Constituyen los organismos más conspicuos en el rumen y en el tracto digestivo de algunos monogástricos hervíboros y su rol ha sido debatido por décadas. Forman gran proporción de la biomasa (20-40% del N microbiano), pero su contribución es menor por la gran retención y menor actividad metabólica. Su tiempo de generación es grande y la sobrevivencia en el rumen depende de las estrategias que reducen el lavado.
Un problema en la determinación del rol que cumplen en el rumen es la dificultad de crecimiento fuera de las bacterias que predan. Esta constituye su principal función: ingieren partículas del tamaño de las bacterias, como almidón, fibras, cloroplastos. Se piensa que la actividad celulolítica se realice por la flora bacteriana asociada. Algunos autores los consideran minirumiantes que albergan bacterias celulolíticas y otras que metabolizan lo que ellos ingieren.
La mayoría de los componentes son Ciliata, los organismos unicelulares más complejos. Su biomasa es en general similar a la de las bacterias, pero pueden sobrepasarla más de 3 veces según la dieta, o incluso desaparecer. Su densidad es del orden de 105-106/ml. Las distintas especies varían en tamaño entre 25 a 250 micras, agrupados en 17 géneros de la sub-clase
Entodiniomorphes y 2 géneros de la sub-clase Holotriches, que difieren en su morfología y
metabolismo. Las especies presentes varían con la especie animal, la localidad, la dieta.
Los tiempos de generación varían entre 0,5 a 2 días. Los más lentos pueden desaparecer con los fluídos del rumen, pero varios permanecen adheridos a fragmentos de alimento, por lo que son más retenidos que las bacterias y una gran proporción (más de 2/3) pueden ser lisados en el rumen.
Los ciliados difieren de las bacterias en varios aspectos:
a) son muy móviles e invaden a los alimentos recién ingeridos tan rápidamente como las bacterias, a pesar de su menor número.
b) son capaces de almacenar hidratos de carbono adicionales en forma de un polímero insoluble, la amilopectina
c) son más fácilmente destruídos por la acidez, los Holotriches son los más sensibles y los
Entodiniomorphes , menos.
d) no pueden sintetizar aminoácidos a partir de compuestos simples de nitrógeno y dependen de las bacterias, cuyos aminoácidos emplean luego de fagocitarlas (1% de las bacterias del rumen pueden ser fagocitadas por cilados en cada minuto). Son responsables de la producción de gran parte del amonio en el rumen
e) a diferencia de las bacterias, los ciliados del rumen no son esenciales para los procesos de fermentación, pero contribuyen a su eficiencia.
Ciliados celulolíticos
Pocos géneros de Epidinium están involucrados en la fragmentación de los restos vegetales. Secretan enzimas que promueven la separación de las células y la fragmentación del material. En condiciones adecuadas más de la mitad de la actividad celulolítica del rumen se asocia con los ciliados. La mayor actividad se da cuando la enzima es liberada luego de la lisis celular que ocurre por exposición al O2 en la ruminación o por hipotonía causada luego de la ingestión de agua.
Ciliados amilolíticos
Todos los Entodiniomorphes emplean almidón, cuyo exceso almacenan como amilopectina. Sin embargo, uno de los dos géneros de Holotriches no puede usar almidón. La mayoría prefiere azúcares solubles y se mueven rápidamente hacia ellos. Se estima que más de 1/3 de los azúcares ingeridos por el animal puede convertirse en amilopectina.
Otras fuentes de energía: Los ciliados son responsables de del 30-40% de la lipolisis. Incrementan el contenido de ácidos grasos saturados. Un 75% de los lípidos microbianos están
normalmente asociados con los ciliados, por lo que su contribución al huésped puede ser significativa. No son muy importantes en la degradación de proteínas de la dieta, usan las de las bacterias fagocitadas.
El nivel proteíco del rumen se incrementa cuando se eliminan los protozoos.
Eliminación de los protozoos: se logra por varios procedimientos: cambios en la dieta, agregando varios agentes químicos o aislando jóvenes animales. No se afecta mucho el metabolismo del rumen, pero puede alterar el balance de los productos: una dieta de granos con protozoos presentes produce alto nivel de butirato, mientras que sin ellos, domina el propionato.
Las funciones de los protozoos en el rumen son complejas. Su eliminación parece aumentar el rendimiento microbiano y la absorción de aminoácidos por el animal, que en dietas con pajas pobres, resultaría benéfico. Mientras que en dietas ricas en almidón, los protozoos tendrían otro rol
benéfico controlando la acidosis: al englobar partículas indiscriminadamente, inducen una latencia en la fermentación del almidón, limitando la acidificación.
Obtención de energía por microorganismos del rumen
El rumen es un ambiente estrictamente anaerobio, los AGV son sus productos de excreción y son absorbidos directamente desde el rumen hacia el huésped constituyendo la principal fuente de energía. La fermentación de hidratos de carbono es la principal fuente de energía para los microorganismos anaerobios del rumen. Las proteínas contribuyen con menos del 1% del total de energía y el aporte por el glicerol es menor.
La fermentación de glucosa en los 3 principales AGV conduce a: ácido acético: C6H12O6--- 2CH3COOH+ CO2
ácido propiónico: C6H12O6---2CH3-CH2-COOH + 2H20 ácido butírico: C6H12O6---CH3CH2CH2COOH + 2CO2
Etapa final: metano (respiración anaerobia):
4H2 +CO2---CH4 + 2H20
El animal obtiene más energía cuando se produce ácido propiónico en relación al ácido acético. La liberación de H2 y CH4 (producto de desecho) es mayor cuando se forma ácido acético. La principal pérdida de energía se da por la liberación de H2 y CH4. Vemos que la producción de 2 moles de ácido propiónico a partir de un mol de hexosa, requiere H2 adicional. El ácido propiónico actúa como ligando del H2 y reduce la pérdida de energía por formación de metano. Se aprecia la complejidad de este sistema biológico, muchos de cuyos aspectos han sido estudiados extensivamente, otros restan por investigarse.
Interacciones microbianas en el rumen
Las interacciones entre los numerosos microorganismos se comprenden mejor al comparar al rumen con un sistema dinámico y cambiante. Es precisamente la flexibilidad de este complejo sistema que hace posible la conversión de un amplio rango de sustratos en AGV de los cuales depende el rumiante para obtener energía.
Las interacciones metabólicas entre las distintas poblaciones del rumen resultan esenciales para sostener a la comunidad microbiana y sus actividades. Productos del metabolismo de algunos microorganismos son fuente de energía para otros. La liberación de vitaminas y productos del metabolismo del nitrógeno constituyen fuentes para otros microorganismos. El tipo y grado de estas interacciones regulan las concentraciones y actividades de especies individuales y la naturaleza cuali y cuantitativa de los productos de la fermentación de los sustratos ingeridos.
Interacciones nutritivas
Los rumiantes no requieren vitaminas del complejo B en su dieta. Sus requerimientos son satisfechos por la microflora del rumen. Es alto el número de especies que requieren biotina y ácido para-amino benzóico (PABA) o biotina y ácido fólico. La biotina se requiere para la decarboxilación del succinato a propionato, principal reacción en la fermentación del rumen.
Interacciones entre compuestos nitrogenados
Las proteínas de la dieta se convierten en proteínas microbianas. Numerosas especies presentan actividad proteolítica, liberando péptidos, aminoácidos y amonio. La principal fuente de N para la mayoría de las especies, es el amonio, aunque algunas especies no proteolíticas emplean aminoácidos.
La figura 1 (Wolin, 1979) resume el metabolismo de las proteínas en el rumen. Las proteínas de la dieta se convierten principalmente en nitrógeno microbiano. Algunas bacterias, como Bacteroides
ruminicola pueden degradar aminoácidos de cadena ramificada en los respectivos ácidos grasos,
con un carbono menos.
Interacciones microbianas están involucradas también en la degradación de proteínas de la dieta, como por ejemplo entre Ruminococcus albus y B. ruminicola en co-cultivo en medio con celulosa y caseína, como únicas fuentes de energía y N, respectivamente. El celulolítico R. albus provee a la pareja con productos de la hidrólisis del polisacárido. B. ruminicola degrada la caseína y libera amonio e isobutirato requerido por el primero.
Fermentación de hidratos de carbono
Los polisacáridos de la dieta son la fuente principal de C y energía para los microorganismos del rumen. las interacciones son numerosas y los productos de hidrólisis son asimilados por la población asociada. A pesar de que la celulasa está presente en pocas especies de bacterias, protozoos y ficomicetos anaerobios, los productos de la hidrólisis son sustrato para organismos no celulíticos.
Figura 1 Metabolismo de proteínas en el rumen
proteínas en protozoos proteínas bacterianas proteínas en la dieta
AGV cadena lineal otras fuentes de C
ramificada CO2 ác. grasos aromáticos péptidos urea aminoácidos NH3 mayor importancia
. importancia media importancia menor
Estas asociaciones nutricionales han sido verificadas en co-cultivos in-vitro. El éxito en la competencia por los productos solubles obtenidos de la hidrólisis de polímeros por especies no- hidrolíticas, depende de las velocidades de transporte en las células y de su metabolismo posterior.
Los productos de bajo peso molecular de la hidrólisis de polisacáridos son fermentados a acetato, butirato, H2 y CO2 por especies individuales de bacterias y protozoos. La producción de propionato y CH4 requiere de la interacción de especies: las que producen succinato con otras que lo decarboxilan a propionato y CO2. Esta interacción es muy importante en el rumen, ya que el propionato es el principal sustrato gluconeogénico para los rumiantes. La figura 2 muestra la interacción entre Fibrobacter succinogenes y Selenomonas ruminantium. El organismo celulolítico produce succinato, acetato y formiato. Cuando ambas especies crecen juntas, sin embargo, los productos finales incluyen propionato y CO2.: el succionato es intermedio en la formación de propionato y S. ruminantium aporta el CO2 requerido por Fibrobacter.
Figura 2- Interacción metabólica entre dos bacterias del rumen celulosa + CO2 Fibrobacter succinogenes fragmentos de celulosa
succinato Selenomonas ruminantium
+ acetato propionato + + formiato acetato + CO2
Otro ejemplo de estas cadenas alimenticias se da con las bacterias metanogénicas, que emplean CO2 e H2, para obtener energía, con acetato o CO2 como fuentes de C, que son liberados por microorganismos que hidrolizan y fermentan los sustratos.
Interacciones entre bacterias y protozoos
La interacción más sorprendente es la dependencia entre los ciliados y las bacterias por los aminoácidos. La eliminación de los ciliados incrementa hasta 3 veces el número de bacterias. Las bacterias emplean tanto las proteínas como la amilopectina de los ciliados lisados.
Algunas bacterias pueden funcionar simbióticamente, dentro de protozoos, otras permanecen independientes o pueden interactuar con los ciliados. por ejemplo, las bacterias metanogénicas se adhieren a varios Entodiniomorphes cuando el H2 es limitante. El H2 generado por los ciliados puede ser la principal fuente de metano en el rumen. Muchos ciliados absorben trazas de O2 del líquido ruminal, manteniendo el ambiente anaerobio.
La celulolisis se ve incrementada cuando se asocian bacterias y ciliados; este sinergismo fue verificado in-vitro. Otro de los roles importantes de los protozoos es estabilizar el ambiente: secuestran rápidamente al almidón y azúcares solubles, restringen la formación de ácido láctico y limitan las fluctuaciones del pH. La liberación de AGV a partir de las reservas de amilopectina de los ciliados, contribuye a la nutrición del huésped entre ingestas.
Otro mecanismo que facilita la sobrevivencia de especies no-hidrolíticas en este ecosistema son las interacciones entre presa y predator: una población, como los protozoos obtiene energía y/o carbono a partir de su presa (las bacterias). Los protozoos pueden obtener estos requerimientos para su desarrollo por fermentación de sustratos; las bacterias parecen ser más bien precursores para la síntesis de proteínas y ácidos nucléicos y como fuente de lípidos. La fermentación de las reservas carbonadas de las bacterias puede contribuir también al metabolismo del protozoo.
Producción de CH4
Ninguna de las bacterias o protozoos fermentadores producen metano, pero algunas producen formiato, H2 y CO2. Las bacterias metanogénicas pueden luego transformar el H2 y el CO2 en CH4. En el rumen la principal vía de formación de metano es a partir de H2 y CO2. Su formación a partir de acetato (formado por conversión de propionato, butirato y otros AGV), no ocurre en el rumen y la producción a partir de AGV es un proceso muy lento. Methanobacterium ruminantium
se encuentra presente en alta concentración en el rumen. Methanosarcina barkeri ha sido aislada de rumen de vacas y ovejas, crece lentamente con H2 y CO2, forma CH4 a partir de grupos
Methanobrevibacter spp. es probablemente el metanogénico más significativo en el rumen bovino, pero se requieren mayores estudios para caracterizar a las especies actuantes.
Casi todo el H2 producido es empleado por las bacterias metanogénicas (transferencia de H2 interespecie). Aproximadamente 800 litros de H2 se producen y se usan diariamente para formar 200 litros de CH4 en una vaca de 500 kg y sólo trazas de H2 se acumulan en la fase gaseosa del rumen (Hungate, 1966).
Interacciones y proporciones de AGV
Existe considerable interés en alterar las fermentaciones en el rumen para incrementar la eficiencia de productos ruminales. Los aditivos alimenticios, como los ionóforos Monensina o Rumensina y Lasolacida, inhiben a los productores de H2, favorecen la producción de propionato y reducen la producción de metano, aumentando por lo tanto, la eficiencia de conversión de los sustratos en alimento para el ganado. Estas sustancias actúan como quelantes del sodio, potasio y otros cationes, alterando el transporte a través de la membrana.