No 1, 2008
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RUMINANTIA Una publicación dirigida a Productores de Pequeños Rumiantes en Puerto Rico Microbiología Ruminal Vol :3, No 1, 2008 Autores La presencia de microorganismos en el complejo retículo-rumen le permite al pequeño rumiante utilizar nutrientes presentes en los alimentos que no pueden ser degradados por enzimas producidas por mamíferos Universidad de Puerto Rico Los productos comestibles de los pequeños rumiantes (carne y leche) son una fuente de alimento Abner A. Rodríguez Carías, Ph.D. importante en muchos países. Al igual que todos los rumiantes, éstos se han adaptado para satisfacer sus necesidades nutricionales a base de forrajes. Sin embargo, como otros mamíferos, los Elide Valencia Chin, Ph.D. rumiantes no tienen la capacidad enzimática para degradar los componentes fibrosos del forraje Colaboradores (carbohidratos estructurales localizados en la pared celular de las células vegetales), sino, que han Agro. Luis Cruz Arroyo evolucionado para que en su estómago habiten microorganismos, como bacterias, protozoarios y Agro. Maria Vázquez Ortiz hongos, capaces de hacerlo. Estos microorganismos ruminales se encargan de la degradación de Agro. Francisco Rivera Meléndez la celulosa y la hemicelulosa, produciendo a la vez ácidos grasos volátiles (AGV), que son la princi- Agro. Wandaliz Rodríguez Santana pal fuente de energía para el rumiante. Además, la presencia de poblaciones microbianas en el Agro. Ana Santos Vargas i.e. urea), para la síntesis de proteína microbiana. Esta proteína contiene los amino ácidos esencia- Divulgación les que son requeridos en dietas de mamíferos no-rumiantes y aves, por lo que éstos no tienen Departamento de Agricultura que estar presentes en dietas para rumiantes en mantenimiento. Otra ventaja nutricional que pre- Agro. José Colón sentan los rumiantes es que sus poblaciones de microorganismos ruminales sintetizan las vitami- complejo retículo-rumen le permite al rumiante utilizar fuentes de nitrógeno no proteico (NNP; Agro. Shyara Alvelo Rodriguez nas “K” y las del complejo “B”, obviando así la necesidad de su provisión dietética, igual a lo que ocurre con los amino ácidos esenciales. Aunque energéticamente los rumiantes son menos eficientes que los animales no-rumiantes, ya que las pérdidas de energía como resultado del metabolismo ruminal de nutrientes son mayores en forma de gases combustibles y calor, tiene la habilidad de sobrevivir en base a dietas que otros tipo de mamíferos no pueden utilizar. Acidos grasos volátiles Proteína microbiana Contenido Microbiología Ruminal 1 Bacterias 2 Protozoarios 3 Hongos 4 Gases RUMIANTE Calor BACTERIAS HONGOS PROTOZOARIOS Editores Paul F. Randel, Ph.D. John Fernández Van Cleve, Ph.D. UPRM RETÍCULO-RUMEN Alimento (sustrato) contínuo Bacterias Las bacterias son microorganismos unicelulares (prokariotas) sin núcleo definido y pared celular formado por peptoglicanos Las bacterias son los microorganismos más abundantes en el complejo retículo-rumen. Existen alrededor de 10 billones de células bacterianas por gramo de contenido ruminal y alrededor de 200 especies que son responsables de la mayor degradación de las nutrientes de los alimentos. En el complejo retículo-rumen las bacterias se clasifican por su forma o afinidad por el sustrato. A B C Clasificación morfologica de bacterias en el complejo retículo-rumen. A) cocos. B) bacilos. C) espirilos Las bacterias son responsables de hidrolizar o degradar las macromoléculas que componen los sustratos presentes en los alimentos, como celulosa, hemicelulosa, almidón, grasas y aceites, y pectina . El producto final de la fermentación de los carbohidratos lo son mayormente ácidos grasos volátiles (AGV’S, i.e. ácetico, propiónico y butírico) los cuales representan la principal fuente de energía para el rumiante. Después de su produción en el rumen los AGV’S son absorbidos a través de la pared ruminal y transportados al hígado, órgano donde se metabolizan o son distribuídos a los diferentes tejidos del cuerpo (e.i. tejido adiposo, tejido muscular, glándula mamaria). De la degradación de proteínas y otros compuestos nitrogenados las bacterias ruminales producen amoníaco que es utilizado por los mismos microorganismos para producir proteína microbiana. El exceso de amoníaco es absorbido a través de las paredes del rumen y convertido en urea en el hígado. Parte de la urea se recicla a través de la saliva, mientras que el exceso de la misma se transporta el riñon y es eliminado por la orina. Durante la degradación de proteínas y carbohidratos en el retículo-rumen las bacterias también producen como resultado de su metabolismo calor y gases (e.i. CO2, CH4) que representan una pérdida energética para el animal. La degradación de lípidos (grasas y aceites) en el complejo retículo-rumen incluye la lipólisis (hidrólisis de la molécula formada por glicerol y ácidos grasos) y el proceso de biohidrogenación o biosaturación, en que los ácidos grasos no saturados ( presentes en grasas blandas) se transforman en saturados (presente en grasas duras), lo que explica la dureza de la grasa corporal del rumiante. Celulolíticas Hemicelulolíticas Fibrobacter succinogenes Ruminococcus spp. Streptococcus bovis Ruminococcus flavefaciens Butyrivibrio fibrisolvens Succinomonas amilolytica Ruminococcus albus Bacteroides ruminicola Bacteroides amylophylus Proteolíticas Metanogénicas Lipolíticas Prevotella spp. Methanobrevibacter ruminantium Anaerovibrio lipolytica Selenomonas ruminantium Methanobacterium formicicum Butyrivibrio fibrisolvens Eubacterium spp. Metanomicrobium mobile Treponema bryantii Butyrivibrio fibrisolvens Pagina 2 Amilolíticas Eubacterium spp. Géneros y especies de bacterias según su afinifidad por el tipo de sustrato en el complejo retículo-rumen Protozoarios Los protozoarios son microorganismos unicelulares (eucariotas), pertenecientes al reino Protista, que tienen cilios como medio de locomoción Como parte de la microflora ruminal están los protozoarios, microorganismos simples, micros- cópicos (15 a 250 µm de largo y 10 a 200 µm de ancho), predominantemente unicelulares y con núcleo diferenciado. En el complejo retículo-rumen se pueden encontrar hasta un millón de protozoarios suspendidos por mililitro de líquido ruminal, lo cual puede representar hasta un 50 % de la biomasa ruminal. Los protozoarios participan en el proceso de fermentación en el complejo retículo-rumen utilizando mayormente sus cilios como medio de locomoción y el mecanismo de adhesión para la degradación de sustratos. La clasificacion de los protozoarios rumianales también se basa en su morfología y su afinidad al sustrato que degradan (e.i. localización de cilios, celulolíticos, amilolíticos, proteolíticos). Celulolíticos Amilolíticos Proteolíticos Polyplastron Entodinium Entodiniumn Eudiplodinium Epidinium Eudiplodinium Anatomía general de un protozoario ciliado Géneros de protozoarios ruminales con capacidad de degradar sustratos Ilustraciones de protozoarios que habitan en el complejo retículo-rumen Del mismo modo que las bacterias, los protozoarios participan activamente en la degradación de celulosa y sus derivados, hemicelulosa, almidón y proteínas. La actividad amilolítica es de gran importancia para estos organismos. Los protozoarios digieren el almidón y como producto final del metabolismo producen ácidos grasos volátiles, lactato, formato, H2 y CO2. Por otro lado tienden a tener una actividad indirecta sobre la celulosa, ya que degradan con mayor facilidad los derivados de ésta. Además, utilizan la proteína suspendida en el liquido ruminal para producir amoníaco, que las bacterias degradadoras de celulosa utilizan como fuente de nitrógeno para su crecimiento. La presencia de los protozoarios (microfauna) en el retículo rumen se asocia tanto con ventajas como desventajas para el ecosistema microbial, en comparación con una situación de bacterias (microflora) únicamente. Desventajas Ventajas • • Competencia entre especies por sustratos Mantienen pH neutro, disminuyendo la producción de ácido láctico • • Aumentan la actividad Fibrolítica • Depredación de Bacterias y Hongos Aumenta la concentración de amoníaco para sustrato de bacterias Pagina 3 Ventajas y desventajas de las poblaciones de protozoarios en el complejo retículo rumen Hongos Los hongos son microorganismos eucariotas, heterotrófos que poseen paredes celulares engrosadas con quitina La microflora ruminal cuenta también con hongos microscópicos que ayudan en la digestión de los alimentos. Se clasifican dentro del Fílum Chytridomicota del reino Fungae . Los hongos fueron el último tipo de microorganismo ruminal en ser descubierto por lo que su modo de acción para hidrolizar las partículas de alimento no está bien documentado. Los hongos ruminales constituyen alrededor del 8% de la biomasa microbiana y se estima que la población de zoosporas tiene una densidad de 10, 000-1,000,000 de células por mililitro. Se han identificado 6 géneros en el retículo rumen. En su fase móvil (zoospora) estos microorganismos se reconocen por la presencia de un flagelo (Figura A) que los ayuda a desplazarse en el líquido ruminal hasta llegar a una partícula de alimento. Una vez en contacto con el alimento los hongos se enquistan (Figura B) formando un rizoide ramificado (Figura C) que penetran y debilitan la pared celular de la partícula de forraje. A partir de este momento comienza la formación de su fase vegetativa no móvil (esporangio), que produce nuevos zoosporas (Figura D). A B C D Ilustración de la actividad degradativa del sustrato por los hongos en el complejo retículo-rumen Géneros de hongos en el rumen Importancia de los Hongos del Rumen Neocallimastix spp. A pesar que las bacterias y los protozoarios están presentes en mayor cantidad y Piromyces son responsables de la mayor parte de la degradación de los alimentos, los hongos Orpinomyces Caecomyces Sphaeromyces Cyllamyces tienen importancia en la digestión de los alimentos fibrosos durante las primeras 5 horas después de consumidos. Los hongos del rumen producen un complejo enzimático capaz de degradar la fibra al igual o mejor que las principales bacterias celulolíticas, incluso siendo capaz de disolver parte de la lignina. Según los científicos, la función principal de los hongos es debilitar las estructuras de algunos tejidos de la planta incrementando la superficie disponible para la digestión bacteriana, mejorando así la efectividad de la rumia y degradabilidad de la fibra. En términos prácticos, ciertos cultivos de levaduras (forma de hongos) se utilizan como RUMINANTIA Carta semestral del Colegio de Microbes” o “microorganismos alimentados directamente” y se les asocia con capacidad Ciencias Agrícolas y del Fondo fibrolítica o degradativa de paredes celulares (e.i. celulosa, hemicelulosa), siendo Saccharomyce para el Fomento de la Industria de Pequeños Rumiantes en cerevisiae y Aspergillus niger las levaduras más utilizadas para este propósito. Puerto Rico dirigida a Otro microorganismo: viruces productores comerciales aditivos comerciales para mejorar la fermentación ruminal. Estos se designan “Direct Fed Además de las bacterias, protozoarios y hongos, dentro de la microbiología del complejo Proyecto de Pequeños Rumiantes, Departamento de Industria Pecuaria, no determinadas y no contribuyen al proceso fermentativo o la degradación de sustratos, ni P.O. Box 9030 Mayaguez, PR 00680 tienen actividad respiratoria. Sin embargo, se les asocia con el rompimiento de otros micro- retícul-rumen se han identificado y aislado viruces. Los viruces están presentes en cantidades Pagina 4 organismos por lo que se les conoce como bacteriófagos.
