Aula 1 fermentação ruminal

Fermentação ruminal
Disciplina: Metabolismo energético
Prof. Dr. Adriana Guim
Grupo 1: Gláucia Moraes
Jonas Inácio
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO
PROGRAMA 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 curta
Proteína microbiana
Vitaminas do complexo B e
vitamina K
Dióxido de carbono e Metano
Amônia 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 ruminado
Remoção dos produtos de fermentação
Adição de tamponantes e nutrientes via saliva
Remoção de resíduos indigestíveis dos alimentos
Manutenção do pH eTemperatura
Anaerobiose
Umidade ideais ao crescimento microbiano

Objetivo da aula
Abordar:
A caracterização do ambiente ruminal
O processo de fermentação e os fatores que o afetam
Os microrganismos e colonização de partículas
O produtos de fermentação e a cinética ruminal.

Caracterização do ambiente ruminal
Osmolaridade
Fermentação 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 mOsm
Favorável aos protozoários ciliados
 Pressão osmótica ↑ 350 mOsm
Digestão da fibra e do amido é inibida por efeito
direto sobre o metabolismo microbiano

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 eTemperatura

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.

Mudança abrupta de uma dieta
• Determina o grau de
perturbação da
fermentação ruminal
• Potenciais distúrbios
digestivos

Quantidade e a composição da dieta
Variáveis externas
Taxa de passagemTaxa 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 proteína
Favorecem microrganismos proteolíticos
Dietas altas em amido,
que são baixas em fibra
 Estão associadas a uma
grande população de
utilizadores de amido
.

ocorrência de microrganismos celulolíticos em um
número reduzido em animais alimentados com dietas
ricas em concentrados dependerá:
 Tamanho de partícula da fibra
 Taxa de passagem
Pequena quantidade de
forragem grosseira:
 Taxa de passagem pode ser
lenta
 ↑ Microrganismos celulolíticos

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)

Manipulação dietética da fermentação ruminal
A 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

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

 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.

 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.
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;

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;

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.

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

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 fibra
Outros trabalhos
não apresentaram
efeito sobre o
desempenho
animal.

 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

Em 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 leite
Efeito maior nas vacas alimentadas no terço inicial da
lactação
Contudo, mais pesquisas são necessárias para entender como o
tratamento melhora a produtividade dos animais.

Leveduras
O 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

 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

Lipídios
Os 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

Lipídios
Efeitos 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.

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.

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.

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.

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

alimento
Populações associadas ao
fluido ruminal
 Mistura de
microrganismos que se
desprenderam das
partículas de alimento
 Aderem e iniciam a
digestão de partículas
ingeridas
Correspondem 20 – 30%
da massa microbiana

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. Endoglucanase
70% amilase
75%proteases

alimento
Para absorção de nutrientes
 Degradação a partículas menores
 Enzimas extracelulares

alimento
 Processo de adesão possui 4 fases:
Inicia logo após a ingestão
Contato 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
1
2
3

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 incubação
Máxima colonização
4

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

alimento
 Bactérias
 Substrato
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

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.
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.

alimento
 Bactérias
 Substrato
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:C
10:90 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)
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
Amido
 Degradação da pectina
 Pelas enzimas pectinas
liases, liberando
galactourinídeo
insaturados

 Várias espécies de bactérias aderem a
grânulos de amido
1. S. bovis
2. R. amylophilus
3. B. fibrisolvens
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
CO2
Álcool
Outros produtos...

Produtos da fermentação – Rotas
Celulolíticas
Produzem enzimas extracelulares e outras
que degradam a celulose e hemicelulose
Oligossacarídeos
Glicose
Glicose-6-P
Frutose-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

Destino dos principaisAGCC
C Ac. graxo
Acetato
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 principaisAGCC
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.

 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

 No rúmen dois tipos de bactérias:
BFCF BFCNF
Crescem mais lentamente
e utilizam amônia para
sintetizarem proteína
crescem mais rapidamente em
relação aos anteriores e
utilizam amônia, peptídeos e
aminoácidos para sintetizarem
proteína.

 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)

 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

Aula 1 fermentação ruminal