Tópico 3 - Microbiologia do rúmen

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Microbiologia do 
rúmen
ZOO 613
Professor Jalison Lopes
Zootecnista-DSc
Microbiota
� Nome dado ao conjunto de populações microbianas de um ecossistema
que ocupam nichos ecológicos diferentes.
� O ruminante caracteriza-se pela presença de uma intensa microbiota� O ruminante caracteriza-se pela presença de uma intensa microbiota
no rúmen e no intestino.
� A microbiota do rúmen é constituída principalmente de bactérias,
protozoários e fungos anaeróbios.
� Estabelece com o ruminante uma interação complexa de cooperação
mútua obrigatória, denominada simbiose.
Microbiota
Microbiota ruminal Arcuri, 2003
2 a 3 Kg/dia passam 
para o Intestino 
DelgadoDelgado
Teixeira, 2001
Ruminante e microbiota 
= 
Simbiose
“Relação ecológica onde ambas as partes se
beneficiam e não podem sobreviver sem o
parceiro”
Arcuri, 2009
Simbiose = “Contrato 
entre partes”
Ruminante = hospedeiroRuminante = hospedeiro
� Comida fresca
� Antiácidos
� Casa
� Calor
� Remoção do “lixo”
Arcuri, 2009
Características do 
ecossistema ruminal
� Equilíbrio entre entrada de alimentos e líquidos e a absorção e remoção dos
produtos da fermentação.produtos da fermentação.
�Matéria seca do conteúdo = 10 a 18% (depende da natureza do alimento)
� Temperatura = 38 a 41°C (média 39ºC)
� pH = 5,5 a 7,0 (ambiente tamponado)
� � [ ] Oxigênio (� anaerobiose)
� Pressão osmótica constante.
“Constância de temperatura, pH e anaerobiose mantém ambiente ideal para 
crescimento microbiano”.
Distribuição da microbiota no rúmen
Simbiose = “Contrato 
entre partes”
MicrobiotaMicrobiota
� Digestão e fermentação de carboidratos, produzindo AVG’S (principal fonte 
de energia do ruminante). 
� Servir como fonte protéica de alta qualidade para o ruminante (60 a 90% da 
proteína que chega ao ID).
� Síntese de vitaminas do complexo B e K.
� Eliminação de substâncias tóxicas dos alimentos 
Bactérias ruminais
� Pelo menos 200 espécies diferentes
� População de 1010 a 1011/g de conteúdo ruminal
� Atividade metabólica muito intensa
�Maioria é anaeróbica obrigatória (também há facultativas)
� Colonização do substrato a partir de 1 a 2 min após entrada no rúmen
� Tempo para duplicação >20 minutos
� Predomínio de espécies de acordo com a dieta
Classificação das bactérias ruminais
Classificadas em função dos substratos utilizados e dos produtos da
fermentação em:
�Celulolíticas ou fibrolíticas
�Amilolíticas
�Pectinolíticas
�Lipolíticas
�Proteolíticas
�Archaea (metanogênicos)
�Outras (Utilizadoras de AGV´s; lácticas; produtoras de amônia, ureolíticas)
Celulolíticas ou fibrolíticas
� Associam-se às fibras dos alimentos e degradam componentes da parede celular
dos vegetais (hemicelulose e celulose);
� Tem uma taxa de crescimento mais lento;� Tem uma taxa de crescimento mais lento;
� pH ideal para atuação ≥ 6,2
� Principais produtos: Acetato, butirato, succinato, formato, lactato.
� Principais espécies: Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus (cel) ,
Ruminicoccus flaverfaciens , Butyrivibrio fibrisolvens (cel, hemicel)
“Bactéria atacando a fibra da planta”
Clímax de colonização por bactérias fibrolíticas
Bactérias degradando celulose
Amilolíticas
� Fermentam o amido (presente em grande quantidade em grãos de cereais
(como milho e sorgo).
� Apresentam� taxa de crescimento� Apresentam� taxa de crescimento
� pH ideal para atuação: 5,5-5,8
� Principais produtos: Acetato, Propionato, Succinato, Formato, Lactato.
� Principais espécies: Streptococcus bovis, Ruminobacter amylophilus,
Succinomonas amylolytica, Prevotella ruminicola, Selenomonas ruminantium,
Succinivibrio dextriinosolvens
Pectinolíticas
� Fermentam pectina (carboidrato estrutural de rápida fermentação ruminal)
� Apresentam características semelhantes as bactérias que fermentam
carboidratos não estrutural (ex. amilolíticas)carboidratos não estrutural (ex. amilolíticas)
� Principais produtos: Acetato, Propionato, Succinato, Formato, Butirato
� Principais espécies: Lachnospira multiparus, Prevotella ruminicola,
Butyrivibrio fibrisolvens, Bacteroides ruminicola
� Fermentação das pectnolíticas mantêm pH ruminal mais alto em relação as
bactérias amilolíticas porque não produz lactato.
Lipolíticas
� Hidrolisam lipídeos (triglicerídeos) produzindo glicerol e ácidos graxos.
� Também são responsáveis pela biohidrogenação de ácidos graxos
� Principais produtos: Acetato, Succinato, Propionato
� Principal espécie: Anaerovibrio lipolytica
Proteolíticas
� Muitas bactérias presentes no rúmen são capazes de degradar proteínas.
� No entanto, existem, bactérias essencialmente proteolíticas, que utilizam
aminoácidos como fonte de energia primária e tem uma atividadeaminoácidos como fonte de energia primária e tem uma atividade
proteolítica bem mais intensa que as demais.
� Principais produtos: Acetato, Butirato, Propionato e AGV’s de cadeia
ramificada.
� Principais espécies: Peptostreptococcus sp., Clostridium aminophilum,
Clostridium sticklandii.
Archaea (Metanogênicos)
� Archaea é um grupo de microrganismos presentes no rúmen diferente
das bactérias cujos principais representantes são os metanogênicos.
� Produzem metano (CH4) a partir de CO2 e H2 derivados da atividade
fermentativa das demais espécies.
� Principais espécies: Methanosarcina sp, Methanobrevibacter sp,
Methanobacterium sp, Methanomicrobium sp.
BactériasProdução de metano por 
ruminantes
�O metano é um subproduto da fermentação ruminal.
� Sua importância é viabilizar o funcionamento do rúmen devido a sua� Sua importância é viabilizar o funcionamento do rúmen devido a sua
capacidadede retirar H+do ambiente ruminal
� O metano pode amplificar o efeito estufa na atmosfera (capacidade de
armazenar calor é 20x maior que CO2 )
� Ruminantes são considerados importantes contribuintes da emissão dos
gases causadores do efeito estufa (3,3% do total dos GEE)
Fontes globais de metano relacionadas às 
atividades humanas 
Adaptado de USEPA (2000).
BactériasProdução de metano por 
ruminantes
�Ruminantes domésticos representam uma das poucas fontes de CH4 que
podemde alguma forma sermanipuladas.
Emissão de CH por ruminantes pode ser obtida através da:����� Emissão de CH4 por ruminantes pode ser obtida através da:
�Melhoria da dieta
�Melhoria das pastagens
� Suplementação alimentar
�� Capacidade produtiva dos animais (melhoramento genético)
� Outras medidas que resultem em ciclos produtivos mais curtos (� eficiência
no processo produtivo)
Conjunto coletor para medir CH4 entérico
Técnica do gás traçador SF6 para
medição de campo do metano ruminal
em bovinos.
Animal com cabresto coletor e canga armazenadora.
Protozoários
� 25 gêneros (todos anaeróbicos)
� 105 a 106 /g de conteúdo ruminal
�Tempo para duplicação de 24 horas em média
� 10 a 100 vezes maiores que bactérias
� 40 a 60% da biomassa microbiana total do rúmen
� pH ideal para sobrevivência : 6,5
Protozoários
�� Fluxo para o intestino (concentram-se na parte ventral do rúmen)
�Armazenam uma grande quantidade de amido (fonte de energia)
�Não são essenciais a sobrevivência de ruminantes
�Presença proporciona efeitos benéficos e adversos
� Predadores de bactérias, fungos e leveduras
� Protozoários ciliados (predominantes no rúmen) são divididos em 2 grupos:
Holotriquias e Entodinomorfos
Holotriquias
� Gêneros: Isotricha e Dasytricha
� Tufos de cílios na porção anterior
� Grande tamanho
� Nadam mais rápido que os entodinomorfos
� Substratos utilizados: amido e açúcares solúveis
� Produtos da fermentação: H2, acetato, lactato, propionato.� Predominam em dietas a base de grãos de cereias
Entodinomorfos
� Gêneros: Entodinia, Diplodinium, Eudiplodinium, Polyplastron,
Ophryoscolex, Epidinium
�Pequeno tamanho
� Principais substratos utilizados: amido, hemicelulose, celulose
� Produtos da fermentação: H2, acetato, butirato, propionato, lactato e
formato
�Predominam em dietas a base de forragem
Efeitos da presença de protozoários 
no rúmen
�Mantêm a estabilidade da fermentação ruminal e do pH, evitando a
acidose, devido a estocagem em seu corpo de amido e açúcares provenientes da
dieta e liberação gradativa dos mesmos (importante em dietas com���� grão).dieta e liberação gradativa dos mesmos (importante em dietas com���� grão).
� Destruição intensa de bactérias ruminais (� produção total de proteína
microbiana e eficiência energética) pode comprometer o desempenho animal
(principalmente em dietas com���� volumoso).
� A maioria dos resultados na literatura demonstram que a defaunação
(eliminação dos protozóarios do rúmen) provoca ���� de desempenho e
eficiência alimentar (� produção de metano e� produção de propionato).
Bactérias e protozoário
Van Soest, 1994
Protozoários se dividindo
Protozoário com bactérias aderidas
Fungos anaeróbicos
� 0 a 103 - 105 / g conteúdo ruminal
� Principais espécies: Neocallimastix frontalis, Sphaeromonas communis,
Piromonas communisPiromonas communis
� Biomassa aumenta substancialmente em dietas ricas em volumosos e estão
praticamente ausentes em dietas ricas em concentrados (sensíveis a � pH
ruminal).
� Dietas fibrosas e de ���� qualidade nutritiva ���� ���� população de fungos no
rúmen, (pode chegar a 8% da biomassa ruminal).
Fungos anaeróbicos
� São hábeis em utilizar uma ampla variedade de carboidratos solúveis como fonte
de energia e utilizam quase todos os polissacarídeos das plantas (exceção da
pectina e do ácido poligalacturônico).
� Produzem AGV’s, gases, e pouco etanol e lactato
� Principal função dos fungos é facilitar a digestão da parede celular
� A ação dos fungos na parede celular diminui a rigidez estrutural das
forragens e aumenta a superfície acessível para a ação das bactérias.
Zoósporo
Esporângio
Ciclo de vida de fungos anaeróbicos no rúmen 
Van Soest, 1994
Rizóides
Esporângio
Substrato 
lignocelulósico
(alimento fibroso)
Rompimento físico da fibra por fungos Atkin, 1986
Fungo aderido às fibras vegetais de amostra de líquido ruminal 
Abrão, 2010
Protozoário
Fungo
Bactérias
Inter-relações da microbiota 
ruminal
�Competiçãomicrobiana
� Predação� Predação
� Antagonismo
� Parasitismo
� Estratégias fisiológicas
�Colaboraçãomicrobiana
� Sinergismo
� Transferência inter-específica de H2
BactériasPredação
Protozoários são os predadores principais
�Predação de bactérias�Predação de bactérias
•� Biomassa bacteriana ruminal (em até 90%) e fluxo de
proteína microbiana para o intestino delgado
�Protozoários de espécies maiores predam os de espécies
menores
�Protozoários predam fungos ruminais
BactériasAntagonismo
�Ação opositora entre espécies, que quando juntas diminuem a
efetividade de pelo menos uma delas
�Relação entre duas espécies na qual os indivíduos de uma espécie
afetam adversamente os indivíduos da outra espécie
� Inibição do crescimento de uma espécie de organismo por uma
outra espécie, que seja competidora pelo mesmo nicho ecológico
Arcuri, 2009
BactériasAntagonismo
Principal mecanismo é a produção de BACTERIOCINAS
“Bacteriocinas são peptídeos com atividade antimicrobiana
produzidos por espécies de bactérias que em geral disputam oproduzidos por espécies de bactérias que em geral disputam o
mesmo nicho trófico”
Ex:
�Ruminococcus albus pode produzir bacteriocinas contra
R. flavefaciens
� Bactérias celulolíticas podem produzir bacteriocinas contra fungos
ruminais
BactériasParasitismo
Vírus bacteriófagos 
� Presentes no rúmen em larga quantidade. 
� Específicos para diferentes bactérias
� Patógenos obrigatórios de bactérias. 
� Capazes de destruir as bactérias. 
BactériasEstratégias fisiológicas
� Afinidade específica por substratos
� Produção de metabólitos tóxicosProdução de metabólitos tóxicos
�� Taxa de crescimento
� Sobrevivência em pH baixo
Ex: Streptococcus bovis
< 1% em geral passa a predominante com mudança para dieta rica em amido.
BactériasSinergismo
� Interação de espécies ou indivíduos que, quando combinados
produzem um efeito total que é maior que a soma dos efeitos
individuais.individuais.
� Ação conjunta de organismos que resulta no aumento da
efetividade de cada um .
� Contrário de antagonismo.
Arcuri, 2009
Exemplo de Sinergismo entre bactérias ruminais (Lana, 2005)
Amilolítico
Exemplo de 
sinergismo entre 
espécies de 
bactérias no 
rúmen
“lactatolítico”
requer aa
Celulolítico
Requer AGVs ramificados: na presença das
outras espécies, cresce mais
rúmen
Arcuri, 2009
Transferência inter-específica de H2
Bactérias
“ A dieta que o animal recebe diariamente não é diretamente para
seu trato; mas sim para alimentar a microbiota ruminal. Caso a
Efeito da dieta sobre a 
microbiota 
ruminal
seu trato; mas sim para alimentar a microbiota ruminal. Caso a
microbiota seja bem cuidada, ela retribuirá e cuidarámuito bem do
seu hospedeiro, o ruminante”
Robert Edward Hungate , 1966
Bactérias
Além da composição química, outros fatores da dieta que interferem
namanutenção e estabilidade damicrobiota ruminal são:
Efeito da dieta sobre a
microbiota 
ruminal
� Estrutura física da dieta
� Presença de compostos secundários
� Uso de aditivos alimentares
Comparação entre concentrações de bactérias ruminais de
bovinos e ovinos obtidas de mesmos animais quando alimentados
com dietas ricas em forragens ou em concentrados.
Espécie
Número de 
animais
Período de 
amostragem 
(horas após 
alimentação)
Nº de bactérias x 109/mL ou g de 
conteúdo ruminal
Forragem Concentrado
Bovino 1 4 2,4 11,0Bovino 1 4 2,4 11,0
Bovino 2 16 11,0 18,6
Bovino 3 4 a 5 0,3 0,3 a 0,51
Ovino 3 0 5,6 21,0
Ovino 4 2 2,6 8,5
Adaptado de Dehority e Opin (1997) – compilação de diversos autores
Bactérias
Processamento do alimento facilita o ataque microbiano e pode ser
feito através de:
Estrutura física
� Quebra e Moagem
� Umidificação ou hidratação
� Tratamento com vapor
� Ruminação adequada
Bactérias
Substâncias antinutricionais presentes em um grande número de
forrageiras tropicais:
Compostos secundários
� Constituiem mecanismo de defesa das plantas contra herbívoros em geral
� Não fazem parte de vias metabólicas vitais
� Resistentes à degradação ruminal
� Podem ser tóxicos
� Podem ligar-se a proteínas e outras moléculas
BactériasCompostos secundários
Compostos secundários que���� atividademicrobiana no rúmen:
� Precursores de lignina (ácidos fenólicos),� Precursores de lignina (ácidos fenólicos),
� Taninos condensados,
� Alcalóides,
� Saponinas,
�Mimosina
� Etc...
Bactérias
� Substâncias orgânicas ou inorgânicas que fazem parte da alimentação
humana e animal (Van Soest 1994).
Aditivos
humana e animal (Van Soest 1994).
� Fornecidos em pequenas quantidades
�Atuam na microbiota ruminal podendo resultar em incrementos na
eficiência alimentar.
BactériasAditivos
Objetivos da modulação da fermentação microbiana usando aditivos:
�� Degradação da fibra e do amido�� Degradação da fibra e do amido
� Estimular a produção de propionato
� Inibir a produção de metano
� Controlar a concentração de lactato e pH ruminal
BactériasAditivosPrincipais aditivos usados para modular a atividade da microbiota ruminal:
� Ionóforos
� Probióticos
� Enzimas
� Tamponantes e alcalinizantes
� Etc...
Fim...