Fermentação ruminal

Disciplina: Metabolismo energéticoProf. Dr. Adriana GuimGrupo 1: Gláucia Moraes Jonas Inácio

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCOPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO INTEGRADO EM

ZOOTECNIA

Introdução Durante a evolução, os animais ruminantes desenvolveram características anatômicas e simbióticas

Carboidratos Energia

Compostos nitrogenados não proteicos

Proteína

Introdução

A fermentação em ruminantes é o resultado da atividade física e microbiológica, a qual converte os componentes dietéticos a:

Ácidos graxos de cadeia curtaProteína microbianaVitaminas do complexo B e vitamina KDióxido de carbono e MetanoAmônia e Nitrato e etc...

Introdução A manutenção de uma população microbiana ruminal ativa depende de algumas característica ruminais que são mantidas pelo animal hospedeiro:

Suprimentode alimento mastigado ou ruminadoRemoção dos produtos de fermentação Adição de tamponantes e nutrientes via saliva Remoção de resíduos indigestíveis dos alimentosManutenção do pH e TemperaturaAnaerobiose Umidade ideais ao crescimento microbiano

Objetivo da aula

Abordar:

A caracterização do ambiente ruminalO processo de fermentação e os fatores que

o afetamOs microrganismos e colonização de

partículasO produtos de fermentação e a cinética

ruminal.

Caracterização do ambiente ruminal

OsmolaridadeFermentação normal (260 a 340 mOsm) Após uma alimentação à base de concentrado ou feno de alfafa peletizado (350 a 400 mOsm)

Pressão osmótica próxima de 260 mOsmFavorável aos protozoários ciliados Pressão osmótica ↑ 350 mOsmDigestão da fibra e do amido é inibida por efeito direto sobre o metabolismo microbiano

Caracterização do ambiente ruminal

pH: 5,5 a 7,2↓ 6 Inibe bactérias fermentadoras de celulose

↓ Eficiência de síntese de Ptm

Temperatura: 38 a 41°C (ideal 39°C)

pH e Temperatura

Caracterização do ambiente ruminal

Potencial redox Entre -250 a -450 mV refletindo ausência de oxigênio e o excesso de potencial redutor

Os microrganismos são obrigados a trabalhar com excesso de equivalentes redutores (NADH)

Para dispor desses compostos, eles reduzem todos os compostos disponíveis:

CO2 reduzido a metano Sulfatos e nitratos a sulfetos e amônia Ácidos graxos insaturados a saturados.Apesar disso, o crescimento microbiano permanece limitado pela disponibilidade de ATP

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Dieta Produtos finas da fermentação

Muda atividade metabólica dos microrganismos

A dieta é, provavelmente, o fator mais importante que influencia o número e a proporção relativa das diferentes espécies de microrganismos ruminais.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Mudança abrupta de uma dieta

• Determina o grau de perturbação da fermentação ruminal

• Potenciais distúrbios digestivos

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Quantidade e a composição da dieta

Variáveis externas

Taxa de passagem

Taxa de digestão

Turnover do conteúdo ruminal

A ingestão é regulada pela exigência do animal, composição da dieta e disponibilidade de alimento

Dietas com altos teores de proteínaFavorecem microrganismos proteolíticos

Dietas altas em amido, que são baixas em fibra

Estão associadas a uma grande população de utilizadores de amido

.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

ocorrência de microrganismos celulolíticos em um número reduzido em animais alimentados com dietas ricas em concentrados dependerá: Tamanho de partícula da

fibra Taxa de passagemPequena quantidade de forragem grosseira: Taxa de passagem pode

ser lenta ↑ Microrganismos

celulolíticos

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Dietas baixas em fibra Altas taxas de degradação Produção de ácidos graxos voláteis Requer tamponantes

Condições favorecem espécies capazes de tolerar algum abaixamento do pH ruminal

Microrganismos celulolíticos e metanogênicos são menos tolerantes a

tais mudanças (Slyter, 1976)

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Manipulação dietética da fermentação ruminalA modificação na fermentação ruminal pode ocorrer em três níveis: dietético, animal e microbiano.

Os principais objetivos da manipulação ruminal são:

Melhorar os processos benéficos

Minimizar, deletar ou alterar os processos prejudiciais para o animal hospedeiro

Minimizar, deletar ou altera os processos ineficientes

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

A manipulação dietética da fermentação ruminal é feita com a inclusão de substâncias como:

Ionóforos

Lipídeos

Leveduras

Enzimas fibrolíticas

Tampões

Controla e otimiza as reações fermentativas dos principais

componentes dietéticos

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Ionóforos Os ionóforos, principalmente a monensina, é:

Antibiótico produzido pelo Streptomyces cinnamonensis

Seu uso aprovado nos USA para gado de corte em confinamento, 1976, e para animais em pastejo, em 1978.

Somente monensina, lasalocida, salinomicina e laidomicina propionato são aprovados para uso em dietas de ruminantes.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Ionóforos Altamente efetivos contra bactérias Gram-positivas

Exibem pouca ou nenhuma atividade sobre bactérias Gram-negativas

Possuem uma membrana externa que contem porinas (canais de proteína)

Tamanho limite de aproximadamente 600 dáltons

A maioria dos ionóforos são maiores que 600 Da.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Russell (1997)

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Dentre os efeitos benéficos dos ionóforos, podem se citar:

Melhoria na eficiência do metabolismo energético

Alterando a proporção de AGCC produzidos no rúmen

Aumento da concentração de propionato e redução nas concentrações de acetato e butirato, com diminuição na perda de energia na forma de metano;

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Dentre os efeitos benéficos dos ionóforos, podem se citar:

Redução na degradação de proteína dietética

Aumentando a quantidade de proteína de origem alimentar que chega ao intestino delgado;

Aumento da digestibilidade dos alimentos;

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Dentre os efeitos benéficos dos ionóforos, podem se citar:

Redução na incidência de acidose Aumento do pH ruminal Inibição de bactérias produtoras de ácido lático

A redução da acidose lática está relacionada ao uso de monensina, já que as bactérias produtoras de ácido lático (Streptococcus bovis e Lactobacillus spp.) são Gram-positivas e sensíveis à monensina.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Ionóforos causam:

Redução do CMS Sem alterar o ganho de

peso Melhora a conversão

alimentar

Não altera do CMS Melhora ganho de

peso Melhora a

conversão alimentar

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Enzimas fibrolíticas As enzimas comerciais são extratos de fermentação de origem bacteriana (Bacillus sp.) ou fúngica (Trichoderma e Aspergillus spp.).

Melhora no ganho de peso

Conversão alimentar de bovinos

Aumento nas digestibilidades da MS e da fibraOutros trabalhos não apresentaram efeito sobre o desempenho animal.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Enzimas fibrolíticas Quanto ao mecanismo de ação:

Sugerido que o aumento da digestibilidade da fibra seria resultante

da melhoria na colonização das partículas alimentares. Além disso, poderia haver

estímulo da atividade enzimática endógena dentro do rúmen

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Enzimas fibrolíticasEm vacas lactantes no início ou meio da lactação: Alimentadas com 55% de volumoso O uso de enzimas fibrolíticas (celulases e xilanases) imediatamente antes da alimentação permite:

aumento na produção de leiteEfeito maior nas vacas alimentadas no terço inicial da lactação

Contudo, mais pesquisas são necessárias para entender como o tratamento melhora a produtividade dos animais.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

LevedurasO aumento no número de bactérias viáveis e de celulolíticas parece ser o efeito mais consistente em resposta ao uso de Sacharomyces cerevisae.

.• Acredita-se que esse aumento seja responsável pela maior degradação da fibra e do escape ruminal de proteína microbiana

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Além disso, verificou-se que o uso de S. cerevisae estimulou o crescimento da bactéria gram-negativa utilizadora de ácido lático, Selenomonas ruminantium.

Foi sugerido também que essa levedura estimula a captação de oxigênio e isso levaria ao aumento no número de bactérias ruminais..

Entretanto, mais pesquisas são necessárias para explicar essa ação. O uso de Aspergilus oryzae mostrou resultados similares aos da S. cerevisae, principalmente no que se refere ao aumento no número de bactérias totais e celulolíticas

Leveduras

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

LipídiosOs lipídios são utilizados nas dietas de ruminantes para aumentar a energia das rações

Principalmente para vacas leiteiras no início da lactação

Decorrência da sua elevada densidade calórica para manipular a fermentação ruminal, ou para reduzir o custo das rações. Uma fonte lipídica

ideal: Aquela que tem mínima interferência sobre a

fermentação ruminal Alta digestibilidade no intestino delgado

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

LipídiosEfeitos da adição de lipídios: Depende da quantidade e da fonte dos mesmos

Apresentando os lipídios insaturados e os AGCC mais efeitos do que os ácidos saturados e os AGCL, enquanto que os sabões de Ca apresentam efeitos mínimos sobre a fermentação ruminal.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Lipídios O efeito mais consistente da suplementação lipídica é a redução na concentração de amônia ruminal

Resultante da redução na proteólise e/ou da reciclagem de bactérias, em consequência da diminuição do número de protozoários ciliados.

Pode ocorrer aumento na produção ruminal de propionato e geralmente, ocorre redução na metanogênese.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Tampões Tampões são combinações de um ácido fraco e seu sal, devendo ser solúveis em água e seu pKa deve ser próximo do pH fisiológico do rúmen, sendo o bicarbonato de sódio considerado um verdadeiro tampão com um pKa de 6,25.

Os tampões têm a função de neutralizar o excesso de ácidos produzidos no rúmen em situações nas quais os sistemas tamponantes, principalmente o fluxo salivar, são insuficientes.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Tampões A ação dos tampões no rúmen pode ser explicada pelo:

Aumento na ingestão de água Aumento na taxa de passagem de líquidos e no escape ruminal dos carboidratos solúveis, diminuindo a produção ruminal de propionato e, consequentemente, aumentando a produção de gordura do leite.

Fatores que afetam o ambiente ruminal e o processo de fermentação

Tampões O rúmen é bem tamponado pela secreção salivar

Mas se a quantidade de fibra dietética é restrita e a taxa de fermentação de carboidratos é rápida, o pH pode declinar.

pH cai, bactérias amilolíticas e resistentes à acidez aumentam, enquanto microrganismos celulolíticos diminuem.

Quando o pH decresce de 7,0, ficando entre 5,0 e 5,5, muitos microrganismos ruminais cessam o seu crescimento, apesar de conseguirem sobreviver mesmo em altas concentrações de H+.

Adesão dos microrganismos ao alimento

1º passo no processo digestivo

Aproximação das enzimas digestivas aos substratos específicos

Concentra a digestão em uma área específica

Adesão dos microrganismos ao alimento

Populações associadas ao fluido ruminal

Mistura de microrganismos que se desprenderam das partículas de alimento

Aderem e iniciam a digestão de partículas ingeridasCorrespondem 20 –

30% da massa microbiana

Adesão dos microrganismos ao alimento

Populações associadas à partícula

do alimento Mistura de microrganismos fortemente associadas à partícula Correspondem 70 –

80% da massa microbiana

Responsáveis por: 80% da atv.

Endoglucanase70% amilase

75%proteases

Adesão dos microrganismos ao alimento

Para absorção de nutrientes

Degradação a partículas menores Enzimas extracelulares

Adesão dos microrganismos ao alimento

Processo de adesão possui 4 fases:Inicia logo após a ingestãoContato aleatório das bactérias livres no fluido

Ocorre a adesão não especifica pelo glicocálix

Ocorre a interação específica e induzida

Ocorre em menos de 1 hora

123

Adesão dos microrganismos ao alimento

Processo de adesão possui 4 fases:Proliferação celular e formação de colônias bact. (biofilmes) sobre as partículas potencialmente digestíveis

Ocorre ± 24 horas após a incubaçãoMáxima colonização

4

Adesão dos microrganismos ao alimento

Processo de adesão e colonização pode ser afetado por fatores

relacionados Bactérias Substrato Ambiente ruminal

Estudos mostram que a máxima adesão foi observada no estágio intermediário de crescimento celular bacteriana e qualquer fator que altere a integridade do glicocálix interfere na adesão

Adesão dos microrganismos ao alimento

Processo de adesão e colonização pode ser afetado por fatores

relacionados Bactérias Substrato Ambiente ruminal

A camada cuticular de grãos e forragens, interferem na aderência. Lignina, taninos e excesso de gordura da dieta interferem na aderência e na atv. hidrolítica da bactéria

Geralmente as bactérias ruminais evitam essa barreira física e acessam os tecidos internos prontamente digestíveis por meio de estômatos e áreas danificadas, ocorrendo a digestão de dentro para fora

Adesão dos microrganismos ao alimento

Gramíneas de clima temperado são mais susceptíveis à aderência que as de clima tropical.

O tanino condensado - Proteína resiste à digestão microbiana. Composto fenólico depositado dentro

do vacúolo da planta O tanino condensado forma complexos com enzimas microbianas, interferindo com a adesão microbiana, inibindo a digestão da fibra por bactérias celulolíticas.

Adesão dos microrganismos ao alimento

Guimarães-Beelen et al. (2006) avaliaram o crescimento da população de bactérias celulolíticas Ruminococcus flavefaciens submetidas a doses de taninos purificado no fluido, concluindo que há redução na população.

Adesão dos microrganismos ao alimento

Processo de adesão e colonização pode ser afetado por fatores

relacionados Bactérias Substrato Ambiente ruminal

O pH do fluido ruminal afeta o processo de aderência e digestão das partículas. A ruminação facilita a hidratação da partícula e permite a penetração de biofilmes no interior da partícula.

Figura 1. Efeito do pH e do tipo da dieta na DTFDN.60:40 V:C10:90 V:C

Pires et al. (2006) compararam a degradabilidade da MS de 4 forrageiras: Alfafa (52,3% FDN) Aveia (58,4% FDN) Leucena (86%

FDN) Guandu (73,6%

FDN)

Adesão dos microrganismos ao alimento

Degradação da celulose Ação sequencial e integrada de várias endocelulases, exocelulases e β-glicosidases que hidrolisam as ligações β-1,4 no interior e no final da cadeia liberando glicose

Degradação de carboidratos (CHO)

Degradação da hemicelulose Sistemas enzimáticos mais complexos devido sua estrutura hererogênea

Degradação do amido Ação de amilases bacterianas do tipo α (interior) e β(extremidade) da cadeia, liberando maltose

Degradação de carboidratos (CHO)

Amido

Degradação da pectina Pelas enzimas pectinas liases, liberando galactourinídeo insaturados

Várias espécies de bactérias aderem a grânulos de amido 1. S. bovis2. R. amylophilus3. B. fibrisolvens

Degradação de carboidratos (CHO)

Local de adesão ao substrato diferentes

Grânulos de amido e matriz proteica

Grânulos de amido

Produtos da fermentação

Ácidos graxos de cadeia curta – AGCC

Apresentam de 1 a 7 carbonos Importantes: Acetato –

principal em mamíferos

Relação molar

75:15:10

Produtos da fermentação

Produtos da fermentação

CO2

Álcool

Outros produtos...

Produtos da fermentação – Rotas

Celulolíticas

Produzem enzimas extracelulares e outras que degradam a celulose e hemicelulose

Oligossacarídeos

Glicose

Glicose-6-PFrutose-6-P

Triose-fosfato

Celulolíticas e não celulolíticas utilizam os produtos finais da ação das celulases e produzem AGCC.

A pectina e a hemicelulose são inicialmente degradadas a xilose e outras pentoses

Amido e dextrinas são degradados a amilose e maltose maltase converte a G-6-P.

Todas as hexoses e trioses são raramente detectadas no rúmen, pois são rapidamente transformados em piruvato (via glicolítica)

Produtos da fermentação – Rotas

Em pH baixo

Destino dos principais AGCC

C Ac. graxoAcetato

Pelo tecido adiposo e pela glândula mamária

Velocidade: mais rápido que o C da glicose

O acetato representa de 90 a 100% do total de AGCC na circulação arterial.

O butirato é em sua maior parte absorvidos pelo epitélio ruminal e intestinal

A maior parte do propionato é captado pelo fígado. Principal precursor da glicose em ruminantes

Destino dos principais AGCC

O propionato parece fornecer um mínimo de 50% e um máximo de 75% do requerimento de glicose do animal. Os aminoácidos, glicerol e lactato são os precursores do restante de glicose exigida.

Proteína microbiana

A quantidade de MO digerida no rúmen e a eficiência dos

microrganismos em utilizar a energia disponível para seu

crescimento

Determina

Produção de proteína microbiana

Proteína microbiana

No rúmen dois tipos de bactérias:

BFCF BFCNFCrescem mais lentamente e utilizam amônia para sintetizarem proteína

crescem mais rapidamente em relação aos anteriores e utilizam amônia, peptídeos e aminoácidos para sintetizarem proteína.

Proteína microbiana

A produção: Aumenta com o aumento de MO fermentada no rúmen

A composição 62,5% PB 21,1% CHO 12,0% Gordura 4,4% Cinzas(Base na MS)

Proteína microbiana

Exigência de energia: Mantença, crescimento e multiplicação

Na mantença inclui gastos: Motilidade Turnover dos constituintes celulares

Transporte ativo Entre outros

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

Gases da fermentação ruminal

ATP

Gasto

O rúmen é muito complexo. Para entender os mecanismos que ocorrem sobre a fermentação ruminal, é importante conhecer as características do ambiente.

A fermentação ruminal pode ser manipulada pela dieta, utilizando ionóforos, enzimas, lipídeos, leveduras e tampões.

O sucesso da fermentação ruminal está na adesão e colonização dos microrganismos às partículas ingeridas.

Considerações finais

Obrigada!