Aula 03 fermentação ruminal
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Fermentação Ruminal
FERMENTAÇÃO RUMINAL
Prof. Flávio Moreno SalvadorZootecnista, D.Sc.
Fermentação Ruminal
1. Definição bioquímica
Fermentação é uma rota bioquímica onde o aceptor de elétrons (NADH) gerado pelas reações de oxidação deste rota é re-oxidado (NAD) por metabólitos produzidos por esta mesma rota
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Fermentação Ruminal
Exemplo de oxidação de NADH+H+ durante a síntese de butirato no rúmen
Fermentação Ruminal
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2. Respiração x Fermentação
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP (resultaria em ausência de energia e excesso de proteína para o animal)
5 C6H12O6 + NH3 6 CH3COOH + 2 CH3CH2COOH + 1 CH3(CH2)2COOH + 3 CH4 + 5 CO2 + 6 H2O + calor + massa microbiana
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Fermentação Ruminal
ALIMENTO
DEGRADAÇÃO
MASSAMICROBIANA AGV
PASSAGEM PASSAGEMABSORÇÃO
Rúmen
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Fermentação Ruminal
3. Vantagens da fermentação pré-gástrica
Tempo de fermentação prolongado - Relativa estase de grande volume de digesta propicia adequado crescimento microbiano
Ambiente tamponado - propicia diversidade microbiana
Detoxificação de compostos secundários das plantasMassa microbiana é nutricionalmente significativa para
o animal (compõe proteína metabolizável)Permite existir a RuminaçãoReciclagem de N via salivaSíntese de vitamina B
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Fermentação Ruminal
4. Desvantagens da fermentação pré-gástrica
Perda de parte da energia em carboidratos como calor e metano
Proteína de alta qualidade pode sofrer redução no valor protéico (apesar da proteína microbiana ser de alta qualidade)
Fibra pode restringir consumo
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Fermentação Ruminal
5. Produtos da fermentação ruminal
Ácidos graxos voláteis
Gases
Massa microbiana
Calor
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Fermentação Ruminal
6. Ácidos graxos voláteis
Principal fonte de energia para os ruminantes: aproximadamente 90% da energia disponibilizada aos tecidos é obtida por intermédio dos AGVS
Não são produzidos exclusivamente no rúmen: no ceco também se dá a produção de AGV (animais adultos e jovens)
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Fermentação Ruminal
6. Ácidos graxos voláteis
Ácidos orgânicos (lineares ou ramificados)1-7 carbonosVoláteis à temperatura ambienteImportantes:
fórmicoacéticopropiônicobutírico isobutírico
valérico isovalérico2-metilbutíricohexanóicoheptanóico
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Fermentação Ruminal
6. Ácidos graxos voláteis
Diversos microrganismos envolvidos na produção dos AGVs
PRODUTO DE FERMENTAÇÃO NÚMERO DE ESPÉCIES QUE PRODUZEM
Fórmico 16 Acetato 21
Propionato 6 Buritato 7 Lactato 13
Succinato 12 Etanol 8
CO2 9 Hidrogênio 10
Metano 1 H2S 9
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Fermentação Ruminal
São ácidos 'fracos' (pK ≤ 4,8) x pH rúmen próximo neutralidade +90% na forma aniônica (não protonada)
CH3-COOH CH3-COO-
(ÁCIDO ACÉTICO) (ACETATO)
CH3-CH2-COOH CH3-CH2-COO-
(ÁCIDO PROPIÔNICO) (PROPIONATO)
CH3-(CH2)2-COOH CH3-(CH2)2-COO-
(ÁCIDO BUTÍRICO) (BUTIRATO)
6. Ácidos graxos voláteis
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Fermentação Ruminal
6. Ácidos graxos voláteis
Relação molar entre acetato, propionato e butirato (Ac:Pr:Bu) é relativamente constante entre espécies para um mesmo padrão dietético
Varia entre 75:15:10 a 40:40:20 ou... Ac: 54 - 74% Pr: 16 - 27% Bu: 6 a 15%
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Fermentação Ruminal
Animal DietaAGV total % Molar
(Mol/mL) Acet Prop Butir Valer OutrosOvino Pastagem 114 65 18 12 1 4Bos taurus Pastagem 128 61 18 12 1,7 3,5Bubalino Pastagem 117 62 23 15 - -Ovino Concentrado 120 57 29 12 2 -Antílope Folhas 117 70 17 9 4 -Bos indicus Pastagem 94 60 19 14 - -
6. Ácidos graxos voláteis
Quantidades típicas e percentagens de ácidos graxos voláteis encontrados no rúmen de diferentes espécies de ruminantes
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Fermentação Ruminal
6.1. Substratos e rotas na produção de AGV
Carboidratos = principais substratos para fermentação e produção de AGVs
CHO diferentes velocidades e/ou proporções de AGV diferentes
Fermentação RuminalPectina
16
Fermentação RuminalPectina
Ácidos urônicos
Xilulose Ciclo das pentoses
GLICOSE
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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose
Ácidos urônicos
Xilulose Ciclo das pentoses
GLICOSE
18
Fermentação RuminalPectina Hemicelulose
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
GLICOSE
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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
GLICOSE
20
Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
Celobiose
GLICOSE
21
Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
Celobiose
GLICOSE
22
Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
Celobiose Dextrinas
GLICOSE
Maltose
23
Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido Oligossacarídeos
(Frutosanas)Sacarose
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
Celobiose Dextrinas
GLICOSE
Maltose
24
Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido Oligossacarídeos
(Frutosanas)Sacarose
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
Celobiose Dextrinas
GLICOSE
Maltose
Frutose
Amilose + amilopectina microbiana
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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido Sacarose
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
Celobiose Dextrinas
GLICOSE
Maltose
Frutose
Amilose + amilopectina microbiana
Piruvato
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Oligossacarídeos (Frutosanas)
Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido Sacarose
Ácidos urônicos
Xilulose
Xilobiose
Pentoses Hexoses
Ciclo das pentoses
Celobiose Dextrinas
GLICOSE
Maltose
Frutose
Amilose + amilopectina microbiana
Piruvato
Formato Acetil-CoA
Acetato Etanol Butirato
PropionatoCO2 + H2
CH4
Lactato
Oxaloacetato
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Oligossacarídeos (Frutosanas)
Acrilato
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Fermentação Ruminal
SUBSTRATO (155 moles)
MOL DE ÁCIDOS GRAXOS VOLÁTEIS
TOTAL ACÉTICO PROPIÔNICO BUTÍRICO
Celobiose 180 110 40 30 Maltose 243 87 99 57 Glicose 148 86 39 23 Xilose 114 45 34 35 Piruvato 116 - - 15 Lactado - - - - Oxaloacetato 24 - - - Succinato 177 21 141 15 Fumarato 24 24 0 0 Malato 125 68 48 9 Formato 15 15 0 0
Efeito do carboidrato ou substrato ácido sobre o total e distribuição de ácidos graxos voláteis produzidos
6.1. Substratos e rotas na produção de AGV
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Fermentação Ruminal
PRODUTO FINAL FORMADO % DE DISTRIBUIÇÃO DOS CARBONOS
MALTOSE ARABINOSE ILOSE
Ácidos graxos voláteis 34,7 41,3 48,4 Ácido lático 8,0 0,7 0 Dióxido de carbono 8,0 4,0 4,8 Metano 3,1 1,3 2,1 Proteína bacteriana 11,8 16,7 16,1 Polissacarídeos de bactéria 28,1 18,7 16,5 Carbono indeterminado 6,3 17,3 12,1
TOTAL 100,0 100,0 100,0
Destinação dos carbonos de oligossacarídeos em função da ação fermentativa no rúmen-retículo
6.1. Substratos e rotas na produção de AGV
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Fermentação Ruminal
6.2. Fatores interferentes na produção de AGVS
'Padrão' da dieta:
Proporção de fontes de carboidratos diferentes Tempo após alimentação Frequência de alimentação
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Fermentação Ruminal
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Fermentação Ruminal
Faixa Dieta volumosa
Dieta concentrada
Acetato, % 54 – 74 70 50
Propionato, % 16 – 27 20 40
Butirato, % 6 – 15 10 10
AGV total (mM) 90 150Fonte: Lana, 2005.
Porcentagem e concentração de ácidos graxos voláteis (AGV) em função da dieta
6.2. Fatores interferentes na produção de AGVS
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Fermentação Ruminal
6.2. Fatores interferentes na produção de AGVS
TEMPO APÓS A ALIMENTAÇÃO
(horas)
FENO DE ALFAFA FENO DE TRIGO (GRANADO)
TOTAL AGV
mol/mL
%MOLAR TOTAL AGV
mol/mL
% MOLAR
Acético Propiônico Butírico Acético Propiônico Butírico
0 93 70 15 15 87 68 18 14
0,5 125 71 17 12 94 65 20 15
1 158 71 18 12 112 62 22 16
2 210 70 19 11 141 59 25 16
3 252 69 19 11 144 59 26 15
4 255 69 19 12 182 58 26 16
6 216 70 19 11 205 59 27 14
8 223 71 19 10 136 60 26 14
12 228 73 17 10 152 64 23 13
16 183 73 16 11 132 67 21 12
20 135 71 16 13 114 68 19 13
24 100 69 17 14 90 70 17 13
Aumento da concentração de AGV com o passar do tempo
Sem alteração das proporções entre os diferentes AGVs
70 19 11
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Fermentação Ruminal
6.2. Fatores interferentes na produção de AGVS
TEMPO APÓS A ALIMENTAÇÃO
(horas)
FENO DE ALFAFA FENO DE TRIGO (GRANADO)
TOTAL AGV
mol/mL
%MOLAR TOTAL AGV
mol/mL
% MOLAR
Acético Propiônico Butírico Acético Propiônico Butírico
0 93 70 15 15 87 68 18 14
0,5 125 71 17 12 94 65 20 15
1 158 71 18 12 112 62 22 16
2 210 70 19 11 141 59 25 16
3 252 69 19 11 144 59 26 15
4 255 69 19 12 182 58 26 16
6 216 70 19 11 205 59 27 14
8 223 71 19 10 136 60 26 14
12 228 73 17 10 152 64 23 13
16 183 73 16 11 132 67 21 12
20 135 71 16 13 114 68 19 13
24 100 69 17 14 90 70 17 13
70 19 11 60 25 15
Fermentação Ruminal
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Como se dá a produção de AGVs e a geração de
ATP pelos microrganismos ?
Como se dá a produção de AGVs e a geração de
ATP pelos microrganismos ?
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?6.3. Produção de AGV e geração de
ATP
Fermentação Ruminal
Via de Embden-Meyerhof (CLICÓLISE)
Formação de ATP do tipo FOSFORILAÇÃO AO NÍVEL DE SUBSTRATO
Geração de 2 NADH+H+ que podem ou não gerar 3 ATP por mol de NADH+H+ rendimento final possível de 8 ATP (animais superiores)
1 mol de HEXOSE 2 PIRUVATO + 2 a 5 moles ATP
A produção de piruvato produz um desequilíbrio do potencial REDOX, em razão da presença excessiva de poder redutor (NADH + H+) 36
Fermentação Ruminal
PIRUVATE
Na produção de ATP, o piruvato é composto comum a muitas rotas!Na produção de ATP, o piruvato é composto comum a muitas rotas!
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Fermentação Ruminal
PIRUVATO Acetyl-CoALactato
ButiratoPropionato
Acetato
Na produção de ATP, o piruvato é composto comum a muitas rotas!Na produção de ATP, o piruvato é composto comum a muitas rotas!
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Fermentação Ruminal
SÍNTESE DO ACETATO(E FORMATO)
(reações fosforoclásticas)
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Rendimento de 1 ATP (Piruvato a Acetato)
Fermentação Ruminal
SÍNTESE DO ACETATO(reações fosforoclásticas)
Rendimento de 1 ATP (Piruvato a Acetato)
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Fermentação Ruminal
SÍNTESE DO BUTIRATO
Rendimento de 1 ATP (Acetil-Coa a Butirato)41
Fermentação Ruminal
SÍNTESE DO PROPIONATO
Pode ser em duas vias: ACRILATO ou ALEATÓRIA
A via do Acrilato é mais tolerante à condições ácidas, típicas de dietas ricas em CONCENTRADO
Dieta: forragens VIA ALEATÓRIA (90 a 95% do Propionato)
forragens VIA ACRILATO (70 a 90% do Propionato)
Dietas mistas (50-50) VIA ALEATÓRIA (60 a 90% do Propionato)
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Fermentação Ruminal
SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Acrilato
Rendimento de NENHUM ATP (Piruvato a Propionato)43
Fermentação Ruminal
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SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Aleatória
Rendimento de NENHUM ATP (Piruvato a Propionato)
Fermentação Ruminal
SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Aleatória (PEP)
Rendimento de 01 GTP (PEP a Propionato)45
Fermentação Ruminal
2 ATP
ATP
2 ATPATP
RESUMO DA SÍNTESE DE AGVsRESUMO DA SÍNTESE DE AGVs
A síntese de AGV permite um rendimento extra aos microrganismos de aproximadamente 2 ATP
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Fermentação Ruminal
6.4. Destino dos principais AGVs
Acetato:
Principal AGV circulante (90-100%)
Utilizado diretamente pelas células do hospedeiro ( convertido em acetil-CoA)
Grandemente utilizado no tecido adiposo (muito pouco utilizado no fígado na síntese de gordura)
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Fermentação Ruminal
Butirato:
Grandemente consumido pelas paredes do rúmen (principal fonte de energia das células do tecido dos pré-estômagos)
Metabolização é de caráter lipogênico
Intensa inter-conversão com acetato: cerca de 60-80% do butirato pode ser convertido em acetato!
6.4. Destino dos principais AGVs
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Fermentação Ruminal
ÁCIDO INFUNDIDO % DO TOTAL C14 EM CADA ÁCIDO
ACÉTICO PROPIÔNICO BUTÍRICO
Acético 84 8 8
Propiônico 7 89 4
Butírico 21 3 76
6.4. Destino dos principais AGVs
Índice de metabolização nas paredes do rúmen: acetato = 45% propionato = 65% butirato = 85%
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Fermentação Ruminal
Propionato:
Também utilizado pelas células das paredes dos pré-estômagos
Grandemente captado pelo fígado (principal precursor de glicose no metabolismo de ruminantes)
6.4. Destino dos principais AGVs
Propionato Succinil-CoA Oxaloacetato GLICOSEGLICOSE
Ciclo de Krebs
Gliconeogênese
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Fermentação Ruminal
6. Gases produzidos
Grandes volumes!
Pico de alimentação: até 15-30 L/min Média diária é de 50 L/dia (ovinos) ou 400-
600 L/dia (bovinos)
Proporção entre os gases emitidos é variável, em função da dieta (proporções de CHO, processamentos, uso de aditivos, etc)
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Fermentação Ruminal
ANIMAL DIETA COMPOSIÇÃO PERCENTUAL DO VOLUME
CO2 CH4 O2 N H2 N2S Vaca leiteira 47 - 52 26 - 34 2,2 - 4,1 13 - 16,7 1,1 – 3,4 --- Caprinos 40 40 1,4 13,9 4,3 --- Vaca/feno alfafa 60 --- 0,5 --- --- 0,16 Vaca/sem feno 67 22 0,4 10,4 --- 0,09 – 0,15 Ovinos 64 28 1 6,7 --- ---
6. Gases produzidos
Predominância é de gás carbônico, seguido pelo metano
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Fermentação Ruminal
Ozônio8%
CO2
60%Metano 15%
Óxido nitroso 5%
CFCs12%
IPCC, 1996
CONTRIBUIÇÃO RELATIVA DE GASES PARA O EFEITO ESTUFA DE ORIGEM ANTRÓPICA
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Fermentação Ruminal
The apparatus should fit snugly with the leather nose pad and filter positioned just above the nostril where the ha ir endsand the muzzle begins.
Note: The nose pad and f ilter shown in this picture are positioned slightly too far down.
MONITORAMENTO DA EMISSÃO DE METANO
55
Fermentação Ruminal
FIM...
Prof. Flávio Moreno Salvador - Inst. Federal do Triângulo Mineiro ([email protected])