Aula 3 Fermentação e MIcobiologia Ruminal

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25/08/2009
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FERMENTAÇÃO E MICROBIOLOGIA RUMINAL
Prof. Leilson Rocha
Rúmen
• Câmara de fermentação
• Microorganismos degradam celulose
– Formação de gases (metano)
– Ruminantes tem to be able to eructate (belch) 
• Poucos nutrientes são absorvidos
• Partículas são reduzidas de tamanho
Nitrogênio
nao-proteico
Proteína
dietética
Celulose
Amido
Gordura
Amonia
Proteína
bacteriana
Ácidos
graxo
voláteis
Gorduras
saturadas
Vitamina B
Amino
Ácidos
Glucose
Proteína
Carboidratos
Gorduras
Energia
Gordura
na carcaça
e leite
Vitamina B
DIAGRAMA DO PROCESSO FERMENTATIVO NO RÚMEN
Rúmen
 Maior compartimento
Contém microorganismos
 Fermenta celulose
 Absoção de AGV’s
 Dividido em compartimentos
 Contrações contínuas
 Contém papilas
 Produção de CO2 e CH4
 pH próximo neutro (5,5 - 7)
COMPARTIMENTOS DO RÚMEN
Esta formada principalmente por 
alimento e microorganismos 
flotantes. 
Contem líquido com pequenas partículas de alimento e 
microorganismos suspendidos
Contém gases produzidos durante 
a fermentação dos alimentos.
4 Etapas da Ruminação
• Regurgitação
– Peristáltico reverso carreiam alimento para a boca
• Remastigação
– Líquido embebeda o bolo e engolir
– Mastigação do bolo alimentar
• Reinsalivação
– Adição de mais saliva
• Redeglutição
– Engolir bolo e líquido
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Ruminação
• Permite o animal forragear e comer 
comida rapidamente, e então armazena 
para digestão posterior
• Reduz tamanho de partícula
apenas partículas pequenas deixam Rúmen-
reticulo
• Degradação da parede de plantas 
impermeáveis
• Aumento do fluxo de saliva
Tempo de Ruminação
• Tempo médio para um animal pastando
– Comendo – 8 horas
– Ruminando – 8 horas
– Restante – 8 horas 
• O tempo de Ruminação é bastante variável
– Redução foragem:concentrado reduz tempo de 
ruminação
– Redução do tamanho das partículas do alimento 
decresce tempo dispendido para ruminação
Mecanismo de Ruminação: Regurgitação
• Estímulo - digesta fibrosa arranha superfície
próximo esfíncter cardíaco
• Contracão do reticulo força a digesta para o cardia
• Animal inala com epiglote que fecha para produzir ume
vacúo
• Esfíncter do Cardia abre e esofago dilata
– Pressão negativa (vacúo) suga digesta no esofago
• Movimentos peristalticos reversos movems digesta para
boca
Mecanismo de Ruminação: Remastigação, 
Reinsalivação, and Redeglutição
• Remastigação do bolo
– A mastigação e aliberação do alimento é mais lentaque 
durante a fase inicial
• Reinsalivação da digesta 
– A glândula Parótida secreta mais saliva durante a 
ruminação que com o animal comendo
• Saliva da glândula parotida secreta mais NaHCO3 que 
outras glândulas
• Redeglutição
– Após a reinsalivação, as contrações ruminais movem o 
bolo alimentar para dentro do rúmen
Contrações Ruminais
• Facilita a penetração de microorganismos 
no alimento
• Mistura conteúdos
– Minimiza efeitos da estratifiação
– Move produtos da fermentação (VFA’s) para a 
parede do rúmen
• Ordena a passagem de partículas pequenas 
para o omaso
• Ruminação
• Eructação dos gases da fermentação
Necessidade de Eructação
• O pico de producão de gases
ocorre de 30 min à 2 hr pós-
alimentação (12-27 litros/min)
– Média é 1-2 litros/min
• Apoximadamente 30% do CO2
produzido no rúmen é
absorvido pelo sangue e
eliminado pelos pulmões
• Apenas 20% do CH4 é
eliminado pelos pulmões
Composição dos gases do rúmen
__Gas__ _%__
CO2 65.35
CH4 (variable) 27.76
N2 7.00
O2 (at wall) .56
H2 .18
H2S .01 
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Controle da Eructação
• Estímulo
– Distenção gasosa do retículo e do rúmen
– Esôfago dilata e o animal eucta
• 12-30 L por minuto em bovinos
• 3-17 vezes por minuto 
• Inibitção
– Presença da digesta próximo ao esfícter do cardia
• Afeta os esfíncteres
• Mecanismo protetor que impede que o alimente vá do intestino para os 
pulmões
– Epinefrina
– Histamina
• A inibição da euctação fará o animal inchar- TIMPANISMO
– A pressão ruminal aumenta de 45 para 100 mm Hg
– Formação de uma espuma no rúmen
ADP
ATP
NADP+
NADPH
Açucares
C
atabolism
o
Crescimento
Mantença
Transporte
Metabolismo Microbiano
AGVs
CO2
CH4
Calor
O que os Ruminantes fazem a 
favor dos Microorganismos?
• Um lugar para viver
• Remoção de AGVs e gas
• Fornecimento contínuo 
de alimento
• Qual a função do pH e
da temperatura para o
crescimento microbiano?
Relação Simbiótica
• Ruminantes para os microorganismos
– Moradia
• Calor (39 ± 2°C)
• Umidade (ingestão de água)
– 85 a 90% água
• Garantia de 18 a 96 horas dependendo da dieta e 
do animal
– Búfalo – maior tempo de permanência
– Ruminantes seletivos – menor tempo de permanência 
dos microorganismos
• Ruminantes para os microorganismos
– Garantia de remoção
• Absorção de AGVs
– Energia para o ruminante
• Eructação
– CO2 e CH4
• Passagem de resíduos indigestíveis and 
microorganismos para trato gastrointestinal baixo
– Movimentos ruminais separam partículas menores
Relação Simbiótica
• Ruminantes para os microorganismos
– Nutrientes
• Substratos oriundos da alimentação animal
• Ureia proveniente da saliva (fornece N para as bactérias)
Relação Simbiótica
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• Ruminantes para os microorganismos
– Ótimo ambiente para o crescimento
• Ambiente reduzido (pouco ou nenhum oxigênio)
– Microorganismos estritamente anaeróbicos no interior do rumen
– Anaeróbios funcionais nas paredes do rúmen
• pH 6.0 a 7.0
– Saliva contendo bicarbonate e fosfato
» Vacas produzem até 250litros de saliva por dia
» Secreção contínua 
» Maior produção durante o consumo e a ruminação
» Vacas ruminam 10-12 horas/dia
» A diminução do tamanho da partícula reduz o tempo de 
ruminação, tempo de mastigação, produção de saliva e pH 
ruminal - ACIDOSE
Relação Simbiótica
• Ruminantes para os microorganismos
– Ambiente ótimo (pH)
• Se pH for < 5.7 ao invés de > 6.5
– Síntese microbiana cai 50%
– Bactérias Celulolíticas funcionammelhor até pH ~6.8 
» Taxa do uso de carboidratos estruturais decresce
– Bactérias Amilolíticas funcionammelhor até pH ~5.8
» Mais lactato e menos acetato é produzido
– Further downward pH spiral
• Em seletores de concentrados (cabras), glândula 
salivares parótidas são 0.3% do peso do corpo
Relação Simbiótica
• Ruminantes para os microorganismos
– Desintoxicação de componentes tóxicos
• Exemplo:
– Mimosina na Leucena causas problemas
» Crescimento retardado, reprodução e perda de pêl
– Ruminantes da Austrália, possuem microorganismos que 
degradam mimosina da Leucena podendo ser 
alimentado
Relação Simbiótica
• Digestão de celulose e hemicelulose (ruminantes 
não conseguem degradar alguns componentes da 
fibra)
• Produção de fonte de energia (AGVs)
• Produção de proteína de alta qualidade (bactérias 
e protozoários passam para o abomaso e 
intestino delgado e são absorvidos)
• Produção de vitaminas do complexo B 
• Desintoxição
O que os Microorganismos fazem 
a favor dos Ruminantes?
Duas Fontes de Energia nas Foragens
• Conteúdo Celular
contém açucares, 
amido, proteínas, etc
– >90% digestível, 
rapidamente degradada
• Parede Celular contém 
celulose, lignina 
hemicelulose, etc
– 40-70% digestível, mais 
disponível e lentamente 
digerido pelas bactérias
Photo courtesy of Pioneer Hi-Bred International, Inc.
Fermentação dos Alimentos
DEGRADAÇÃO DOS CARBOIDRATOS
- Carboidratos Estruturais (fibra)
*Bactérias celulolíticas degradam celulose e 
hemicelulose
*Ácido Acético é o produto final (produção de AG )
- Carboidratos não-Estruturais (amido, açucar)
*Bactérias amidolíticas degradam amido e açucar*Propionato é o produto final (produção de glicose)
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Quai são os Produtos Finais da 
Fermentação Microbiana?
• Ácido Acético
• Ácido Propiônico
• Ácido Butírico 
• CO2
• CH4
• Água
• Calor
• ATP (usado pelos microorganismos)
• Massa Microbiana
Quais são as desvantagens da 
Fermentação ?
• Incompleto uso da energia alimentar
-perdas pelo calor e produção de gás
• REQUER BALANÇO PRÓPRIO de energia 
e proteina para ótima fermentação e 
crescimento microbiano no rúmen
Fermentação
 Bactérias Anaeróbicas
degradam celulose;
 AGV’s são liberados pelas
bactérias e chegam à
corrente sanguínea pelas
papilas;
 CO2 e CH4 são produzidos
pelas bactérias;
 Bactérias são controladas
pelos protozoários;
 A ingesta passa para o
omaso pelas contrações;
Microorganismos do Rúmen
• O rúmen e o reticulo contêm milhões de
microorganismos:bactérias, protozoários e
fungos;
• Juntos, estes minúsculos organismos
alimentam-se do material fibroso no rúmen.
• Eles digerem Celulose e Amido, sintetizam
proteína e vitaminas.
População microbiana 
ruminal
Três tipos de microrganismos ativos:
• Bactérias
• Protozoários
• Fungos
Bactérias ruminais
• cerca de 20 espécies predominam
• população: 109 a 1010 células/ml
• massa: 60-90% total
• são as mais ativas fermentadoras,
mais estudadas e consideradas as
mais importantes nutricionalmente
• São classificadas de acordo com o
sustrato utilizado e o produto de
ferementação
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 Os grupos de bactérias do Rúmen
 Vivem livres na fase líquida; 
 Frouxamente associadas com partículas de 
alimento; 
 Firmemente aderidas as partículas alimentares;
 Associadas como epitélio do rúmen; 
 Presas para fugir de protozoários e fungos;
Nincho Ambiental para Bactérias Bactérias Associadas com particulas alimentares
Grupos 2 e 3
75% da população de bactérias do rúmen
90% da atividade dissacarídeos e polissacarídeos
70% da atividade amilase
75% da atividade de protease
Fatores Dietéticos que Reduzem 
o Cescimento Microbiano
• Mudanças drásticas e rápdas de Ração
– Aproximadamente 3-4 semanas para 
microorganismos estabilizarem
• Restrição Alimentar
• Excesso de Gordura insaturada
– Bactérias não utilizam gordura como energia
– Inibe digestão da fibra e crescimento microbiano
– Diferentes tipos de gordura podem causar 
diferentes efeitos
• Excesso de carboidratos não-estruturais
– Queda do pH do rúmen (Acidose Ruminal)
• Alimentação á base de açucares 
• Alimentação a base de cevada ou trigo 
(rapidamente fermentáveis) 
• Para prevenir acidose, tem que equilibrar os níveis 
de lactato
Fatores Dietéticos que Reduzem 
o Cescimento MIcrobiano
• Ingestão maxima de matéria seca
• Equilibrar carboidratos e frações proteicas 
ao mesmo tempo
– Bactérias prescisam tanto de energia qunato 
de N para sintetizar aminoácidos
• Mudança gradual de Ração
• Alimento disponível todo o tempo 
– Manutenção estável do pH ruminal
Fatores Dietéticos que Maximizam 
o Cescimento MIcrobiano
Alimentação
duas vezes/dia
Alimentação ad libitum
GRÁFICO: PH DO RÚMEN EM FUNÇÃO DA FREQUENCIA DE ALIMENTAÇÃO
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Adesão Bacteriana ao Tecido da Planta
1. Transporte de bactérias ao sustrato fibroso
Baixo número de bactérias livres e mistura pobre
2. Adesão inicial não-específica
Electrostática, hidrofóbica, ionica
Em superfície cortada ou macerada
3. Adesão específica ao tecido dgestível
Ligação ou adesão da bactéria a superfície celular
4.Proliferação do ataque da bactéria
Permite colonização de superfícies disponíveis
Ataque das Bactérias às Fibras
Aderência celular Não-aderência celular
Glicocálice
Celulose Cel Cel
Digesão e fermentação
Celodextrinas pela aderência e 
não-aderência celular
Mecanismos de Adesão Bacteriana
1. Complexo de Multicomponentes
Celulosomes
2. Material de filamentos extracelulares
Complexo pili-proteico
3. Carboidratos do glicocálice bacteriano
4. Ligação de enzimas dominantes
Benefícios do Ataque Bacteriano
Se o ataque for previnido ou diminuir
Digestão da celulose também reduz
• Enzimas e substratos misturam-se em um 
sistema pobre
• Protege enzimas da protease no rúmen
• Permite que bactérias colonizem a superfície 
digestible das partículas dos alimentos
• Retenção no rúmen para prolongar digestão
• Reduz actividade predatória dos protozoários
 Permitem que bactérias colonizem a superfície 
digestível das partículas do alimento
 Trazem enzimas (dos microorganismos) e substratos (do bolo 
alimentar) junto
 Protegem enzimas microbianas da protease no rúmen
 Se a aderência for previnida ou reduzida, a digestão de 
celulose também reduz 
 O tempo de retenção dos microorganismos no rúmen é 
incrementado pelo prolongamento da digestão
 Reduz a atividade predatória dos protozoários
 Gorduza fornecida juntamente com forragens dificulta a 
aderência dos microorganismos
Benefícios da Aderência Bacteriana Bactérias – características 
fermentativas comuns
1. Fermentadoras de carboidratos estruturais:
• associam-se as fibras dos alimentos e degradam 
componentes da parede celular dos vegetais
• taxa de crescimento relativamente mais lenta
• dependem de amônia e ácidos graxos de cadeia ramificada 
para síntese de suas proteínas
Ex.: Ruminococcus albus, R. flavefaciens, Fribrobacter succinogenes
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Bactérias – características 
fermentativas comuns
2. Fermentadoras de carboidratos não-estruturais:
• associam-se as partículas de cereais e amido e degradam os 
CHO de natureza não estrutural (amido, açúcares)
• taxa de crescimento relativamente mais alta
• podem utilizar amônia, aminoácidos ou peptídeos para a 
síntese de suas proteínas
Ex.: Streptococcus bovis, Ruminobacter amylophilus, Lactobacillus sp.
Bactérias – características 
fermentativas comuns
3. Proteolíticas:
• a maior parte das espécies bacterianas ruminais 
degradam proteínas
• algumas espécies, porém, utilizam os aminoácidos 
como fonte energética
• atividade proteolítica intensa
Ex.: Peptostreptococci sp.
Bactérias – características 
fermentativas comuns
4. Metanogênicas:
• as mais estritamente anaeróbicas
• produzem metano a partir de CO2 e H2 derivados da 
atividade fermentativa das demais espécies
Ex.: Methanobacterium sp., Methanobrevibacter sp.
Bactérias – características 
fermentativas comuns
5. Láticas:
• crescem em condições de pH ruminal baixo
• utilizam ácido lático como substrato energético
Ex.: Megasphera elsdenii, Selenomonas ruminantium
Bactérias – características 
fermentativas comuns
6. Pectinolíticas:
• fermentam pectina
• pectina: polímero de natureza estrutural, mas tem 
fermentação semelhante a dos CHO não estruturais
Ex.: Succinivibrio dextronosolvens
Bactérias – características 
fermentativas comuns
7. Lipolíticas:
• degradam triglicerídeos em glicerol e ácidos graxos
Ex.: Anaerovibrio lipolytica
8. Ureolíticas:
• aderidas ao epitélio ruminal e hidrolisam uréia 
liberando amônia no rúmen
Ex.: Enterococcus faecium
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Protozoários ruminais
• em sua maioria ciliados
• população: 106 células/ml
• massa: 10% (até 50%) total
• fagocitose e predação
Microbiologia do rúmen
Papel dos Protozoários
• Digestão e fermentação
– Carboidratos e proteínas
• Ingestão de bactérias e partículas alimentares
• Melhora no processo digestivo.
• Fagocitose e Engolfamento. 
• São ativos fermentadores de lactato auxiliando na 
manutenção do pH ruminal;
• Assim como nas bactérias fermentam carboidratos 
a AGVs e CO2 a metano
Protozoários ruminais
• Entodiniomorfos:
• Ingerem preferencialmente partículas insolúveis suspensas 
no fluido ruminal; 
• São mais numerosos em dietas abase de forragem;
• Holotriquias:
• Ingerem partículas solúveis e grânulos de amido;
• São mais numerosos em dietas a base de grão;
Protozoários
Contribuição para o animal?
Desaparecem quando a alimentação possui grande
quantidades de grão onde o pH não é controldado;
Produz alguns ácidos graxos voláteis e NH3;
Produz um tipo de amido que é digerido pelo animal;
Fungos ruminais
• os menos conhecidos
• população: 104 zoósporos/ml
• massa: 6-8% total
Exigências Nutricionais dos 
Microorganismos do Rúmen
• CO2
• Energia
– E produtos da digestão de carboidratos
Fermentação de açucares
• Nitrogênio
– Amônia (maior parte do N necessário)
– Aminoácidos
• Mineraiss
– Co, S, F, Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Zn, Mo, Se
• Vitaminas 
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Considerações Finais
Microorganismos fornecem para os Ruminantes
Energia!!!
AGV 70%
Celulas Microbianas 10%
Fermentação digestiva do alimento 20%
E os Ruminantes aos Microorganismos ?