GUILHERME BENKO DE SIQUEIRA

Energia e Proteína na Nutrição de Ruminantes

Palmas-TO

2014

GUILHERME BENKO DE SIQUEIRA

Questão:

Descreva os prováveis efeitos na microbiota ruminal da variável “consumo voluntário” de alimento, assumindo este ser:

a) balanceado para proteína e energia para uma dado peso vivo, por um dos modelos atuais (Ex.: CNCPS);

b) desbalanceado, com excesso de carboidratos não estruturais (não fibrosos);

c) desbalanceado, de origem tropical (excesso de fibras), com deficiência de energia e proteína.

Assumindo ser possível alterar significativamente o nível de consumo em cada uma dessas condições, sem alterar seu valor nutritivo, em que nível (alto ou acima da mantença, médio ou igual a mantença e baixo ou abaixo da mantença) ocorreria a máxima atividade de síntese microbiana? Justifique sua resposta.

Como recomendar dietas otimizadas quanto ao balanço de nutrientes quando se utiliza alimentos tropicais? Quais os fatores mais importantes no delineamento da dieta para se obter resultados positivos?

Revisão apresentada como exigência do Programa de Pós-graduação da Universidade Federal de Lavras, como parte integrante do Exame de Qualificação do Curso de Doutorado em Zootecnia.

Proponente: Prof. Dr. Pedro Braga Arcuri

2007

AUTOR

Prof. Guilherme Benko de Siqueira

Professor na Universidade Federal do Tocantins (UFT) desde 2003, graduado em Zootecnia pela UNESP-Jaboticabal-

-SP em 1997, Mestrado em Produção Animal pela UNESP – Ilha Solteira-SP em 2001 e Doutorado em Produção Animal

pela Universidade Federal de Lavras-MG (UFLA) em 2009.

Organizadora

Flávia Lucila Tonani - Universidade Federal do Tocantins (UFT)

Professora na Universidade Federal do Tocantins (UFT) desde 2003, graduada em Zootecnia pela UNESP-Jaboticabal-

-SP em 1994, Mestrado em Produção A nimal pela Universidade Federal do Viçosa-MG (UFV) em 1999, Doutorado em

Produção Animal pela UNESP-Jaboticabal-SP em 2001.

Apoio

Universidade Federal do Tocantins (UFT)

Projeto Gráfico e Editoração do e-Pub

Juniezer Barros de Souza, Designer Gráfico DTE/UFT

Ficha Catalográfica

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)Universidade Federal do TocantinsCampus Universitário de Palmas

Biblioteca Prof. José Torquato Carolino

S618e Siqueira, Guilherme Benko de

Energia e Proteína na nutrição de ruminantes [livro eletrônico] / Guilherme Benko de Siqueira - Palmas: Universidade Federal do Tocantins, 2007.

2,19 MB ; ePUB. il. tab.

ISBN: 9788563526441

Revisão apresentada como exigência do Programa de Pós-graduação da Universidade Federal de Lavras, como parte integrante do Exame de Qualificação do Curso de Doutorado em Zootecnia.

Proponente: Prof. Dr. Pedro Braga Arcuri.

1. Nutrição de Ruminantes. 2. Fermentação ruminal. I. Arcuri, Pedro Braga. II. Univer-sidade Federal do Tocantins. III. Titulo.

CDD 636.20852

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Código Penal.

1. Introdução

As características físicas e químicas dos ingredientes nas dietas e suas interações

podem ter um grande efeito sobre o consumo voluntário nos ruminantes. A limitação física é

causada pela distensão do retículo-rúmen ou outros compartimentos do trato gastrintestinal

causando a redução da ingestão. Os ácidos provenientes da fermentação ruminal também limi-

tam o consumo através da combinação entre o aumento da osmolalidade no retículo-rúmen e

efeitos específicos do propionato, apesar de que estes mecanismos ainda não são muito claros

(ALLEN, 2000).

As características físicas e químicas das dietas que podem afetar o consumo voluntá-

rio incluem o conteúdo de fibra, a facilidade de hidrólise de amido e da fração fibrosas, tama-

nho das partículas, fragilidade das partículas, produtos da fermentação de silagens, concentra-

ção e características dos óleos e a quantidade de proteína degradável no rúmen. A posição da

digestão do amido afeta a forma de absorção dos combustíveis metabólicos, o que pode afetar

o consumo voluntário porque a absorção de propionato parece ser mais hipofágico que o lac-

tato ou a glicose absorvida (ALLEN, 2000).

O consumo voluntário é fortemente determinado pela interação de sinais cerebrais

com o centro de saciedade. A dificuldade de se medir a extensão e as extensivas interações

entre as variáveis tornam desafiador a identificação dos efeitos dietéticos na predição do con-

sumo voluntário.

No entanto, grande avanços na compreensão dos mecanismos regulatórios entre res-

posta animal e alterações dietéticas foram alcançados, permitindo ajuste dietéticos que otimi-

zem além do consumo voluntário o balanceamento dos ingredientes das dietas. Tais conheci-

mentos permitiram o desenvolvimento de modelos matemáticos que pudessem representar os

diferentes fenômenos inerentes à nutrição dos ruminantes.

Os modelos matemáticos podem ser utilizados para melhorar a desempenho, reduzir

os custos de produção, e minimizar a excreção de nutrientes através de melhores estimativas

da exigência e utilização de alimentos em vários cenários produtivos. Um dos maiores proble-

mas na construção de modelos matemáticos é o nível de agregação das equações. Os passos

mais importantes são o estabelecimento do propósito do modelo; a determinação da melhor

combinação de equações empíricas e teóricas para representar as funções fisiológicas, dada a

disponibilidade de um banco de dados e informações tipicamente encontradas no campo além

dos benefícios e risco associados com o uso do modelo na produção animal (TEDESCHI et

al., 2005).

Segundo Russell (1992) considerável desenvolvimento dos conceitos ligados à ali-

mentação dos ruminantes têm sido alcançados. Este progresso tem se baseado em aproxi-

mações empíricas que tratavam o rúmen como uma “caixa preta”. No entanto, frente ao ex-

pressivo progresso na nutrição dos ruminantes, este autor salienta que como em outras áreas

científicas, a experiência tem mostrado que o conhecimento mecanicista é necessário para

sustentar seu desenvolvimento. Desta forma, o conhecimento de detalhes sobre a fermentação

ruminal deve ser considerado.

O Sistema de Carboidrato e Proteína “Líquidos” de Cornell (CNCPS) tem um sub-

modelo mecanicista que permite estimar a extensão da fermentação ruminal e seus produtos

(como energia metabolizável gerada a partir da produção dos AGV, produção de proteína mi-

crobiana e geração de amônia), além do material que escapa à degradação ruminal (carboidra-

tos, proteína e peptídeos não degradáveis). O CNCPS pode servir como uma ferramenta de

pesquisa ou um guia para a prática no balanceamento das rações para ruminantes.

2. Diversidade da Microbiota Ruminal

Todos os animais, incluindo os seres humanos, estão adaptados à vida em um mundo

cheio de microrganismos. Grandes populações de microrganismos habitam o trato gastrintes-

tinal de todos os animais e formam uma unidade ecológica integrada com o hospedeiro. Esta

complexa mistura de culturas microbianas pode ser considerada como a mais metabolicamente

adaptada e o “órgão” mais rapidamente renovável do corpo, que exerce a controle vital na nu-

trição, fisiologia, imunologia do animal hospedeiro.

As bactérias têm sido tradicionalmente classificadas com base em suas propriedades

fenotípicas. Apesar do vasto conhecimento gerado pelos ecossistemas ruminais ou intestinais

através de técnicas tradicionais, os requisitos básicos para o estudo ecológico, nomenclatura,

quantificação e identificação das comunidades microbianas tem limitações. Os dois maiores

problemas abordados pelos ecologistas microbianos são as técnicas de quantificação e carac-

terização de culturas e a falta de uma base filogenética para um esquema de classificação dos

microrganismos.

Conforme o exposto, um grande número de espécies de microrganismos pode ser en-

contrado no rúmen (KRAUSE e RUSSEL, 1996). Critérios de inclusão de uma espécie como

autóctone deste órgão variam entre autores, não havendo consenso universal (ARCURI et al.,

2006). Hungate (1966) citado por Arcuri et al. (2006) sugeriu que a importância de uma deter-

minada espécie bacteriana no processo fermentativo deve ser baseada numa população míni-

ma de 106 células/g de conteúdo ruminal fresco; ter sido isolada pelo menos dez vezes em dois

ou mais animais; e ter sido isolada em, no mínimo, duas diferentes localidades geográficas.

Por sua vez, Dehority e Orpin (1997) citados por Arcuri et al. (2006) afirmaram que o critério

mais aceito é o isolamento em diluição, no mínimo de 10-8. Por outro lado, para Stewart et al.

(1997) citado por Arcuri et al. (2006), uma espécie é considerada como parte da microbiota

ruminal ao apresentar capacidade de efetivo crescimento no rúmen, ser anaeróbia e produzir

subproduto(s) encontrado(s) no rúmen, isto é, metabolismo compatível com as reações que

ocorrem no ambiente ruminal normal. Entretanto, mesmo uma parcela menor da população

ruminal pode ser muito importante, se exercer um impacto ecológico sobre outra (RASKIN et

al., 1997 citado por ARCURI et al., 2006).

2.1 Bactérias

As bactérias ruminais são organismos que variam em tamanho de 1 a 5 μm. Essa

população é a mais diversa no rúmen, tanto em termos de número de espécie quanto em ca-

pacidade metabólica. A densidade de bactérias no rúmen é uma das maiores em qualquer

ecossistema conhecido (ARCURI et al., 2006). Frequentemente são observados valores na

grandeza de 1010 células/g de conteúdo ruminal (RASKIN et al., 1997 e STEWART et al.,

1997, ambos citados por ARCURI et al., 2007). O número total de espécies ruminais não é

conhecido (KAUSE e RUSSELL, 1996), porém mais de 400 já foram isoladas dos tratos di-

gestórios de diferentes animais (NAGARAJA et al., 1997 citado por ARCURI et al, 2006).

Segundo Russell e Rychlick (2001), mais de 20 espécies apresentam contagem superiores a

107/g de conteúdo ruminal. A persistência dessa enorme diversidade pode ser entendida ao se

considerar os seguintes aspectos:

1) A elevada atividade metabólica desses microrganismos, algumas espécies apresentam tempos de geração de cerca de 30 minutos ou menos (RUSSELL e HINO, 1985; NEIDHARDT et al, citado por RUSSELL & COOK, 1995);

2) A diversidade de nutrientes ingerida pelo animal hospedeiro, em diferentes formas físicas;

3) A especialização derivada dos dois fatores acima permitiu, ao longo de milhões de anos de evolução, a seleção de espécies adaptadas para o máximo rendimento bioquímico (HUNGATE, 1966 citado por ARCURI et al., 2006). Em outras palavras, sobrevivem e predominam as espécies que em seu material genético contém as informações para síntese de enzimas que compõe as vias metabólicas mais eficientes no aproveitamento da energia contida no substrato (STEWART et al. 1997 citado por ARCURI et al. 2006);

4) a repetição desse “ciclo virtuoso”, uma vez que a espécie melhor adaptada tenha superado todas as outras na competição por um nicho trófico, este passaria a ser alterado, criando novas oportunidades para outras espécies (MACKIE et al., 1997).

Arcuri et al. (2006) descreve que os principais grupos de bactérias ruminais e, por-

tanto, os mais estudados, estão relacionados com o processo de degradação da fibra vegetal,

pela importância econômica do tema. A tabela 1 sumariza as características mais importantes

de espécies estudadas de bactérias ruminais e organismos Archeae.

Tabela 1. Nichos tróficos e principais produtos de espécies bacterianas e Archaea

mais estudadas adaptado de STEWART et al. (1997) e RUSSEL (2002) citado por ARCURI

et al. (2006)

Espécie Nichos Tróficos Principais PrudutosFibrobacter succinogenes Parede celular (PC), Celulose

pura (Cel)Succinato (SU), Formato (Fo), Acetato (Ac)

Ruminococcus albus PC, Cel Ac, Fo, Etanol (Et)Ruminococcus flavefaciens PC, Cell, Hemicelulose Butirato (Bu), Fo, LactatoButyrivibrio fibrisolveins PC, Cel, Hemicelulose

Hemicel, Amido (Am), Pectina (Pec), Acúcares diversos (AD)

(La), Ac

Fermentadores de carboidratos não-estruturais

Ruminobacter amylophilus Amido, (Am) Su, Fo, AcSelenomonas ruminantium Am, La, AD La, Ac, Propionato (Pro), Bu,

Hidrogênio (H2)Prevotella sp. Am, Hemicel, Pec,

Betaglucanos, ProteínasSu, Ac, Fo, Pro

Succinomonas amylolytica Am Su, Ac, ProSuccinivibrio dextrinosolveins Maltodextrinas (Mal) Su, Ac, Fo, EtStreptococcus bovis Am, AD La, Ac, Fo, EtEubacterium ruminantium Mal, AD Ac, Fo, Bu, LaMegasphaera elsdenii La, Mal, Aminoácidos (AA) Ac, Pro, Bu, Ácidos graxos

voláteis de cadeia raminicada (AGVR)Organismos fermentadores de pectinas

Lacbnospira multiparus Pec, AD La, Ac, FoLipolíticos

Anaerovibrios lipolytica Glicerol (Gli), La Ac, Su, ProProteolíticos

Peptostreptococcus sp. Peptídeos (Pep), AA AGVR, AcClostridium aminophilum Pep, AA Ac, BuClostridium Sticklandii Pep, AA Ac, Bu, Pro, AGVRWolinella succinogenes Mal, Fumarato Su

Facultativos *Lactobacilus sp Am, La, AD La, Ac, Pro, Bu, H2Enterobacter sp Am, La, AD La, Ac, Pro, Bu, H2Streptococcus sp Am, La, AD La, Ac, Pro, Bu, H2

Acrbaea (metanogênicos)Methanobrevibacter sp. H2, CO2, Fo CH4

Methanosarcina sp. H2, CO2, Ac, Metanol, metilaminas

CH4

Methanomicrobium sp. H2, CO2, FoMethanobacterium sp. H2, CO2, CH4

No CNCPS, o ecossistema ruminal é categorizado em dois grupos distintos, com

base na utilização das fontes de energia e carbono, compostos nitrogenados (N), e eficiência

de crescimento. Um grupo é constituído por microrganismos que fermentam carboidratos não

estruturais (CNE) e aqueles que fermentam carboidratos estruturais (CE). Apesar de o prin-

cípio descrito persistir, as novas atualizações fazem essa divisão categorizando os microrga-

nismos como aqueles que fermentam carboidratos não fibrosos (CNF) e carboidratos fibrosos,

como descrito por Russel et al. (1992) e o NRC (2000). Desta forma, para efeito desta revisão,

utilizar-se-á esta última designação apresentada ao se fazer referência aos diferentes grupos de

carboidratos.

2.1.1 Bactérias Fermentadoras de Carboidratos Fibrosos (Celu-

lolíticas ou Fibrolíticas)

Segundo vários autores citados por Krause et al. (2003), as principais espécies celulo-

líticas são Ruminococcus flavefaciens, R. albus e Fibrobacter succinogenes. Estas hidrolizam

celulose por meio de complexos enzimáticos denominados celulases. As celulases da maioria

dos microrganismos celulolíticos, estão associadas às células, aderidas firmemente às partícu-

las fibrosas do conteúdo ruminal.

As espécies celulolíticas produzem, principalmente, acetato, propionato, butirato,

succinato, formato, CO2 e H2. São liberados também etanol e lactato (HUNGATE, 1966 citado

por ARCURI et al.,2006). Outra espécie importante segundo Arcuri et al. (2006) é a Butiri-

vibrio fibrosolvens, fermenta tanto celulose quanto hemicelulose, enquanto outras bactérias

celulolíticas degradam a hemicelulose, mas não necessariamente utilizam os produtos dessa

degradação. Esses produtos por sua vez, podem servir de substrato para outras espécies.

2.1.2 Bactérias Fermentadoras de Carboidratos Não Fibrosos (Amilolíticas e Pectinolíticas)

O amido é fermentado principalmente por espécies do gênero Bacteróides. Dentre

essas, Bacteróides amilophilus utiliza amido, mas é incapaz de utilizar glicose ou outros mo-

nossacarídeos (CALDWELL et al., 1969; MIURA et al., 1980). Streptococcus bovis (MAN-

TOVANI e RUSSEL, 2001) e Selenomonas ruminantium (FLINT E BISSET, 1990 citado por

ARCURI et al., 2006) fermentam amido e açucares solúveis, produzindo acetato, quando esses

carboidratos são abundantes, porém mudam para acetato, formato e etanol, ou acetato e pro-

pionato, quando a concentração de substrato prontamente fermentável decresce. Essas últimas

rotas metabólicas maximizam a produção de ATP num ambiente anaeróbio (RUSSEL, 1990).

Os principais microrganismos fermentadores de pectina são Lachnospira multiparus

(DUSKOVA E MAROUNEK, 2001 citado por ARCURI et al., 2006) e S. bovis, além de algu-

mas espécies celulolíticas (OSBORNE e DEHORITY, 1989 citado por ARCURI et al., 2006).

2.1.3 Bactérias Proteolíticas

A característica proteolítica das espécies B. amilophilus, B. ruminicola, Butirivibrio

sp. e S. ruminantium era conhecida, segundo Arcuri et al.(2006), desde a década de 1960. Além

disso, sabia-se que, apesar de grande número de bactérias presentes no rúmen fermentarem

aminoácidos, a maioria delas é incapaz de crescer, tendo aminoácidos como único substrato

(NOCEK, 1988). Entretanto, durante a década de 1980, o cultivo in vitro de líquido ruminal

enriquecido com tripticase (produto da cocção de carnes) permitiu o isolamento de três espé-

cies de bactérias, fermentadoras estritas de aminoácidos. As mesmas foram classificadas como

Peptostreptococcus sp., Clostridium aminophilum e C. sticklandii (PASTER et al., 1993 citado

por ARCURI et al., 2006). Essas espécies não utilizam carboidratos como fontes de energia

para crescimento e desaminam aminoácidos em taxas 20 vezes superiores às observadas em

outras bactérias ruminais (KRAUSE e RUSSELL, 1996).

A importância desse grupo de bactérias deve-se ao fato da proteína dietética, ao ser

degradada pelos microrganismos do rúmen, libera amônia e AGV. Consequentemente, se a

taxa de desaminação excede a taxa de utilização de amônia para síntese microbiana, poderá

ocorrer perda de eficiência na conversão alimentar (TEDESCHI et al., 2000).

2.1.4 Bactérias Anaeróbias Facultativas

Um grupo de bactérias totalmente distinto dos demais ocorre associado principal-

mente à parede celular do rúmen. São anaeróbios facultativos (Lactobacillus sp., Streptococ-

cus sp., e vários outros gêneros) (WELLS et al., 1988; BROOKER et al., 1994 citados por

ARCURI et al., 2006), que digerem células epiteliais mortas e apresentam importante ativi-

dade ureolítica, num ambiente situado na interfase entre o tecido bem oxigenado e o conteúdo

ruminal anaeróbio (McCOWAN et al., 1980; WELLS et al., 1988 citados por ARCURI et al.,

2006). Esse grupo compreende não mais que 1 % da microbiota total (RIEU et al., 1989 citado

por ARCURI et al., 2006). Entretanto, tais organismos aparentemente, desempenham papel

importante na manutenção de baixos níveis de oxigênio dissolvido no conteúdo ruminal, con-

forme demonstrado in vitro por Newbold et al.(1993) e Newbold (1996) citados por ARCURI

et al.( 2006).

2.2 Archeae (Microrganismos Metanogênicos)

Há ainda o importante grupo de microrganismos Archeae, distintos filogeneticamente

de bactérias (WOLFE, 1982; RASKIN et al., 1994 citados por ARCURI et al., 2006), cujos

principais representantes no rúmen são os metanogênicos (WOLLIN, 1990 citado por ARCU-

RI et al., 2006).

O metano é um subproduto da fermentação ruminal. Sua importância se deve ao fato

de, ao ser produzido, viabilizar o funcionamento do rúmen por servir como o principal “dreno”

de hidrogênio (JOHNSON e JOHNSON, 1995). Porém, sugerem no artigo que o desenvolvi-

mento de estratégias de manejo que reduzam a emissão de metano pelos animais são factíveis e

desejáveis, favorecendo a disponibilidade energética da dieta para o animal, além de contribuir

com o ambiente..

Bovinos podem produzir até 17 litros de CH4 / hora, que pode representar perda de

energia oriunda do alimento de até 12% da energia bruta (RUSSEL, 2002 citado por ARCU-

RI et al., 2006). No entanto, a literatura reporta através de trabalho de Primavesi et al. (2004)

a produção de 11,6 a 16,8 g de CH4 / hora para vacas mestiças e puras, respectivamente, da

raça Holandesa em condições brasileiras. Assim, em virtude do volume de metano produzido

diariamente, os ruminantes são atualmente considerados como contribuintes importantes na

emissão de gases causadores do efeito estufa (KURIHARA et al., 1999 citado por ARCURI et

al., 2006).

A via metabólica preferencial para degradação da fibra utilizada pelas bactérias ce-

lulolíticas gera grande parte do metano ruminal, através da transferência interespecífica de

hidrogênio. Observa-se que as reações de redução do CO2 são acopladas ao fornecimento

de elétrons pelo H2. Em termos bioquímicos, organismos metanogênicos, ao utilizarem o H2

presente no meio, são fundamentais para a regeneração de co-fatores, como NAD+ e NADP+.

Consequentemente são fundamentais para a manutenção de todo o conjunto de processos fer-

mentativos no rúmen (ARCURI et al., 2006).

2.3 Protozoários

Os protozoários do rúmen foram os primeiros microrganismos a serem descritos nes-

te órgão, provavelmente pelo fato de serem facilmente visualizados quando observados no mi-

croscópio óptico (RUIZ, 1992). São microrganismos unicelulares, anaeróbios não patogênicos

que variam em tamanho de 20 à 200 μm (portanto de 10 a 100 vezes maiores que as bactérias).

Apresentam organização interna complexa e altamente diferenciada, com estruturas funcio-

nais similares à boca, esôfago, estômago reto e ânus. Em algumas espécies, ocorre ainda uma

placa rígida, semelhante a um esqueleto (DEHORITY, 1993 citado por ARCURI et al., 2006).

A população de protozoários do conteúdo ruminal de animais alimentados com dife-

rentes tipos de dieta varia em concentração, entre 104 e 106 protozoários/mL de, conteúdo ru-

minal (D’AGOSTO et al., 1998; FRANZOLIN e DEHORITY, 1999; D’AGOSTO et al.,2001

citados por ACURI et al., 2006). Em decorrência de seu tamanho, essa concentração, em geral,

representa de 40% a 60% da biomassa microbiana total do rúmen (RUIZ, 1992; DEHORITY e

ORPIN, 1997; EZEQUIEL et al., 2002, sendo estes dois últimos artigos citados por ARCURI

et al., 2006).

Do ponto de vista do substrato fermentativo, Willians (1986) descreveu que alguns

protozoários são celulolíticos, mas que os principais substratos utilizados são os açúcares e

amido, sendo assimilados rapidamente e estocados na forma de amilopectina ou amido proto-

zoário. Portanto, os protozoários desempenham um efeito tamponante, pois as bactérias não

têm acesso a uma quantidade excessiva de substratos prontamente fermentáveis. Consequente-

mente, a presença de protozoários no rúmen reduz o risco de acidose, em dietas ricas em grãos

ou açúcares (DEHORITY e ORPIN, 1997 citado por ARCURI et al.,2006).

Ainda no contexto da atividade degradativa dos protozoários, Ruiz (1992) reportou

que os protozoários exercem sua ação digestiva sobre as bactérias ruminais ou exógenos como

fonte de proteína, divergindo somente no modo de ingestão. Os protozoários apresentam um

tempo de retenção ruminal maior quando comparados às bactérias, quando estes ingerem as

bactérias, transformando a proteína bacteriana em proteína de protozoários. Pela morte dos

protozoários o nitrogênio (N) resultante servirá para as bactérias. Este retardo da porcentagem

do N favorece os animais com dietas pobres em proteína.

Uma característica peculiar dos protozoários é o quimiotactismo, isto é, a capacidade

de se locomoverem num gradiente de concentração de açúcares ou glicoproteínas (ARCURI

et al., 2006).

Outro aspecto interessante foi descrito por Coleman (1964) descrevendo existir uma

relação inversa entre o número de protozoários e o número de bactérias na fase líquida rumi-

nal em função da competição por alimentos e pela ação predatória dos protozoários sobre as

bactérias.

2.4 Fungos

A grande maioria dos fungos são aeróbios, porém bolores anaeróbios foram descritos

no rúmen, a saber Neocallimastix frontalis, Neocallimastix patriciarium, Piromonas commu-

nis, Sphaeromonas communis, Caecomyces equi (RUIZ, 1992). Segundo Akin citado por Ruiz

(1992), os fungos anaeróbios restritos no rúmen representam 8% da biomassa microbiana nos

animais que recebem dieta rica em fibras, e estão envolvidos na degradação de lignina e celu-

lose. No entanto, fungos anaeróbios não foram detectados no conteúdo ruminal de ovelhas que

receberam dietas pobres em material fibroso (BAUCHOP, 1979).

Fungos quitridiomicetos anaeróbios, produtores de zoósporos flagelados, inicialmen-

te considerados protozoários flagelados (ORPIN, 1975 citado por ARCURI et al. ,2006) , são

partes integrantes da microbiota ruminal. Tais fungos são encontrados em animais alimentados

com dietas fibrosas (GORDON e PHILLIPS, 1998) corroborando com a observação descrita

por Bouchop (1979) descrita anteriormente.

Resumidamente, zoósporos móveis aderem-se à fragmentos das forragens, invadindo

os tecidos vegetais por meio de talos e rizóides (BOUCHOP, 1989 citado por ARCURI et al.,

2006). Após o período de crescimento vegetativo, ocorre a formação de estruturas reproduti-

vas denominadas esporângios. Estes liberam zoósporos maduros que irão repetir o ciclo, colo-

nizando o material vegetal recém ingerido pelo hospedeiro.

2.5 Micoplasmas

Anaeroplasma bactoclasticum e A. abactoclasticum são micoplasmas anaeróbios es-

tritos isolados de ruminantes, e apesar de exercerem uma atividade bacteriolítica, sua função

no rúmen ainda não está completamente esclarecida (RUIZ, 1992).

2.6 Bacteriófagos

Bacteriófagos são vírus bacterianos, que também foram isolados do interior do rúmen

de bovinos e ovinos. Mais de 125 espécies já foram identificadas. Sua função e o significado

de sua presença do ponto de vista zootécnico ainda não foram estudados (RUIZ, 1992).

3. O Estabelecimento dos Microrganismos no Rúmen

O desenvolvimento do rúmen como câmara de fermentação inicia-se no animal re-

cém-nascido. Desse ponto em diante, há grande influência da dieta e do subseqüente controle

de sua fermentação, por meio de processos fisiológicos integrados com a nutrição do hospe-

deiro (VAN SOEST, 1994).

A colonização bacteriana é a mais rápida dentre as populações ruminais. Pode-se

inferir através, de processos matemáticos, a impossibilidade do crescimento microbiano ocor-

rer por longos períodos ou mesmo crescer indefinidamente. Se uma única bactéria com um

volume intracelular médio de 1μm3 e tempo de duplicação de 20 minutos se multiplicasse

indefinidamente, num intervalo de 48 horas seria gerado um volume de protoplasma de 2,2 x

1025 m3, volume este consideravelmente maior do que o volume do próprio planeta Terra (1,1 x

1021 m3). Fica, portanto claro que, “na vida de uma bactéria, qualquer nutriente essencial pode

e freqüentemente torna-se limitante” (NEIDHARDT et al, citado por RUSSELL & COOK,

1995). Este espantoso potencial de crescimento evidencia, portanto, a facilidade bacteriana na

colonização do ambiente ruminal.

Bactérias anaeróbias podem ser transportadas por meio de aerossol, além das muitas

outras formas comuns para protozoários e fungos ruminais (DEHORITY e ORPIN, 1997cita-

do por ARCURI et al., 2006).

Muitas das espécies encontradas em animais adultos já estão presentes em até seis

semanas de idade do animal, porém sua ocorrência depende também do tipo de dieta fornecida

ao ruminante (ARCURI et al., 2006).

A saliva é a principal fonte de protozoários (IVAN et al., 2000). Isso porque esses

microrganismos não possuem formas resistentes, restando o contato direto com um animal

faunado como a principal via de transmissão. No entanto, é interessante notar que o número

de protozoários pode variar ao longo do dia, sendo influenciado pelo tipo de protozoário, taxa

de diluição do conteúdo ruminal, taxa de ingestão de alimento fresco e de água, e também pela

produção aumentada de saliva (ARCURI et al., 2006). No entanto, Ffoulkes e Leng (1989)

estimaram que mais de 74% da biomassa de protozoários ruminais nunca deixam o retículo-

-rúmen.

Da mesma forma que bactérias e protozoários , zoósporos de fungos são transmitidos

por contato com animais adultos via saliva, transmitidos pelo ar por meio das microgotículas

de aerossol de vapor, por exemplo a expiração ou, ainda, ingeridos juntamente com alimentos

contaminados (GRENET et al., 1989)

Em outras palavras, a colonização do trato digestório, implica em um conjunto de

fenômenos simultâneos que favorecem a inoculação da microbiota ruminal e o simultâneo

desenvolvimento do retículo-rúmen, a fim de viabilizar a existência de uma colônia de popu-

lações fermentativas neste ambiente.

4. O Crescimento Microbiano Ruminal

O crescimento bacteriano pode ser definido como o aumento da população bacteria-

na por unidade de tempo, a qual é denominada taxa específica de crescimento (KOSLOSKI,

2002).

O processo de reprodução prevalecente entre as bactérias é a fissão binária; uma

célula se divide, formando duas células. Assim sendo, partindo-se de uma única bactéria, o

aumento populacional se faz em progressão geométrica (PELCZAR et al., 1980).

O tempo necessário para que a célula se divida (ou para que a população duplique) é

conhecido entre os microbiologistas como “tempo de geração”, que não é o mesmo para todas

as bactérias. Da mesma maneira, o tempo de geração varia, para uma bactéria em particular,

dependendo das condições ambientais. O tempo de geração está na forte dependência dos

nutrientes existentes no meio e das condições físicas de incubação. Kosloski (2002) definiu o

tempo de geração ou duplicação como aquele necessário para que a biomassa bacteriana du-

plique seu tamanho. No caso das bactérias ruminais, os tempos de duplicação variam em torno

de 20 minutos até próximo a 2 horas, sendo menor nas espécies que fermentam carboidratos

não fibrosos e maior nas que fermentam carboidratos fibrosos.

Considerando-se um sistema de cultura fechado, ignorando o tempo de colonização

(lag time) e se todas as condições forem favoráveis, este crescimento se dá em escala logarít-

mica, segundo a equação:

μ = ln2 / td Eq.[1] em que:

μ: taxa específica de crescimento (proporção/h);

ln2: logaritmo natural de 2;

td: tempo de duplicação (h) (Figura 1).

Figura1. Relação entre o tempo de duplicação e a taxa de crescimento microbiano (KOSLOSKI, 2002).

A forma de crescimento exponencial, já apresentada, transcorre quando todas as con-

dições de crescimento são favoráveis à bactéria: temperatura, pH, pressão e suprimento de

nutrientes em quantidade e qualidade adequadas. Se em todos os casos estes pré-requisitos

fossem atendidos, os microrganismos logo alcançariam volumes incompatíveis com a sobre-

vivência de outras espécies vivas. Não acontece assim porque o crescimento é regulado pela

disponibilidade de nutrientes, também chamados de fatores de crescimento. Neste caso, a taxa

específica de crescimento irá variar com a concentração do substrato limitantes no meio, sendo

definida pela seguinte equação:

μ = μmax. S / (S +ks) Eq.[2] em que:

μ: taxa específica de crescimento (/h);

μmax: taxa máxima de crescimento (/h);

S: concentração do substrato limitante (mmol);

Ks: constante de saturação; (figura 2).

O substrato limitante pode ser, por exemplo, uma vitamina, um aminoácido, certo

tipo de carboidrato, etc. Não precisa obrigatoriamente ser uma fonte de suprimento energético

(KOSLOSKI, 2002), porém, tipicamente, pode-se dizer que o sistema ruminal opera de forma

energeticamente limitada e com excesso de nitrogênio (TEDESCHI et al., 2000). As dietas

podem também caracterizar-se por conter baixas concentrações de proteína degradável, limi-

tando o crescimento microbiano. É oportuno mencionar que as bactérias ruminais manifestam

respostas diferenciadas, quanto à limitação e suplementação nitrogenada (TEDESCHI et al.,

2000). Naturalmente, o tipo de microrganismo é que define a necessidade proporcional deste

substrato limitante, e a necessidade funcional deste nutriente, expressa em termos quantitati-

vos, é que constitui a constante de saturação.

A equação 2 é análoga a de Henri-Michaelis-Merten sobre a cinética enzimática.

Assim como o Km das enzimas representa a concentração de substrato, em que a velocidade

de reação catalisada pela enzima alcança a metade da velocidade máxima, o Ks significa a

quantidade de substrato necessária para a taxa de crescimento bacteriano atingir a metade da

taxa máxima. Quanto menor o valor do Ks, menor quantidade de substrato é necessária para

alcançar taxas de crescimento relativamente altas. Em decorrência dessa propriedade parti-

cular, os microorganismos detentores de Ks reduzida para certa substância, precisam menos

dela para sustentar o seu crescimento. Assim, as bactérias que apresentam Ks baixo para um

nutriente específico, podem se reproduzir, mesmo que o meio de cultura o possua em baixa

concentração. Nesta condição, a biomassa proporcional desta cepa irá aumentar relativamente

às demais, as quais possuem um Ks mais alto para o mesmo nutriente.

Figura 2. Relação entre a concentração de substrato limitante no meio e a taxa de crescimento bacteriano (KOS-LOSKI, 2002)

Por muitos motivos, na pesquisa experimental é desejável manter uma população

bacteriana na fase exponencial ou logarítmica do crescimento. Esta situação é conhecida como

estado de equilíbrio ou crescimento balanceado. A eficiência microbiana pode ser estudada

e determinada com maior precisão quando se trabalha com quimiostatos, nos quais as taxas

de crescimento bacteriano se equivalem às taxas de diluição impostas (ARCURI et al., 2006;

PELCZAR et al., 1980). Determinações in vivo apresentam uma série de complicadores para

se estimar a síntese microbiana no rúmen (REYNAL et al., 2003).

O crescimento bacteriano pode ser medido também em sistemas de cultura abertos,

ou seja, o volume da cultura é mantido constante, mas o meio de cultura é adicionado e remo-

vido continuamente. Valores de μmax obtidos nestas condições para algumas cepas bacterianas

ruminais, crescendo em meio contendo somente glicose, têm variado em torno de 0,5 naquelas

que degradam carboidratos fibrosos e 0,5 à 0,20 naquelas que degradam carboidratos não fi-

brosos. Nestas mesmas condições, os valores de Ks variam em torno de 0,01 para bactérias que

fermentam carboidratos fibrosos e 0,05 a 5,56 mmol para as fermentadoras de carboidratos não

fibrosos. No entanto, as taxas de crescimento estimadas para as condições existentes normal-

mente no rúmen estão em torne de 0,05 para bactérias que atuam sobre carboidratos fibrosos e

0,15 para as que atuam sobre carboidratos não fibrosos, ou seja, a cada hora a biomassa bacte-

riana ruminal destas espécies aumenta em torno de 5 e 15%, respectivamente.

Além da taxa de crescimento e da Ks, outro elemento de importância prática a ser co-

nhecido é o rendimento microbiano, ou seja, a quantidade de biomassa bacteriana capaz de ser

produzida por unidade de substrato fermentado. Este conceito esta associado com a eficiência

energética microbiana.

A partir destes princípios, foram descritos pela literatura ao longo dos anos, impor-

tantes avanços no estudo do crescimento de microrganismos anaeróbios, especialmente os

anaeróbios ruminais. Em 1960, Bauchop e Elsden estudaram o crescimento de várias bactérias

anaeróbias e correlacionaram a disponibilidade de ATP (YATP) com a massa microbiana pro-

duzida. Obtiveram um valor médio de 10,5g de células por mol de ATP, sendo, no entanto,

reportada uma variação de 8,3 a 12,6 g/mol. Apesar da eficiência de crescimento microbiano

(YATP) apresentar uma variação de até 50%, o valor de 10,5 g/mol foi assumido como uma

constante biológica (BROCK e MADIGAN, 1991; GOTTSCHALK, 1986; INGRAHAM et

al., 1983; SATINER et al., 1976 citados por RUSSELL & COOK, 1995). O peso celular seco

e a eficiência de crescimento microbiana com base na constante de crescimento microbiano

(YATP) de 10,5 g/mol, têm sido utilizados como uma referência para se estimar a produção de

ATP em sistemas catabólicos. A determinação do desenvolvimento da biomassa microbiana

referindo-se a esta em termos de gramas de células por mol de ATP gerado ainda é faceta pri-

mordial nos estudos microbiológicos. Entretanto, a variação no rendimento microbiano em

relação à energia (moles de ATP) chega a ser da ordem de cinco vezes, e por isso Stouthamer

citado por Russell & Cook (1995), propôs o valor de 32g de células/mol de ATP produzido

como sendo o mais adequado para se referir ao rendimento microbiano.

Embora esta forma de expressão de medida da eficiência do crescimento microbiano

(g células/ mol de ATP) pareça ser a mais adequada, um aspecto a ser considerado diz respeito

à dificuldade em se poder estimar com razoável precisão a própria produção de ATP, durante

os processos de fermentação e/ou oxidação de substratos. As razões relativas à dificuldade na

estimativa referida são de ordem diversa e envolve aspectos relacionados à quantificação em

si do ATP produzido, o direcionamento de uso do substrato como fonte energética ou como

reserva de carbono, modificações na própria composição celular e por fim o gasto energético

com atividades que não resultam em crescimento.

As características ideais para a fermentação ruminal seriam: altas taxas de digestão da

fibra; ausência de ácido lático; mínima produção de amônia e de metano e elevada síntese de

proteína microbiana. Em última instância, a síntese de proteína microbiana expressa à dinâmi-

ca das condições do meio onde ocorre. Por isso, determinar sua eficiência passa a ser um pa-

râmetro fundamental para o estudo e manipulação das condições nutricionais dos ruminantes.

Na busca de uma forma adequada de se expressar a eficiência microbiana ruminal,

diversos autores passaram a propor algumas metodologias. Um grupo deles propôs medir a

eficiência do crescimento microbiano expressando este parâmetro como unidade nitrogênio

microbiano (Nμ) expresso como porcentagem da matéria orgânica (MO) digerida no rúmen.

Entretanto, expressar o (Nμ) em função da MO digerida no rúmen não é recomendado, pois

dessa forma, não é possível distinguir-se MO digerida da MO microbiana (BRODERIK e

MERCHEN, 1992). Passa a ser sugerido, então, como uma forma mais precisa e adequada de

expressão, a unidade de (Nμ) como porcentagem da MO fermentada (g de células/mol de ATP

- YATP). De maneira gradual e sistemática, inicia-se assim, a formação das premissas básicas

conceituais que darão suporte teórico ao desenvolvimento dos futuros modelos empíricos e

mecanicistas sobre a nutrição dos ruminantes.

Devido aos avanços conceituais alcançados quanto à compreensão do crescimento

e da eficiência de crescimento microbiana, e pelo fato desta proteína geralmente ser a fonte

majoritária de aminoácidos para os ruminantes, os pesquisadores têm investido considerável

esforço na tentativa de determinar o requerimento de nitrogênio ruminal ótimo, objetivando

maximizar a síntese de proteína microbiana. Neste sentido, dentro do universo da nutrição dos

ruminantes, a síntese de proteína microbiana, sob o aspecto da eficiência, tem sido expressa de

diferentes maneiras.

A eficiência de crescimento microbiano tem sido expressa em termos de matéria seca

de células por mol de substrato fermentado (YSUB) ou por mol de ATP disponível (YATP), e seja

como for, em ambas as situações a intenção é expressar a eficiência do crescimento microbia-

no através da determinação da quantidade de N-microbiano em relação à quantidade de ener-

gia disponível no rúmen, e esta parece ser a forma mais adequada em razão da energia ser o

fator mais limitante ao crescimento microbiano (VALADARES FILHO et al., 2006). Assim, a

maioria dos sistemas de alimentação utiliza direta ou indiretamente estimativas do suprimento

de energia para o animal e uma forma tipicamente comum de expressar o montante de energia

refere-se ao total de matéria orgânica fermentável ou de carboidratos fermentáveis disponíveis

(BACH et al., 2005).

Em condições normais os fatores que afetam de modo marcante a síntese de proteína

microbiana estão relacionados com a dieta, sendo a síntese microbiana dependente das con-

centrações e da qualidade das fontes de energia e de nitrogênio dietéticos no rúmen, da taxa de

diluição ruminal, da freqüência de alimentação, do consumo de alimentos, do processamento

pelo qual o volumoso pode vir a passar, da presença de determinados aditivos e/ou ionóforos e

da presença de minerais, especialmente fósforo, magnésio e enxofre (RIBEIRO et al., 2001).

5. Consumo Voluntário e Microbiota Ruminal – Aspectos Gerais

Um dos fatores determinantes na regulação da ingestão pelos ruminantes são os me-

canismos que atuam quando dietas de baixa qualidade são utilizadas. Sob condições normais,

nessas dietas, os ruminantes raramente ingerem quantidade suficiente de energia para revelar

seu verdadeiro potencial (VAN SOEST, 1994).

Muitos fatores interagem para impedir uma ótima ingestão de forragem, envolvendo

desde a limitação do tempo de pastejo até o conceito de limitação da ingestão pelo enchimento

ruminal e do trato gastrintestinal (VAN SOEST, 1994). Outra possibilidade, segundo o mesmo

autor, é que dietas a base de gramíneas tropicais podem ser deficientes em nitrogênio ou alguns

outros nutrientes. Isso limitaria a ingestão pelo retardamento da digestão ruminal ou por efei-

tos sobre fatores fisiológicos que contribuem para a sensação de fome e saciedade.

O desaparecimento do alimento ingerido no trato digestório pode ocorrer de duas for-

mas, por digestão e por passagem (Kp). Consequentemente, estes processos competem pelas

mesmas frações alimentares. O grau em que cada um destes processos ocorre, depende das

taxas de digestão e passagem dos alimentos ou frações destes (SILVA, 2006).

Orskov (1982) postulou que a deficiência de nitrogênio produz uma série de conse-

qüências, basicamente relacionadas com o fenômeno da diminuição no ritmo da degradação

do alimento no rúmen resultando na depressão do consumo face à redução da digestibilidade,

que está relacionada com a intensidade da atividade microbiana.

Pode-se inferir, portanto, que a deficiência de proteína dietética para os ruminantes re-

duz a atividade da microbiota ruminal, deprimindo a digestão da celulose, o que contribui para

um menor consumo voluntário. Suspeitou-se inicialmente, no entanto, que a redução do con-

sumo voluntário fosse causada por um efeito físico apenas, mas este mecanismo só explicava

em parte o fenômeno. Após vários ensaios experimentais, Egan & Moir (1965) concluíram que

a suplementação protéica, mesmo que realizada diretamente no duodeno, aliviou a deficiência

deste nutriente e, estimulou as taxas de renovação de metabólitos dos tecidos corporais, sendo

por isso o consumo estimulado. Em contraposição a suplementação direta via duodeno com

caseína, a suplementação com uréia, atuou primeiramente incrementando a digestão ruminal

e a taxa de passagem (kp). Resumindo seus trabalhos, Egan e Moir (1965), apresentaram uma

equação de regressão para predição do consumo em ovinos baseada na retenção de nitrogênio

diário, expresso em gramas de nitrogênio por quilograma de peso metabólico.

Correlações significativas entre as concentrações dietéticas de proteína degradável no

rúmen e consumo voluntário, também foram reportadas por diversos experimentos (ALLAWA

et al., 1986 e ALLAWA et al., 1987 citados por FORBES, 1995). Torna-se relevante então,

em face de uma dada disponibilidade energética, se conhecer qual será a demanda em proteína

degradável para que a microbiota ruminal manifeste franco crescimento.

Neste sentido, Klopfeistein (1996) descreveu que a necessidade da microbiota rumi-

nal esta em torno de 130g de proteína degradável por quilograma de matéria orgânica digestível

no rúmen e salienta que quando a forragem de baixa qualidade é consumida, ocorre redução

na taxa de passagem e na eficiência do crescimento microbiano. Desta forma, conclui-se que

o consumo voluntário também seja afetado pela falta de proteína degradável no rúmen (PDR).

A revisão técnica realizada pelo Agricultural Research Council (ARC, 1980), propôs

a média de 30g de nitrogênio por kg de MODR. Para os dados derivados desses valores, o sis-

tema assume que na média 65% da matéria orgânica (MO) total é potencialmente digestível no

rúmen. Assim, o requerimento de nitrogênio é de 19,5 g /kg MO ingerida. Caso seja expressa

como demanda de proteína degradável para crescimento microbiano, corresponderia a 12,2%

da MO digestível ingerida.

Como a literatura científica sugere que o requerimento para proteína degradável no

rúmen esteja em torno de 120 - 130g por quilograma de matéria orgânica digestível consumi-

da, fez-se uma abordagem baseada na média da eficiência microbiana, para uma grande varie-

dade de alimentos. Assim, o NRC (1996) propôs que o requerimento de proteína degradável

no rúmen (PDR) fosse de aproximadamente 13% dos nutrientes digestíveis totais (NDT), que

por sua vez é relativamente igual à matéria orgânica digestível para a maioria das dietas a base

de forragens não fermentadas. Esse valor também é similar aos valores propostos pelo Agri-

culture & Food Research Council (AFRC, 1993) para animais em manutenção, e pouco menor

para animais em crescimento e lactação. No caso do AFRC (1993), o requerimento de PDR foi

estimado como sendo função da quantidade de nitrogênio que é fixado em proteína microbiana

por unidade de energia metabolizável fermentável (EMfe) que em última instância, representa

a fração da MO que é fermentada no rúmen.

Já o modelo mecanicista e empírico proposto pela Universidade de Cornell – The

Net Carbohydrate and Protein System for Evaluating Herd Nutrition and nutrient Excretion

(CNCPS v 5.0, Fox et al., 2003), utiliza duas dinâmicas diferentes para estimar as exigências

de proteína degradável no rúmen. A primeira, definida como nível 1, que opera empiricamente

sob as frações de PDR contidas em cada alimento segundo dados tabulados, sendo a exigência

de PDR determinada como 13% do NDT. Em um nível 2, opera de forma mecanicista, baseado

na integração dos tamanhos dos “pools” das frações de carboidrato e de proteína, no cresci-

mento microbiano a partir das frações fibrosas e não fibrosas, e ainda, ponderando-se as taxas

de digestão e passagem.

É fato, porém que, todos os modernos sistemas de alimentação e nutrição dos rumi-

nantes estabeleceram uma função direta entre o consumo de matéria seca com o crescimento

microbiano ruminal. Desta forma, o AFRC (1993) estima o potencial de crescimento micro-

biano através da seguinte equação:

YPB μg = 7 + 6.(1- e-0,35.L) Eq.[3]

onde;

YPBμg : é a eficiência de crescimento microbiana, expresso em g de PB microbiana /

MJ de energia metabolizável fermentável (EMfe);

L: por definição refere-se ao nível consumo, sendo refletida pela razão da ingestão de

EM pela exigência de EM para mantença do animal;

L = IEM / EM Eq.[4]

Assumindo-se três condições para o nível de produção, 1x, 2x, 3x e 4x a mantença,

os valores de YPBμg resultam em aproximadamente 8,77; 10,02; 10,90 e 11,52 g de PBμg/MJ de

EMfe ingerida. Este modelo matemático reflete uma relação direta entre consumo de matéria

seca (sendo expresso como ingestão de energia metabolizável) com o potencial de crescimen-

to microbiano. Assim, haverá incremento no YPBμg sempre que houver aumento da IMS e/ou

aumento da densidade energética da dieta.

Entretanto, o sistema CNCPS apresenta um submodelo do rúmen que prediz a fer-

mentação e a digestão dos alimentos sendo de importância central ao algorítmo. Neste submo-

delo, o ecossistema ruminal é categorizado em dois grupos distintos, com base na utilização

das fontes de carboidratos, compostos nitrogenados e eficiência de crescimento microbiano.

Um grupo é constituído por microrganismos que fermentam carboidratos não fibrosos (CNF)

sendo o outro formado pelos que fermentam carboidratos fibrosos (CF). Os microrganismos

pertencentes ao grupo que fermenta CF apresentam exigências de mantença cerca de três vezes

menor que aqueles que usam CNF (cerca de 0,05 e 0,15 g de carboidrato/g de célula/h) e taxa

máxima de crescimento microbiano de 40% para os dois “pools” de microrganismos para pH

ruminal acima de 6,3.

O submodelo ruminal do CNCPS considera ainda que ambos os “pools” de microrga-

nismos exigem amônia como fonte de nitrogênio (poolμg CF exigem 100% N-H3; poolμg CNF

exigem 66% N-peptídeos e 34% N-NH3) e que a disponibilidade de aminoácidos na forma de

peptídeos aumenta a eficiência de síntese no caso dos microrganismo que fermentam carboi-

dratos não fibrosos (para Σ pep/(pep + CNF) < 14%, aplica-se um fator que varia de 0 a 18,7%

na eficiência de crescimento do “pool” microbiano). Para ajustar o efeito de pH, o modelo

considera a exigência mínima de FDN seja de 20% (base seca da dieta) para manutenção do

pH acima de 6,3, aplicando uma redução de 2,5% na síntese microbiana para cada unidade

percentual de decréscimo no teor de FDN da dieta.

As equações de predição da eficiência de síntese microbiana do CNCPS (nível 2) são

apresentadas a seguir:

1/Y = (Km / Kd) + (1 / 0,40) Eq.[5] em que:

Yμg : é a eficiência de crescimento microbiano, expresso em g de MS de microrganis-

mo / g de carboidrato fermentado;

Km: é a taxa de manutenção microbiana, 0,05 para microrganismos fermentam CF e

0,15 para os que fermentam CNF;

Kd: é a taxa de fermentação (digestão) da fração carboidrato considerada;

0,40: é a taxa máxima de crescimento microbiano considerada para ambos os “pools”

de microrganismos;

É oportuno dizer que apesar da complexidade do submodelo ruminal do CNCPS o

modelo apresenta-se em dois níveis de solução dos algoritmos visando se adequar às diferentes

necessidades dos tipos de usuários. O denominado nível 1 é compreendido por por alimentos

que não puderam ser muito bem caracterizados (sob os parâmetros de cinética ruminal e de

composição de suas frações de carboidratos e proteínas – Kd, Kp, Prot A/B1/B2/B3/C, CHO

A/B1/B2/C) ou que o usuário não apresenta conhecimento suficiente para utilizar o submodelo

ruminal do CNCPS com segurança. O nível 2 é direcionado à usuários que apresentam infor-

mações suficientes e adequadas sobre a composição dos alimentos e consumo e apresentam

pleno domínio do submodelo ruminal do CNCPS. Ambos os níveis de utilização as equações

descritas por NRC (1996; 2000) para a predição da ED, EM, ELm e ELg enquanto que a ElL foi

descrita pelas equações propostas pelo NRC (1971; 2001).

No nível 1, os valores de NDT e PM são obtidos através de equações empíricas des-

critas por Weiss et al. (1992), Weiss et al. (1993; 1999) e NRC (2001).

Uma vez calculado o NDT para o nível de consumo à mantença, ele é ajustado para

outros níveis de consumo (TEDESCHI, 2001, citado por Fox et al., 2003). A proteína meta-

bolizável de origem microbiana, representa 64% da proteína bruta microbiana que por sua vez

é calculada como 13% do NDT, através da mesma equação usada pelo nível 1 do NRC Beef

(2000). As correções no NDT para nível de consumo de matéria seca é realizado por proce-

dimentos semelhantes aos aplicados no NRC (2001) e CNCPS nível 1, ao passo que o NRC

(2000) nível 1 não faz esta correção. A proteína não degradável dos alimentos é calculada a

partir da proteína bruta multiplicada pela percentagem de sua não degradabilidade, assumin-

do-se uma digestibilidade intestinal de 80%.

O nível 2 do CNCPS a estimativa do NDT e da PM são realizadas por procedimentos

mecanicistas a partir das taxas fracionais de digestão (Kd) e taxa de passagem (Kp) (Russell et

al., 1992; Sniffen et al., 1992). A quantidade de carboidrato e proteína degradados e que escapa

à degradação ruminal é calculado a partir das equações seguintes:

DR = I x [ kd / (kd+kp)] Eq.[6]

ER = I x [ kp/kd+kp] Eq.[7]

onde:

DR: representa a fração degradável no rúmen, kg;

ER: representa a fração que escapa à degradação ruminal, kg;

kd: é a taxa de degradação ruminal da fração do alimento considerada, %.h-1;

kp: é a taxa de passagem do alimento, %.h-1;

I: é a ingestão da fração do alimento, kg;

Porém, curiosamente nos últimos anos a pesquisa nacional vem investigando os efei-

tos do não atendimento da PDR sobre parâmetros ruminais e de desempenho zootécnico, uma

vez que parece haver justificativas econômicas para tanto. Entretanto, a maioria destes estudos

foi desenvolvida com bovinos sendo muito poucas as propostas de estudos com ovinos.

Dentre estes trabalhos pode-se citar o realizado por Costa (2001) que trabalhando

com bovinos, reportou que o não atendimento dos níveis de PDR, não foi limitante para o de-

senvolvimento do ruminante e cumprimento de suas funções produtivas, desde que atendidas

suas necessidades de proteína metabolizável, através de fontes de proteína de baixa degrada-

bilidade ruminal.

Dados semelhantes, apresentando a viabilidade de se trabalhar com dietas com redu-

zido teor de proteína degradável no rúmen para bovinos também foram relatados por, Franco

(1997), Carmo (1999), Siqueira (2001), Tonani (2001), e com ovinos por Salvador (2007). En-

tretanto, há ainda muito a se investigar a esse respeito, uma vez que relevantes conseqüências

são induzidas ao metabolismo dos microrganismos. A literatura científica vem identificando e

descrevendo diversos mecanismos e reações metabólicas, para explicar e justificar as variações

obtidas nos rendimentos microbianos em face de definidas condições de crescimento. Termos

como “desacoplamento”, “desperdício energético”, “ciclos fúteis”, “reações de desvio” entre

outros, tem sido utilizados para denominar o conjunto de “alternativas” adotadas pelos micror-

ganismos para consumir energia sem que haja o concomitante crescimento microbiano ou, que

este aconteça com muito menor eficiência. Tais circunstâncias são normalmente induzidas por

situações nutricionais desbalanceadas.

6. Dieta Balanceada para energia e proteína – Consumo voluntário vs. Crescimento microbiano

O sistema CNCPS utiliza-se da taxa de fermentação das diferentes frações de carboi-

dratos (kd) para estimar o crescimento microbiano ruminal (RUESSEL et al., 1992). Os ren-

dimentos produtivos são ajustados para atender a demanda energética de mantença, disponibi-

lidade de peptídeos e pH, porém versões anteriores do CNCPS não consideravam a limitação

nitrogenada em si. A limitação de nitrogênio ruminal pode reduzir o fluxo microbiano ruminal

(g bactéria/dia) (KANG-MESNARICH et al., 1980; SATTER e SLYTER, 1974; NRC, 1985),

deprime a fermentação da fibra (RUSSELL, 1992) e reduz o consumo de matéria seca NRC

(1985; 1987) e Van Soest (1994).

As rações para ruminantes tradicionalmente vinham sendo balanceada para vários

componentes (proteína bruta, extrato etéreo, extrativo não nitrogenado e fibra bruta) Russel

et al. (1992). No entanto, trabalhos mais recentes indicam que a taxa de degradação rumi-

nal dos diferentes alimentos pode exercer um profundo efeito sobre a fermentação, produtos

da fermentação e desempenho animal (NOCEK e RUSSEL, 1988). Se a taxa de degradação

protéica exceder a taxa de fermentação de carboidratos, grandes quantidades de nitrogênio

poderão ser perdidas como amônia; Em contraposição a este cenário, se a taxa de fermentação

dos carboidratos exceder a taxa de degradação da proteína, a produção de proteína microbiana

pode ser reduzida; Uma outra possibilidade seria aquela em que os alimentos são degradados

muito lentamente, o efeito do enchimento ruminal poderá restringir o consumo; e, se a taxa de

degradação for baixa, alguns dos alimentos poderá escapar da fermentação ruminal passando

diretamente para o intestino.

O CNCPS por ser um sistema dinâmico, tem como objetivo adequar a digestão rumi-

nal de proteínas e carboidratos para se obter o máximo desempenho das comunidades micro-

bianas ruminais, a redução das perdas nitrogenadas ruminais e a estimativa do escape ruminal

de nutrientes (RUSSELL et al., 1992; SNIFFEN et al., 1992; VAN SOEST e FOX, 1992). Isto

em última instância habilitaria os nutricionistas a fazerem predições mais confiáveis sobre o

desempenho dos animais (VAN SOEST e FOX, 1992).

É importante mencionar que o modelo CNCPS para ovinos era denominado de CN-

CPS-SHEEP e foi proposto por Cannas et al. (2004). Recentemente, pelo fato de passar a

abranger equações para caprinos e por envolver em sua nova versão a participação de pesqui-

sadores de duas universidades Norte Americanas (Texas A&M University; Cornell University)

e uma Italiana (Università degli Studi di Sassari), passou a ser denominado de Small Ruminant

Nutrition System (SRNS v.1.8.1, elaborado a partir de CANNAS et al., 2004).

Assim, assumindo uma dada dieta balanceada segundo os modernos princípios de

equilíbrio ruminal entre energia e proteína, o efeito do consumo voluntário sobre o cresci-

mento microbiano ruminal será diretamente proporcional. Este efeito, porém, se manifestará

dentro de um intervalo de densidade energética, na qual a falta ou o excesso de fibra não com-

prometerão a manutenção das condições fermentativas ruminais, ver figura 1.

A figura 1, ilustra a correlação positiva, vista sob a égide do modelo AFRC (1993), e

comportamento aproximadamente quadrático sob a ótica do modelo Small Ruminant Nutrition

System (SRNS v.1.8. 1).

Figura 1. Efeito da IMS (g MS/PVkg0,75) sobre o crescimento microbiano ruminal (g/dia) de ovinos consumindo dieta

balanceada para energia e proteína segundo os modelos AFRC (1993) e SRNS v.1.8.1 (2007). Dietas isoenergéticas entre os pesos estudados, dentro de cada nível de consumo.

É fundamental observar (figura 1) que o modelo AFRC (1993) por se basear no nível

de ingestão de energia metabolizável fermentável (IEMfe) como modulador do potencial de

crescimento microbiano, induz o modelo a um comportamento quase linear sobre o crescimen-

to microbiano em função da IMS. Dessa forma, o modelo do AFRC (1993), negligencia a na-

tureza do tipo de carboidrato fermentado, bem como, a integridade do ambiente ruminal, o que

pode (em situações específicas) vir a comprometer o desempenho da flora microbiana ruminal.

Este aspecto, entretanto, é levado em consideração pelo modelo SRNS que indicou

um comportamento aproximadamente quadrático no gráfico. A menor estimativa do cresci-

mento microbiano feita pelo SRNS no menor nível de consumo, deveu-se ao fato de que, em

todas as situações nutricionais da simulação, foi mantido o mesmo desempenho animal, con-

sequentemente, para um menor consumo haverá uma maior concentração de energia metabo-

lizável dietética, resultando na restrição de fibra efetiva, comprometendo assim, a integridade

do pH ruminal e a eficiência microbiana.

Em contraposição a esta resposta, as dietas de menor densidade energética (consumo

mais elevado para um mesmo desempenho animal) apresentaram uma quantidade de carboi-

dratos fibrosos expressivos, quando comparada aos planos dietéticos intermediários. Neste

caso (100g MS/PV0,75), mesmo tendo sido ingerida uma maior quantidade de energia metabo-

lizável fermentável, a fonte de energia era um carboidrato fibroso de lenta fermentação o que

também reduz a eficiência do crescimento microbiano. Por esse motivo, o SRNS estimou um

valor de crescimento microbiano inferior ao AFRC (1993) que não consegue captar este efeito

em seu modelo. Fica claro, portanto que, para situações dietéticas intermediárias haverá uma

tendência de coincidência das estimativas de ambos os modelos de alimentação na predição de

crescimento microbiano ruminal. Porém, o modelo proposto inicialmente pela Universidade

de Cornell e aqui discutido através do SRNS configura-se como uma ferramenta mais acurada

para descrever o crescimento microbiano ruminal.

Sob a ótica do SRNS, a correlação do potencial de crescimento microbiano ruminal

(YPBμg), com o consumo voluntário será positiva, se e somente se: 1) for mantida a proporção

entre carboidratos fibrosos e não fibrosos da dieta e houver aumento de consumo; 2) se o in-

cremento de carboidratos fibrosos na dieta for seguido de aumento de consumo que compense

a perda de eficiência microbiana para crescimento; sendo que em situações extremas como a

falta de fibra efetiva, o aumento do consumo reduzirá o potencial de crescimento microbiano

por gerar condições de meio insatisfatórios às cepas microbianas, figura 3.

No entanto, quando esta correlação é avaliada sob a perspectiva do AFRC (1993),

haverá incremento de crescimento microbiano sempre que o consumo de matéria seca (conse-

quentemente de energia EMfe) acontecer, figura 2. A aplicação dos princípios do AFRC (1993)

requer do nutricionista bastante conhecimento fisiológico e muito critério para sua correta

aplicação, uma vez que o modelo não integra, de maneira direta, o mesmo número de variáveis

e ajustes propostos pelo SRNS.

Figura 2. Efeito da IMS (g MS/PVkg0,75) sobre o potencial de crescimento microbiano ruminal (YPBμg , g PB microb./

MJ EMfe) de ovinos consumindo dieta balanceada para energia e proteína (AFRC, 1993).

Figura 3. Efeito da IMS (g MS/PVkg0,75) sobre o potencial de crescimento microbiano ruminal (YPBμg , % NDT) de ovi-

nos consumindo dieta balanceada para energia e proteína (SRNS v.1.8.1).

O potencial de crescimento microbiano (YPBμg), expresso na figura 3, foi apresentado

com base no % do NDT da dieta. Optou-se por fazê-lo assim, pelo fato, do software SRNS

v.1.8.1 não apresentar os saldos de eficiência de YPBμg específicos para cada tipo de carboidrato

em seu relatório, muito embora, apresente os valores biológicos das taxas de fermentação e a

composição química de cada fração de carboidrato da dieta. Neste sentido, o modelo SRNS

estima o YPBμg da mesma forma que o nível 2 do CNCPS, não apresentando a opção de mode-

lagem de nível 1 conforme já descrita anteriormente nesta revisão e disponível no CNCPS para

bovinos. De qualquer forma, para evidenciar o comportamento do YPBμg em função da IMS, a

unidade a ser utilizada passa a ser indiferente.

7. Dieta Desbalanceada com excesso CNF – Consumo voluntário vs. Crescimento microbiano

A maioria dos sistemas de formulação de rações para bovinos (ARC, 1980; NRC,

1989 e 1996; CSIRO, 1990; INRA, 1989; AFRC, 1993) reconhece a importância do suprimen-

to adequado de energia em relação à proteína para a microbiota ruminal. No entanto, nenhum

deles apresenta um método sistemático que ajuste o crescimento microbiano ruminal ao con-

sumo de matéria seca, quando o N ruminal é restrito.

A figura 4 apresenta o algoritmo utilizado pela estrutura do CNCPS para estimar o

potencial de crescimento microbiano ruminal e a digestão da parede celular quando o N rumi-

nal é deficiente.

Figura 4. Processo de ajuste à produção de proteína microbiana e degradação ruminal dos carboidratos fibrosos para a condição de deficiência de nitrogênio ruminal (CHO: carboidrato; FC carboidrato fibroso) (TEDESCHI et al, 2000).

No fluxograma da figura 4, as versões em português dos termos apresentados em in-

glês são:

- Energy allowable microbial crude protein (MCP): proteína bruta microbiana permitida pela energia (MCP).

- Rumen Degreded Protein: Proteína degradada no rúmen.

- Ruminal N Balance: Balanço de nitrogênio no rúmen.

- Ajust microbial growth: Ajuste do crescimento microbiano.

- Is Ruminal N Balance Negative?: Está o nitrogênio ruminal em balanço negativo?

- Adjust rumen degraded FC and MCP for Nitrogen Deficiency: Ajuste de carboidratos fibrosos degradados no rumen e MCP para deficiência de nitrogênio.

- Rumen Degreded CHO and Protein: Carboidratos e Proteínas degradados no Rúmen.

- Microbial yield: Rendimento microbiano.

- Rumen escape CHO and Protein: Carboidratos e Proteínas que escaparam da degradação ruminal.

- Intestinal Digestion and Total digestible Nutrients: Digestão intestinal e Nutrientes Digestíveis Totais.

Se o balanço de nitrogênio no rúmen for negativo (o requerimento for maior que a

soma do suprimento dietético e da reciclagem N), o crescimento microbiano será deprimido

(ARC, 1980). A disponibilidade de N para crescimento microbiano (NAllowableBact, g bac-

téria/dia; eq.5) é a soma do N-proteína verdadeira degradado no rúmen (PeptideUptakeN,

g N/dia), mais N não proteíco proveniente da dieta (DegradedDietN, g N/dia) e N reciclado

(RecycledN, g N/dia) dividido pela concentração de nitrogênio bacteriano (10%).

NAllowableBact = (PeptideUptakeN + DegradedDietN + RecycledN) / 0,10 Eq.[5]

Se a energia fermentável for o primeiro nutriente limitante, a produção de proteína

microbiana será ditada pela energia e não pelo nitrogênio ruminal disponível, não havendo a

necessidade de reduzir a produção microbiana. No entanto, sendo o N limitante ao sistema, a

produção microbiana será reduzida (BactRed, g bactéria/dia) pela diferença da disponibilidade

de energia e nitrogenio ao crescimento microbiano (Eq.[6]) (TEDESCHI et al., 2000).

BactRed = (EAllowableBact – NAllowableBact) Eq.[6]

Algumas bactérias ruminais podem, no entanto, continuar fermentando carboidratos

mesmo em condições de limitação nitrogenada, porém, seu crescimento não é possível (VAN

KESSEL e RUSELL, 1996). O desperdício energético (“energy spilling”) pode ser causado

pelos denominados ciclos fúteis como: ciclo fútil do amônio e potássio, ciclos fúteis de prótons

através das membranas celulares (TEDESCHI et al., 2000) e ciclos fúteis enzímicos (WELLS

& RUSSELL, 1994).

Estudos em culturas contínuas de microrganismos ruminais, em meio N limitado,

indicam que as bactérias de fermentam carboidratos não fibrosos apresentam uma ativida-

de fermentativa “não convencional” (anômala - abnormally) enquanto que as bactérias que

fermentam carboidratos fibrosos não conseguem desperdiçar energia (manifestar o “energy

spilling”) (VAN KESSEL e RUSSEL, 1993 e 1996). Pelo fato das bactérias que fermentam

CNF conseguirem desperdiçar energia (“energy spilling”), quando o N é limitante, a digestão

dos carboidratos não fibrosos não é afetada, mas a limitação nitrogenada tem um efeito negati-

vo sobre a digestão dos carboidratos fibrosos (RUSSEL, 1998). Assim, conforme apresentado,

a limitação nitrogenada promove a redução da fermentação dos carboidratos, assim como, do

crescimento das bactérias que fermentam esse substrato. Entretanto, a bactéria Fibrobacter

succinogennes é capaz de fermentar excessos de celubiose em meio N limitado (MAGLIONE

e RUSSEL, 1997), sendo que em cultura mistas, observa-se depressão da digestão da matéria

orgânica (MILTON et al. 1997 a,b).

É importante mencionar que quando da aplicação do CNCPS 4.0 (que não considera-

va o ajuste para limitação nitrogenada ruminal) o ganho médio diário era superestimado para

altos e baixos desempenhos (figura 5). Consequentemente a proporção dos desvios contidos

no intervalo de - 0,1 e +0,1 kg/dia foi de apenas 39,7% (figura 6). Em contraste, quando in-

corporado ao modelo os efeitos da limitação nitrogenada ruminal (CNCPS 5.0), houve um

nivelamento dos pontos ao longo da linha central, consequentemente, reduzindo o erro (figura

7). Assim, a proporção dos desvios correspondentes contidos no intervalo de -0,1 e +0,1 kg/

dia aumentou para 62,1% (figura 8) (TEDESCHI et al., 2000).

Figura 5. Predição do ganho médio diário realizado pelo CNCPS sem ajuste para de-

ficiência de nitrogênio (A). (adaptado por TESDESCHI et al., 2000).

Figura 5. Predição do ganho médio diário realizado pelo CNCPS sem ajuste para deficiência de nitrogênio (A). (adap-tado por TESDESCHI et al., 2000).

Figura 6. Correlação entre o ganho médio observado e predito pelo sistema CNCPS, para dietas onde o primeiro nutriente limitante foi a energia ou proteína metabolizável, porém, sem ajuste para balanço nitrogenado negativo ruminal (adaptado por TESDESCHI et al., 2000).

Figura 7. Predição do ganho médio diário realizado pelo CNCPS com ajuste para deficiência de nitrogênio. (adaptado por TESDESCHI et al., 2000).

Figura 8. Correlação entre o ganho médio observado e predito pelo sistema CNCPS, para dietas onde o primeiro nutriente limitante foi a energia ou proteína metabolizável, porém, com ajuste para balanço nitrogenado negativo ruminal (adaptado por TESDESCHI et al., 2000).

Decorrente da conceituação apresentada, a análise a seguir, refere-se ao exemplo já

descrito neste trabalho no tópico (Dieta Balanceada para energia e proteína – Consumo vo-

luntário vs. Crescimento microbiano, pág 45). Porém, naquele tópico, as dietas atendiam o

equilíbrio entre energia e proteína ruminal, o que neste exemplo não acontecerá.

Foram trabalhados dois níveis de restrição nitrogenada ruminal (63% e 50% de res-

trição, com base no potencial otimizado) em dietas com excesso de CNF em ovinos com pesos

distintos (25 kg e 35 kg).

O crescimento microbiano ruminal foi expresso para cada situação como % do NDTdie-

tético resultante, pelos motivos já apresentados neste trabalho (pág. 53). Assim, pode-se verificar

na figura 9, o efeito do “consumo voluntário” sobre o crescimento microbiano ruminal nesta

situação dietética. O consumo voluntário será tão mais expressivo quanto menor for a restrição

nitrogenada ruminal.

Figura 9. Efeito do “consumo voluntário” sobre o crescimento microbiano ruminal (expresso como % do NDT), em dietas desbalanceadas com excesso de CNF, simulação realizada através do modelo SRNS v.1.8.1 (2007).

Em dietas com CNF em excesso, haverá predominância de microrganismos fermen-

tadores deste tipo de substrato e, por estas cepas continuarem sua atividade fermentativa, mes-

mo que de forma anômala em meio “N” restrito, elas passam a manifestar o fenômeno do

desperdício energético (“energy spilling”) citado por Van Kessel e Russell (1996) deprimindo

assim o crescimento microbiano ruminal.

8. Dieta Desbalanceada com excesso CF (falta energia e proteína) – Consumo voluntário vs. Crescimento micro-biano

Os microrganismos ruminais através da fermentação dos carboidratos no rúmen, con-

seguem a maior parte de sua energia, sendo que, são categorizados de maneira geral, de acordo

com o tipo de carboidrato que fermentam (RUSSELL, 1983).

No modelo CNCPS são particionados como fermentadores de CF e CNF. No entanto,

a cepa bacteriana Butyrivibrio fibrisolvens apresenta potencial para ambos os nichos de atua-

ção, mas a maioria das espécies (celulolíticas e amilolíticas) podem ser classificadas por essa

arbitrária classificação (RUSSELL et al, 1992).

Os microrganismos que fermentam a celulose e hemicelulose multiplicam-se mais

lentamente e utilizam amônia com fonte de nitrogênio para a síntese de proteína microbiana.

Os microrganismo que fermentam amido, pectina e açúcares, multiplicam-se mais rapidamen-

te que os fermentadores de CF, e utilizam tanto a amônia (34%) quanto aminoácidos (66%)

como fonte nitrogenada para síntese de proteína microbiana ruminal (RUSSELL et al., 1992;

1983).

Pelo fato das bactérias que fermentam CNF conseguirem desperdiçar energia (“ener-

gy spilling”), quando o N é limitante, a digestão dos carboidratos não fibrosos não é afetada.

Mas a limitação nitrogenada tem um efeito negativo sobre a digestão dos carboidratos fibrosos

(RUSSEL, 1998).

Neste caso, em dietas ricas em CF a deficiência nitrogenada ruminal poderá resultar

em uma significativa depressão da fermentação da fibra, criando condições para que o efeito

denominado de “rumen fill” passe a se manifestar (RUSSEL et al., 1992; TEDESCHI et al.,

2000).

Outro aspecto relevante é que o desvio de peptídeos para a síntese de proteína micro-

biana ou produção de amônia é regulado pela disponibilidade de carboidratos. Quando a dis-

ponibilidade de carboidratos permite crescimento, 66% da proteína dos microrganismos que

fermentam CNF vêm dos peptídeos enquanto que 34% é proveniente de amônia (RUSSELL et

al., 1983). Na falta de carboidratos, todo o N na forma de peptídeos será convertido em amô-

nia, podendo incrementar perdas e o custo metabólico para sua eliminação.

Neste sentido, nos casos em que a amônia é produzida em taxas que excedem a capa-

cidade de utilização da microbiota ruminal, haverá um aumento da absorção e excreção deste

nitrogênio, porém com gasto energético para eliminá-lo como uréia.

Desta forma a deficiência de energia (carboidratos) e proteína no ambiente ruminal

resultará em:

1. Redução da digestibilidade da fibra;

2. Depressão do crescimento microbiano ruminal, especialmente dos microrganismos de atuam sobre CNF;

3. Aumento da produção de amônia, por desaminação dos peptídeos dietéticos;

4. Enchimento ruminal e depressão do consumo voluntário;

Neste cenário digestivo, parece haver maior efeito do ambiente ruminal na expressão

do consumo voluntário do que o inverso. Cabe observar, no entanto, que o desempenho animal

será muito limitado, quando não for nulo ou negativo.

O incremento de consumo, neste caso, traria um pequeno incremento no saldo de

proteína bruta microbiana total, no entanto, não teria nenhum impacto na eficiência de cresci-

mento microbiano (YPBμg), conforme demonstrado, figura 10. O fato do YPBμg não ser alterado,

possivelmente pode ser explicado, pelo cenário ruminal tão restritivo ao microrganismo.

Na figura 10, é apresentada a relação entre “consumo voluntário” com eficiência de

síntese e saldo total de proteína microbiana ruminal em dietas desbalanceadas com déficit ru-

minal de energia e proteína. A simulação foi feita sob a ótica do SRNS e considerou um ovino

com 25 kg de peso vivo, com níveis crescentes (logicamente hipotéticos) de consumo (70,

80, 90 e 100 g/kg PV0,75). Os valores apresentados descrevem o saldo total de proteína bruta

microbiana (g/dia) e a respectiva eficiência de crescimento microbiano (YPBμg - % do NDT).

Figura 10. Efeito do consumo sobre o crescimento microbiano ruminal total (g/dia) e eficiência de crescimento mi-crobiano ruminal (YPBμg, expresso. como % NDT) em dietas desbalanceadas com déficit ruminal de energia e proteína, segundo modelo SRNS v.1.8.1 (2007). (Dieta 50% NDT – Penisetum purpureum e polpa cítrica; Dieta 44% NDT – Penisetum purpureum).

Observa-se que para a situação dietética com 50% NDT, por haver pequena parti-

cipação de pectina (via polpa cítrica) na dieta, a resposta do saldo microbiano ruminal total

ao aumento de consumo foi mais expressiva quando comparado ao da forrageira consumida

exclusiva. (No entanto, a eficiência de crescimento microbiano, não se alterou em função do

incremento no consumo de matéria seca. Houve ligeira diferença na eficiência entre dietas, o

que se justifica pela diferença no perfil de carboidratos entre elas.

Por fim, a redução na digestibilidade não deve ser sempre considerada prejudicial ao

sistema produtivo. Se o aumento do consumo voluntário promover contrária redução na diges-

tibilidade (por aumento de kp), a taxa de absorção de nutrientes pode vir a ser incrementada

(RUSSEL et al., 1992). No entanto, a melhor estratégia nutricional a ser aplicada, dependerá

do custo dos alimentos e do valor monetário da produção animal. Neste sentido, é que no pró-

ximo tópico desta revisão, será discutido “como recomendar dietas otimizadas quanto ao ba-

lanço de nutrientes quando se utiliza alimentos tropicais? Quais os fatores mais importantes

no delineamento da dieta para se obter resultados positivos?”

9. ALIMENTOS TROPICAIS: Como recomendar dietas otimizadas? Quais os fatores mais importantes no delinea-mento da dieta para se obter resultados positivos?

Nas condições tropicais é indiscutível o fato de que os volumosos, sobretudo as pas-

tagens, são os alimentos mais baratos para os ruminantes. Dentre esses, as gramíneas, por

possuírem elevada eficiência fotossintética, permitem produzir uma enorme quantidade de ali-

mento por unidade de área. Porém, o rápido crescimento dessas plantas vem acompanhado da

redução de seu valor nutritivo; especialmente se manejadas de forma errônea. Para compensar

essa limitação muitos pecuaristas utilizam, de forma exagerada ou equivocadamente, concen-

trados para seus animais. Para que se possa efetivamente interferir de maneira positiva nestes

sistemas, as recomendações deverão estar calcadas na utilização de modelos de alimentação e

nutrição.

Os modelos descritos por diversos sistemas de alimentação de ruminantes estrangei-

ros têm sido amplamente utilizados no Brasil. No entanto, para uma adequada aplicação desses

modelos no país, diversos parâmetros deverão ser redefinidos tendo em vista as marcantes

diferenças genéticas, ambientais e alimentares existentes entre o Brasil e países tomados como

modelos.

Na Universidade de Cornell, nos EUA, uma equipe liderada por pesquisadores do

departamento de “Animal Science” daquela instituição desenvolveu e documentou um mo-

delo, denominado “The Net Carbohydrate and Protein System” com os objetivos de melhorar

os modelos de predição de reposta animal, bem como, otimizar o uso de recursos disponíveis

nas propriedades e reduzir o impacto ao meio ambiente, tais como o excesso de excreções do

nutriente no solo e sobre a qualidade da água.

Os modelos matemáticos podem ser utilizados para melhorar o desempenho animal,

reduzir custos de produção e minimizar a excreção de nutrientes através de melhores estimati-

vas da exigência e utilização de alimentos em vários cenários produtivos.

Um desafio-chave na modelagem da nutrição de ruminantes reside na determinação

do nível mais apropriado de agregação (isto é, proximidade com o nível celular). O passo mais

crítico é descrever o objetivo do modelo e, em seguida, determinar a mistura apropriada de

representações empíricas e mecanicistas das funções fisiológicas. Estas decisões são tomadas

com base na disponibilidade de dados para o desenvolvimento e validação, se os inputs ne-

cessários são característicos e estão disponíveis e, ainda, numa análise de risco-benefício do

aumento da sensibilidade (TEDESCHI et al., 2005).

Os modelos matemáticos são utilizados para integrar os conhecimentos sobre os ali-

mentos, consumo voluntário, taxas de digestão e passagem estimando o valor energético des-

tes, o escape ruminal e digestivo da proteína dietética e a eficiência do crescimento microbia-

no. Podem também, ser úteis para estimar as exigências dos animais e o aporte de nutrientes

provenientes dos alimentos em cada cenário produtivo, gerando informações que auxiliam a

tomada de decisões sobre o manejo de alimentação na fazenda.

A partir dos trabalhos e das formulações dos diversos sistemas de alimentação de

ruminantes, várias proposições surgiram no sentido de melhorar a forma de avaliação dos nu-

trientes. A proteína bruta, bem como, os carboidratos utilizados na alimentação dos ruminantes

devem ser fracionados para sua adequada caracterização. Este fracionamento é essencial para

se entender o funcionamento dos sistemas nutricionais denominados de dinâmicos (SNIFFEN

et al. 1992). Tais sistemas idealizaram o perfeito sincronismo entre a digestão ruminal de pro-

teínas e carboidratos. De forma teórica, visam obter o ótimo desempenho da flora microbiana

ruminal, reduzindo as perdas nitrogenadas ruminais, além de reduzir a emissão de metano e

estimar o escape ruminal de nutrientes (MALAFAIA, 1997).

Entretanto, houve neste sentido, uma visão compartimentalizada da relação rúmen-

-animal em dois aspectos. O primeiro refere-se ao ambiente fermentativo ruminal cuja dinâ-

mica é descrita em um submodelo específico no CNCPS; o segundo refere-se ao próprio ani-

mal, onde as variáveis como consumo, exigência nutricionais, digestibilidades dos alimentos

deverão ser integrados de forma a buscar atender as premissas de desempenho impostas pelo

cenário econômico em que a atividade esta inserida.

Porém, a premissa de otimização do crescimento microbiano ruminal condicionará,

em grande parte das situações, sobra de proteína metabolizável em relação à respectiva exi-

gência animal segundo os modelos de equilíbrio entre energia e proteína no rúmen propostos.

Logicamente que esta relação será dependente das variáveis como peso vivo, ganho de peso e

consumo cuja demonstração foge à proposta desta revisão. Por este motivo, é que Tedeschi et

al. (2000) apresentou em seu artigo o sistema ruminal com uma entidade que opera de forma

energeticamente limitada e com excesso de nitrogênio (quando otimizado). Além disso, os

modelos de alimentação quantificam esta sobra de proteína metabolizável como custo energé-

tico para sua metabolização (síntese e excreção da uréia).

Uma forma de diminuir a sobra de proteína metabolizável em relação à exigência

animal seria limitar o crescimento microbiano ruminal, sob pena de causar depressão na diges-

tibilidade dietética (NRC 1996; CNCPS 2003; AFRC 1993) especialmente da fração fibrosa

além de outras conseqüências já discutidas no tópico (Dieta Balanceada para energia e prote-

ína – Consumo voluntário vs. Crescimento microbiano, pág.45).

Seguindo esta linha de raciocínio, cabe o questionamento se o custo metabólico ge-

rado pela sobra de proteína metabolizável com a otimização do crescimento microbiano e

digestibilidade ruminal, agregará mais benefícios quando comparado à estratégia de reduzir a

sobra de proteína metabolizável (sob pena de reduzir digestibilidade dos carboidratos) gerando

assim, economia metabólica ao organismo do animal.

A resposta, no entanto, em um primeiro momento parece ser simples, mas se analisa-

da em profundidade e levando em consideração os benefícios econômicos que poderia trazer

aos sistemas produtivos, demandará outros questionamentos para que seja adequadamente

respondida.

Em primeiro lugar, para se determinar a relevância da economicidade energética me-

tabólica do animal em relação à correspondente perda energética em função da redução da

digestibilidade da fibra, deve-se conhecer para qual escala de desempenho a alternativa nutri-

cional esta sendo “desenhada”.

Em outras palavras, quanto maior for o desempenho animal, maior será a sobra de

proteína metabolizável, porque, quanto mais energia estiver disponível no sistema, maior será

o crescimento microbiano ruminal e, consequentemente, maiores quantidades de proteína de-

gradável serão demandadas para a otimização deste crescimento.

Outro aspecto a ser levado em consideração é a categoria animal que esta sendo

trabalhada. Animais mais jovens apresentam uma composição corporal mais magra, ou seja,

apresentam uma densidade energética corporal menor.

Portanto, conhecer o impacto que a adoção da restrição de proteína degradável no

rúmen trará ao atendimento das demandas energéticas líquidas corporais dos animais, passa a

ser de fundamental importância.

Por fim, a resposta quanto à viabilidade de aplicação desta alternativa nutricional,

deverá passar por investigações científicas que a correlacionem com diferentes escalas de de-

sempenho, composições de ganho (categorias, raça e sexo), e nível de restrição nitrogenada

ruminal imposta.

Pesquisas recentes vêm sendo conduzidas com ovinos, sobre o tema, buscando es-

tudar as escalas dos efeitos digestivos e de desempenho animal, desta proposta dietética em

diversos esquemas produtivos. Porém, uma vez que este tipo de delineamento nutricional esta

em fase de investigação científica, as considerações realizadas doravante nesta revisão, se fun-

damentarão nas premissas já consolidadas e propostas pelo sistema CNCPS v.5 (2003); SRNS

v.1.8.1 (2007) e AFRC (2003).

Dessa forma, para que se possa recomendar dietas otimizadas quanto ao balanço de

nutrientes com alimentos tropicais, obrigatoriamente, haverá necessidade de se promover uma

nova (entenda aqui mais detalhada) descrição da composição destes alimentos, conforme men-

cionado por Sniffen et al. (1992) citado no sexto parágrafo deste capítulo.

A aplicação do modelo CNCPS, ou de modelos que estão baseados em seus princí-

pios, pressupõe a aplicação de constantes para estimativa de algumas frações de nutrientes,

que podem não se ajustar para os alimentos de origem tropical, especialmente para as forra-

geiras tropicais.

Como exemplo, pode ser citado a estimativa da fração “C” dos carboidratos. Esta fra-

ção representa a fibra do alimento indisponibilizada à fermentação ruminal, pela “complexa-

ção” física causada pela lignina sobre a celulose (CNCPC, 2004). O modelo propõe uma cons-

tante igual a 2,4 para o fator de complexação da FDN, por unidade percentual de lignina do

alimento (CNCPS, 2005). No entanto, Malafaia (1997) chama a atenção para este fato e sugere

que o valor de 3,03 seria mais adequado às gramíneas tropicais. É possível calcular através do

trabalho apresentado por Pinto et al. (2007) que a constante de complexação da lignina sobre

a FDN da cana-de-açúcar deveria ser de 3,62. Neste sentido, Fernandes et al. (2003) já havia

descrito que o fator 2,4 do CNCPS subestimava a fração “C” dos carboidratos este volumoso.

Diferenças marcantes, também vêm sendo descritas na literatura nacional, para as constantes

das taxas de degradação de frações protéicas e de carboidratos.

Face às diferenças existentes entre os alimentos de origem tropical e os de origem de

clima temperado, o CNCPS propôs em seu modelo uma biblioteca de alimentos tropicais, no

qual vêm compilando resultados de pesquisa de vários alimentos (principalmente volumosos)

de vários países que apresentam condições climáticas tropicais, principalmente dados prove-

nientes do Brasil.

Uma vez considerado que a composição química (e fracionamento de proteína e car-

boidrato) está bem descritas, e que as taxas de degradação das frações do alimento (kd ) foram

ou são conhecidas para os alimentos tropicais, será possível então fazer as simulações no sub-

modelo de fermentação e degradação ruminal do CNCPS (nível 2 , simulação mecanicista).

Caso não seja possível obter uma descrição suficiente dos alimentos que permita a modelagem

dessa forma, o CNCPS apresenta um nível 1 para simulação, que considera parâmetros empí-

ricos de degradabilidade ruminal para cada componente da dieta.

Definida as condições de modelagem das dietas, o CNCPS v.5.0 (2003) recomenda,

a priori, a realização de um procedimento de otimização linear, a partir de valores biológicos

como: proteína metabolizável – PM; Energia metabolizável – EM; rendimentos microbianos –

YMSμg; taxa de passagem – kp, taxa de degradação e exigências nutricionais dos animais).

Posteriormente, recomenda que seja retornada a dieta otimizada ao CNCPS e, basea-

do no tipo de avaliação realizada (se nível 1 ou 2), decidir pela manutenção ou reavaliação dos

valores biológicos de cada alimento e reotimizar. Em geral, esta segunda otimização resulta

num balanço de ração mais refinado, devido ao uso de parâmetros dos alimentos na segunda

otimização, serem computados a partir de uma dieta já otimizada pelas bases do sistema (CN-

CPS v.5.0, FOX et al., 2003).

Por fim, o CNCPS enfatiza a predição mecanicista do suprimento de nutrientes para

cada situação de produção, porque os requerimentos animais e a dieta são interativos. As va-

riáveis computadas para cada situação incluem a digestibilidade dos alimentos, o incremento

calórico para considerar a temperatura mínima crítica, o cálculo da eficiência do uso da energia

metabolizável (EM) para mantença, crescimento, lactação, e ajuste da produção de proteína

microbiana para o conteúdo de fibra em detergente neutro efetiva (eFDN).

Portanto, a acuidade da predição de requerimentos de nutrientes e do desempenho

animal sob condições tropicais, dependerá da acuidade na descrição da composição destes

alimentos e de seu consumo voluntário (IMS).

10. Bibliografia

ALLEN, M.S. Effects of diet on short-term regulation of feed intake by lactating dairy cattle. Jour-

nal of Dairy Science, 83:1598, 2000.

AFRC (1993). Energy and Protein Requirements of Ruminants. CAB International, Wallin-

gford, UK, 159p.

AGRICULTURAL RESEARCH COUNCIL (ARC) The Nutrient requerement of farm animals,

London, 1980, 351p.

ARCURI, P.B.; LOPES, F.C.F.; CARNEIRO, J.C Microbiologia do rúmen. In: BERCHIELLI, T. T. et

al. (Eds). Nutrição de Ruminantes. Jaboticabal : FUNEP, 2006. p.111-150.

BACH, A.; CALSAMIGLIA, S.; STERN. M.D. Nitrogen metabolism in the rumen. Journal of Dairy

Science, v. 88, suppl.1, p.E9-E-21, 2005.

BAUCHOP, T.; ELSDEN, S.R. The growth of microorganisms in relation to their energy supply.

Journal of General Microbiology, v.23, p.457-469, 1960.

BOUCHOP, T. Rumen anaerobic fungi of cattle and sheep. Applied and . Environmental of

Microbiology. 38:148-158, 1979.

BRODERICK, G.A.; MERCHEN, N.R. Markers for quantifying microbial protein synthesis in the

rumen. Journal of Dairy Science, v. 75, n. 9, p.2618-2632, 1992.

CALDWELL, D.R.; KEENEY,M.; VAN SOEST, P.J. Effects od carbon dioxide on growth and maltose

fermentation by Bacteroides amilophilus. Journal of Bacteriology, 98:668,1969.

CANNAS, A.; TEDESCHI, L.O.; FOX, D.G; PELL, A.N.; VAN SOEST, P.J. A mechanistic model for

predicting the nutrient requirements and feed biological values for sheep. Journal of Animal

Science. 82: 149-169. 2004.

CARMO, C.A. Degradabilidade da Matéria Seca e Fibra em Detergente Neutro da Cana-

-de-Açúcar (Saccharum spp.) com diferentes fontes de proteína. Jaboticabal, 1999. 36p.

Dissertação (Mestrado em Zootecnia) – Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinária, Universidade

Estadual Paulista (UNESP).

CSIRO. Feeding Standarts for Australian Livestock. Ruminants Commonwealth Scientific

and Industrial Research Organization, Melbourne, Austrália, 1990.

COLEMAN, G.S. COLEMAN GS. The metabolism of escherichia coli and other bacteria by entodi-

nium caudatum. J Gen Microbiol. Nov;37:209–223. 1964.

COSTA, R.M. Avaliação de suplementos com proteína degradável e de escape ruminal

para recria de bovinos. Jaboticabal, 2001. 47p. Dissertação (Mestrado em Zootecnia) – Faculda-

de de Ciências Agrárias e Veterinária, Universidade Estadual Paulista (UNESP).

EGAN, A.R.; MOIR, R.J. Nutritional Status and Intake Regulation in Sheep. I Effects of duodenally

infused single doses of casein, urea and propionate upon voluntary intake of a low-protein roughage

by sheep. Australian Journal of Agricultural Research, 1965, 16(3) 437-449.

FRANCO, G.L. Avaliação dos Parâmetros Ruminais de Bovinos suplementados a pasto

na estação das águas (Mestrado em Zootecnia) – Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinária,

Universidade Estadual Paulista (UNESP),1997.

FORBES, J.M. Voluntary os Food Intake and Diet selection in Farm Animals. CAB Inter-

national 1995.

FOX, D.G.; TYLUTKI, T.P.; TEDESCHI, L.O.; VAN AMBURGH, M.E.; CHASE, L.E.; PELL, A.N.;

OVERTON, T.R.; RUSSEL, J.B. Sistema de carboidratos e proteínas “Líquidos” para a

avaliação da nutrição de rebanhos e excreção de nutrientes (CNCPS versão 5.0): docu-

mentação do modelo CNCPS/ Danny Gene Fox...[et al.]; tradução de Fernando César Ferraz Lopes...

[et al.] – Juiz de Fora: Embrapa Gado de Leite, 2003. 202 p.

FERNANDES, Alberto Magno, QUEIROZ, Augusto César de, PEREIRA, José Carlos et al. Fraciona-

mento e cinética da degradação in vitro dos carboidratos constituintes da cana-de-açúcar com dife-

rentes ciclos de produção em três idades de corte. R. Bras. Zootec., vol.32, no.6, suppl.1, p.1778-

1785 Nov./Dec. 2003.

FFOULKES, D.; LENG, R.A. Dynamics of protozoa in the rumen of cattle. British Journal of Nu-

trition 59, 429–436. 1989.

GRENET, E.; BRETON, A.; BARRY, P.; FONTY, G. Rumen anaerobic fungi and plant substrate co-

lonization as affected by diet composition. Animal Feed Science and Technology, Volume 26,

Pages 55-70. 1989.

GORDON, G.L.R.; PHILLIPS, M.W. The role of anaerobic gut fungi in ruminants. Nutrition Rese-

arch Reviews, 11:133, 1998.

INRA. Ruminant Nutrition. Recommended allowances and feed tables. Institut National de la

Agronomique, Jonh Libbey Eurotext, Montrouge, France. 1989.

IVAN, M.; NEILL, L.; ENTZ, T. Ruminal fermentation and duodenal flow following progressive

inoculations of fauna-free wethers with major individual species of ciliate protozoa or total fauna.

Journal of Animal Science, 78:750–759, 2000.

JOHNSON, K.A.; JOHNSON, D.E. Methane emissions from cattle. Journal of Animal Science,

73:2483, 1995.

MACKIE, R.I.; WHITE, B.A.; ISAACSON, R.E. (Eds.) Gastrointestinal Microbiology Vol 2:

Gastrointestinal microbes and host interactios. Chapman & Hall Microbiology Series. New York:

Chapman & Hall, v.2, 665p. 1997.

MIURA , H.; HORIGUCHI, M.; MATSUMOTO, T. Nutritional interdependence among rumen bac-

téria, Bacteróides amylophilus, Megasphaera elsdenii and Ruminococcus albus. Applied and

Enviromental Microbiology, 40:294, 1980.

NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Ruminant Nitrogen Usage. Washington, D.C. National

Academy Press. 1985.

NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Nutrient Requirements of Beef Cattle. Washington, D.C.

National Academy Press. 1996.

NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Nutrient Requirements of Beef Cattle. Updated 7 ed.,

Washington, D.C. National Academy Press. 242p. 2000.

NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Nutrient Requirements of Dairy Cattle. Washington,

D.C. National Academy Press. 2001.

KANG-MEZNARICH, J.H. and BRODERIK, G.A. Effects of incremental urea supplementation

on ruminal ammonia concentration and bacterial protein formation. Journal Animal Science.

51:422-431. 1980.

KOSLOSKI, G.V. Bioquímica dos Ruminantes. Editora UFSM, Santa Maria – RS, Brasil, 140p.

2002.

KLOPFENSTEIN, T. Need for escape protein by grazing cattle. Animal Feed Science and Tech-

nology, v.60, p.191-199, 1996.

KRAUSE, D.O.; RUSSEL, J.B. How many ruminal bacteria are there? Journal of Dairy Science,

79:1467, 1996.

KRAUSE, D.O. et al. Opportunities to improve fiber degradation in the rumen: microbiology, ecolo-

gy, and genomics. FEMS Microbiology Reviews, 27:663,2003.

MALAFAIA, P.A.M. Taxas de digestão das frações protéicas e de carboidratos de alimen-

tos por técnicas “in situ”, “in vitro” e de produção de gases. Viçosa, 83p. Tese (Doutorado

em Zootecnia) – Universidade Federal de Viçosa. 1997.

MANTOVANI, H.C.; RUSSEL, J.B. Nisin resitence of Streptococcus bovis. Applied and Environ-

mental Microbiology., 67:808,2001.

MAGLIONE, G. and RUSSEL, J.B. The adverse effect of nitrogen limitation and excess-cellobiose on

Fibrobacter succinogenes S 85. Appl. Microbial Biotechnology. 48: 720-725.

MILTON, C.T.; BRANDT Jr., R.T., TITGEMEYER, E.C.. Effects of dietary nitrogen source and con-

centration in high-grain diets on finishing steer performance and nutrient digestion. Journal Ani-

mal Science. 75:2813-2823. 1997a.

MILTON, C.T.; BRANDT Jr., R.T., TITGEMEYER, E.C.. Urea in dry-rolled corn diets: Finishing ste-

er performance nutrient digestion and microbial protein production.,. Journal Animal Science.

75:1415-1424. 1997b.

NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Nutrient Requirements of Dairy Cattle. Washington,