay poca información de actividad sobre las grasas, aunque se ha podido comprobar que son capaces de realizar la síntesis de ácidos grasos de cadena larga.

La población de hongos aumenta con dietas ricas en alimentos fibrosos y por ello de largas permanencias en el rumen. Los hongos pueden disminuir con dietas de corta permanencia en el rumen o fagocitados por protozoos, pero aún no se ha clarificado el efecto que podría tener el descenso de la concentración de los hongos en la digestión ruminal.

Los estudios y el conocimiento existente sobre los microorganismos del rumen se han basado en técnicas de cultivo desarrolladas para organismos anaeróbicos estrictos, que tienen muchas limitaciones, ya que es muy difícil lograr los bajos potenciales redox requeridos mediante la remoción del O_2. Con el desarrollo de las técnicas moleculares se proyecta un futuro prometedor ya que permitirá identificar nuevos microoganismos y probablemente un reordenamiento en la taxonomía de los grupos microbianos.

Finalmente se puede decir que el ambiente ruminal es un ecosistema abierto, con un aporte constante de substrato, en medio acuoso, con muy baja concentración de oxígeno, condiciones de pH, presión osmótica y temperatura que permite la presencia de la comunidad de microorganismos, bacterias, protozoos y hongos, en que cada uno mantiene su estrategia de colonización del alimento, permitiéndoles responder a diferentes tipos de alimentos, y que los productos finales de su actividad fermentativa son utilizados por el rumiante. Tambien, que la utilización de técnicas moleculares permitirá ampliar el conocimiento de los microorganismos, identificando nuevos o reordenando la taxonomía de los existentes.

Ambiente ruminal y microorganismos

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