Microbiologia do rumen

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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 
2 
3 
 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 
4 
Ambiente favorável para o 
crescimento bacteriano 
 
Microrganismos se mantém 
graças a “manutenção do 
pH, temperatura e ausência 
de oxigênio” 
 
5 
- 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 
6 
 
 
 
 
 
 
 
7 
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) 
8 
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!!! 
9 
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 
11 
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 
 
12 
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 
13 
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) 
14 
 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). 
 
 As principais espécies são: 
• Butyrivibrio fibrisolvens --- Bacterioides ruminicola 
• Ruminococcus sp. --- lachnospira multiparus (principalmente pectinas) 
• Succinivibrio dextrinosolvens 
• Treponema sp. ---- Streptococcus bovis 
15 
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...) 
 
 As principais espécies são: 
• Bacterioides amylophilus ---- Streptococcus bovis 
• Succininimonas amylolytica ---- Bacterioides ruminicola 
• Succinivibrio dextrinosolvens (principalmente dextrina) 
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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 
 
17 
4. Bactérias utilizadoras de açúcares 
 Utilizam ácidos produzidos durante a fermentação (ácido lático, ácido 
succínico e ácido fórmico). 
 
 As principais espécies são: 
• Megasphaera elsdenii 
• Selenomonas ruminantium 
• Veillonella alcalescens 
• Anaerovibrio lipolytica 
• Propioni bacterium 
• Veillonella gazogenes 
• Peptostreptococcus elsdenii 
 
18 
5. Bactérias utilizadoras de AGV’s 
 Capazes de degradar proteína; 
 Existem, no entanto, bactérias essencialmente proteolíticas (utilizam 
aminoácidos como fonte de energia primária). 
 
 As principais espécies são: 
• Bacteroides amylophilus 
• Baterioides ruminicola 
• Butyrivibrio fibrisolvens (alguma linhagens) 
• Streptococcus bovis (algumas linhagens) 
 
 
19 
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. 
 
 As principais espécies são: 
• 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. 
 
 As principais espécies são: 
• Methanosarcina barkerii 
• Methanobrevibacter ruminantium 
• Methanobacterium formicicum 
• Methanomicrobium mobile 
 
21 
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 
 
 As principais espécies são: 
• Anaerovibrio lipolytica ---- Butyrivibrio sp. 
• Butyrivibrio fibrisolvens ---- Treponema bryantii 
• Eubacterium spp. --- Fusocillus spp. 
• Micrococcus sp. ---- Ruminococcus albus 
22 
9. Bactérias lipolíticas 
Inter-relação entre microrganismos 
é resultado da inter-relação existente entre os microrganismos 
23 
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 
24 
 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. 
25 
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: 
26 
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 
 
 ALIMENTAÇÃO CRUZADA (CROSS-FEEDING) ENTRE BACTÉRIAS RUMINAIS: 
27 
• 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 
 
 ALIMENTAÇÃO CRUZADA (CROSS-FEEDING) ENTRE BACTÉRIAS RUMINAIS: 
28 
 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 
31 
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 
32 
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 
 
33 
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 
34 
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. 
35 
 
 
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: 
37 
 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: 
38 
Classificação e características dos protozoários ruminais 
 (Van Soest, Nutritional Ecology of the Ruminant, 1994, p. 262): 
39 
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, Sacarose
Ac, 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 
41 
 
• 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: 
42 
• 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: 
43 
 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 
44 
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 
47 
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 10
9
 1,4 1,6 
Protozoários x 10
5
 3,0 4,8 
 
 
48 
Demonstra a importância no processo digestivo dos ruminantes 
50 
 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 
51 
 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 
DESENVOLVIMENTO DA POPULAÇÃO MICROBIANA DO TRATO 
GASTROINTESTINAL 
52 
DESENVOLVIMENTO DA POPULAÇÃO MICROBIANA DO TRATO 
GASTROINTESTINAL 
 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. 
53 
54 
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: 
55 
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 
56 
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 
57 
58