RUMINANTI Mammiferi ungulati ORDINE: Artiodactyla SUBORDINE: Ruminantia 5 FAMIGLIE GIRAFFIDAE (2 generi): giraffa e okapi CERVIDAE (16 generi) ANTILOCAPRIDAE (1 genere): antilocapra americana BOVIDAE (47 generi): antilope, capra, pecora, vacca, bisonte e bufalo PSEUDORUMINANTI solo 3 compartimenti stomacali) CAMELIDAE (3 generi): cammello e camelidi (lama, alpaca)

RUMINE Sistema segregato dall’ambiente circostante; situato in una cavità interna ad un organismo; rivestito di mucosa; il suo contenuto è senza continuità con: il liquido interstiziale; il circolo dell’animale ospite.

RUMINE FASE LIQUIDA Detriti alimentari derivanti dalla masticazione; specie monocellulari; sostanze derivanti dalla digestione microbica; acqua; saliva; prodotti di rifiuto e di secrezione dei microrganismi ruminali; costituenti dei microrganismi (morte e lisi cellulare).

RUMINE CARATTERISTICHE FISICO-CHIMICHE Fisiologia delle cavità prestomacali + Attività metaboliche dei microrganismi Apporto intermittente di alimento Eliminazione continua dei prodotti del metabolismo fermentativo Eruttazione di metano e CO2 Passaggio nel duodeno del bolo ruminale Bolo ruminale residui alimentari non digeriti + microrganismi + fase liquida ruminale

RUMINE ANAEROBIOSI [O2] disciolto = 0,25M % H2O 85 - 90% T °C 39 - 40 °C Pot. Redox 250 - 400 mVolt pH 5,5 - 7,0 BOLLA GASTRICA CO2 60 - 70% CH4 30 - 40% H2, N trascurabili ANAEROBIOSI [O2] disciolto = 0,25M

SEDIMENTAZIONE DIFFERENZIALE DEL DIGESTO NELLE CAVITÀ RUMINALI. una bolla gassosa di composizione relativamente costante si raccoglie nelle regioni dorsali delle cavità. FORAGGI CONCENTRATI

rumine

Il suo arresto porta alla rapida compromissione I movimenti dei prestomaci hanno la funzione di regolare l’attività fermentativa della flora microbica. Il suo arresto porta alla rapida compromissione dei processi digestivi del ruminante. Più in particolare: facilitano la macerazione meccanica degli ingesta; determinano il rimescolamento dei microrganismi nel contenuto ruminale; provocano il rimescolamento degli ingesta con la saliva; agevolano l’assorbimento degli acidi grassi ruminali; provvedono all’eliminazione del gas (CO2) prodotto dalle fermentazioni

Ruminant Digestive Systems La tipologia (foraggi o sfarinati) e la grossolanità dell’alimento ingerito condizionano la durata ruminazione. A parità di tipologia saranno le dimensioni, la forma, la densità delle particelle deglutite a condizionare il tempo di permanenza dell’alimento nella cavità rumine-reticolare. Foraggi e fieno vengono ruminati più volte prima di diventare sufficientemente piccoli da lasciare il reticolo

Ruminant Digestive Systems L’alimento ed i prodotti di fermentazione si ripartiscono in regioni specifiche della cavità rumino-reticolare.

Ruminant Digestive Systems Nella cupola del rumine si accumulano gas (CO2 e CH4) prodotti in seguito ai processi fermentativi; segue uno strato di materiale solido. Il foraggio più grossolano si trova nella porzione più alta mentre nelle zone sottostanti troviamo quello già parzialmente degradato dalla masticazione e/o fermentazione.

Ruminant Digestive Systems Nella porzione ventrale troviamo una zona acquosa costituita da materiale poltiglioso sospeso in acqua. Questo materiale finemente disperso sfruttando il movimento rumine reticolare passa al reticolo e da qui all’omaso

RUMINAZIONE Gli animali che si alimentano di foraggio passano un maggior tempo a ruminare che animali che si alimentano con diete povere di fribre (sfarinati, insilati ecc.)

RUMINE La condizione di anaerobiosi è uno dei fattori determinanti che consentono ai microrganismi ruminali di escludere dal sistema altre specie microbiche, che non sono ospiti abituali del rumine, ma che in esso pervengono con l’ingestione del cibo.

Il pH ruminale varia da 5,5 a 7,0 in funzione del tipo di alimento RUMINE Il pH ruminale varia da 5,5 a 7,0 in funzione del tipo di alimento AMIDO (farine di cereali) ZUCCHERI (melasso) La velocità dei processi fermentativi è tale da superare la capacità dell’organismo animale di contrastare l’accumulo nel rumine di sostanze acide attraverso il loro assorbimento o l’immissione di sostanze basiche nel sistema. CELLULOSA (foraggi) Le molecole di glucosio non sono immediatamente disponibili per i processi di fermentazione e quindi il pH ruminale nel periodo interprandiale tende ad assumere valori più alti.

Significato della saliva PRODUZIONE GIORNALIERA DI SALIVA RUMINE pH ruminale Significato della saliva L’apporto continuo di saliva, nel corso dei processi di ruminazione, si oppone a variazioni eccessive del pH ruminale grazie all’apporto costante di bicarbonati e fosfati. La produzione di saliva varia in ragione del tipo di presentazione fisica dell’alimento ed influenza significativamente il volume del liquido ruminale. PRODUZIONE GIORNALIERA DI SALIVA 150 – 200 litri/giorno

VALORI DEL pH RUMINALE E CONTENUTO IN CELLULOSA GREGGIA NELLA RAZIONE 6,5 6,0 5,5 y = 0,066x + 5,115 r = 0,91 pH 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 % di cellulosa greggia

PRODUZIONE DI SALIVA IN BOVINI CHE ASSUMONO DIVERSI TIPI DI ALIMENTO PELLETTATO INSILATI FIENO ERBA FRESCA ERBA SECCA PRODUZIONE DI SALIVA g/g di alimento 0,68 1,13 3,63 0,94 3,25 VELOCITA’ DI ASSUNZIONE DEL CIBO g/min 243 - 357 248 - 280 250 - 270 266 - 283 270 - 283

Carboidrati insolubili Attaccati enzimi parete batterica C6, mono-polisaccaridi a corta catena Assorbimento Esosi Via glicolitica Batteri 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP

Carboidrati insolubili Attaccati enzimi parete batterica C6, mono-polisaccaridi a corta catena Assorbimento Esosi Via glicolitica In condizioni di anaerobiosi non può essere ossidato con ulteriori produzione ATP. Per cui deve procedere a rigenerare NAD e altri cofattori per evitare che il processo metabolico si blocchi. 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP

Carboidrati insolubili Attaccati enzimi parete batterica C6, mono-polisaccaridi a corta catena Assorbimento Esosi Il piruvato viene utilizzato per attuare processi di ossidazione/rigenerazione cofattori: Agendo come dispersore elettroni Originando AGV che sono i prodotti terminali della digestione fermentativa Via glicolitica 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP

Produzione di Ac. Acetico porta ad un elevata produzione ATP ma non rigenera NAD. Via metabolica privilegiata dai batteri ma richiede rigenerazione NAD mediante la riduzione di CO2 a metano Ac acetico è direttamente proporzionale metano

Quando viene usata questa via cala la produzione di metano Produzione di acido propionico e acido butirrico portano entrambi ad una minore produzione di ATP ma più efficace rigenerazione NAD. Quando viene usata questa via cala la produzione di metano

Metano è presente ad alte concentrazioni quando l’animale si alimenta con dieta a base di foraggi perché prevale azione batteri cellulolosolitici. In presenza di alimento facilmente fermentescibile (macinato, pellet, cereali e amido) cala il pH e calano cellulosolitici e metanogeni.

RUMINE IL RUMINE E’ UN AMBIENTE ANAEROBIO PERENNEMENTE ABITATO DA BATTERI, PROTOZOI E MICETI. L’energia contenuta nei nutrienti viene recuperata attraverso reazioni di fermentazione ossidativa, immagazzinata ed utilizzata per le attività anaboliche e riproduttive dei microrganismi. I microrganismi ruminali, a loro volta, sono una fonte nutritiva per l’animale ospite, andando incontro a fenomeni di morte cellulare o digestione nelle porzioni dell’apparato digerente successive al rumine in senso caudale.

RUMINE L’attività metabolica ruminale fornisce una notevole quantità di prodotti solubili, che, sfuggendo al metabolismo dei microrganismi divengono disponibili per l’assorbimento dell’animale ospite. Alcuni di questi, fra cui gli ACIDI GRASSI VOLATILI (A.G.V.), vengono assorbiti direttamente nelle cavità prestomacali; altri (glucosio in quantità minime, aminoacidi liberi e proteine liberate per secrezione o per lisi dalle cellule, acidi grassi a lunga catena) sono invece assorbiti nell’intestino.

SPECIE MONOCELLULARI VITA COMUNITARIA COMPETIZIONE due specie microbiche sono dipendenti dallo stesso substrato NEUTRALISMO due specie coesistono senza influenzarsi reciprocamente COMMENSALISMO la crescita di una specie dipende dall’altra senza che quest’ultima sia influenzata dalla prima

SPECIE MONOCELLULARI VITA COMUNITARIA PARASSITISMO una specie cellulare sfrutta risorse rese disponibili da un’altra specie senza fornire a questa alcun corrispettivo SINTROPISMO attività metaboliche indipendenti concorrono ad un risultato utile per le specie interessate PREDAZIONE attività di fagocitosi cellulare da parte di una specie verso una o più specie

RUMINE CATENA TROFICA Le differenti specie microbiche nel rumine sono specializzate in funzioni metaboliche spesso limitate, ma la loro diversità permette di coprire le linee metaboliche deboli di un microrganismo con le attività di altri fino a completare e rendere persistente una completa catena trofica. Nel rumine spesso ciò che rappresenta il prodotto terminale del metabolismo ossidativo di una specie è nello stesso tempo un substrato nutrizionale per un’altra.

ANDAMENTO TERMODINAMICO DEL PROCESSO RUMINE Indipendentemente dalla sede in cui avviene e dal numero e tipo di organismi che vi partecipano, il destino generale di un nutriente consiste nella sua degradazione a composti più semplici, nel corso di reazioni che progressivamente ne ossidano gli atomi di carbonio, sottraendo elettroni e con questi energia ANDAMENTO TERMODINAMICO DEL PROCESSO LA CESSIONE FINALE DEGLI ELETTRONI A COMPOSTI ACCETTORI TERMINALI, PERMETTE AL SISTEMA DI CONTINUARE A FUNZIONARE.

RUMINE ORGANISMO AEROBIO O2 = accettore finale di elettroni RUMINE (ANAEROBIO) CO2 + CH4 + A.G.V. = accettori finali di elettroni fonte di composti ridotti del carbonio utilizzabili da parte del metabolismo ossidativo dell’organismo animale ospite (ad eccezione del metano).

SVILUPPO DEI PRESTOMACI VITELLO NEONATO RUMINE Prestomaci = 30% Abomaso = 70% ABOMASO

SVILUPPO DEI PRESTOMACI VITELLO DI 2 MESI D’ETA’ RUMINE Prestomaci = 70% Abomaso = 30% ABOMASO

SVILUPPO DEI PRESTOMACI BOVINO ADULTO Prestomaci = 93% Rumine = 80% Reticolo = 5% Omaso = 8% Abomaso = 7% RUMINE ABOMASO

RUMINE COLONIZZAZIONE I giovani ruminanti ricevono la microflora e la microfauna ruminali durante i primi giorni di vita, quando la madre li lambisce e quando essi stessi lambiscono la saliva della madre, unita al liquido ruminale rigurgitato durante al ruminazione. Specie unicellulari che vivono esclusivamente nel rumine strettamente anaerobie La popolazione cellulare ruminale si completa quando il giovane animale inghiotte foraggio parzialmente masticato da un animale adulto. Fonte di microrganismi aerobi ed anaerobi facoltativi (origine ambientale dell’alimento).

MICROFLORA E MICROFAUNA RUMINALE PRODUZIONI Protozoi 106/g Lieviti 107/g - 108/g Batteri 109/g - 1010/g PRODUZIONI A.G.V. 2 - 6 kg/d Proteine 0,2 - 2,5 kg/d CH4 300 - 600 l/d CO2 300 - 500 l/d

SPECIE BATTERICHE RUMINALI VIVONO: libere nella fase liquida adese alle particelle del digesto adese alla parete del rumine adese ai protozoi

PRINCIPALI TIPI DI BATTERI PRESENTI NEL RUMINE (1) CELLULOSOLITICI - idrolizzano cellulosa e emicellulose: Bacteroides succinogenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Ruminococcus alvus, Ruminococcus flavefaciens, Fibrobacter succinogenes. AMILOLITICI - idrolizzano l’amido: Streptococcus bovis, Bacteroides ruminicola, Selenomonas ruminantium. PRODUTTORI DI ACIDI - acetico, propionico e butirrico: Selenomonas ruminantium/lactylitica, Butyrivibrio fibrisolvens. METANOGENI - producono metano: Methanobacterium ruminantium e il genere Methanosarcina.

PRINCIPALI TIPI DI BATTERI PRESENTI NEL RUMINE (2) LIPOLITICI - idrolizzano i trigliceridi: Anaerovibrio lypolitica. PROTEOLITICI - idrolizzano le proteine: Butyrivibrio Fibrisolvens, Bacteiroides ruminicola, Selenomonas ruminantium. PRODUTTORI DI VITAMINE - Vit. K e Vit. del gruppo B: tutti i batteri.

SPECIE MICROBICHE RUMINALI attività dominante in relazione al solo metabolismo ossidativo - PRIMO GRUPPO (DEGRADATIVO) comprende batteri che si fissano sulle fibre vegetali e depolimerizzano i polisaccaridi o l’amido in osi più semplici come cellobiosio, maltosio, saccarosio, xilobiosio. - SECONDO GRUPPO (FERMENTATIVO) include batteri in grado di fermentare glucidi, convertendoli in acidi grassi a corta catena come acetato, propionato e butirrato o a CO2 ed H2. La CO2 è in parte ridotta a metano attraverso i batteri metanogeni. - TERZO GRUPPO (AZOTO-FISSATORE) riunisce i batteri che possono degradare i substrati azotati per formare, oltre ad ad acetato, acidi grassi a catena ramificata e NH3, indispensabili per la sintesi ex novo di altri aminoacidi e, conseguentemente, per la crescita cellulare. - QUARTO GRUPPO (METANOGENI)

IDROLISI DELL’AMIDO -amilasi e -amilasi  legami -1,4-glicosidici maltosio, maltotriosio, destrine (NO glucosio libero) amiloglucosidasi, glucamilasi destrine e glucosio in forma momerica amilo -1,6-glicosidasi  legami -1,6-glicosidici amilopectina omo-oligosaccaridi destrinasi limite  ambedue i legami glicosidici Attività amilolitica di batteri e miceti  EXTRACELLULARE Attività amilolitica dei protozoi  INTRACELLULARE (fagocitosi)

IDROLISI DELLA CELLULOSA La degradazione biologica della cellulosa avviene esclusivamente ad opera di sistemi enzimatici espressi da BATTERI, PROTOZOI e FUNGHI. 3 gruppi di enzimi capaci di depolimerizzare la cellulosa: CELLULASI (funghi): attacco iniziale del polimero con riduzione della resistenza meccanica della molecola (cellulosa parzialmente solubile, idrocellulosa o carbossimetilcellulosa); CELLULASI propriamente detta (batterica): rompe le catene in modo casuale formando frammenti di basso peso molecolare solubili in H2O fino a cellobiosio; -GLUCOSIDASI o CELLOBIASI (batterica): liberano dal cellobiosio 2 molecole di glucosio.

Sezione trasversa di Bacteroides succinogenes OM membrana esterna; PL plasmalemma; CM membrana citoplasmatica

LA DIGERIBILITA’ DEI FORAGGI DIMINUISCE Il processo cellulosolitico avviene all’esterno della cellula batterica ed è energeticamente dispendioso, poiché richiede alla cellula di sintetizzare l’insieme di enzimi necessari che vengono dispersi nell’ambiente. Quando nella fase liquida ruminale sono disponibili amido o glucidi semplici facilmente fermentabili, i batteri regolano il proprio metabolismo rivolgendolo a questi nutrienti e sospendendo l’attività cellulosolitica. LA DIGERIBILITA’ DEI FORAGGI DIMINUISCE