Aspectos generales de la
microbiología del rumen
Grudsky P., Roberto y Arias B., José Luis.
1983. Monografías de Medicina Veterinaria, 5(2).
*Laboratorio Biología Celular, Depto. Patología
Veterinaria, Facultad Ciencias
Agrarias, Veterinarias y Forestales,
Universidad de Chile.
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Introducción
El rumiante
puede ser considerado como una fábrica fermentadora. Los vegetales que el
animal ingiere, constituyen la materia prima para estas fermentaciones.
Primariamente el proceso ocurre en la boca, con la particulación de este
alimento por medio de la masticación, luego el material vegetal es deglutido y
transportado al pre-estómago del rumiante llamado retículo rumen o en forma más
simple rumen, lugar donde ocurre la fermentación.
En el rumen
habita una masiva comunidad de microorganismos, principalmente bacterias y
protozoos, los que fermentan el material vegetal, entregando cómo productos
principalmente ácidos grasos volátiles (AGV), metano y dióxido de carbono. Los
AGV son removidos del rumen mediante el paso a circulación y son
subsecuentemente usados por el rumiante como fuente primaria de energía y
carbono. Los gases en tanto, son eliminados por la vía del eructo.
La
fermentación provee nutrientes y energía para el desarrollo y división de los
microorganismos, éstos, junto al alimento no digerido (parcialmente fermentado
o que escapó a la fermentación), son posteriormente removidos en forma más o
menos continua del rumen por pasaje hacia las partes posteriores del tracto
digestivo del rumiante. Los procesos digestivos que allí ocurren son similares
a aquellos que se realizan en animales monogástricos e incluyen una digestión
en abomasum e intestino delgado. La digestión de la masa microbial que ha
salido del rumen, provee al rumiante de su mayor fuente de aminoácidos y
vitaminas solubles. Los microorganismos no digeridos y los residuos
alimenticios y microorganismos que habitan en el intestino grueso, salen del
animal en las heces.
A
continuación se describirán las principales características de la población
microbiana ruminal y se destacará la vital importancia que tiene la simbiosis
microorganismos-rumiante.
Microambiente ruminal
El rumen
constituye un medio muy favorable para el desarrollo de determinados
microorganismos y puede considerarse como un aparato de cultivo continuo y de
gran eficacia pata el desarrollo de los microorganismos anaerobios.
Existe una
entrada relativamente constante de alimentos y una mezcla continua de estos,
gracias a las contracciones ruminales, que ayudan a mantener a los
microorganismos en contacto con la ingesta fresca o la comida rumiada, además,
las condiciones de humedad son relativamente constantes y muy favorables para
el desarrollo de numerosos microorganismos.
De igual
manera, la presión osmótica se mantiene próxima a la de la sangre, la
temperatura va de 39°C a 41°C y el pH de 5.5 a 7, lo que es muy cercano al
óptimo de numerosos sistemas enzimáticos. Cabe mencionar, que el pH es
amortiguado por el paso de los AGV y amonio a circulación, por la entrada de
grandes cantidades de saliva que contiene bicarbonato y fosfato y por la
tendencia hacia el equilibrio iónico entre el contenido ruminal y el torrente
sanguíneo.
La fase
gaseosa del contenido ruminal está constituida fundamentalmente por CO2
(65%), Metano (25%), Nitrógeno (7%) y trazas de Hidrógeno y Oxígeno. Bajo las
condiciones descritas, una gran variedad de géneros bacterianos anaerobios y
protozoos ciliados anaerobios, constituirán la población microbiana de mayor
importancia y magnitud.
Aproximadamente
un 4% del volumen total del líquido ruminal corresponde a volumen microbiano,
del cual un 50% corresponde a volumen bacteriano y el otro 50% a volumen,
protozoario. En términos de actividad metabólica, a pesar de que en volumen los
protozoos y las bacterias se encuentran en valores similares, la actividad
metabólica de estos últimos es de mayor envergadura.
Microorganismos
ruminales
Como se dijo
anteriormente, son bacterias anaeróbicas y protozoos ciliados los microorganismos
que se encuentran en mayor número, sin embargo, además se encuentran protozoos
flagelados (especialmente en rumiantes jóvenes y antes de que se establezcan
los protozoos ciliados), bacteriófagos y actualmente se han descrito hongos.
Se han sugerido
diversos criterios para caracterizar a un microorganismo como típico del
rumen, esto se debe a que a veces resulta difícil determinar si el
microorganismo es un habitante normal del rumen o bien si su presencia resulta
de la ingestión del microorganismo por vía del alimento, agua u otro medio.
Para ser considerado como típico del rumen, un microorganismo debe cumplir los
siguientes requisitos:
♦
ser capaz
de vivir anaeróbicamente
♦
tener un
metabolismo compatible con las reacciones que ocurren en el rumen, es decir ser
capaz de producir algunos de los productos finales que se encuentran en el
rumen
♦
encontrarse
en número no inferior a 1.000.000/ml de contenido ruminal (se excluyen los
protozoos).
¿Qué impide una mayor variedad de
microorganismos en el rumen?
Aparte de las
condiciones propias del ambiente ruminal, se han evidenciado ciertos mecanismos
inhibitorios o líticos sobre formas microbianas no típicas del rumen.
Enterobacterias
como E. coli y Salmonellas se encuentran en pequeño número en el rumen, ya que
son inhibidas por los AGV. Tampoco el Clostridium perfringens tipo D (patógeno)
puede mantenerse en rumen, pero en caso de llegar a intestino delgado se
multiplica rápidamente. También cierta actividad lítica sobre algunas especies
bacterianas, se asocia a la presencia de bacteriófagos.
Se ha
observado que las poblaciones microbianas del rumen, tienen ciertos medios
químicos que restringen el crecimiento de posibles competidores. Algunos
microorganismos en el rumen producen toxinas y/o antibióticos, los cuales
afectan otras formas microbianas.
Bacterias del rumen
El rumen
contiene una gran variedad de bacterias, casi todas son anaerobias no
esporuladoras, unas pocas especies son anaerobias facultativas y ocasionalmente
se detectan bacterias anaerobias que forman esporas (Ej.: Oscillospira
guillermondii). La densidad bacteriana va de 10.000.000.000 a
100.000.000.000/ml de contenido ruminal y se reconocen alrededor de 250
especies.
Establecimiento en Rumiantes Jóvenes
El desarrollo
de una flora bacteriana en los rumiantes jóvenes, semejante a la encontrada en
animales adultos, empieza a una edad muy temprana. Este desarrollo se ve
afectado por el tipo de dieta suministrada y en cierta medida por el grado de
aislamiento del animal joven de los rumiantes que albergan microorganismos
típicos del animal adulto.
Los rumiantes
jóvenes adquieren su población microbial por contacto oral con animales de
mayor edad y también por inhalación de bacterias temporalmente suspendidas en
el aire.
Estudios
realizados en terneros indican que existe un gran desarrollo de lactobacilos en
las tres primeras semanas de vida, población que tiende a declinar después de
la tercera semana, alcanzando a los tres a cuatro meses, niveles similares a
los encontrados en animales adultos. Los microorganismos celuloIíticos pueden
encontrarse en niveles altos, incluso en la primera semana de vida, alcanzando
a las tres semanas valores similares a los de los rumiantes adultos.
Otros
estudios, llevados a cabo en rumiantes jóvenes bajo condiciones relativamente
normales, muestran que las bacterias cultivables predominantes de los terneros
de 1 a 3 semanas de edad eran muy diferentes a las del ganado vacuno adulto, a
las 6 semanas, muchos grupos de bacterias típicas de los animales adultos, se encontraban
entre las bacterias predominantes, pero permanecían aún varios grupos no
encontrados en los adultos. Entre 9 y 13 semanas de edad, las bacterias
aisladas eran principalmente típicas de las de los animales adultos mantenidos
con dietas similares.
El
aislamiento estricto de los terneros puede aplazar el establecimiento de una
flora bacteriana, pero sin efectos muy drásticos para el animal.
Distribución
La mayoría de
las especies bacterianas han sido encontradas sólo en el rumen, sin embargo,
muchas especies similares o idénticas se han encontrado presentes en otros
habitats como el aparato gastrointestinal de mamíferos no rumiantes, sedimentos
orgánicos de aguas naturales y Iodos de aguas residuales.
Por Ej.:
Cepas del género Butyrivibrio han sido aisladas de heces humanas, de conejo y
de caballo, también se han aislado Ruminococcus celulolíticos del ciego. del
conejo. Especies del género Selenomonas cultivadas de la boca humana y del
rumen, son similares. Se ha observado además, que Bacteroides humanos s (orales
y fecales) están relacionados muy estrechamente con Bacteroides ruminícola.
Factores que afectan el número y la
naturaleza de las poblaciones bacterianas
Hay numerosos
factores que pueden afectar la población bacteriana ruminal, tanto cuantitativa
como cualitativamente.
1) Efecto
de la Alimentación-Dieta: La selectividad en el pastoreo, velocidad de
ingestión del alimento, fertilidad del terreno, localización geográfica y clima
(T°, luz, etc.), son todos factores que pueden influenciar la calidad y
cantidad de los nutrientes presentados a los microorganismos bacterianos del
rumen.
Las
variaciones cíclicas que presentan las poblaciones bacterianas del rumen a lo
largo del día, son afectadas por la frecuencia de la alimentación. La variación
en el número de microorganismos es menor cuando los animales son alimentados
frecuentemente, el peak en el número ocurre 4 a 8 hrs. después de la
alimentación, dependiendo de la naturaleza de la dieta.
Con respecto
al efecto de la composición de la dieta, las observaciones no son del todo
concluyentes. Dietas muy ricas en carbohidratos solubles producen una depresión
de los microorganismos celulolíticos. Valores adecuados de proteínas en la
dieta, implican usualmente un aumento del número de bacterias en comparación
con dietas bajas en proteínas. Normalmente, el número de bacterias/gr. del
contenido ruminal tiende a ser mayor en animales alimentados con pastos verdes,
en comparación con aquellos alimentados con raciones secas.
2) Efecto
de la Defaunación: En rumiantes defaunados (sin protozoos ciliados)
por métodos como por Ej.: la administración de sulfato cúprico, ácidos o
sustancias químicas, como el dioctilsulfosuccinato de sodio o dimetridazole, la
población bacteriana se encuentra muy incrementada.
Identificación.
Existe una
variedad de criterios utilizados para la identificación de las bacterias
ruminales.
La Morfología (forma-tamaño)
se usa para identificar numerosas especies, sin embargo muchas especies son similares
en la identificación en base a este criterio solamente, debido a que la mayoría
de las especies son cocáceas. Los cocus y bacilos cortos miden de 0.4 a 1 μm
de diámetro por 1 a 3 μ m de largo. Otras formas bacterianas que se
encuentran son espiroquetas, rosetas, tetracocus, sarcinas, etc. Otro
inconveniente para identificar sólo por morfología, es el hecho de que existen
cepas que modifican su forma dependiendo del medio en que se encuentran. (Fig.
1 a y b).
La motilidad es otra característica que permite identificar
ciertas especies.
En resumen, varias
especies y cepas pueden identificarse en base a su forma, tamaño o apéndices
móviles, sin embargo muchas otras deben ser identificadas en base a otras
características.
Tinción: La tinción Gram es también usada como método
de identificación, pero más útil resulta el uso de varios procesos de tinción y
la utilización del microscopio electrónico de transmisión (TEM) y el de barrido
(SEM).
La
identificación también puede efectuarse parcialmente por estudios de tipo
metabólico, como por ejemplo: principal(es) sustrato(s) atacado(s), fuentes de
energía utilizada, nutrientes requeridos para desarrollarse en medios de
cultivo, etc. Sin embargo, existe mucha superposición entre las diferentes
especies al utilizar estos métodos.
Otras
técnicas, más complejas y no muy empleadas, son la detección de enzimas y test
serológicos (anticuerpos fluorescentes).
Clasificación.
Las diversas
clasificaciones actuales, se basan principalmente en los sustratos utilizados y
en los productos principales de la fermentación.
1. Bacterias Celulolíticas: Estas bacterias tienen la habilidad
bioquímica de producir celulasas, enzimas que pueden hidrolizar la celulosa.
También pueden utilizar celobiosa (disacárido) y otros carbohidratos. Especies
celulolíticas de importancia son: Bacteroides succinogenes, Ruminococcus
flavefaciens, Ruminococcus albus, Clostridium loch headii y Cillobacterium
cellulosolvens.
2. Bacterias Hemicelulolíticas: La hemicelulosa difiere de la celulosa en
que aquella contiene tanto pentosas como hexosas y usualmente contiene ácidos
urónicos. La hemicelulosa es un importante constituyente de las plantas. Los
organismos que son capaces de hidrolizar celulosa, habitualmente también pueden
utilizar hemicelulosa. Sin embargo, algunas especies hemicelulolíticas no
pueden utilizar la celulosa. Dentro de las especies que digieren hemicelulosa
tenemos: Butyrivibrio fibrisolvens, Lachnospira multíparus y Bacteroides
ruminícola.
3. Bacterias aminolíticas: Todas las bacterias celulolíticas son
también capaces de digerir almidón, sin embargo algunos microorganismos
amilolíticos no pueden utilizar celulosa. Especies importantes que digieren
almidón son: Bacteroides amylophilus, Succinomona amylolítica, Butyrividrio
fibrisolvens, Lachnospira multíparus y Bacteroides ruminícola.
4. Bacterias que utilizan Azúcares: La mayoría de las bacterias que son
capaces de utilizar polisacáridos, son también capaces de utilizar disacáridos
o monosacáridos.
5. Bacterias que utilizan Ácidos: Un gran número de bacterias utilizan
ácido láctico, no obstante este ácido no está presente en cantidades
apreciables en el rumen, excepto en condiciones anormales. Otras bacterias
utilizan ácido succínico, málico y fumárico, así omo también utilizan ácido
fórmico y ácido acético, pero probablemente no como fuentes primarias de
energía. También el ácido oxálico es descompuesto por bacterias ruminales.
Ejemplo de bacterias que utilizan lactato: Veillonella gazogenes, Veillonella
alacalescens, Propionibacterium sp., Desulphovibrio y Selenomona lactilytica.
6. Bacterias Proteolíticas: Cierto número de bacterias ruminales
utilizan aminoácidos como fuente primaria de obtención de energía. Ej.:
Bacteroides amylophílus, Clostridium sporogenes y Bacilus licheniformis, son
tres especies que tienen reconocida capacidad proteolítica.
7. Bacterias productoras de Amonio: Algunas especies bacterianas producen
amonio a partir de distintas fuentes. Ej.: Bacteroides ruminícola, Selenomona
ruminantium, Peptostreptococcus elsdenii y algunos Butyrivibrios.
8. Bacterias que producen Metano: Las principales son Methanobacterium
ruminantium y Methanobacterium formicum, de menor importancia son,
Methanobacterium sohngenii, Methanobacterium suboxydans y Methanosarcina sp.
9. Bacterias Lipolíticas: Existen bacterias que utilizan glicerol y
lo hidrolizan. Otros microorganismos hidrogenan ácidos grasos insaturados y
algunos metabolizan ácidos grasos de cadena larga a cetonas. Ejemplos de
bacterias ¡¡políticas son: Selenomona ruminantium y Anaerovibrio lypolítico.
10. Bacterias sintetizadoras de Vitaminas: Especial importancia tienen las bacterias
sintetizadoras de vitaminas del complejo B. Ej.: Selenomona ruminantium.
TABLA I.- Características de las principales bacterias
ruminales cultivadas in vitro
|
Especie |
Morfología |
Go Medidas,
μm |
Mo Función
importante |
oo |
ooo |
||||||||||||||||||
|
1) Bacteroides succinogenes |
Bacilar a |
- 0.3 - 0.4 x |
- Celulolítica |
G, C, a |
S, A, F |
||||||||||||||||||
|
2) Ruminococcus flavefaciens |
Cocos |
± 0.8 - 1 |
- Digestión de fibra |
g, c, x |
A, S, F, H |
||||||||||||||||||
|
3) Ruminococcus albus |
Cocos |
± 0.8 - 2 |
- Digestión de fibra |
g, c, x |
A, E, F, H |
||||||||||||||||||
|
4) Bacteroides amylophilus |
Bacilar a |
- 0.9 - 1.6 x |
- Amilolítica |
G, x, a |
A, S, F, L |
||||||||||||||||||
|
5) Succinomonas amylolítica |
Cocoide a |
- 1.0 - 1.5 x |
+ Amilolítica |
G, A |
S |
||||||||||||||||||
|
6) Veillonella alcalescons |
Cocos |
- 0.3 - 0.6 |
- Fermentadora de |
L |
A, P. H |
||||||||||||||||||
|
7) Methanobacterium |
Bacilos |
+ 0.7 - 0.8a |
- Producción de |
CO2, H2, F, |
CH4 |
||||||||||||||||||
|
8) Anaerovibrio lypolítica |
Bacilos |
0.4 x 1.2 |
+ Lipolítica |
G Ly, (fructosa) |
|
||||||||||||||||||
|
9) Peptostreptococcus elsdenii o Megasphaera
elsdenii |
Cocos |
- 1.2 - 2.4 |
- Fermentadora de |
G, L, gly |
A, P, B, H |
||||||||||||||||||
|
10) Clostridium lochheadii |
Bacilos |
0.7 - 1.7 x |
- Celulolítica |
G, C, A |
|
||||||||||||||||||
|
11) Clostridium longisporum |
Bacilos |
1 x 7 - 12 |
+
? |
G, C |
|
||||||||||||||||||
|
12) Borrelia sp. |
Espiroqueta |
- 0.3 - 0.5 x |
+
? |
G, L, gly |
|
||||||||||||||||||
|
13) Lachnospira multiparus |
Bacilos |
+ 0.4 - 0.6 x |
+ Digieren pectina |
G, a, (pectinas) |
A, E, F, L, |
||||||||||||||||||
|
14) Cilliobacterium cellulosolvens |
Cocoide a |
0.5 - 0.7 x |
+ Celulolítica |
G, C |
|
||||||||||||||||||
|
15) Butyrivibrio fi brisolvens |
Bacilos |
- 0.4 - 0.6 x |
+ Amilolítico a |
G, c, x, a |
B, F, H, L, |
||||||||||||||||||
|
16) Butyrivibrio alactacidigens |
Bacilos |
0.5 - 1 x |
+ Amilolítico a |
G, X, A |
|
||||||||||||||||||
|
17) Bacteroides ruminícola |
Cocoide a |
- 0.8 - 1 x |
- Muy adaptado |
G, x, a |
A, S, F, L, |
||||||||||||||||||
|
18) Selenomona ruminantium |
Bacilos |
- 0.8 - 2.5 x |
+ Muy adaptado |
G, a, I, gly |
A, P, L, B, |
||||||||||||||||||
|
19) Selenomonas lactilytica |
Bacilos |
0.4 - 0.6 x |
+ Fermentadora de |
G, L, Gly, a |
|
||||||||||||||||||
|
20) Succinivibrio dextrinesolvens |
Espirales |
- 0.3 - 0.5 x |
- Fermentadoras de dextranos |
G |
A, S, L |
||||||||||||||||||
|
21) Streptococcus bovis |
Cocos |
+ 0.7 - 0.9 |
- Amilolítico a |
G, A |
L |
||||||||||||||||||
|
22) Eubacterium ruminantium |
Cocoide a |
+ 0.4 - 0.7 x |
- Azúcares, xilosa |
G, x |
B, F, L |
||||||||||||||||||
|
23) Barcina bakeri SSS |
Cocos |
1 - 4 |
-
? |
|
|
||||||||||||||||||
|
24) Lactobacillus sp. |
Bacilo |
+ 0.7 - 1 x |
- Muy adaptado en
condiciones ácidas |
G, a |
|
||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||
Protozoos del rumen
Sólo se
encuentran protozoos ciliados. Los protozoos flagelados que se han descrito en rumiantes
corresponden a formas móviles de hongos. La densidad de los protozoos va de
200.000 a 2.000.000/ml de contenido ruminal y sus medidas se encuentran en un
rango que va de los 38 a 195 µm de largo por 15 a 109 µm de ancho.
Se han
descrito alrededor de 40 especies de protozoos.
Clasificación.
Clase: Ciliados
Sub-clase: Holotricos (tienen su cuerpo cubierto de
cilios) (Fig. 2a y b).
Género y Especie:
Isotricha
intestinalis
Isotricha
prostoma
Dasytricha ruminantium
Blepharocerys bovis (raro)
Charon equi
(raro, también encontrado en caballo)
Charon
ventriculi (raro)
Buetschilla
(raro) también se conoce como Buetschlia parva.
Sub-clase: Spirotricos.
Orden:
Entodiniomorfos
(comúnmente llamados Oligotricos, tienen solamente un penacho de cilios en el
polo anterior). (Fig. 3a y b).
Género y Especie:
Caloscolex
(Camello)
Diplodinium
Sub-Especie:
Diplodinium dentatum
Diplodinium posterevesiculatum
Diplodinium crista-galli
Diplodinium psitaceum
Diplodinium elongatum
Diplodinium polygonale
Eudiplodinium neglectum (sin. Eremoplastron bovis)
Eudiplodinium magii (sin. Metadinium medium)
Eudiplodinium medium (sin. Metadinium tauricum)
Eudiplodinium bursa (sin. Diplodinium neglectum)
Eudiplodinium affine
Eudiplodinium rostratum
Polyplastron multivesiculatum
Elystroplastron bubali
Ostracodinium obtusun
Ostracodinium gracile
Ostracodinium uninucliatum
Ostracodinium dentatum
Enoploplastron triloricatum
Entodinium caudatum
Entodinium bursa
Entodinium simplex
Entodinium longinucleatum
Entodinium minimum
Entodinium rostratum
Entodinium elongatum
Entodinium ogimotoi
Entodinium bubalum
Entodinium fujitai