microbiologia do rumen

UNIPAM – CENTRO UNIVERSITÁRIO DE PATOS DE MINAS

Microbiologia Zootécnica

Zootecnia – 4º período

2º semestre de 2015

Aula 8

Microbiologia ruminal

Características do sistema digestivo dos ruminantes

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Características: • Estômago ocupa maior parte da cavidade abdominal

• Dividido em 4 compartimentos:

- rúmen: cerca de 80% do estomago, capacidade até mais de 200 litros

milhares de microrganismos

bactérias, protozoários e fungos

ocorre fermentação: capacidade de se alimentar de alimentos ricos em fibra

- Retículo: possui microrganismos ocorre fermentação

- Omaso: possui microrganismos ocorre fermentação

- Abomaso: estomago verdadeiro – digestão ácida

RUMINANTE

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Ambiente favorável para o crescimento bacteriano

Microrganismos se mantém

graças a “manutenção do pH, temperatura e ausência

de oxigênio”

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- Milhões de microrganismos (bactérias, protozoários e fungos)

- Ocorre fermentação: capacidade de se alimentar de alimentos ricos em fibra

• Gases: 65% CO2 ; 27% CH4 ; 7% N2 ; 0,6% O2 ; 0,2% H2 ; 0,01% H2S

• AGV: Acetato, propionato, butirato, valerato, isovalerato, isobutirato

• Amônia: 2 - 42 mg/100 ml necessária para crescimento bacteriano

Características do ambiente retículo - rúmen

30.000.000.000.000.000 microrganismos

Teixeira, 2001

Rúmen - Retículo

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Quais microrganismos?

Habitantes do rúmen

• Existem em alta densidade populacional

• São anaeróbicos --- Vivem a 39-40oC e a pH 5,5 - 7,0

• Produzem produtos de fermentação similar aos encontrados no rúmen

• Vivem em ambiente aquoso e à custa da ingesta do ruminante

• Bactérias --- Protozoários

• Bacteriófagos (vírus bacteriano)

– potencial para modificar espécies presentes

• Fungos

– importantes em fibra de baixa qualidade

• Leveduras (fungo unicelular)

– Crescimento é ótimo a 25oC e não a 39oC

– Reprodução no rúmen é limitada (introduzidos com o alimento)

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População microbiana

Retículo-rúmen:

• 1010 - 1011 bactérias/g de conteúdo (mais de 200 espécies)

• 105 - 106 protozoários/g de conteúdo (25 gêneros)

• 103 - 105 fungos anaeróbicos/g de conteúdo (4 gêneros)

• 107 - 109 Bacteriófagos/ml

• Proporção varia, mas diversidade não!!!

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BACTÉRIAS DO RÚMEN

Pelo menos 200 espécies diferentes

Atividade metabólica muito intensa

Colonização do substrato a partir de 1 a 2 min após entrada no

rúmen

Predomínio de espécies de acordo com a dieta

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Aderência: 1º passo para degradação do substrato

• 70% são aderentes na fase sólida do rúmen --- 30% não são aderentes e

estão na fase líquida

• Aderem a partículas alimentares, aos protozoários (metanogênicas) e ao

epitélio ruminal

→ posiciona o sistema enzimático próximo ao substrato

• Colonização não é o fator determinante da baixa degradabilidade da fibra no

rúmen

• Bactérias celulolíticas ficam mais aderidas a partículas sólidas que

amilolíticas

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BACTÉRIAS DO RÚMEN

Classificação das bactérias ruminais

1. Bactérias celulolíticas

2. Bactérias hemicelulolíticas

3. Bactérias amilolíticas

4. Bactérias utilizadoras de açúcares

5. Bactérias utilizadoras de AGV’s

6. Bactérias proteolíticas

7. Bactérias produtoras de amônia

8. Bactérias produtoras de metano

9. Bactérias lipolíticas

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Hidrolisa

Celulose

Fermenta

Maltose

Fermenta

Pectina

Fermenta

Sacarose

Fermenta

Succinato

Fermenta

Lactato

Ruminococcus albus X

Ruminococcus flavefaciens X

Bacteroides succinogenes X X X

Butyrivibrio fibrisolvens X X X

Bacteroides ruminicola X X X

Bacteroides amylophilus X

Selenomonas ruminantium X X X X

Streptococcus bovis X X

Megasphaera elsdenii X X X

Succinomonas amylolytica X

Succinivibrio dextrinosolvens X X X

Lachnospira multiparus X X

Substratos microbianos

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1. Bactérias Celulolíticas

Produzem a enzima extracelular celulase

→ atualmente acredita-se tratar de um complexo de enzimas com funções

específicas no metabolismo de degradação da celulose até glucose;

Possuem também a habilidade de utilizar a celobiose;

Presentes em grande número no rúmen, principalmente quando a dieta é rica

em forragens

As principais espécies são:

• Bacterioides succinogenes ---- Ruminicoccus flaverfaciens

• Ruminococcus albus ---- Butyrivibrio fibrisolvens

• Eubacterium cellulosolvens (em certas condições)

• Clostridium lochheadii (de menor importância)

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Grande parte das bactérias celulolíticas também é capaz de atuar na

degradação da molécula de hemicelulose.

Bactérias hemicelulolíticas também são capazes de degradar pectinas (daí,

serem classificadas também como bactérias pectinolíticas).


• Butyrivibrio fibrisolvens --- Bacterioides ruminicola

• Ruminococcus sp. --- lachnospira multiparus (principalmente pectinas)

• Succinivibrio dextrinosolvens

• Treponema sp. ---- Streptococcus bovis

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2. Bactérias Hemicelulolíticas

Responsáveis pela degradação do amido, presente em grande quantidade,

quando se usa ração rica em grãos (milho e sorgo).

Certas bactérias celulolíticas também atuam na degradação do amido (ex.: B.

succinogenes).

Degradação do amido se dá pela enzima extracelular amilase,

Pode variar de acordo com a espécie e condições do meio (pH, crescimento

microbiano...)


• Bacterioides amylophilus ---- Streptococcus bovis

• Succininimonas amylolytica ---- Bacterioides ruminicola

• Succinivibrio dextrinosolvens (principalmente dextrina) 16

3. Bactérias Amilolíticas

Todas as bactérias que atuam na degradação de polissacarídeos são

capazes de utilizar açúcares simples (mono e dissacarídeos - glicose,

celobiose, sacarose e maltose).

Estes açúcares são encontrados no rúmen quando a dieta é rica em grãos

ou quando as forragens contém alta concentração de açúcares solúveis

(principalmente forragens novas)

Algumas destas espécies são:

• Ruminococcus flavefaciens (celubiose) --- Treponema bryantii

• Lactobacillus vitulinus --- lactobacillus ruminus

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4. Bactérias utilizadoras de açúcares

Utilizam ácidos produzidos durante a fermentação (ácido lático, ácido

succínico e ácido fórmico).


• Megasphaera elsdenii

• Selenomonas ruminantium

• Veillonella alcalescens

• Anaerovibrio lipolytica

• Propioni bacterium

• Veillonella gazogenes

• Peptostreptococcus elsdenii

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5. Bactérias utilizadoras de AGV’s

Capazes de degradar proteína;

Existem, no entanto, bactérias essencialmente proteolíticas (utilizam

aminoácidos como fonte de energia primária).


• Bacteroides amylophilus

• Baterioides ruminicola

• Butyrivibrio fibrisolvens (alguma linhagens)

• Streptococcus bovis (algumas linhagens)

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6. Bactérias proteolíticas

Capazes de produzir amônia de várias formas:

→ pela deaminação de aminoácidos, pela hidrólise da uréia, etc.

A amônia está sempre presente no rúmen, indicando que a atividade

dessas bactérias é muito importante.


• Bacterioides ruminicola

• Megasphaera elsdenii

• Selenomonas ruminantium

• Butyrivibrio spp. (algumas linhagens)

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7. Bactérias produtoras de amônia

Produzem metano (CH4)

São especialmente importantes para o ecossistema ruminal:

→ regulam a fermentação pela remoção das moléculas de H2 produzindo CH4.


• Methanosarcina barkerii

• Methanobrevibacter ruminantium

• Methanobacterium formicicum

• Methanomicrobium mobile

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8. Bactérias produtoras de metano

Sintetizam lipases (enzimas extracelulares normalmente ligadas a

membrana celular) que atuam na hidrólise de triglicerídeos, fosfolipídios e

galactolipídeos

Também são responsáveis pela hidrogenação de ácidos graxos de cadeia

longa e insaturada


• Anaerovibrio lipolytica ---- Butyrivibrio sp.

• Butyrivibrio fibrisolvens ---- Treponema bryantii

• Eubacterium spp. --- Fusocillus spp.

• Micrococcus sp. ---- Ruminococcus albus

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9. Bactérias lipolíticas

Inter-relação entre microrganismos

é resultado da inter-relação existente entre os microrganismos

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processo fermentativo

de grande importância para o animal hospedeiro

Produção de AGV’s - energia

Ecossistema ruminal (pH, temperatura, microrganismos)

RESULTADO DE QUE?

Inter-relação entre microrganismos

em termos de interdependência, podemos separar os microrganismos em 2

grandes grupos:

1º : microrganismos que fermentam os nutrientes presentes no alimento

2º: microrganismos que utilizam os produtos finais da fermentação do 1º grupo

→ é importante para que ocorra:

- a fermentação dos nutrientes

- renovação e reciclagem dos produtos finais, como succinato, lactato, formato

e hidrogênio que são convertidos em AGV’s

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ALIMENTAÇÃO CRUZADA (CROSS-FEEDING) ENTRE BACTÉRIAS RUMINAIS: → Muitas bactérias somente sobrevivem no rúmen pelo uso de produtos de

excreção de outras bactérias: a) Solubilização de celulose e fermentação: celulose celulase celodextrina + celobiose *Organismos que produzem celulases: B. succinogenes, R. albus, R. flavefaciens. **Organismos que fermentam celobiose: B. succinogenes, R. albus, R. flavefaciens, B. fibrisolvens, P. ruminicola, S. ruminantium, S. bovis. ***Organismos que usam celodextrina: P. ruminicola, S. ruminantium, S. bovis.

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b) Solubilização de hemicelulose e fermentação:

celulases

hemicelulose xilanas + pentoses + hexoses

hemicelulases

*Organismos que produzem celulases e hemicelulases:

B. succinogenes, R. albus, R. flavefaciens, B. fibrisolvens

**Organismos que fermentam pentoses ou xilanas:

R. albus, R. flavefaciens, B. fibrisolvens, P. ruminicola, E. ruminantium,

S. ruminantium, S. dextrinosolvens.

ALIMENTAÇÃO CRUZADA (CROSS-FEEDING) ENTRE BACTÉRIAS RUMINAIS:

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c) Solubilização de amido e fermentação: amido amilases dextrina + maltose *Organismos que produzem amilases: B. fibrisolvens, P. ruminicola, B. amylophilus, S. ruminantium, S. bovis, S. amylolytica, Lactobacillus. **Organismos que fermentam dextrina ou maltose: B. fibrisolvens, P. ruminicola, B. amylophilus, S. ruminantium, S. bovis, S. amylolytica, B. succinogenes, M. elsdenii, E. ruminantium, S. dextrinosolvens, Lactobacillus


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• Organismos que utilizam amônia: todos utilizam

→ Bactérias fermentadoras de CE: só usam NH3 como fonte de N

→ Bactérias fermentadoras de CNE: usam 1/3 do N requerido na forma de NH3

o restante como aa’s


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Identificados em 1843 (1º microrganismos identificados no rúmen)

Inoculação ruminal ocorre por contato (mãe-filho)

105 a 106 /g conteúdo ruminal (bactérias: 1010 a 1011 )

predadores de bactérias

cerca de 10 a 100 vezes maiores que bactérias

funções pouco estudadas incluem:

• controle do pH (amido, cana-de-açúcar)

• metabolismo do H2

• degradação da celulose

• degradação de compostos secundários (?)

PROTOZOARIOS DO RÚMEN

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Protozoários Bactérias

Tamanho 20 a 200 mm 0,5 a 5 mm

Tempo para duplicação > 18 horas > 20 minutos

Tipo de célula Eucariótica Procariótica

Protozoários x bactérias

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PROTOZOÁRIOS

Representam cerca de 2% do peso do conteúdo ruminal

40 % do total de N microbiano

Responsáveis por 60% dos produtos da fermentação

Protozoários

• Capazes de fagocitar partículas de amido e açúcares

• Reduzem a taxa de fermentação e a queda no pH após alimentação

• Reduzem o número de bactérias no rúmen (fagocitose – engolfam)

• Degradam nitratos e micotoxinas

(Veira, D.M. 1986. J. Anim. Sci. 63: 1547)

• Ficam aderidos a partículas sólidas no rúmen

• Taxa de reciclagem é superior a 24 horas

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Protozoários

• Proteína de protozoário é considerada mais digestível e com a mesma

qualidade que proteína bacteriana

no entanto, o fluxo de protozoários para fora do rúmen não é proporcional

ao seu número na biomassa ruminal → retidos seletivamente no rúmen

• Protozoário representa importante fonte de N para bactérias

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Protozoários

• Fagocitam tudo (amido e bactérias, não selecionam)

• Alguns utilizam lactato

• 2 grupos no rúmen:

–Ciliados: Holotricha e Spirotricha → representam a maior parte da

microfauna → degradação de celulose, hemicel., amido, lipídeos....

– Flagelados: presente em pequeno número, menor tamanho, abundante em

animais jovens.

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a) Holotricha: - encontrado de 103 a 104/ml em ruminantes alimentados com forragens. - Nadam mais rápido que os entodinomorfos e são mais visíveis no líquido

de rúmen. - Utilizam açúcar. (Isotricha não utiliza maltose, mas utiliza amido) - Engolfam bactérias e possuem enzimas proteolíticas. - Produzem CO2, acetato, butirato, lactato, amônia e pouco propionato.

Atividade metabólica dos protozoários ruminais:

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b) Subclasse Spirotricha - ordem Entodinomorfos:

- encontrado de 105 a 106/ml em ruminantes alimentados com moderada a grande quantidade de grãos.

- Encontrados associados com partículas alimentares.

- Utilizam pouco CHO’s solúveis; engolfam amido e partículas alimentares; utilizam celulose.

- Engolfam bactérias e pequenos protozoários e usam proteína como fonte de energia.

- Produzem CO2, H2, acetato, butirato, NH3 e algum formato, propionato e lactato.

Atividade metabólica dos protozoários ruminais:

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Classificação e características dos protozoários ruminais

(Van Soest, Nutritional Ecology of the Ruminant, 1994, p. 262):

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Gênero Substrato Digestão de celulose

Produtos Intervalo de gerações

Holotricha

Isotricha Amido, açúcar 0 Acet, prop, lact, H2 48 h

Dasytricha Amido, açúcar 0 Acet, prop, lact, H2 24 h

Entodinomorfos

Entodinia Amido 0 Formato, ace, pr, but 6-15

Epidinium Amido, hemicel. 0 Acet, prop, H2

Diplodinium +

Eudiplodinium + Ácidos graxos, H2

Polyplastron + 48 h

PROOZOÁRIO

(Gênero)SUBSTRATO FERMENTADO PRODUTO FINAL

Isotricha

Intestinais Amido, Glu, Pec, Sacarose Ac, Pr, Bu, La, H2, Lip

Prostoma Amido, Glu, Pec, SacaroseAc, Pr, Bu, La, H2, CO2,

Lip

Dasytricha

ruminantium Amido,Maltose, Glu, Cel Ac, Bu, H2, CO2, Lip

Entodinium

bursa Amido, Hemicelulose -

caudatum Amido, Glu, Cel, Maltose Ac, Pr, Bu, H2, CO2, Lip

simplex Amido Lipídeos

Diplodinium

Polyplastron Amido, Glu, Ccelu, Sacarose Ac, Pr, Bu, La, H2, CO2

Diplodinium Amido, Celu, Hemicelulose -

Diploplastron Amido, Celu, Hemicelulose -

Eudiplodinium Amido, Celu, Hemicelulose Ac, Pr, Bu, La, H2, CO2, Fo

Ostracodinium Amido, Celu, Hemicelulose -

Eremoplastron Amido, Celu, Hemicelulose -

Epidinium

escaudatum Amido, Celu, Hemicelulose

Maltose e Sacarose Ac, Pr, Bu, H2, Lip, La, Fo

Ophryoscolex

caudatus Amido, Celu, Hemicelulose Ac, Pr, Bu, H2

(**) As abreviaturas mostradas no quadro, significam: Ac- ácido acético, Pr – proplônioco, La –

lactato, Lip – lipídeo, Fo – fórmico, Glu – glucose, Cel – celobiose, Celu – celulose e Pec –

pectina.

Substrato utilizado e produto final obtido por protozoários encontrados no rúmen.

Bactéria x protozoário

Bactéria Protozoário

% N microbiano 60-90 10-40

% alimento fermentado 40-70 30-60

mg MS/ml 9-20 5-6

g MS microb/vaca 1463 455

g ptn microb/vaca 797 348

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• ruminantes sobrevivem sem protozoários (defaunação)

• amido é rapidamente engolfado pelo protozoário:

→ reduz a taxa de fermentação pela bactéria (uniformiza a fermentação)

→ diminui a acidose ruminal e aumenta a relação acetato:propionato

• engolfam até 50% das bactérias produzidas no rúmen

(12.000 bactérias/protozoário/hora)

controle da população e fermentação

Efeitos gerais dos protozoários nos ruminantes:

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• fluxo de protozoários para o intestino delgado é muito baixo (26% dos

protozoários), porque:

→ agregam às partículas maiores e à parede ruminal → evita o

desaparecimento do meio ruminal

→ Aumentam sua densidade pelo engolfamento de amido

→ Concentram na parte ventral do rúmen (pela densidade e movimentação)

→ Sofrem autólise ruminal (N é reaproveitado por bactérias)

Efeitos gerais dos protozoários nos ruminantes:

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0 a 103 - 105 /g conteúdo ruminal

forragens de baixa qualidade

• capacidade de romper estruturas foliares (cutina)

• capacidade de romper estrutura molecular (celulose cristalina)

podem degradar compostos secundários

FUNGOS DO RÚMEN

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Exemplos de compostos secundários de forragens tropicais e seus grupamentos

químicos

Composto secundário Grupamento químico

Precursores de lignina Ácidos fenólicos (cinâmicos)

Taninos condensados Polímeros de hidroxi-flavanóides

Alcalóides Derivados básicos de aromáticos

nitrogenados

Saponinas Glicosídeos emulsificantes

Gossipol Polifenol com ramificações metil

Mimosina Aminoácido modificado

Atkin, 1986 46

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Bactérias e fungos aderidos a fibra alimentar

Qual a importância disso??

Maior contato enzimas extracelulares com o alimento

Rompimento de estruturas

moleculares da planta - fibra

Características de consumo, digestibilidade, número de bactérias e protozoários em animais sem fungos e após inoculação de fungos (GORDON et al., 1993)

Consumo (g/d) Sem fungos Após inóculo

MO 628 877

FDA 264 373

Digestibilidade (%)

MO 50,3 57,3

FDA 46,5 55,0

Bactérias totais x 109 1,4 1,6

Protozoários x 105 3,0 4,8

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Demonstra a importância no processo digestivo dos ruminantes

Começa a se desenvolver logo após o nascimento

depende do contato do recém-nascido com a mãe através de:

- secreção salivar, secreção vaginal, ruminação, fezes,

- outros animais, úbere, leite e outras fontes de alimentos.

A população microbiana desenvolve-se principalmente pelo contato com

outros animais e pelas diferentes fontes de alimentos.

Inicialmente é encontrado um grande número de bactérias aeróbicas

desaparecem à medida que o animal vai ingerindo forragens, predominando, a

partir daí, bactérias anaeróbicas

DESENVOLVIMENTO DA POPULAÇÃO MICROBIANA DO TRATO GASTROINTESTINAL

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Estudos têm mostrado que:

→ bezerros alimentados com dietas contendo leite, feno e concentrado

começam a desenvolver a flora a partir da 1ª semana,

→ a partir da 9a semana, a população é bastante semelhante à população de

animais adultos, com relação às espécies predominantes.

O estabelecimento dos protozoários no rúmen é bastante difícil e depende do

contato com outros animais que tenham protozoários no ecossistema ruminal.

normalmente, o estabelecimento se dá pela secreção salivar e ruminação


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Em bezerros lactantes, o pH ruminal é baixo devido à presença de ácido lático

no rúmen (produto da fermentação do leite)

dificultando o estabelecimento de protozoários (são sensíveis a pH baixo)

A alimentação com feno e concentrado e o contato com outros animais fazem

com que ocorra o estabelecimento

Protozoários são encontrados no rúmen, em condições normais, a partir da 3ª

semana de vida, aumentando à medida em que aumenta o pH ruminal, podendo

atingir a população de animais adultos com 9 semanas.

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Idade (meses)

1 2 3 4 5 6 7-9

pH rúmen 4,13 4,22 4,69 5,75 5,98 6,46 6,47

Protoz/ml LR - 3727 26832 416386 673496 683019 489821

Número médio de protozoários/ml de líquido ruminal (LR) em bezerros,

em função da idade e pH:

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Demonstra claramente que a medida em que se aumenta o pH ruminal,

ocorre aumento na população de protozoários

FUNÇÕES DA MICROBIOTA RUMINAL ??

Digestão da fibra

Fornecer energia para o hospedeiro

• Ácidos graxos voláteis (AGV’s) --- 60 a 80% da energia disponível ao animal

Síntese de aminoácidos (AA’s) a partir de nitrogênio não proteico (NNP) e vitaminas do complexo B e K

Fonte de proteína • 60 a 90% da proteína que chega no intestino delgado é de origem microbiana (depende da dieta)

Eliminar compostos tóxicos

• compostos secundários das plantas

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FINALIZANDO...

• Características dos ruminantes?

- Estomago dividido em 4 compartimentos

→ rúmen, retículo, omaso e abomaso

- Ocorrência de milhões de microrganismos

→ bactérias, protozoários e fungos

- Ocorre fermentação

→ fermentação causada por microrganismos

Em função dessas características os ruminantes são capazes de utilizar

alimentos fibrosos na sua alimentação

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microbiologia do rumen

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