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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 Tocantins
Campus 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. Universidade Federal do Tocantins. III. Titulo.
CDD 636.20852
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é autorizado desde que citada a fonte. A violação dos direitos do autor (Lei nº 9.610/98) é crime estabelecido pelo artigo 184 do
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 limitam 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 voluntário incluem o conteúdo de fibra, a facilidade de hidrólise de amido e da fração fibrosas, tamanho das partículas, fragilidade das partículas, produtos da fermentação de silagens, concentração 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 lactato 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 consumo voluntário.
No entanto, grande avanços na compreensão dos mecanismos regulatórios entre resposta animal e alterações dietéticas foram alcançados, permitindo ajuste dietéticos que otimizem além do consumo voluntário o balanceamento dos ingredientes das dietas. Tais conhecimentos 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 problemas 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 alimentação dos ruminantes têm sido alcançados. Este progresso tem se baseado em aproximações empíricas que tratavam o rúmen como uma “caixa preta”. No entanto, frente ao expressivo 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 submodelo 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 microbiana e geração de amônia), além do material que escapa à degradação ruminal (carboidratos, 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 gastrintestinal 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 nutrição, 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 caracterização 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 encontrado 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 determinada espécie bacteriana no processo fermentativo deve ser baseada numa população mínima 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 digestórios 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, portanto, 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 Prudutos
Fibrobacter 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, Lactato
Butyrivibrio 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, Ac
Selenomonas ruminantium
Am, La, AD
La, Ac, Propionato (Pro), Bu,
Hidrogênio (H2)
Prevotella sp.
Am, Hemicel, Pec,
Betaglucanos, Proteínas
Su, Ac, Fo, Pro
Succinomonas amylolytica
Am
Su, Ac, Pro
Succinivibrio dextrinosolveins
Maltodextrinas (Mal)
Su, Ac, Fo, Et
Streptococcus bovis
Am, AD
La, Ac, Fo, Et
Eubacterium ruminantium
Mal, AD
Ac, Fo, Bu, La
Megasphaera elsdenii
La, Mal, Aminoácidos (AA)
Ac, Pro, Bu, Ácidos graxos
voláteis de cadeia raminicada (AGVR)
Lacbnospira multiparus
Pec, AD
Organismos fermentadores de pectinas
La, Ac, Fo
Lipolíticos
Anaerovibrios lipolytica
Glicerol (Gli), La
Ac, Su, Pro
Proteolíticos
Peptostreptococcus sp.
Peptídeos (Pep), AA
AGVR, Ac
Clostridium aminophilum
Pep, AA
Ac, Bu
Clostridium Sticklandii
Pep, AA
Ac, Bu, Pro, AGVR
Wolinella succinogenes
Mal, Fumarato
Su
Lactobacilus sp
Am, La, AD
La, Ac, Pro, Bu, H2
Enterobacter sp
Am, La, AD
La, Ac, Pro, Bu, H2
Streptococcus sp
Am, La, AD
La, Ac, Pro, Bu, H2
Facultativos *
Acrbaea (metanogênicos)
Methanobrevibacter sp.
H2, CO2, Fo
CH4
Methanosarcina sp.
H2, CO2, Ac, Metanol,
metilaminas
CH4
Methanomicrobium sp.
H2, CO2, Fo
Methanobacterium 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 princípio descrito persistir, as novas atualizações fazem essa divisão categorizando os microrganismos 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 celulolíticas 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 partículas 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 Butirivibrio 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 monossacarídeos (CALDWELL et al., 1969; MIURA et al., 1980). Streptococcus bovis (MANTOVANI 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 propionato, 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 algumas 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 espécies 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 principalmente à parede celular do rúmen. São anaeróbios facultativos (Lactobacillus sp., Streptococcus 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 atividade 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 ARCURI 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 desenvolvimento 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 ARCURI 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 celulolíticas 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 neste órgão, provavelmente pelo fato de serem facilmente visualizados quando observados no microscópio 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 funcionais 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 diferentes tipos de dieta varia em concentração, entre 104 e 106 protozoários/mL de, conteúdo ruminal (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 protozoário. Portanto, os protozoários desempenham um efeito tamponante, pois as bactérias não
têm acesso a uma quantidade excessiva de substratos prontamente fermentáveis. Consequentemente, 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 ruminal 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 communis, 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 celulose. 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, inicialmente 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, colonizando o material vegetal recém ingerido pelo hospedeiro.
2.5 Micoplasmas
Anaeroplasma bactoclasticum e A. abactoclasticum são micoplasmas anaeróbios estritos 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 recém-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 hospedeiro (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 ocorrer 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, 1997citado 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 populações fermentativas neste ambiente.
4. O Crescimento Microbiano Ruminal
O crescimento bacteriano pode ser definido como o aumento da população bacteriana 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 duplique 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 logarítmica, 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 condições 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 sobrevivência 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, limitando 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 quantitativos, 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 particular, 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 (KOSLOSKI, 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 removido 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 fibrosos. 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 normalmente 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 bacteriana 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 conhecido 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, importantes 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 produzida. 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 primordial 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 dinâmica das condições do meio onde ocorre. Por isso, determinar sua eficiência passa a ser um parâmetro 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 microbiano através da determinação da quantidade de N-microbiano em relação à quantidade de energia 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 concentrações 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 mecanismos 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 efeitos sobre fatores fisiológicos que contribuem para a sensação de fome e saciedade.
O desaparecimento do alimento ingerido no trato digestório pode ocorrer de duas formas, 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 conseqüências, 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 reduz 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 consumo 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 ruminal 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 sistema 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 consumida, fez-se uma abordagem baseada na média da eficiência microbiana, para uma grande variedade 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 Agriculture & 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 crescimento 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 ruminantes 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 microbiano 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 crescimento 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 fermentação e a digestão dos alimentos sendo de importância central ao algorítmo. Neste submodelo, 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 microrganismos 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 carboidratos 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 microrganismo / 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 informações 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 descritas 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 metabolizável 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 procedimentos 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, assumindo-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)]
ER = I x [ kp/kd+kp]
Eq.[6]
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 efeitos 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 desenvolvimento do ruminante e cumprimento de suas funções produtivas, desde que atendidas
suas necessidades de proteína metabolizável, através de fontes de proteína de baixa degradabilidade ruminal.
Dados semelhantes, apresentando a viabilidade de se trabalhar com dietas com reduzido 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). Entretanto, 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 microrganismos 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 carboidratos (kd) para estimar o crescimento microbiano ruminal (RUESSEL et al., 1992). Os rendimentos 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 ruminal 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 ruminal de proteínas e carboidratos para se obter o máximo desempenho das comunidades microbianas 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 CNCPS-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 pesquisadores 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 comprometerão 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 crescimento microbiano em função da IMS. Dessa forma, o modelo do AFRC (1993), negligencia a natureza 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 crescimento 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 metabolizável 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 carboidratos fibrosos expressivos, quando comparada aos planos dietéticos intermediários. Neste
caso (100g MS/PV0,75), mesmo tendo sido ingerida uma maior quantidade de energia metabolizável 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 incremento 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 (consequentemente 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 ovinos 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 modelagem 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 suprimento 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 consumo 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 ruminal 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 inglês 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 bactéria/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 atividade 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 negativo 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 considerava 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 incorporado 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 deficiência 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). (adaptado 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 voluntário 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 restrição, 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 NDTdietético
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 fermentadores deste tipo de substrato e, por estas cepas continuarem sua atividade fermentativa, mesmo 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 microbiano
Os microrganismos ruminais através da fermentação dos carboidratos no rúmen, conseguem 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 atuação, 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 rapidamente 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 (“energy 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 microbiana ou produção de amônia é regulado pela disponibilidade de carboidratos. Quando a disponibilidade 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 amônia, 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 capacidade 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 crescimento 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 ruminal 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 microbiano 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 participação 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 digestibilidade (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 próximo tópico desta revisão, será discutido “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?”
9. ALIMENTOS TROPICAIS: Como recomendar dietas
otimizadas? Quais os fatores mais importantes no delineamento da dieta para se obter resultados positivos?
Nas condições tropicais é indiscutível o fato de que os volumosos, sobretudo as pastagens, são os alimentos mais baratos para os ruminantes. Dentre esses, as gramíneas, por
possuírem elevada eficiência fotossintética, permitem produzir uma enorme quantidade de alimento 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, concentrados 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 estrangeiros 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 modelo, 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 estimativas 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 necessários 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 alimentos, consumo voluntário, taxas de digestão e passagem estimando o valor energético destes, o escape ruminal e digestivo da proteína dietética e a eficiência do crescimento microbiano. 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 nutrientes. 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 proteínas 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 dinâmica é descrita em um submodelo específico no CNCPS; o segundo refere-se ao próprio animal, 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 exigência 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 energético 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 digestibilidade dietética (NRC 1996; CNCPS 2003; AFRC 1993) especialmente da fração fibrosa
além de outras conseqüências já discutidas no tópico (Dieta Balanceada para energia e proteína – Consumo voluntário vs. Crescimento microbiano, pág.45).
Seguindo esta linha de raciocínio, cabe o questionamento se o custo metabólico gerado 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 analisada 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 metabólica 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 nutricional 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 degradável 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 desempenho, 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 estudar 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 fundamentarão 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 mencionado por Sniffen et al. (1992) citado no sexto parágrafo deste capítulo.
A aplicação do modelo CNCPS, ou de modelos que estão baseados em seus princípios, 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 forrageiras tropicais.
Como exemplo, pode ser citado a estimativa da fração “C” dos carboidratos. Esta fração representa a fibra do alimento indisponibilizada à fermentação ruminal, pela “complexação” física causada pela lignina sobre a celulose (CNCPC, 2004). O modelo propõe uma constante 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 provenientes do Brasil.
Uma vez considerado que a composição química (e fracionamento de proteína e carboidrato) 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 submodelo 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 empíricos 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, baseado 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 (CNCPS 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 variáveis 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).
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