J472: Rumen: un digestor natural

May 14, 2012 in Biomasa, Biomass, Cambio climático, Energía Renovable, Energy Renewable, Sostenibilidad ambiental, Universidad Nacional de Ingeniería UNI
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Los rumiantes son mamíferos herbívoros que poseen un órgano especial, el rumen, en cuyo interior se lleva a cabo la digestión de la celulosa y de otros polisacáridos vegetales mediante la actividad de poblaciones microbianas especiales pues estos animales carecen de las enzinas necesarias para digerir la celulosa.

El rumen tiene un tamaño relativamente grande: 100 – 150 litros en una vaca, 6 litros en una oveja. Se encuentra a una temperatura y una acidez constantes (39°C, pH 6.5). La naturaleza anóxica del rumen es un factor significativo para su funcionamiento. El estudio de la actividad microbiana en el mismo permite comprender el funcionamiento de los artefactos metanogénicos.

El material vegetal llega al rumen, o panza, mezclado con la saliva que contiene bicarbonato, y allí es sometido a un movimiento rotatorio durante el cual tiene lugar la fermentación microbiana. Esta acción peristáltica produce la suspensión del material celulósico lo que facilita la adherencia microbiana.

El alimento permanece en el rumen de nueve a doce horas. El fluido ruminal contiene gran cantidad de células microbianas, entre 10^10 y 10^11 bacterías por mL. Las bacterias y los hongos celulolíticos actuán produciendo el disacárido celobiosa y las unidades de glucosa. La glucosa liberada experimenta una fermentación bacteriana en la que se forman ácidos grasos volátiles, principalmente acético, propiónico y butírico, y los gases dióxido de carbono y metano. Los ácidos grasos atraviesan la pared del rumen y pasan a la sangre. Desde allí van a los tejidos donde son utilizados como la principal fuente de energía. Además los microorganismos del rumen sintetizan aminoácidos y vitaminas escenciales para el animal.

La masa de alimento pasa gradualmente a la redecilla donde se forman unas porciones llamadas rumias que regresan a la boca y son masticadas otra vez. Cuando esta masa sólida queda bien fragmentada, es engullida de nuevo, pero esta vez el material pasa directamente al libro y termina en el cuajar, que es un órgano más bien parecido al estómago pues las condiciones son ácidas, donde se inicia un proceso digestivo similar al de los otros animales no rumiantes que continúa en el intestino. Muchas de las células microbianas formadas en el rumen son digeridas y constituyen la principal fuente de proteínas y vitaminas del animal, dado que la hierba es un alimento deficiente en proteínas.

Las reacciones químicas que ocurren en el rumen requieren la actividad combinada de una variedad de microorganismos entre los que predominan las bacterias anerobias estrictas, dado que el potencial de reducción es de -0.4 voltios. La concentración de O2 a ese potencial es 10^(-22) M.

Fibrobacter succionogenes y Ruminococcus albus son las bacterias celulolíticas más abundantes del rumen, y también degradan xilano. Fibrobacter posee una celulasa periplásmica y permanece adherido a la ibrilla de celulosa mientras la digiere. Ruminococcus produce una celulasa que es secretada al rumen. Las bacterias Ruminobacter amylophilus y Succinomonas amylolytica que hidrolizan al almidón se encuentran en minoría, así como Lachnospira multiparus que digiere pectinas. Los productos de fermentación de estas y otras bacterias son utililizados por otros microorganismos. El succinato se convierte en propionato y CO2, y el lactato es transformado en acetato y otros ácidos por Megasphera y Selenomonas.

El H2 producido en el rumen durante los procesos fermentativos nunca se acumulan, ya que es utilizado rápidamente por los metanógenos (Methanobrevibacter ruminantium, Methanomicrobium mobile) para reducir CO2 a CH4. Otra fuente de H2 y CO2 para los metanógenos es el formiato. La composición media de los gases acumulados en el rumen es aproximadamente 65% CO2 y 35% CH4, y se expulsan al exterior por los eructos del animal. El acetato no llega a convertirse en metano dentro del rumen debido a que el tiempo de retención es demasiado corto para que puedan desarrollarse los metanógenos acetotróficos. Además las bacterias sintróficas degradadoras de ácidos grasos no abundan en el rumen dado que el tiempo de retención es corto y estos ácidos atraviesan la pared hacia la sangre del rumiante.

El contenido ruminal posee aproximadamente 10^6 protozoos por mL, principalmente ciliados. Muchos son anaerobios obligados, una característica poco frecuente entre los organismos eucarióticos. Los protozoos comen bacterias y ejercen algún control sobre densidad de las mismas en el rumen. También hay hongos anaeróbicos que alternan una forma flagelada y otra inmóvil. Degradan celulosa, hemicelulosas, pectinas y parcialmente lignina que es el compuesto que refuerza las paredes celulares de las plantas leñosas.

Unas de las características principales del rumen es su constancia en distintas partes del mundo, en proporciones que varían según el tipo de alimentación. El cambio brusco de pastura a cereales conduce a un desiquilibrio en la composición microbiana que causa enfermedad o aún la muerte del animal, por el crecimiento explosivo de Streptococcus bovis que hidroliza almidón produciendo abundante ácido láctico y acidificando el rumen. Esta acidosis causa la eliminación de la microbiota normal.