Aula 1 fermentação ruminal
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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!