A mediados del siglo XIX Louis Pasteur aisló e identifico microorganismos específicos responsables por la normal y abnormal fermentación en la producción de la cerveza, vino y vinagre.

La rumiantes son importantes para los humanos por los aportes en proteínas de alto valor. Esta proteína es el resultado de la conversión de la fibra vegetal y fuentes nitrogenadas no proteicas, a través de los millones de microorganismos presentes en el estomago de los rumiantes. Es en el ecosistema ruminal donde la fibra y los compuestos simples de nitrógeno son trasformados en ácidos grasos volátiles y proteína microbiana que luego son aprovechados por el animal. Este grupo de microorganismos son anaeróbicos, es decir, crecen en ausencia de oxigeno y fueron descubiertos por Pasteur en 1958.

Con el descubrimiento de los microorganismos anaeróbicos del rumen, se iniciaron los estudios para entender los procesos fermentativos que ocurren en estos ambientes.

El ecosistema ruminal es complejo, en el sobreviven una extensa microbiota (microflora y microfauna) responsable de la degradación del componente fibroso de las plantas. En la casi totalidad de los estudios, se resalta el aspecto dinámico de las poblaciones presentes, destacándose sus cambios con la dieta, edad, uso de modificadores y aditivos, salud del animal. Igualmente, se observan variaciones con la localidad geográfica, estación del año y régimen alimenticio (Bryant, 1959; Hungate 1966; Ogimoto e Imai, 1981).

Las bacterias anaeróbicas no viven ni se desarrollan en ambientes con oxigeno

Esta complejidad del ecosistema ha conducido al desarrollo de varios métodos para el cultivo de estos microorganismos in vitro, de manera de entender los procesos y mecanismos de transferencia energética. Mucho del conocimiento sobre el rumen se han basado en el uso de técnicas culturales especialmente desarrolladas para organismos anaeróbicos estrictos, con muchas limitaciones. Recientemente, con el desarrollo de las técnicas moleculares, las cuales resultan más sensibles y precisas, se proyecta un futuro más prometedor hacia la búsqueda de nuevos conocimientos y posibilidades en el desarrollo tecnologías para mejorar la eficiencia de este importante ecosistema.

Cámara anaeróbica con guantes moderna para el aislamiento de microorganismos en ausencia de oxigeno

Sin embargo, a pesar de los adelantos y conocimientos sobre ambientes anaeróbicos, es muy probable que todavía no se hayan cultivado la mayoría de los organismos que habitan en estos ambientes. Mucha de las dificultades ha gravitado en las técnicas de cultivo anaeróbicas. Al inicio, éstas se basaron en el uso de las placas de Petri, dada la facilidad con que en ellas se habían cultivado las bacterias aeróbicas. Muchas fallas obedecieron a las condiciones pobres de anaerobiosis en los procedimientos; aunque, grandes avances se lograron con el uso de las cámaras anaeróbicas con guantes. El gran adelanto logrado por el Dr. Hungate en su estudio sobre el grado de oxidación o reducción (potencial redox) de los medios de cultivo fue un punto crucial. Hungate logró demostrar la dificultad de obtener bajos potenciales redox en los medios de cultivo, factor indispensable para el crecimiento de organismos estrictamente anaeróbicos (-250 a -300mv). El proceso de obtención de bajos potenciales redox no resultó una tarea simple como sólo remover el O₂, se hizo necesaria la adición de un complejo sistema reductor con un potencial mucho más bajo. Esto permitió el desarrollo de novedosos procedimientos para la preparación de medios de cultivos anaeróbicos. Los tubos enrollados y el uso de tapones de caucho polivinilo (Hungate, 1950) y sus distintas variantes, fueron hechos cruciales de los grandes avances que se hicieron en el mundo anaeróbico.

Dada la variabilidad de los organismos en estos ecosistemas, ha sido muy cuesta arriba el poder identificar todas las rutas metabólicas. Mucho del esfuerzo se ha orientado a la identificación de los productos finales de sus procesos fermentativos. Se han identificado algunas enzimas de interés en la transferencia de hidrógeno (Thunberg, 1930), identificación y cuantificación los ácidos grasos producidos (acético, propiónico y butírico), y las rutas metabólicas más importantes quedaron establecidas (Wood, 1961). En otros ambientes, como en los sedimentos y digestores anaeróbicos, los procesos degradativos se extienden hasta la conversión de esos ácidos a CO₂, CH₄ y H₂S (Hungate, 1985; Wood, 1961). La actuación de los organismos metanogénicos ha sido más difícil de establecer y entender, tanto biológica como bioquímicamente. Sin embargo, se han aislado e identificado muchos organismos productores de metano como Metanobacteria formicicum, la cual utiliza formato y Metanosarcina barkeri, la cual puede usar acetato, metanol, CO₂ y H₂/CO₂ (Mah, et al., 1978). La lista se ha ampliado para incluir aquellos organismos que habitan diferentes ambientes similares al rumen, siendo en cada caso organismos de uso limitado en el rango de sustratos (Ferry, 1993; Hungate 1985).

Desde el principio de los estudios del ecosistema ruminal, la inquietud por conocer los eventos que ocurren en él y su naturaleza como ecosistema, ha estribado en cómo relacionar ese conocimiento con los aspectos productivos del animal. El rumen ha sido investigado por más de 50 años por microbiólogos y bioquímicos (Hobson y Stewart, 1998) y su manipulación ha sido difícil, en comparación con los procesos de la fermentación industrial. No sólo está el interés por la identificación de la microbiota, sino también la búsqueda de la eficiencia de esos organismos para degradar más rápido y extensivamente los forrajes. Mucho de los intentos se han orientado hacia la modificación de los alimentos, remoción de algunos componentes estructurales (lignina) y tratamientos sobre estos carbohidratos para hacerlos más asequibles a las enzimas microbianas. Si bien el alcance de más de medio siglo de investigaciones ha permitido saber de aspectos importantes sobre este ecosistema (se han identificado entidades cultivables de la microflora y microfauna), todavía se requiere de mucha información cuantitativa de sus actividades fermentativas y propiedades fisiológicas.

La gran dificultad de las manipulaciones de los organismos ruminales ha radicado, por un lado, en conocer las complejas interrelaciones que ocurren entre ellos, y por el otro, de sus acciones sobre los sustratos, unas competitivas y otras sinergísticas. Aunque hay variaciones temporales en las poblaciones en este medio ambiente (Dehority y Grub, 1976; Dehority et al., 1989; Obispo y Dehority, 1992; Joblin, 1981), éstas tienden a permanecer más o menos constantes y resistentes a los cambios. Por ejemplo, se observa con frecuencia que ocurre cierta resistencia en el establecimiento de nuevas especies modificadas in vitro. En la mayoría de los intentos, con estas creaciones de la ingeniería genética, si el organismo logra establecerse, no subsiste lo suficiente, y por lo general se agota o muta inexorablemente ante la presión medioambiental.

Con los avances en biología molecular se abren nuevas avenidas para el entendimiento de este ecosistema. En las últimas décadas se ha puesto gran interés por el estudio de los organismos productores de metano del rumen, por el papel que juega este gas en el calentamiento global (Moss et al., 2000).

Se estima que la actividad agrícola es responsable de la producción de aproximadamente entre 8 y 12% de las emisiones de los gases de efecto invernadero.

Del valor anterior, cerca del 40% de las emisiones es metano. La producción de metano en los rumiantes se asocia con la perdida energética del alimento consumido, estimada entre un 2 al 15% (Johnson y Johnson. 1995; Van Nevel y Demeyer, 1996). Las emisiones de metano en el rumiante están influenciadas por el consumo y digestibilidad de la materia seca en el alimento consumido. Los efectos de la dieta sobre los cambios en la diversidad y número de un amplio rango de especies bacterianas en el rumen es bien conocido; sin embargo, hay muy poca información concerniente a la composición y número de la población de los metanogénicos con respecto a los cambios de la dieta (Kocherginskaya, et al., 2001). Igualmente, debido a las enormes dificultades para el crecimiento de éstos, in vitro, es razonable esperar grandes alcances en el conocimiento a través del uso de las técnicas moleculares.

El estado del conocimiento y de las prácticas modernas de alimentación indica que se puede mejorar sustancialmente la producción de leche o carne a través de cambios novedosos en la microbiota del rumen (manipulación). Sin embargo, estas respuestas no siempre han sido satisfactorias para los productores. Entonces, la pregunta: ¿Cómo mejorar la fermentación ruminal para mejorar la producción y el bienestar animal?, es siempre actual. Sabemos que muchos intentos de manipulación ruminal se han sustentado sobre enfoques restringidos, en donde pocas veces se han considerado las complejas interrelaciones ecológicas de los microorganismos presentes. En la actualidad, los estudios en biología molecular del ecosistema son un tanto conservadores; sin embargo, la información comienza a acumularse a la par con el desarrollo de nuevas metodologías. Por lo pronto, se plantea un rápido reordenamiento en la taxonomía de la microbiota. Los bancos de datos con las secuencias de nucleótidos, es información que ha de proveer conocimiento sobre la expresión genética y, a la vez, dará referencias entre las similitudes o las diferencias en la organización del gene, su expresión entre los organismos del rumen y el de otros ambientes similares.

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Yusmary Espinoza     – INIA-      yespinoza@inia.gob.ve
Yris Diaz                  – INIA-      ydiaz@inia.gob.ve