Post on 01-Mar-2018
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
1/66
Nestor E. ObispoE-mail: nobispo@
El ecosistema ruminal, mtodos
de estudio y aplicaciones
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
2/66
! !"#"$%$ '(#(')*)"#+(, ,(-$" ". "'(,),! /%#)01.%')2# 3". "'(,),+"*% $1)
! /"4($%$ .% 0$(31'+)
! 6),*)#1)$ ". )*0%'+( %*-
!"#$ &'( )#* +),-$-*. -/ $'0-)1
! 7%.+% 3" '(#(')*)"#+(, ,(-$" .% 3)5"$,)3%3 3
0(-.%')(#", *)'$(-)%#%, 3". $1*"#8
! 9 3" .(, *:+(3(, %3"'1%3(, % +$%5:, 3" .(, '1%
01"3%# "5%.1%$ .(, '%*-)(, *)'$(-)%#(,8
2+3+4'/,.5-*
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
3/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
4/66
7 Falla en el desarrollo de las enzimaspara hidrolizar los enlaces !-1,4 de los
carbohidratos estructurales que
forman la fibra vegetal.
7 Desarrollo de relaciones simbiticasentre el animal y los microorganismos
anaerobios (bacterias, protozoarios y
hongos) del rumen.
Evolucin de los vertebrados
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
5/66
Postgstricos Ciego Colon
chigire caballo
conejo rinoceronte
tapir elefante
Pregstricos Rumen
bovino
ovino
caprino
crvidos
camlidos
jirfidos
Fermentadores
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
6/66
Los animales con fermentacin pregstric
derivan ventajas de la relacin simbitica
Celulosa y otros polisacridos son hidroliza
a compuestos de menor tamao que son
importantes fuentes de energa para el
hospedero;
Reducen moderadamente el volumen de la Mque ha de pasar al tracto posterior;
Sintetizan vitaminas (excepto A y D);
Los cuerpos de los microbios son fuentes de
protena para el hospedero.
Fermentadores Pregstricos
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
7/66
El ms grande espacio de fermentacin
animal en el mundo
!Aproximadamente 1,3 billones de cabezasbovinas
!Bacterias 1010 a 1012 cells/mL
!Volumen del Rumen desde menos de 1Len el Blue Duiker a 200L en una vaca
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
8/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
9/66
7 El msticado al comer (mnima)! Preparacin para el tragado;
! Liberacin de los constituyentes solubles;
! Las particulas vegetales que se han daado dula masticacin, son areas para la adhesin
microbiana.
7 La msticado durante la rumia (extensiva)! Disminucin del tamao de la particula para epasaje por el orificio reticulo-omasal;
!Ms dao de la particula vegetal para la adherde los microorganismos.
7 Digestin microbiana (Fermentacin);7 Contracciones ruminales.
Reduccon del tamao de particula
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
10/66
El ambiente ruminal
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
11/66
Condicin ambiental casi constante dentro de
ciertos limites, e ideal para el desarrollo de
microorganismosanaerobios.
Capacidad:
3 - 15L oveja
35 - 200L vaca
Temperatura: 38 - 40 C
Los protozoarios no sobreviven a
temperaturas superiores a los 40 C por
perodos prolongados.
El ambiente ruminal
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
12/66
pH: 5,5 - 7 (en las llamadas dietas normales)
7 Limites extremos: 4,5 - 7,5;
7 Losprotozoarios son ms sensibles que las bacterias celulolticas,desaparecen si sube a 7,8, o baja alrededor de 5;7 Bacterias celulolticas descienden en nmero a 6,5 y son eliminadas
a 5,9;
7Es el factor ms variable;
7 Depende de la naturaleza de la dieta, frecuencia de alimentacin;
7 Es un reflejo de la cantidad de cido producido por la accinmicrobiana sobre los sustratos, y es mediado por la absorcin y la
capacidad tampn de la saliva.
El ambiente ruminal
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
13/66
El ambiente ruminal
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
14/66
Presin osmtica:
El licor ruminal es hipotnico con respecto al plasma
Licor ruminal: 250 mOsm Kg-1
Plasma: 300 mOsm Kg-1
Materia seca:
10 - 13%
Tensin superficial:
45 - 59 dinas cm-1
Gases: CO2 (65%), CH4 (27%), H2 (0,2%), H2S (trazas), CO(trazas) N2 (7%), O2 (pequeas cantidades transitorias).
El ambiente ruminal
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
15/66
Potencial redox (Eh): -150 a -350 mV (Clark, 1977)
Muchas sustancias reductoras estn asociadas a laspartculas y al material en estado coloidal y no a las
bacterias;
Los anaerobios facultativos remueven el oxigeno o loreducen;
Los forrajes tienenEh ms bajo que los concentrados.
El ambiente ruminal
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
16/66
Microorganismos del rumen
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
17/66
AGVProtena Microbiana
Vitaminas
Alimento
Ingerido
Alimente los microbios y deje que ellos alimenten a la vac
Los nutrientes del alimento
ingerido, una vez fermentados,
resultan en compuestos diferentes
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
18/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
19/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
20/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
21/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
22/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
23/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
24/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
25/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
26/66
P t i
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
27/66
Observados por Gruby y Delafond (1843).
Clasificacin:
Basada mayormente en caractersticas morfolgicas;
Tamao poblacin: 106 organismos "mL-1;
Mayormente ciliados (algunos flagelados); Varan en tamao (15 - 20 m ancho por 10 - 200 m
largo).
Protozoarios
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
28/66
Protozoarios
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
29/66
Fermentan constituyentes de las plantas, Isotrichidos:carbohidratos solubles, Entodiniomrfos, solubles y celulosa;
Se reproducen por fisin binaria, pero actividades deconjugacin se dan en el generoDasytricha (Warner,1966);
Exposicin con un adulto faunado, permite el pasede un animal a otro por la saliva. Tambin se sugiere
la va aerosol;
Son depredadores;
Dificultades para cultivarlos in vitroen mediospurificados (bacterias en los cultivos).
h bi
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
30/66
Warner (1966) observ que el protozoario flagelado
Callimastix frontalis incrementaba en nmerodramticamente despus la alimentacin del animal y
luego disminua 10h despus;
Orpin (1974) investig estas variaciones en el
organismo, observando que estaba asociado a las
grandes partculas del alimento y sugiri que era alldonde se secuestraba el flagelado;
Orpin (1975) logr el aislamiento, delN. frontalis,
revelando su ciclo de vida y luego identificndolo como
un hongo anaerobio.
Los hongos anarobios
Los hongos anarobios
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
31/66
Los hongos anarobios
Los hongos anarobios
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
32/66
Nmero 102 -106 UFC
Fermentan los sustratos ms recalcitrantes
Generos
7 Neocallimastix
7 Caecomyces (anteriomente Sphaeromonas)7 Piromyces (anteriormentePiromonas)7 Orpinomyces7 Ruminomyces7 Anaeromyces7 Cyllamyces(Chen et al., 2007)
Los hongos anarobios
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
33/66
Bacterias
Bacterias
The
rumen
and
Its
Microbes
(
Hungate
1966
)
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
34/66
Rpidos avances:
Hungate y sus alumnos, desarrollan
y modifican tcnicas anaerbicas y
determinan las bacterias anaerbicas
que ms ocurren en el rumen
(Hungate 1950, Bryant y Burkey
1953).
acte as
Pocos progresos:
Primeros experimentos, von
Tappeiner (1984 1940);
Baker y Harris (1947) observancocos que degradan la celulosa en
el rumen;
Hungate (1947) aisla en cultivos
puros varias bacterias celulolticas
aisladas del rumen bovino;Sijpestein (1948, 1951) Holanda,
crecimiento de bacterias
celulolticas y eventualmente
aislamientos de cepas puras;
Marston (1948) Inglaterra,
estudios in vitro con cultivosmixtos de bacterias ruminales.
The rumen and Its Microbes (Hungate, 1966)
El futuro es ms promisorio
Las tcnicas moleculares abren
nuevos caminos para lainvestigacin del rumen.
Ecuacin de Nermst
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
35/66
Ecuacin de Nermst
Hungate (1969) calcul la concentracin de O2 necesaria
para desarrollar en un medio de cultivo unEh de -0,33V
(crecimiento de metanognicos), a este potencial elmedio contiene 1,48 x 10-56 moleculas de O2"L
-1
7Dificultad de obtener bajosEh;7La cantidad de O2permisible disuelto en solucin en elmedio de cultivo, llega a ser una funcin estadstica deun nmero finito de molculas;
7Es muy cuesta arriba la obtencin de un bajoEhsimplemente por la remocin del O2;
7Para obtener elEh ms bajo, hay que aadir un sistemareductor con un potencial ms bajo.
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
36/66
Desarrollar medios de cultivo con las caractersticas
del ambiente ruminal
7 Condicin anaerbica;7 PotencialEh;7 Osmolaridad;
7 Factores de crecimiento microbiano;7 pH;7 entre otros.
Trampa para Oxigeno
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
37/66
Gas con O2
Gas librede O2
Cable (Cromel 21) Conectado a lacorriente elctrica de 110V (genera
calor en la columna para acelerar
reaccin oxido-reduccin delcobre
Tapn de silicn
Tapn de silicn
Trampa para Oxigeno
300C
2Cu + #O2 Cu2O (+1)
300C
Cu2O + H2 Cu + H2O
Preparacin de animales fistulados al rumen
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
38/66
Preparacin de animales fistulados al rumen
Cmo saber si una bacteria es del rumen?
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
39/66
7 El organismo puede vivir en el ambiente;7 El nmero de una especie dada que ocurre en el rumen,
es considerablemente superior a su nmero en elalimento o en el agua;
7 Utiliza los sustratos presentes en el rumen o en elalimento (celulosa, hemicelulosa, pectina, almidn, entreotros);
7 Losproductos finales de la fermentacin son compatiblescon los presentes o fcilmente metabolizados en elrumen;
7 Las condiciones para su cultivo, pH,Eh, temperatura yrequerimientos nutricionales similares con las halladas enel rumen;
7 Repetidos aislamientos de una especie particular sobre unperodo de tiempo, en diferentes huspedes, en varioslugares, son buenas evidencias.
Dr. Bryant (1959)
Poblacin 1011 cel "mL-1 de contenido ruminal
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
40/66
Celulolticos
Ruminococcus flavefaciens
Ruminococcus albus
Fibrobacter succinogenes(Bacteroides succinogenes)
Eubacterium
cellulosolvens
Butyrivibrio fibrosolvens
Hemicelulolticas
Butyrivibrio fibrosolvens
Prevotella ruminicola
Fibrobacter succinogenes
Ruminococcus flavefaciens c-94
Rumincoccus albus 7
Pectinolticas
Butyrivibrio fibrosolvens
Prevotella ruminicola
Lachnospira multiparus
Succinivibrio dextrinosolvens
Fibrobacter succinogenes
Amilolticas
Streptococcus bovisRuminobacter amylophilus
Succinimonas amylolytica
Selenomonas ruminantium
Succinivibrio dextrinosolvens
Eubacterium ruminantium
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
41/66
Bacterias utilizadoras de otros substratos:
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
42/66
Bacterias utilizadoras de otros substratos:
Lactato: Veillonela alcalescens, Megaesphaera elsdenii.
Bacterias metanognicas (arquoebacterias):
Methanobrevibacter ruminantium, Methanomicrobium mobile,
Metanosarcina barkeri y Methanobacterium formicicum.
Productores de cido lctico:
Lactobacillus lactis, L. vitulinus y L. ruminis.
Bacterias proteolticas:
Ruminobacter amylophilus, Prevotella ruminicola,
Selenomonas ruminantium, Butyrivibrio fibrosolvens,
Butyrivibrio akacticidigens.
Mtodos de cultivo
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
43/66
Mtodos de cultivo
in vitro: fermentacin con contenido ruminalcompleto:
! Esttico o sistema cerrado;
! Sistemas continuos se intenta mantenercondiciones estables (RUSITEC).
Cultivos puros: Envuelve el aislamiento de una cepa
de bacteria y su subsecuente caracterizacin (slo
da informacin de un organismo).Cultivos mixtos: (Da informacin sobre actividades
competitivas, sinergisticas, entre otras).
in vivo in vitro: La llamada tcnica vivar (Finaet al., 1958; 1962);
in situ: tcnica de la bolsa de nylon (Hopson et al.,1963; Johnson, 1966).
Cultivos puros:
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
44/66
p
Descripcin de las especies aisladas: celulolticas, amilolticas,
proteolticas y otras;
Uso de gases (CO2, N2) libres de O2;
Los contenedores de los cultivos son sellados con tapones de
caucho;
El medio de cultivo que intente reproducir el del ambiente
ruminal, contiene: 40% de licor ruminal, minerales, resazurina
(indicador), cistena (agente reductor), bajo presin de CO2
, libre
de O2, sustratos.
Fermentacin in vitro:
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
45/66
Celulolticos requieren poca cantidad de protenas o amninocidos,
usan amonio o urea.
Factores de crecimiento de los celulolticos entre otros, el Ac.
Valerico, PABA, Isobutirico, Isovalerico.Estado de madurez y liginificacin del forraje afecta la actividad
degradativa, incluyendo las diferencias entre lapared celular de
leguminosas y gramneas.
7 Soluciones anaerobias para las diluciones;7 Los tubos rodados de Hungate;7 Caldos de cultivo anaerobios;7 Mtodos de conteo basados en la probabilidad
estadstica (NMP).
Contribucin de las tcnicas in vitro:
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
46/66
7 Estudios sobre la biohidrogenacin de los cidosgrasos (Wilde y Dawson, 1966);
7 Metabolismo del cido ctrico (Wright, 1971);
7 Hidrlisis del Biuret (Bauriedel, 1971; Bauriedelet al., 1971);
7 Degradacin y efectos del oxalato (James et al.,1967);
7Efectos de la cristalinidad de la celulosa sobre su
digestibilidad (Baker et al., 1959);
7 Fijacin de N en el rumen (Jones y Tomas, 1974);7 Efectos de las grasas en la degradacin de la fibra
(Jenkins y Palmquist, 1982);
7 Degradacin de varios compuestos de lignina(Chen et al., 1985).
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
47/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
48/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
49/66
Determinacin del valor nutritivo del alimento
7El valor nutritivo de los alimentos de los rumiantes es determinado,principalemente por su digestibilidad;7Las tcnicas de digestibilidad in vivo, no son adecuadas para estasdeterminaciones a nivel de un laboratorio;
7Las tcnicas in vitropermiten simular la actividad fermentativa en elrumen.
Tiley y Terry (1963)
Produccin de Gas in vitro
Rusitec
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
50/66
Tcnicas de produccin de gas
Permite determinar la extensin y la cintica de
degradacin del alimento a travs del volumen de
gas producido durante el proceso fermentativo
(Theodorou et al 1994).
Sistemas continuos de cultivo:
RUSITEC
Qu balance tenemos del aporte de la microbiologa
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
51/66
Qu balance tenemos del aporte de la microbiologa
anaerobia en el estudio del ecosistema ruminal?
7 El actual estado de arte de la alimentacin y nutricin delos rumiantes se soporta en casi su totalidad en los estudios
del ecosistema ruminal, un ejemplo son las manipulaciones
alimenticias del animal;
7Basado en las dificultades para aislar y cultivar los
organismos presentes en el rumen, quedan muchas
interrogantes sobre si se han aislado todas las que son o no;
7 Las metodologas emergentes abren nuevas posibilidadespara aclarar muchas interrogantes.
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
52/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
53/66
8 A@B CD@E CA8B @ A@D8 3#$0.,# E CA8 B 6 CD@B @ A@D
8 @FG$#G.)#/ B CD@E CA8B 8 .4-,#). B @ A@D
@ -,.)#/ B CD@E CA8B @ .4-,.,#H-,.)#/ B A@E CA8B A@D
80-,.)#/ E 6 CA8B CD@B @ A@D
.4-,.,# E CA8B CD
@
I-.44+#)-* ,JG+4.* &'- K-)-$.) 0-,.)#
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
54/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
55/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
56/66
El f d l i bi l d l
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
57/66
El futuro de la microbiologa del rumen
Uso de la biologa molecular en la identificacin
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
58/66
Regensbogenova et al, 2004 (Acta Protozool, 43: 219 - 224)
de los protozoarios del rumen
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
59/66
L.)M.N O'0.$ I OQ-*+* 5- 2#4,#$.5
@??:S
!""#$%!&$'( '* +'#,%-#!. &,%/($0-,1 &' !11,
.-+$(!# +$%.'3$!# "'"-#!&$'(1 !(4 ".'&'5'
&$+, $( %'61 !(4 %'(&$(-'-1 %-#&-.,
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
60/66
Manipulacin del rumen
7 Los protozoarios son depredadores demicroorganismos;
7 Contribuyen poco a la economa del husped;7 Su eliminacin incrementa la produccin dePM y mejora perfiles fermentativos.
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
61/66
Una vaca produce al ao
entre 45-100 kg de gasmetano T Rebao Nacional
U/,-$).,+V.* 1111Cambios en la alimentacin
Vacunas anti-metanognicos
Eliminacin de protozoarios
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
62/66
Aceites de maz y de coco como desfaunantes en el
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
63/66
rumen de ovinos mantenidos en aislamiento
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
64/66
Totales: 2,7x
Celulolticas: 1,14x
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
65/66
7/26/2019 El ecosistema ruminal, mtodos de estudio y aplicaciones Rumen
66/66
WIUCXUL