Ruminal methanogenesis and mitigation strategies^¤

Metanogénesis ruminal y estrategias para su mitigación

Metanogênese ruminal e estratégias para a sua mitigação

John Fredy Ramírez¹, Zoot, cMSc; Sandra Posada Ochoa^1*, Zoot, PhD; Ricardo Noguera¹, Zoot, PhD

^¤Para citar este artículo: Ramírez JF, Posada Ochoa S, Noguera R. Metanogénesis ruminal y estrategias para su mitigación. Rev CES Med Zootec. 2014; Vol 9(2): 307-323.

* Autor para correspondencia: Facultad de Ciencias Agrarias, Universidad de Antioquia, Escuela de Producción Agropecuaria. Carrera 75 No. 65 87 Medellín. E-mail: slposada@gmail.com

¹ Grupo de Investigación en Ciencias Agrarias (GRICA), Facultad de Ciencias Agrarias, Escuela de Producción Agropecuaria, Universidad de Antioquia, AA 1226, Medellín, Colombia

(Recibido: 2 de junio, 2014; aceptado: 24 de octubre, 2014)

Abstract

Maintaining rumen fermentation depends on the removal of products generated during food degradation. Volatile Fatty Acids (VFA) are rapidly absorbed by the host animal and used as energy source, while other products such as hydrogen (H₂) and carbon dioxide (CO₂) are used in the rumen by Archaea microorganisms to produce methane (CH₄), which is belched by the animal. Methanogenic activity generates the energy required for the survival of methanogens and maintains a low H₂ pressure, creating a favorable environment for the oxidation of reduced cofactors produced during glycolysis. Despite its importance for ruminal degradation, methanogenesis represents loss of energy consumed by the ruminant and its escape to the atmosphere increases total greenhouse gas (GHG) emissions. Reducing rumen emissions of CH₄ can be achieved through feeding strategies, improved animal performance, and the use of feed additives. The aim of this paper is to provide conceptual tools for understanding the origin and importance of methanogenesis in ruminal fermentation and how this process can be modulated without adversely affecting animal productivity.

Key words: Archaea, global warming, greenhouse effect, hydrogen, methane, rumen fermentation (Source: CAB).

Resumen

El mantenimiento de la fermentación ruminal depende de la remoción de los productos generados durante la degradación de los alimentos. Los Ácidos Grasos Volátiles (AGV) son rápidamente absorbidos por el animal hospedero y utilizados como fuente de energía, mientras otros productos como el hidrógeno (H₂) y el dióxido de carbono (CO₂) son utilizados en el rumen por microrganismos pertenecientes al dominio Archaea para producir metano (CH₄), el cual es eructado por el animal. La actividad metanogénica genera la energía necesaria para la supervivencia de los metanógenos y mantiene una presión baja de H₂, creando un ambiente favorable para la oxidación de cofactores reducidos generados durante la glucólisis. A pesar de su importancia para la degradación ruminal de los alimentos, la metanogénesis representa pérdida de la energía consumida por el rumiante y su remoción hacia la atmósfera contribuye al incremento en el total de gases de efecto invernadero (GEI). La reducción de las emisiones de CH₄ desde el rumen puede alcanzarse a través del manejo de la alimentación, el mejoramiento del desempeño productivo de los animales y la utilización de aditivos. El objetivo de este trabajo es ofrecer elementos conceptuales que permitan comprender el origen y la importancia de la metanogénesis en la fermentación ruminal y como este proceso puede ser modulado sin afectar negativamente la productividad animal.

Palabras clave: Archaea, calentamiento global, efecto invernadero, fermentación en el rumen, hidrógeno. metano (Fuente: CAB).

Resumo

A manutenção da fermentação ruminal depende da remoção dos produtos gerados durante a degradação dos alimentos. Os Ácidos Graxos Voláteis (AGV) são rapidamente absorvidos pelo animal hospedeiro e utilizados como fonte de energia, enquanto que outros produtos tais como o hidrogénio (H₂) e o dióxido de carbono (CO₂) são utilizados no rúmen por microorganismos pertences ao domínio Archaea para produzir metano (CH₄), o qual é expelido pelo animal. A atividade metanogênica gera a energia necessária para a sobrevivência da methanogens e mantém uma baixa pressão de H₂, criando um ambiente favorável para a oxidação de cofatores reduzidos gerados durante a glicólise. Apesar da sua importância para a degradação ruminal dos alimentos, a methanogenesis representa uma perda significativa da energia consumida pelos ruminantes e sua remoção para a atmosfera contribui ao aumento do total de gases de efeito estufa (GEE). Redução das emissões de CH₄ do rúmen pode ser alcançada através do manejo alimentar, aumento do desempenho produtivo dos animais e utilização de aditivos. O objetivo deste trabalho é fornecer elementos conceituais para compreender a origem e a importância do methanogenesis na fermentação ruminal e como este processo pode ser modulado sem afetar negativamente a produtividade animal.

Palavras-chave: Archaea, aquecimento global, efeito estufa, fermentação ruminal, hidrogênio, metano (Fuente: CAB)

Introducción

Los rumiantes presentan una comunidad microbiana muy diversa dentro de su rumen, la cual está constituida por un consorcio de microorganismos encargados de fermentar el alimento y producir ácidos grasos volátiles (AGV) que son rápidamente absorbidos a través del epitelio ruminal, sirviendo como fuente de energía para el animal hospedero ²⁸. Otros productos del proceso fermentativo como dióxido de carbono (CO₂) e hidrógeno (H₂) no son utilizados por el rumiante, pero sirven como sustrato para una comunidad particular de microrganismos pertenecientes al dominio Archaea, los metanógenos. Éstos producen metano (CH₄) como estrategia metabólica para obtener la energía necesaria para su crecimiento⁷².

La actividad metanogénica contribuye notablemente al sostenimiento de la fermentación ruminal, ya que mantiene una baja concentración de H₂ que favorece la oxidación del cofactor reducido nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), producido durante la glucólisis ⁴¹, gracias a una relación sintrópica entre los microrganismos productores de H₂ y los metanógenos ⁷³. Sin embargo, la metanogénesis representa pérdida de energía para el rumiante y constituye una fuente de emisión de gases de efecto invernadero (GEI) ³⁸.

Producción y destino metabólico del H₂ en el rumen

Aunque se calcula que la agricultura tiene un aporte relativamente pequeño a las emisiones de GEI, el CH₄ proveniente de la fermentación entérica representa el 30% del total producido, representando la mayor fuente de emisiones ⁷⁶. Esto es relevante si se tiene en cuenta que el CH₄ es el segundo gas más importante para la generación del efecto invernadero, ya que su poder de calentamiento es 21 veces superior al del CO₂ ³². Por otro lado, la emisión ruminal de CH₄ también se asocia con ineficiencia productiva, ya que este gas representa entre el 2 a 12% de la energía bruta consumida por el animal, variación que puede ser principalmente atribuida a la digestibilidad del alimento ³⁷. El objetivo de la presente revisión de literatura es ofrecer elementos conceptuales que permitan comprender el origen y la importancia de la metanogénesis en la fermentación ruminal y como este proceso puede ser modulado sin afectar negativamente la productividad animal.

La degradación ruminal de la fibra y de los almidones genera hexosas, que para su fermentación siguen la ruta de Embden Meyerhof o glucólisis, la cual presenta el siguiente balance neto: 1 glucosa + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD⁺ ---> 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH+H^{+ 61}. El piruvato obtenido en la glucólisis es convertido en AGV, principalmente acético, propiónico y butírico, a través de distintas rutas metabólicas como se observa en la figura 1. El acetil-CoA producido a partir del piruvato por reacciones fosforoclásticas es metabolizado a acetato, a través de acetil-fosfato, o a butirato, a través de acetoacetil-CoA. La producción total de NAD en su forma reducida (NADH+H⁺), H₂ y CO₂ por molécula de glucosa fermentada hacia acetato o butirato es: 2 NADH + 2 H⁺, durante la glucólisis, y 2 H₂ + 2 CO₂, durante la descarboxilación del piruvato, reacción catalizada por la enzima piruvato ferredoxina oxidorreductasa (Fd) acoplada a una hidrogenasa. En este balance, una molécula NADH+H⁺ es oxidada durante la reducción del acetoacetil-CoA a butirato ⁴¹. Especies del género Propionibacterium, Clostridium propionicum y Megasphaera elsdenii fermentan glucosa o lactato a propionato, acetato y CO₂ (3 glucosa --->4 propionato + 2 acetato + 2 CO₂; 3 lactato ---> 2 propionato + acetato + CO₂), reacciones que se dan a través de la rutas del acrilato o del succinato-propionato ⁴¹, las cuales no producen H₂ sino que, por el contrario, los consume.

Producción de CH₄

El H₂ producido durante la glucólisis es perjudicial para el proceso fermentativo, ya que su acumulación inhibe la enzima NADH+H⁺ ferredoxina oxidorreductasa, impidiendo la regeneración de NAD⁺, lo cual sólo es posible a muy baja presión de H₂ ²⁴. La producción continua de CH₄ representa uno de los mecanismos por los cuales la presión ruminal de H₂ disminuye. En la figura 2 se presenta la relación sintrópica entre Ruminococcus albus y metanógenos, favoreciendo la fermentación ruminal.

Aunque la metanogénesis es la principal estrategia para mantener baja la presión de H₂ en el rumen, no es la única. A continuación se mencionan otros procesos que se tornan relevantes para la captura de H₂ bajo condiciones especiales en el rumen (ej. acidosis ruminal) o cuando existen cantidades suficientes de ciertos sustratos (adición en la dieta).

Transferencia interespecies de H₂ en el rumen

Cuando se realiza un cultivo puro, las bacterias ruminales tienden a producir compuestos como H₂, lactato, etanol y succinato como estrategia para oxidar el NADH+H⁺ producido durante la glucólisis; sin embargo, en el rumen, estos mismos microorganismos producen CO₂, CH₄ y AGV ⁴⁴, lo cual sugiere la existencia de un mecanismo de transferencia de H₂ entre las poblaciones ruminales. Este fenómeno, en el cual un organismo captura H₂ producido por otra especie microbiana, implica una relación sintrópica. La sintropía es un caso especial de cooperación simbiótica entre dos tipos de microorganismos metabólicamente diferentes, que dependen el uno del otro para la degradación de un substrato ⁷⁴. Iannotti et al. ³¹ fueron los primeros investigadores que demostraron la sintropía y transferencia de H₂ entre dos organismos ruminales, utilizando la bacteria formadora de H₂ Ruminococcus albus y la bacteria utilizadora de H₂ Vibrio succinogenes. La segunda especie obtuvo la energía necesaria para crecer a partir de la reducción del fumarato a succinato, con la consecuente utilización de H₂. Laube y Martin ⁴⁵ comprobaron que el monocultivo de una cepa celulolítica (Acetivibrio cellulolyticus) produjo etanol, acetato, H₂ y CO₂, mientras que el cocultivo de la cepa celulolítica con una cepa reductora de sulfatos (Desulfovibrio sp.) y otra productora de CH₄ (Methanosarcina barkerit) produjo más acetato y menos etanol, además de aumentar la digestibilidad de la celulosa. Estos resultados corroboraron la hipótesis planteada por Hungate ²⁸, quien propuso que los organismos consumidores de H₂ pueden cambiar el flujo de electrones y por consiguiente, los productos finales de la fermentación. Russell y Jeraci ⁷⁰ observaron que la inhibición de la metanogénesis debida a la utilización de monóxido de carbono disminuyó la digestibilidad de la hemicelulosa y la celulosa en un 40 y 27%, respectivamente. Esto indica que las bacterias celulolíticas no pueden alterar fácilmente su metabolismo, generar más productos reducidos o adaptarse a la disminución en la transferencia interespecies de H₂ cuando la comunidad de organismos consumidores del mismo es inhibida. In vivo, Fonty et al. ¹⁸ determinaron que el establecimiento de Metanobrevibacter sp, inoculado en corderos criados en condiciones gnotobióticas, estimuló el crecimiento de poblaciones celulolíticas y aumentó la digestibilidad del material evaluado, lo cual pudo estar relacionado con el incremento de la actividad enzimática (glucósido hidrolasas, polisacárido hidrolasas y xilanasas).

TABLA 1

La ruta metabólica preferencial de las bacterias celulolíticas contribuye notablemente con la metanogénesis ruminal, a través de la transferencia interespecies de H₂. La relación entre la utilización de H₂ y la actividad celulolítica se explica porque la mayor parte del NADH+H⁺, que se forma durante la glucólisis por oxidación del gliceraldehído-3-fosfato, se transforma fácilmente en H₂ y NAD⁺ cuando la presión parcial de H₂ es baja (p_H2 <1x10³ atm). Así, más piruvato está disponible para ser oxidado a acetato y CO₂, vía acetil coenzima A, con la generación de un mol de ATP por mol de acetato formado ⁴⁵. La desaminación de aminoácidos reducidos (leucina, isoleucina y valina) también es afectada por la acumulación de NADH+H⁺; cuando la relación intracelular de NADH+H⁺/NAD⁺ aumenta, la producción de AGV de cadena ramificada (isobutírico, isovalérico y 2-metilbutírico), necesarios para el crecimiento de bacterias celulolíticas, disminuye dramáticamente ²⁵.

La relación existente entre metanógenos y protozoos constituye otro ejemplo de la transferencia de H₂ entre especies ruminales. Se ha detectado la presencia de metanógenos en la superficie de protozoos ciliados del rumen ⁸⁷ y como endosimbiontes dentro de los mismos ¹⁷. Newbold et al. ⁶⁴ estimaron que la relación entre metanógenos y protozoos ciliados es responsable del 9 al 25% de la metanogénesis en el líquido ruminal. Dado que en el rumen no es posible la respiración aeróbica, los protozoos no contienen mitocondria sino organelas intracelulares denominadas hidrogenosomas donde se libera el H₂ producido durante la oxidación del piruvato o malato ⁵⁸. Se ha observado una estrecha relación entre metanógenos e hidrogenosomas. La ventaja de esta cooperación para el protozoario es evidente: La eliminación de H₂ permite que el protozoo fermente la materia orgánica hasta acetato y CO₂, evitando la generación de productos reducidos como etanol y lactato; obteniendo una máxima producción de ATP ⁷⁴.

Las Archaea metanógenas son microrganismos estrictamente anaeróbicos y se encuentran en el tracto digestivo de rumiantes y termitas, sedimentos de ríos y lagos, pantanos, campos de arroz, basureros, alcantarillados, respiraderos hipertermales de aguas profundas e incluso en ambientes hipersalinos ¹⁵. Los metanógenos colonizan el rumen rápidamente, incluso antes que la dieta contenga material forrajero, y las poblaciones alcanzan su máxima densidad (10⁹ células/ml) alrededor del día 21 de vida. En corderos, los metanógenos aparecen a los tres o cuatro días de vida y al final de la primera semana las poblaciones son muy parecidas a las encontradas en animales adultos ⁷⁷.

La utilización de técnicas para la amplificación de secuencias de ADN ha revelado que los metanógenos predominantes en la colonización del rumen pertenecen al orden Metanobacterial, mientras que los órdenes Metanosarcinal, Metanomicrobial y Metanococcal están presentes en niveles muy bajos ⁷⁷. Algunos autores reportan que en animales adultos los órdenes Metanosarcinal y Metanomicrobial no son detectados ⁸⁸, mientras que otros investigadores reportan que menos del 3% del ADN recuperado tiene su origen en el orden Metanosarcinal ⁷⁵. Según análisis de RNA ribosomal de muestras de todo el mundo, los metanógenos ruminales pueden ser divididos en tres grupos principales: Metanobrevibacter spp., Metanomicrobium spp. y un grupo de Archaea, no cultivado, denominado rumen clúster C. Janssen y Kirs ³⁵ encontraron que el 61,6% de las secuencias genéticas de Archaea ruminales están relacionadas con Metanobrevibacter, siendo las especies M. gottschalkii (33,6%) y M. ruminantium (27,3%) las más predominantes.

Los metanógenos son los únicos microorganismos conocidos que pueden producir dos gradientes de iones (ΔμNa⁺ y ΔμH⁺) a través de su membrana celular al mismo tiempo. Gracias a esta fuerza, una ATP sintetasa (A₁A_O) cataliza la síntesis de ATP desde ADP + Pi aprovechando el gradiente electroquímico de protones ^{59, 72}. El cambio de energía libre (ΔGo´) asociado con la metanogénesis permite la síntesis de máximo dos moles de ATP bajo condiciones controladas, pero bajo condiciones medioambientes se genera menos de una mol de ATP por mol de CH₄ producido. Por lo tanto, los metanógenos viven cerca al límite termodinámico ¹⁵.

El CH₄ producido por los metanógenos es un producto final de la degradación de la materia orgánica en ambientes anaeróbicos donde las concentraciones de sulfato, nitrato, manganeso o hierro son bajas ⁸⁰. En ambientes distintos al rumen, con altas concentraciones de estos aceptadores de electrones, la metanogénesis se convierte en una reacción termodinámicamente ineficiente. La fermentación es un proceso menos exergónico que la degradación aeróbica o la respiración anaerobia alternativa. La conversión de hexosas a CO₂ y CH₄ sólo libera el 15% de la energía que está disponible en la degradación aeróbica. Este bajo rendimiento energético puede ser la razón por la cual la metanogénesis es la última reacción que ocurre después que los otros aceptores de electrones se han reducido ⁷⁴.

Metanogénesis ruminal

En el rumen existen principalmente tres sustratos para la metanogénesis: CO₂, compuestos con grupo metilo y acetato. Sin embargo y como se observa en la Figura 3, los metanógenos ruminales utilizan principalmente H₂ para reducir el CO₂ a CH₄ en una serie de reacciones acopladas a la síntesis de ATP ⁴⁶, donde el CO₂ es utilizado como fuente de carbono y el H₂ como el principal donador de electrones. El formato también es un donador importante de electrones y puede llegar a contribuir con el 18% del CH₄ producido en el rumen²⁹. Aunque las metilaminas y el metanol también pueden ser utilizados para la producción de CH₄ por los órdenes Metanosarcinal y Metanobacterial, su contribución en la metanogénesis total es muy pequeña ³⁵. También se puede producir CH₄ a partir del acetato, a través de la vía aceticlástica, pero al igual que la reducción del grupo metilo, esta ruta metabólica es sólo utilizada por miembros del orden Metanosarcinal ³⁵. Además, el acetato es rápidamente absorbido y utilizado por el rumiante; así que su participación en la producción total de metano es mínima.

El proceso de metanogénesis ruminal a partir de CO₂, H₂ y formato (4HCOO^-) puede resumirse con las siguientes ecuaciones ⁵:

CO₂ + 4H₂ ---> CH₄ + 2H₂O ΔGo´ = -130.747 kJ/reacción

4HCOO^- + 4H⁺ ---> CH₄ + 3CO₂ + 2H₂O ΔGo´ = -144.543 kJ/ reacción

Impacto de la concentración de H₂ sobre la fermentación ruminal

La presión parcial de H₂ (p_H2) se relaciona con la concentración de iones H⁺ (pH) y con el potencial redox (E_h) del rumen según la ecuación propuesta por Sauer y Teather ⁷¹, E_h = 0,062 * log [H⁺]/p_H2. En condiciones normales, las concentraciones de H₂ disuelto en el rumen varían en un rango de 0,1 a 50 µM, siendo altas cuando se incluyen granos en la dieta o inmediatamente después de la ingesta. Los metanógenos son muy sensibles a los cambios en las concentraciones de H₂ y su máxima tasa de crecimiento es alcanzada alrededor de 1 µM ²⁸.

La p_H2 tiene un fuerte efecto sobre las rutas de fermentación que utilizan o producen H₂. Algunos autores ^{10, 40} han demostrado que los microorganismos pueden cambiar sus patrones de fermentación, incluso en respuesta a pequeñas diferencias en la conservación de energía, dejando de utilizar rutas termodinámicamente menos favorables. En consecuencia, aquellas rutas generadoras de H₂ se vuelven desfavorables en condiciones de alta concentración de H₂ favoreciéndose la formación de propionato ³⁴. Esto sugiere que las rutas para la formación de butirato + H₂ o de acetato + butirato + H₂ sólo son favorables en bajas concentraciones de H₂. Por otro lado, el aumento en la p_H2 también reduce la desaminación de aminoácidos reducidos (incluyendo los de cadena ramificada) sin afectar aminoácidos neutros u oxidados. La disminución en la desaminación de algunos aminoácidos en condiciones de alta p_H2 puede evidenciarse con el descenso de la producción de amoniaco y AGV de cadena ramificada (isobutirato e isovalerato) ²⁵.

Estrategias para reducir la producción de CH₄ en el rumen

La producción ruminal de CH₄ resulta en la conversión ineficiente de la energía contenida en el alimento, lo que se traduce en menor retención de la misma por parte del animal hospedero. Algunos autores ³² calculan que la producción de CH₄ en vacas lecheras fluctúa entre 40 kg/animal/año, en África y Medio Oriente, y 121 kg/animal/año en América del norte, producciones que contribuyen significativamente al calentamiento global. De allí que incrementar la eficiencia digestiva mejoraría el desempeño animal, al tiempo que reduciría los impactos ambientales de la producción ganadera.

Debido a que el CH₄ es un producto final de la degradación del alimento en el rumen, las estrategias para reducir sus emisiones implican alterar los patrones de fermentación, reduciendo la producción de H₂ y formato, principales precursores para la metanogénesis en el rumen. Cualquier método para suprimir la producción de CH₄ en el rumen debe estar acompañado por un método para convertir el H₂ producido en otro producto de fermentación; de lo contrario y como se ha mencionado, la acumulación de H₂ podría detener la degradación ruminal.

Nivel de alimentación

Blaxter y Clapperton ⁴ demostraron que la producción de CH₄ (kJ/100 kJ consumidos) disminuyó al incrementarse el consumo. Consumos al nivel de mantenimiento aumentan la producción de CH₄ porque la digestibilidad aparente de la ración aumenta, pero ocurre lo contrario cuando el nivel de alimentación es tres veces el de mantenimiento. La composición del forraje puede tener un efecto indirecto sobre la producción de CH₄, ya que forrajes con bajo contenido de fibra pueden aumentar el consumo, lo cual se traduce en menores emisiones de CH₄ por unidad de alimento ingerido ²². Matsuyama et al. ⁵³ corroboraron indirectamente esta hipótesis al determinar que la reducción del tiempo de retención del alimento en el rumen reduce la producción de CH₄.

Tipo de carbohidratos

Los carbohidratos estructurales (celulosa, hemicelulosa) son fermentados a un ritmo menor que los no estructurales (almidón, azúcares), produciendo más CH₄ por unidad de sustrato fermentado ^{11, 26}. Es ampliamente aceptado que las dietas basadas en granos reducen las emisiones de metano por unidad de materia seca consumida, en comparación con las dietas forrajeras ³⁸, debido fundamentalmente a tres razones: a) aumento en la producción de propionato, que provee una ruta metabólica que consume H₂ y por tanto, reduce el sustrato disponible para la metanogénesis ⁶⁰; b) disminución del pH ruminal con la consecuente inhibición del crecimiento de metanógenos en el rumen ^43,67,86; c) disminución del número de protozoarios debido al incremento de la tasa de pasaje, limitando la transferencia de H₂ desde éstos a los metanógenos ⁸⁹.

Es aceptado que el tipo de polímeros presentes en la dieta determina los productos finales de la fermentación debido a una restricción genética para la expresión de las distintas rutas metabólicas en los microrganismos. Se espera que dietas ricas en forrajes sean más productoras de CH₄ debido a que, genéticamente, los microrganismos celulolíticos producen más acetato e H₂ que las poblaciones amilolíticas (productoras de menos H₂ y más propionato). Sin embargo, ésta no es una explicación definitiva ya que el genoma microbiano es dinámico y podría existir transferencia horizontal de genes que den lugar a la coexistencia de diferentes rutas de fermentación ³⁴.

En cabras, mediante calorimetría indirecta, López et al. ⁴⁹ encontraron que el aumento del nivel de almidón (29% vs. 14%) en dietas isoenergéticas redujo la producción de CH₄ alrededor de 12,93 g/día, sin efectos negativos sobre la producción y la composición de la leche. Moe y Tyrrell ⁵⁶ y Johnson y Johnson ³⁸ sugieren que la fermentación de las paredes celulares (FDN) conduce a una mayor producción de CH₄ que la fermentación de los componentes intracelulares. Sin embargo, Hammond et al. ²³, después de analizar una base de datos de 3000 animales (ovejas y vacas), encontraron que solo el 13% de la variación en la producción de CH₄ pudo ser explicada por la composición del pasto.

Procesamiento del alimento

Navarro-Villa et al. ⁶³ encontraron que el proceso de ensilaje redujo la producción in vitro de CH₄ (ml/g de MS degradada) y la fermentación acética (p<0,05), aumentando la producción de ácido propiónico. Este fenómeno pudo explicarse por la transformación de los carbohidratos solubles del forraje en ácido láctico durante el proceso de ensilaje, lo cual favorece la producción de ácido propiónico en una ruta no metanogénica que consume H₂.

Hales et al. ²¹ encontraron que el procesamiento del grano también tuvo efecto sobre la producción de CH₄, con una disminución cercana al 20% cuando se utilizaron hojuelas de maíz tratadas con vapor en comparación con grano molido. Esto pudo deberse a una degradación más eficiente de los almidones en el rumen cuando se consumen almidones procesados.

Desempeño animal

Zhou et al. ⁹² indicaron que la comunidad metanogénica varía en función de la eficiencia alimenticia del hospedero; así, el ganado más eficiente produce menos CH₄. Zhou et al. ⁹¹ encontraron que tanto cepas como genotipos de las poblaciones metanogénicas están relacionadas con la eficiencia productiva del ganado y, aunque no detectaron diferencias en la población total de metanógenos, encontraron alta prevalencia de Metanosphaera stadtmanae y Metanobrevibacter spp en animales ineficientes.

El mejoramiento genético para rasgos asociados a la productividad puede reducir significativamente las emisiones de CH₄. Aumentos en el tamaño de la camada en ovejas se asocian con una reducción en la producción de CH₄ comparable a la que se puede lograr con cambios en la dieta ³⁰. Con el incremento de la productividad, las emisiones de CH₄ por animal aumentan, mientras la cantidad de CH₄ por kilogramo de leche o carne disminuye, registrándose una reducción en el CH₄ total al disminuir el número de animales requeridos para generar una determinada cantidad de producto. Se ha estimado que los programas de selección genética en diez años podrían reducir la emisión de CH₄, expresada en kg/lactancia y en g/kg de grasa y proteína en leche, un 11 y 26%, respectivamente ¹⁴.

Utilización de aditivos

Los compuestos utilizados para disminuir la producción de CH₄ en el rumen pueden ser divididos de acuerdo a su mecanismo de acción: a) aquellos que direccionan las moléculas de H₂ hacia productos diferentes al CH₄ y, b) aquellos que inhiben directamente el crecimiento o metabolismo de los metanógenos. En el primer grupo se incluyen nitratos, sulfatos, fumarato, ionóforos y taninos; en el segundo, aceites esenciales, análogos de la coenzima M e inhibidores de la enzima Hidroximetilglutaril-SCoA (HMG-CoA) reductasa. Los ácidos grasos de cadena media y larga ejercen su acción a través de ambos mecanismos ^{19, 68, 78}<.

Nitratos y sulfatos. Algunos autores ^52,79,85 han reportado que la reducción de sulfatos y nitratos representa una ruta alternativa para la utilización de H₂; sin embargo, debido a los bajos niveles de estos compuestos en el rumen no compiten con la producción de CH₄, por lo que se ha propuesto su utilización como aditivos antimetanogénicos en la dieta. La reducción del nitrato (producción de nitrito) y del nitrito (producción de amoniaco) son vías que consumen cuatro H₂ por mol de nitrato reducida. Sin embargo, cuando los rumiantes son alimentados con dietas altas en nitratos, los nitritos tienden a acumularse, porque la reducción del nitrato a nitrito es 2,5 veces más rápida que la reducción de nitritos a amoniaco ³³. Los nitritos pueden llegar a la sangre y transformar la hemoglobina en metahemoglobina, con la consecuente disminución del transporte de oxígeno¹³.

Por lo tanto, la aplicación de nitrato, aunque es una alternativa eficiente para reducir la producción de CH₄, debe considerar períodos de adaptación para evitar intoxicación por nitritos. Alaboudi y Jones ¹ determinaron que la adaptación gradual durante 10 semanas a dietas altas en nitrato (1,5 g de nitrato/kg de peso vivo/día) no provocó signos clínicos de metahemoglobinemia. En algunos ambientes anaeróbicos parece que el sulfuro de hidrógeno actúa como donador de electrones en la reducción de nitritos a amoniaco ²⁷, así que la suplementación de la dieta con azufre puede reducir la acumulación de nitrito en el rumen ⁴⁷.

Fumarato. Se ha estimado que en el rumen la reducción del fumarato puede ser más exergónica que la metanogénesis ⁸¹, lo cual hace que esta ruta compita directamente con la producción de CH₄. Sin embargo, evaluaciones in vitro han demostrado una baja efectividad, pues se ha calculado una reducción de 0,037µmol de CH₄ por µmol de fumárico adicionado, mientras estequiométricamente la reducción debería ser de 0,25 µmol de CH₄⁸², lo cual supone una utilización incompleta del fumarato. Se ha demostrado ^{2, 50} que el succinato, metabolito intermedio de la trasformación de fumarato a propionato, tiende a acumularse cuando se utilizan altas cantidades de fumarato, lo cual hace que la reducción del fumarato se vuelva termodinámicamente menos favorable, afectando su capacidad para competir con la metanogénesis.

Ionóforos. Monensina y lasalocida son unos de los compuestos más eficaces disminuyendo la emisión de CH₄ y alterando la fermentación ruminal ⁵⁵. Los ionóforos son antibióticos muy eficaces contra bacterias Gram positivas y presentan poco o ninguna actividad contra las bacterias Gram negativas y metanógenos en el rumen ⁶². El espectro antimicrobiano de los ionóforos puede deducirse del hecho que bacterias productoras de H₂ y formato (Lachnospira multiparus, Ruminococcus albus y Ruminococcus flavefaciens), de butirato (Butyrivibrio fibrisolvens, Eubacterium cellulosolvens y Eubacterium rumininantium), de lactato (Lactobacillus ruminis, Lactobacillus vitulinus y Streptococcus bovis) y de amoniaco (Clostridium aminophilum, Clostridium sticklandii y Peptostreptococcus anaerobius) son susceptibles a los ionóforos, mientras que bacterias productoras de succinato y propionato (Anaerovibrio lipolytica, Fibrobacter succinogenes, Megasphaera elsdenii, Prevotella ruminicola, Selenomonas ruminantium, Succinimonas amylolytica y Succinivibrio dextrinosolvens) son resistentes ⁶².

Taninos. Los taninos, hidrolizables y condensados, son polímeros polifenólicos de alto peso molecular que han sido reconocidos como agentes moduladores favorables de la fermentación ruminal. Estos reducen la digestibilidad de las proteínas en el rumen, previenen el timpanismo, inhiben la metanogénesis y aumentan las concentraciones de ácido linoleico conjugado en los alimentos derivados de los rumiantes ⁶⁶. Jayanegara, et al. ³⁶, a través de metaanálisis, concluyeron que el incremento en el nivel de taninos en la dieta disminuyó las emisiones de CH₄, sin embargo, los efectos claros y confiables sólo fueron alcanzados con niveles superiores a 20 g/kg MS, un umbral que a menudo no es excedido en dietas comerciales suplementadas con taninos.

Aceites esenciales. Los extractos de las plantas contienen algunos metabolitos secundarios, como los aceites esenciales, que tienen propiedades antimicrobianas. Aunque la información entre estudios no es consistente, los aceites esenciales potencialmente podrían reducir la producción de CH₄ debido a la inhibición selectiva del crecimiento de los protozoos, que conviven en estrecha sintropía con los metanógenos ³. Un mecanismo diferente es indicado por Busquet et al. ⁸, quienes proponen que los compuestos organosulfurados, como el dialil disulfuro presente en el aceite de ajo, pueden ejercer una inhibición específica de algunas enzimas involucradas en la metanogénesis. Kamra et al.³⁹ evaluaron el efecto de sustratos de plantas tropicales sobre la producción de metano in vitro y encontraron que el extracto de aceite de ajo redujo 64% la producción de CH₄ sin alterar la digestibilidad del alimento, lo cual es consistente con la disminución en la producción de acetato y el aumento en la producción de propionato reportada por Busquet et al. ⁶ con este mismo extracto. La utilización in vivo del aceite de ajo presenta resultados contradictorios. Klevenhusen et al. ⁴² no encontraron efectos con la utilización de dosis altas (500 mg/L), mientras que dosis de 100 y 300 mg/L reportadas por otros autores ^{7, 9} si presentaron efectos sobre la producción de CH₄.

Análogos estructurales de la coenzima M. La Coenzima M está involucrada en el último paso de la biosíntesis de CH₄ y entre sus análogos estructurales se encuentra el 2-bromoetanosulfonato (BES), 2-cloroetanosulfonato (CES), 2-mercaptoetanosulfonato (MES) y lumazina. Estos compuestos pueden inhibir, por competencia, la reacción de transferencia del grupo metil en la etapa reductiva terminal durante la formación de CH₄ a partir de H₂ y CO₂ ⁴⁸. Normalmente, estas sustancias pueden inhibir todos los grupos de metanógenos en una concentración relativamente baja. Ungerfeld et al. ⁸³ encontraron que la utilización de <1 mM de BES inhibió la metanogénesis en cultivos con líquido ruminal y que Metanobrevibacter ruminantium fue la especie más susceptible.

Inhibidores de la enzima hidroximetilglutaril-CoA (HMG-CoA) reductasa. Todas las Archaea tienen una membrana celular única que contienen glicerol unido a alcoholes de cadena larga o isoprenoides, estas cadenas contienen un precursor llamado mevalonato que se produce a partir de la reducción del cofactor HMG-CoA. Los inhibidores de la HMG-CoA reductasa son considerados inhibidores específicos de la metanogénesis al reducir el crecimiento de los metanógenos ruminales por inhibición de la síntesis de mevalonato ⁴⁸. Wolin y Miller ⁹⁰ demostraron que las estatinas, a saber, mevastatina y lovastatina, inhiben el crecimiento de Metanobrevibacter sin afectar el crecimiento de otras bacterias del rumen, ya que sus membranas celulares están constituidas por ésteres de glicerol y ácidos grasos de cadena larga. Miller y Wolin ⁵⁴ y Wolin y Miller ⁹⁰ lograron inhibición completa del crecimiento de metanógenos utilizando mevastatina y lovastatina a niveles de 0,004 mg/ml. Faseleh Jahromi et al. ¹⁶ reportaron reducción en el crecimiento de metanógenos y en la producción de CH₄< desde un nivel de 0,001 mg/ml de lovastatina. Nováková et al. ⁶⁵ encontraron una reducción del 83% en el crecimiento de metanógenos y del 43,9% en la producción de CH₄ en presencia de pravastatina a un nivel de 0,02 mg/ml.

Ácidos grasos de cadena media o larga

Se cree que los ácidos grasos de cadena media y larga inhiben el crecimiento de bacterias Gram positivas y bacterias metanogénicas vía absorción y ruptura de las membranas celulares ^{19, 78}. El ácido láurico, un ácido graso de cadena media, inhibió la metanogénesis in vitro un 76% ⁵¹. Ungerfeld et al. ⁸⁴ encontraron que el ácido hexadecatrienoico, de cadena larga, inhibió la producción in vitro de CH₄ en un 97%. Además, la biohidrogenación de ácidos grasos insaturados puede constituirse en una ruta alternativa para la utilización de H₂ en el rumen ⁶⁸.

Conclusión

En el ambiente ruminal, el principal mecanismo para mantener una baja presión de H₂ y no afectar adversamente la fermentación de los alimentos es la metanogénesis, proceso durante el cual se reduce el CO₂ derivado de la producción de ácido acético y butírico. El CH₄ generado contribuye al aumento del efecto invernadero y reduce la retención de energía en los animales, por tanto, es importante que en zonas ecuatoriales, donde la alimentación de los animales está basada en sustratos con alto contenido de fibra, se evalúen los efectos de diferentes dietas y aditivos que permitan aumentar la eficiencia digestiva y reducir las emisiones de CH₄.

Reducir la intensidad de las emisiones de CH₄ requiere la aplicación integrada de múltiples estrategias que incluyen la utilización de aditivos que inhiban la metanogénesis o mejoren las condiciones de fermentación ruminal y la selección genética de animales más eficientes en la utilización del alimento.

Muchas estrategias dietarías para reducir emisiones de CH₄ son frecuentemente evaluadas in vitro, sin embargo cuando testadas in vivo no presentan la misma eficacia. Estas diferencias están asociadas a la dilución del fluido ruminal con la solución tampón y a que los animales donadores de inóculo generalmente no consumen el aditivo que se pretende testar. Por tanto, los resultados aportados por métodos in vitro deben ser interpretados con cautela.

Experimentos in vivo o in vitro que evalúen aditivos inhibidores de la metanogénesis deben cuantificar la producción de H₂, debido a que su emisión puede incrementarse cuando la producción de CH₄ disminuye. Este es un factor importante puesto que el H₂ tiene un potencial de calentamiento global equivalente al del CH₄.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación-Colciencias por el apoyo para el desarrollo de la propuesta de investigación “Evaluación in vitro e in vivo de diversas estrategias nutricionales para mitigar las emisiones de metano y su impacto productivo, reproductivo y económico en ganadería de leche especializada en el norte de Antioquia”, la cual motivo la realización de esta revisión de literatura.

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