| Livestock Research for Rural Development 26 (11) 2014 | Guide for preparation of papers | LRRD Newsletter | Citation of this paper |
El metano producido por la fermentación entérica de los rumiantes es uno de los gases efecto invernadero que afecta adversamente el balance energético delanimal. Por ser un producto de la degradación ruminal del alimento, las estrategias tendientes a su reducción implican alterar los patrones de fermentación y minimizar la producción de hidrógeno. En este sentido es necesarioimplementar estrategias de alimentación que permitan aumentar la eficiencia productiva al tiempo que se reducen los impactos ambientales de la producción ganadera, lo que resulta en menor emisión de metano por unidad de producto generado. Una de las alternativas sugeridas para reducir la metanogénesis ruminal es la utilización de recursos alimenticios que contengan metabolitos secundarios, tales como taninos, saponinas y aceites esenciales, los cuales tienen efectos sobre la fermentación y sobre los microorganismos ruminales.
Palabras clave: aceites esenciales, metanogénesis, saponinas, taninos
The methane produced by enteric fermentation of ruminants is one of the greenhouse gases that adversely affects the energy balance of the animal. Being a product of food ruminal degradation, the strategies for its reduction involve to alter fermentation patterns and minimize the production of hydrogen. Thus it is necessary to implement strategies that allow increased production efficiency while the environmental impacts of livestock production are reduced, resulting in lower methane emissions per unit of product generated. One alternative suggested to reduce the rumen methanogenesis is the use of food resources containing secondary metabolites, such as tannins, saponins and essential oils, which have effects on the fermentation and on the rumen microorganisms.
Keywords: essential oils, methanogenesis, saponins, tannins
La actividad ganadera ha sido cuestionada por su contribución a las emisiones antropogénicas de gases efecto invernadero (GEI), a saber,metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) y óxido nitroso (N2O), los cuales provocan el calentamiento de la superficie terrestre y la destrucción de la capa de ozono (Primavesi et al 2004). La actividad ganadera contribuye con 15-20% de la emisión de CH4 (IPCC, 2001), gas con 23 veces mayor potencial de calentamiento que el CO2 y una vida media de 10 años en la atmósfera (Vargas et al 2012). Además, la producción de este gas puede representar entre 2 y 12% de la energía consumida por los rumiantes (Johnson y Johnson, 1995). La reducción en las emisiones de CH4 es un punto clave para mejorar el uso de la energía, aumentar la eficiencia productiva, disminuir los costos de producción e incidir favorablemente en la competitividad económica y ambiental de la producción ganadera.
Se han propuesto diversas estrategiaspara reducir la metanogénesis (Bonilla y Lemus, 2012), entre ellas, la manipulación de la dieta de los rumiantes, con el objetivo de modificar la fermentación ruminal, inhibiendo directamente los microorganismos metanogénicos y protozoarios, o desviando los iones hidrógeno (H2) (Boadi et al 2004; Sharma, 2005). De acuerdo con Leng (2014), la optimización de la productividad por unidad de alimento consumido constituye la aproximación más importante para reducir la emisión entérica de CH4 a nivel mundial, toda vez que la mayoría de los rumiantes se encuentra en deficientes condiciones nutricionales. En la actualidad, existe gran interés por el uso de los metabolitos secundarios de las plantas (MSP) (Jouany y Morgavi, 2007), ya que representan una alternativa natural a los aditivos químicos, cuyos residuos pueden alcanzar los alimentos de origen animal (Patra y Saxena, 2010). El objetivo de este trabajo es describir los mecanismos de acción y efectos de algunosmetabolitos secundarios, presentes en recursos alimenticios tropicales, para reducir la metanogénesis en rumiantes.
Las plantas producen diversos compuestos orgánicos que son clasificados en metabolitos primarios y secundarios. Los metabolitos primarios son esenciales para su crecimiento, desarrollo y reproducción (Kamra et al 2006; Bodas et al 2012).Los metabolitos secundarios constituyen mecanismos de defensa contra la presencia de microorganismos patógenos y la depredación por insectos o herbívoros (Wallace, 2004). Además, son importantes en la interacción de la planta con su entorno, al atraer organismos que polinizan y dispersan las semillas (Marienhagen y Bott, 2013). Los MSP, no obstante, afectan los procesos metabólicos del animal y/o la tasa de crecimiento de algunos microorganismos después de su ingestión (Durmic y Blache, 2012). De acuerdo con Estell (2010) y Marienhagen y Bott (2013), la presencia y concentración de MSP puede variar entre especies debido a factores bióticos (interacción entre la bioquímica y fisiología vegetal de la planta) (Briskin, 2000) y abióticos (radiación ultravioleta, disponibilidad de agua, temperatura, composición del suelo) (Pavarini et al 2012; Gershenzon et al 2000), en tanto Bodas et al (2008) indica que el tiempo de recolección, el procesamiento y almacenamiento de las muestras influyen sobre la actividad y concentración de los MSP.
Los taninos son compuestos polifenólicos de alto peso molecular (Kamra et al 2006) que tienen la capacidad de formar complejos con otros compuestos, especialmente proteínas,disminuyendo su digestibilidad (Waghorn, 2008). Los taninos se clasifican en hidrolizables y condensados. Los taninos hidrolizables (TH) son ésteres fácilmente hidrolizables por ácidos, bases y enzimas. Están formados por una molécula de azúcar (generalmente glucosa) unida a un número variable de ácidos fenólicos, ácido gálico y elágico, agrupándose así en galotaninos y elagitaninos (Barbehenn y Constabel, 2011). Los taninos condensados (TC) no son hidrolizables por ácidos ni enzimas y son conocidos como poliflavonoides o proantocianidinas, ya que están constituidos por flavonoides con diferente grado de condensación, además de carbohidratos y trazas de aminoácidos (Peña, 2007).
Las saponinas son glucósidos de alto peso molecular, se componen de una aglicona (hidrófoba) y un sacárido (hidrófilo). La aglicona puede contener glucosa, arabinosa, xilosa o galactosa. Las saponinas se clasifican sobre la base de su estructura de aglicona en dos grupos: los esteroides (C27) y triterpenos (C30) (Sparg et al 2004), poseen un característico sabor amargo y son sustancias solubles en agua, capaces de formar espuma (Oleszek 2002; Vincken et al 2007).
Los aceites esenciales son compuestos aromáticos, volátiles, de aspecto oleoso, responsables del olor y sabor característico de las plantas (Losa, 2001). En términos de su estructura química comprenden una mezcla de hidrocarburos alifáticos de bajo peso molecular, ácidos, alcoholes, aldehídos, cetonas, ésteres o éteres (Dorman y Deans, 2000). Los componentes más activos en estas mezclas son los terpenoides (principalmente monoterpenos y sesquiterpenos, aunque diterpenos también pueden estar presentes) y fenilpropanoides (Castillejos et al 2007).
Los MSP son agentes que actúan en contra de las bacterias, protozoos y hongos. El efecto sobre la actividad de los microorganismos ruminales dependerá, entre otros factores, de la composición química de la planta consumida y del pH del rumen (Patra y Saxena, 2009).
Los taninos inhiben el crecimiento de las bacterias (McSweeney et al 2001) y este efecto está correlacionado con el peso molecular de dichos compuestos. Los TC, cuyo peso molecular fluctúa entre 1900 y 28000 daltons (Posada et al 2005), poseen efectos inhibitorios mayores debido a que no pueden ser degradados (McAllister et al 2005; Patra y Saxena, 2011). Por el contrario, los microorganismos del rumen son capaces de degradar TH, cuyo peso molecular varía entre 500 y 3000 daltons (Makkar, 2003). La actividad antibacteriana de estos compuestos está ligada a la formación de complejos con la pared celular, lo cual provoca cambios morfológicos (Smith et al 2005) e induce deficiencias nutricionales (Posada et al 2005). Smith (1975) señaló que los taninos reaccionan con iones de calcio de la pared celular, lo cual causa un cambio en la permeabilidad y permite la penetración de estos compuestos, con lo que se inactivan permeasas del periplasma involucradas en el transporte de aminoácidos y carbohidratos. El mismo autor indicó que los grupos fenólicos de los taninos se pueden enlazar con proteínas y fosfolípidos de la membrana externa de la pared celular, lo cual explica porque las bacterias gram negativas (Escherichia coli, Klebsiella y Salmonella), a diferencia de las gram positivas (Micrococcus, Sarcina, Staphylococcus), son relativamente más resistentes a la acción de estos compuestos. Además, los taninos pueden unirse a enzimas y alterar el metabolismo microbiano (Posada et al 2005). De acuerdo con Andrade et al (2012), una dosis de 2% de TC de quebracho (Schinopsis balansae) inhibe el crecimiento microbiano y una dosis superior al 3% es letal para los microorganismo ruminales. Parece que en las bacterias resistentes, los taninos inducen la secreción de un polisacárido extracelular (que separa la pared celular microbiana del tanino reactivo) y la formación de una capa de glicocalix o glicoproteína (que tiene una alta afinidad por los taninos). Aunque este tipo de microorganismos tolerantes puede incrementar con dietas altas en taninos, ello no parece compensar la reducción en la digestión de los nutrientes (McSweeney y Mackie, 2012).
Algunos estudios afirman que las saponinas, al igual que los taninos, poseen actividad antibacteriana más marcada contra las bacterias gram positivas frente a las gram negativas (Patra y Saxena, 2009). Wallace et al (1994) reportan que las saponinas estimulan el crecimiento de Prevotella ruminicola, mientras que inhiben el crecimiento de Butyrivibrio fibrisolvens y Streptococcus bovis. Patra y Yu (2013) observaron que la adición de dosis bajas de saponina combinada con nitrato, aumentan la población de Fibrisolvens succinogenes, mientras que al utilizar dosis altas se provoca su reducción. Por otra parte, Zhou et al (2011) al evaluar saponinas extraídas de té (Camellia sinensis) observaron una disminución de Ruminococcus flavefaciens y Fibrisolvens succinogenes, un aumento para Butyrivibrio fibrisolvens y ningún efecto sobre Ruminococcus albus.
Los aceites esenciales pueden interactuar con las membranas celulares, reducir la captación de glucosa e inhibir el crecimiento de algunas bacterias gram positivas y gram negativas (Calsamiglia et al 2007). Sin embargo, Nikaido (2001) indica que lasbacterias gram negativas presentan mayor tolerancia debido a su membrana externa, que constituye una superficie hidrófila que actúa como barrera impermeable. El crecimiento bacteriano es inhibido por los aceites esenciales dependiendo de las proporciones en que se encuentren y sus interacciones (Dorman y Decanos, 2000). Bodas et al (2012) describen el mecanismo de acción de diferentes aceites esenciales con base en reportes de la literatura. En el caso del carvacrol,se indica que actúa como portador de cationes monovalentes transmembrana, mediante el intercambio de su protón hidroxilo por un catión (K+), reduciendo de este modo la síntesis de ATP y causando la muerte celular. El grupo carbonilo del cinamaldehído permite la infiltración de este compuesto en el periplasma celular a través de proteínas porinas de la membrana externa. Los grupos SH de compuestos orgánicos de azufre pueden interactuar con otros grupos SH de proteínas microbianas, modificando de este modo el metabolismo bacteriano.
Los protozoos representan casi la mitad de la biomasa microbiana en el rumen. Su actividad predatoria sobre las bacterias hace su presencia indeseable, sin embargo, son responsables de una proporción significativa de la actividad fibrolítica (Bodas et al 2012). Varios estudios han demostrado que los taninos, saponinas y algunos aceites esenciales tienen efecto sobre la actividad protozoaria (Patra y Yu, 2013; Patra et al 2006) y por tanto, sobre la digestibilidad y la metanogénesis. En relación con el primer concepto se ha indicado quela glicolisis microbiana se puede inhibir por la acumulación de monosacáridos y de H2 en el ambiente ruminal. En los animales faunados, los protozoos, además de participar en la digestión de los polisacáridos de la dieta, captan rápidamente los carbohidratos solubles producidos, almacenándolos y evitando su fermentación con la respectiva producción de H2. En la ausencia de protozoos, la actividad fibrolítica depende de la hidrólisis y fermentación llevada a cabo por bacterias y hongos y, de la remoción de H2 realizada por los metanógenos. Con base en estos conceptos, se espera una mayor digestibilidad de los carbohidratos estructurales en animales faunados vs. defaunados. En relación con la metanogénesis, los animales defaunados tienden a reducir la emisión entérica de CH4 debido al incremento en la relación acetato/propionato y en el flujo de células microbianas desde el rumen, ambos eventos considerados sumideros de electrones (Leng 2014).
El efecto de los taninos sobre los protozoarios es variable y depende del tipo de taninos, su origen y los niveles de suplementación (Patra and Saxena, 2011). Animut et al (2008) demostraron que el incremento en el nivel de taninos en la dieta (50, 101, 151 g/kg materia seca MS) redujo el número de protozoos en cabras. Trabajando in vitro, Patra et al (2006) reportaron una reducción significativa en el recuento de protozoos al incluir extractos de vainas de Acacia concinna ysemilla de Azadirachta indica en niveles de 0.25y 0.50 ml en 30 ml de liquido ruminal de búfalos, mientras que el extracto de semilla de Terminalia chebula sólo redujó el recuento de protozoos con un nivel de 0.50 ml. Bhatta et al (2009) afirmaron que la combinación de los TH y TC exhibe mayor actividad antiprotozoaria que los TH por sí solos. Sin embargo, Jayanegara et al (2011) al evaluar las relaciones entre las diversas fracciones fenólicas de plantas tropicales, no encontraron correlación entre los taninos (TH y TC) y el recuento de protozoos. El posible efecto de algunos árboles forrajeros como el Nacedero (Trichantera gigantea), Cachimbo (Erythrina poeppigiana) y Orejero (Enterolobium ciclocarpum) como defaunadores en rumiantes se debe a la presencia de sustancias fenólicas en sus hojas (Carmona, 2007).
En el caso de las saponinas, el efecto parece estar mediado por su capacidad para formar complejos irreversibles con el colesterol de la membrana celular, lo que provoca lisis celular y muerte de los protozoos (Francis et al 2002). Zhou et al (2011) en un estudio realizado en ovejas observó reducción en la población protozoaria con el suministro de saponinas de Camellia sinensis. Navas et al (1992) indican que el efecto de Enterolobium cyclocarpum y Sapindus saponaria como defaunantes se debe a la presencia de sustancias detergentes, como las saponinas en sus hojas.
El mecanismo de acción de los aceites esenciales puede estar relacionado con su naturaleza lipofílica, que facilita la penetración a través de la membrana celular del microorganismo (Cardozo et al 2006). Talebzadeh et al (2012) incubaron cinco grupos de protozoos (Entodinium spp., E. caudatum, E. ecaudatum, Isotricha spp. y Dasytricha spp.) con el fin de evaluar el efecto antiprotozoario del aceite esencial de Zataria multiflora,observando que su inclusión entre 300 y 450 g/ml disminuyó el número de Entodinium spp., E. caudatumy, E. ecaudatum y que dosis superiores a 150g/ml desaparecieron por completo Isotricha spp. y Dasytricha spp.
Si bien los hongos comprenden solamente una pequeña proporción de la masa microbiana ruminal, son importantes para la digestión de la fibra (Wang et al 2012). El efecto de los MSP sobre los hongos ruminales ha sido poco estudiado (Patra y Saxena, 2009).
El efecto de los taninos sobre la actividad enzimática de los hongos depende del tanino y la naturaleza de su asociación con la enzima. En un estudio conducido por Barahona et al (2006) se concluyó que los taninos condensados de las leguminosas Desmodium ovalifolium y Flemingia macrophylla fueron más efectivos que los de Leucaena leucocephala para inhibir la actividad de las enzimas fibrolíticas del hongo Neocallimastix hurleyensis. Además, mientras 40 mu g ml-1 de taninos condensados de L. leucocephala fueron necesarios para reducir en 50% la actividad carboximetilcelulasa, sólo 5.5 mu g ml-1 de los mismos taninos fueron efectivos para inhibir el 50% de la actividad xilanasa. Para reducir en igual magnitud la actividad beta-D-glucosidasa y beta-D-xilosidasa fueron necesarias concentraciones superiores a 100 mu g ml-1.
La poblaciónde hongos ruminales ha disminuido como respuesta a la utilización de saponinas (Goel et al 2008). En trabajos reportados por Wang et al (2012) se encontró que las saponinas del té disminuyeron la concentración de hongos in vitro, pero no en el líquido ruminal de ovejas recibiendo 3 g/d durante 21 días. También Mao et al (2010) reportaron un efecto menor al utilizar saponinas de té, aceite de soya y su combinación en la alimentación de corderos. Estos resultados posiblemente se expliquen por la producción fúngica de ciertas carbohidrasas con capacidad para degradar saponinas, no obstante este concepto debe ser verificado.
La investigación sobre los efectos de los aceites esenciales en los hongos es escasa, pero en general sugieren la inhibición del crecimiento fúngico (McIntosh et al 2003). Diferentes mecanismos de acción han sido sugeridos para explicar su actividad, incluyendo la inhibición en la síntesis de RNA, DNA y proteínas de la pared (Calsamiglia et al 2007).
Los protozoos benefician a las archaea metanogénicas de diferentes formas. Los metanógenos han sido observados sobre la superficie exterior de los protozoos ciliados y como endosimbiontes de éstos. Igualmente, los protozoos atenúan el efecto del oxígeno a través de sus hidrogenosomas oxígeno-tolerantes y proveen un medio para la retención ruminal de los metanógenos. Teniendo en cuenta que alrededor del 25% de los metanógenos ruminales vive en asociación con protozoos (Newbold et al 1997), se espera que una reducción en los últimos disminuya los primeros. En este sentido, Wang et al (2012) indican que las saponinas del té inhiben los protozoos y presumiblemente disminuyen la actividad de los metanógenos asociados con ellos. No obstante, una débil asociación entre supresión de protozoos y metanógenos fue reportada por Goel et al (2008), quienes reportaron que las saponinas de Sesbania fueron más inhibitorias de los metanógenos (78%) que las saponinas de Fenugreek y Knautia (22 y 21%), mientras que la reducción en el número de protozoos fue de 36, 39 y 25%, respectivamente. Goel et al (2008) encontró que la adición de saponinas del té inhibió la expresión del gen metil-coenzima M reductasa (mcrA) un 76%, elcual está estrechamente ligado a la actividad de los metanógenos. Jayanegara et al (2010) tambiénmencionan el efecto potencial de las saponinas sobre las archaeas metanogénicas y la disminución en la producción de metano.
El efecto inhibitorio de los taninos sobre la metanogénesis ruminal ha sido atribuido directamente a su efecto sobre las archaea metanogénicas y los protozoos, e indirectamente a la depresión en la degradación ruminal de la fibra (Patra y Saxena, 2011). Tan et al (2011) evaluando el efecto de diferentes niveles de taninos condensados extraidos de Leucaena leucocephala (0, 15, 20, 25 y 30 ml en un medio conteniendo 500 mg de Panicum máximum y 40 ml de fluido ruminal buferado) encontraron que la producción de metano (ml/g MS) y las poblaciones de archaea y protozoos mostraron una reducción lineal con el incremento en el nivel de taninos. Metanogenos del orden Methanobacteriales también disminuyeron de forma cuadrática. Contrariamente a este hallazgo, recientes estudios indicaron que la suplementación de las dietas con taninos condensados alteró la diversidad de metanógenos ruminales sin afectan el número total de los mismos (McSweeney y Mackie, 2012). Otros estudios donde el recuento de microorganismos metanogénicos no presenta ningún cambio son reportados por Staerfl et al (2012).
Existe un número limitado de estudios disponibles sobre el efecto directo de los aceites esenciales sobre las archaeasdel rumen. Tratamientos con cinamaldehído, aceite de ajo o aceite de baya de junípero no alteraron la abundancia de metanógenos pero si la diversidad relacionada con Methanosphaera stadtmanae, Methanobrevibacter smithii y algunos grupos de archaea (Ohene-Adjei et al 2008). Los autores notaron que el cambio en la diversidad de archaeas metanogénicas podría estar asociado con cambios en las especies de protozoos.
El efecto de los MSP sobre la digestibilidad de los alimentos es consecuencia del efecto sobre los microorganismos ruminales o de su interacción con el sustrato y las enzimas microbianas. Niveles del 30% de Calliandra en la dieta de ovejas fueron asociados con disminución de Fibrobacter succinogenes y Ruminococcus spp. (McSweeney et al 2001a). Los taninos se unen a proteínas y polisacáridos estructurales (celulosa, hemicelulosa y pectina) retrasando su tasa de digestión e interfiriendo con la actividad de las enzimas microbianas (McSweeney et al 2001). Bell et al (1965) demostraron el efecto inhibitorio de los taninos condensados de Lespedeza cuneata sobre la celulasa y pectinasa del fluido ruminal. La inhibición de la actividad endoglucanasa de F. succinogenes por taninos condensados de Lotus corniculatus también fue reportada por Bae et al (1993).
El efecto de los taninos retardando la digestión de la fibra es considerado un efecto secundario comparado con la digestión del nitrógeno (N). Animut et al (2008) observaron que al aumentar el nivel de taninos condensados provenientes de Lespedeza striataen en dieta para cabras, la disminución en la digestibilidad aparente fue mayor para el N respecto la MS y la materia orgánica (MO). Igualmente, en un estudio realizado por Pereira et al (2005) con ovinos, el aumento en el nivel de taninos afectó la digestibilidad de la MS de Mimosa tenuiflora Wild, y más intensamente la degradabilidad ruminal de la proteína bruta (PB). Microorganismos anaeróbicos que puedan degradar los complejos taninos-proteína no han sido identificados (McSweeney et al 2001).
El efecto de las saponinas sobre la digestibilidad depende de la composición de la dieta, la fuente de saponinas y su nivel de inclusión en la dieta (Aazami et al 2013). En general hay inconsistencias en la respuesta, ya que pueden provocar disminución o aumento en la digestibilidad ruminal de la fibra y la MO (Patra y Saxena, 2009a). Aazami et al (2013) trabajando con ovejas no encontraron diferencia en la digestibilidad aparente de la MS, MO, PB, fibra detergente neutra (FDN) y fibra detergente ácida (FDA) entre tratamientos con 0, 100 y 200 mg de saponinas/kg MS. Wang et al (2009)al utilizar 170 mg/d de saponinas en ovejas no observaron ningún efecto sobre el consumo de alimento y la digestibilidad. Saïda-Nasri et al (2011) al administrar 30, 60 y 90 mg de Quillaja saponaria /kg MS no hallaron diferencias en la digestibilidad del alimento en ovejas. Similarmente, la administración de Y. schidigera y Q. saponaria no afectó la digestibilidad de la FDN y la FDA en vacas lecheras (Holtshausen et al 2009). En contraste, en trabajo reportado por Aazami et al (2013) se encontró que la presencia de Quillaja saponinaria disminuyó la digestibilidad aparente y verdadera del sustrato in vitro. Hess et al (2003) compararon in vitroel efecto de tres frutos tropicales (Sapindus saponaria, Enterolobium cyclocarpum y Pithecellobium saman) en dietas basadas en forraje. La degradación de la MOen la dieta con S. saponaria no presentó diferencia frente a la dieta control (sin saponinas), pero fue inferior a la registrada con P. saman y E. cyclocarpum; no obstante, la menor degradación de la FDN se registró en la dieta conteniendo S. saponaria, lo cual pudo deberse a la inhibición de los microorganismos que degradan la fibra. Los resultados de Wang et al (2000) sugieren que las bacterias celulolíticas son las más susceptibles a las saponinas.
Las investigaciones sobre aceites esenciales son recientes y por tanto pocos estudios evaluando su efectosobre la utilización de los nutrientes están disponibles. Benchaar et al (2007) investigaron el efecto de una mezcla de aceites esenciales (0 vs. 750 mg/d) sobre la digestion en vacas Holstein y no observaron ningún cambio en la digestibilidad aparente de la MS, PC, FDN y FDA, lo cual concuerda con los resultados de Benchaar et al (2006), quienes no reportaron ningún cambio en la digestibilidad aparente de la MS, PC, almidón y FDN en vacas lactantes suplementadas con una mezcla comercial de aceites esenciales (Crina ruminants, 2 g/d). Recientemente, Castillejos et al (2006) observaron que la adición in vitro de 5, 50, y 500 mg/L de eugenol no afectó la digestión de la MS, FDN y FDA. No obstante, timol a 500 mg/L si redujó la digestión de estos componentes, lo que no se observó al emplearlo a bajas dosis (5 y 50 mg/L). Estos resultados sugieren que el efecto de los aceites esenciales sobre la actividad microbiana puede variar dependiendo de la dosis y el tipo de aceite esencial usado.
El efectode los MSP sobre los microorganismos ruminales y la digestibilidad de los alimentos da lugar a cambiosen los productos finales de la fermentación, tales como el amoníaco (NH3) y los ácidos grasos volátiles (AGV). Las saponinas, taninos y aceites esenciales, por lo general, reducen la cantidad de N amoniacal (N-NH3) producido en el rumen, lo que mejora la asimilación del N por los rumiantes (Patra y Saxena, 2009a).
Por otro lado, la reducción en el número de bacterias totales y celulolíticas en el rumen por el uso de taninos en la dieta está relacionada con la reducción en la producción de AGV, si bien en algunos estudios no se evidencia efecto negativo. Williams et al (2011) al evaluar raciones totales mezcladas con Medicago sativa, Astragalus cicer L., Onobrychis viciifolia Scop. y Lotus corniculatus L.no observaron efecto del tipo de forraje sobre la concentración de AGVpero si sobre la relación acetato:propionato. Contrariamente, Patra et al (2006) al utilizar extractos de T.chebula y A. Indica si observaron una disminución en la concentración de AGV. Cieslak et al (2012) trabajando con vacas Holstein encontraron que el suministro de Vaccinium vitis-idaea (2 g de taninos/kg MS en la dieta) no afectó la producción de AGV, si bien se registró un incremento en la concentración de propionato y una tendencia a reducir la relación acetato:propionato. De acuerdo con los autores, la ausencia de efecto sobre la producción de AGV puede explicarse por la falta de efecto de los taninos sobre los microorganismos ruminales o a su adaptación a estos compuestos. Igualmente, se propone que los taninos tienen potencial para reducir las emisiones de metano y que la producción de este gas compite con la formación de propionato, lo que puede explicar el aumento en la concentración de este AGV.
Las saponinas tienen efectos variables sobre la producción de AGV, pero la mayoría de los estudios indican un aumento en la proporción de propionato y una reducción en acetato y butirato (Patra y Saxena, 2009a). Aunque los efectos varían con la dosis, la inhibición de los protozoos y hongos (principales productores de H2) y de la actividad de las archaea metanogénicas (principales usuarias de H2) favorece el crecimiento de las especies bacterianas productoras de propionato para mantener el balance de H2 a nivel ruminal (Wallace et al 1994; Wallace et al 2002; Wang et al 2012). Zhou et al (2011) no encontró efecto sobre la concentración de AGV con la adición de saponinas de té, pero la proporción molar de acetato disminuyó y la de propionato aumentó. En un trabajo realizado por Hristov et al (1999), la dosificación ruminal de Yucca schidigera (20 y 60 g/d) en terneras no alteró la concentración de acetato, pero si aumentó la de propionato. Los autores atribuyen este efecto a una inhibición selectiva sobre las especies microbianas. Esto es, el incremento en la proporción molar de propionato en el rumen es a menudo reportado en animales defaunados. La bacteria Selenomonas ruminantium es responsable por la mayor producción de propionato y su crecimiento no es afectado por las saponinas, contrario a lo que sucede con el crecimiento de otras especies bacterianas (Streptococcus bovis y Butyrivibrio fibrisolvens). Es posible que la inhibición de estas bacterias y de los protozoos por las saponinas promueva el crecimiento de S. ruminantium, favoreciendo por tanto la producción de propionato.
El efecto de los aceites esenciales sobre la producción de AGV depende de la dosis empleada. Algunos estudios informan una pequeña disminución en la concentración total de AGV (Chaves et al 2008; Malecky et al 2009), mientras que otros reportan disminuciones significativas cuando se empleanconcentraciones altas (Macheboeuf et al 2008; Kumar et al 2009). En relación con la proporción molar de los AGV, los estudios conducidos por Benchaar et al (2007), Newbold et al (2004) y Castillejos et al (2005) no reportan efecto. De otra parte Castillejos et al (2006), evaluando el efecto de dosis crecientes (0, 5, 50, 500, and 5,000 mg/L) de eugenol, timol, guayacol, limoneno, y vainillina, reportaronque el timol a dosis de 500 mg/L disminuyó la concentración total de AGV y la proporción molar de acetato, pero incrementó la proporción molar de propionato.
El CH4 entérico es un producto generado por la fermentación. Las bacterias, protozoos y hongos metabolizan los carbohidratos de la dieta convirtiéndolos, principalmente, en AGV como acetato, propionato y butirato. En el proceso de síntesis de acetato y butirato se producen moléculas de H2, las cuales deben ser removidas para mantener la eficiencia energética durante los procesos de fermentación anaerobia. El mantenimiento de una baja presión de H2 en los sitios de fermentación representa una condición necesaria para la actividad de hidrogenasas bacterianas y la reoxidación de cofactores reducidos (NADH, NADPH, ferredoxinas), procesos que son imprescindibles para la continuidad de la actividad glicolítica microbiana, la fermentación, el consumo de alimento y la digestibilidad (Leng 2014). Las principales vías de remoción de H2 son la biohidrogenación de ácidos grasos insaturados, la formación de ácido propiónico y de CH4 (Vargas et al 2012). La disminución de la producción de CH4 se lograría inhibiendo las reacciones liberadoras de H2 o promoviendo rutas alternativas en las que se elimine H2 durante la fermentación.
Los taninos inhiben la metanogénesis por su efecto directo sobre los metanógenos y los protozoos y por la reducción en la degradación de los alimentos, lo que disminuye la producción de H2 (Tavendale et al 2005; Vargas et al 2012; Cieslak et al 2012). El efecto sobre la producción de CH4 es muy variable y depende del tipo de taninos y su concentración en la planta. Se ha reportado una mayor disminución cuando se incluyen TC frente a los TH y cuando la concentración en la dieta varía entre 2 y 4% (Vargas et al 2012).
Las saponinas, al interactuar con el colesterol presente en la membrana de los protozoarios causan su lisis ydisminuye la producción de CH4. Se ha sugerido que este efecto se debe a la disminución en la trasferencia de hidrógenos desde los protozoos a los microrganismos metanogénicos, a la reducción en la digestión de la fibra y al aumento en la concentración de ácido propiónico (Vargas et al 2012). En el trabajo de Hess et al (2003) con frutos tropicales conteniendo saponinas, la concentración y la cantidad total de AGV disminuyó con la eliminación de los protozoos, reducción que fue acompañada por la menor proporción molar de acetato y butirato y el incremento en la proporción de propionato. Acetato y butirato son los principales productos de fermentación de los protozoos. Los mismos autores encontraron que S. saponaria y no E. cyclocarpum y P. saman disminuyó la metanogénesis, lo cual pudo ser un resultado dependiente de la dosis y del tipo de saponina. S. saponaria contiene saponinas con una alta actividad molusquicida.
Li y Powers (2012) indican que el efecto de las saponinas sobre la metanogénesis vía inhibición de protozoos ha sido confirmado in vitro, mientras que in vivo los hallazgos no son consistentes. Se sugiere la adaptación o degradación microbiana de las saponinas, con lo que su efecto tal vez no sea permanente. Además, diferencias entre grandes y pequeños rumiantes también deben ser consideradas. En el trabajo de los autores, una mayor concentración de saponinas se requiere con grandes rumiantes para lograr un efecto significativo sobre la emisión de CH4, lo cual puede afectar adversamente la palatabilidad, el consumo y por lo tanto, el desempeño animal.
Mao et al (2010) evaluaron la inclusión de saponinas de té (3g/d), de aceite de soja (3% del consumo de MS) y la combinación de estos sustratos en la alimentación de corderos. La reducción en la producción de CH4, expresada en L/kg MS consumido, fue superior en los animales alimentados sólo con saponinas (27,7 %), seguida por el tratamiento combinado (18.9%) y por último con aceite de soya (13.9%). Este efecto fue atribuido a la disminución de protozoos, a pesar de que no se presentó efecto sobre los microorganismos metanogénicos.
Los aceites esenciales, al inhibir el crecimiento de algunas bacterias gram positivas y gram negativas, reducen la metanogénesis. Los resultados han indicado que el aceite gárlico, cinamaldehído (componente del aceite de canela), eugenol (componente del aceite de clavo), capsaicina (componente de pimientos picantes)y el aceite de anís, entre otros, pueden incrementar la producción de propionato y reducir la de acetato(Calsamiglia et al 2007). En un trabajo reportado por los autores, la adición de timol afectó el metabolismo energético de Streptococcus bovis y Selenomonas ruminantium y disminuyó la concentración de CH4. En relación con el aceite gárlico, se sugiere un mecanismo de acción diferente al de otros aceites esenciales, queconsiste en la reducción de microorganismos del dominio archaea, vía inhibición de la hidroximetilglutaril coenzima A y, por tanto, de la síntesis de isoprenoides, compuestos esenciales para la estabilidad de su membrana celular Calsamiglia et al (2007).
Andrade et al (2012) evaluaron el efecto del aceite de orégano (Lippia graveolens) (niveles entre 100 ppm a 900 ppm con un intervalo de 50 ppm), de taninos condensados de quebracho (niveles 1, 2, 3, 4 y 5%) y de plantas taníferas (Mimosa diplotricha L., 4.3% TC; Tagetes erecta, 1.3% TC) sobre la producción in vitrode CH4. El aceite de orégano fue el medio más efectivo para reducir el CH4, no obstante, con reducción en la digestibilidad de la FDN y de la MO cuando se empleó en altas cantidades.
Los compuestos cianogénicos son compuestos nitrogenados que al hidrolizarse tienen la capacidad de producir cianuro de hidrógeno (HCN), sustancia química letal que detiene la respiración celular (Hassan, 2011) e inhibe los citocromos presentes en metanógenos (Smith et al 1985).
El glucósido cianogénico es un azúcar D-β-glucosa, unido por un enlace O-β-glucosídico a una aglicona (Arrázola 2002). Los glucósidos cianogénicos (GC) son derivados de aminoácidos alifáticos como L-valina, L-isoleucina y L-leucina; de aminoácidos aromáticos como L-fenilalanina y L-tirosina y del aminoácido alifático no proteico ciclopentenil-glicina (Zagrobelny et al 2004). Los GC se almacenan en las vacuolas. Cuando un herbívoro consume la planta, o durante el almacenamiento y trituración, las β-glucosidasas (ej: linamarasa en la yuca) hidrolizan el GC en glucosa y nitrilo, último compuesto que por acción de una hidroxinitrilo liasa libera HCN (Vetter 2000, Zagrobelny et al 2004).
Vetter (2000) menciona que algunos GC son más conocidos que otros debido a su presencia en plantas de mayor importancia para el hombre. Entre los GC se encuentra la linamarina, presente en Manihot esculenta, Linum usitatissimum y Trifolium repens; durrina, presente en especies de Sorghum; amigdalina, presente en las plantas rosáceas y, lotaustralina, presente en Manihot esculenta y Lotus corniculatus. La yuca (Manihot esculenta) es una planta ampliamente cultivada en los países tropicales, y sus hojas representan una buena fuente de proteína sobrepasante para el ganado (Phommasack et al 2011). Trabajos realizados por Phuong et al (2012) y Inthapanya y Preston (2014) dan a conocer el potencial antimetanogénico de los glucosidos cianogénicos a través del empleo de este recurso alimenticio.
Phuong et al (2012) evaluaron el efecto del forraje de yuca (Manihot esculenta Crantz) sobre la producción de CH4 en sistemas de fermentación in vitro con duración de 24 horas. Los autores observaron mayor reducción en la emisión de este gas trabajando con variedades amargas vs. dulces (53.7 vs. 68.7 ml/g de sustrato solubilizado, p=0.17). Las variedades amargas tuvieron mayor liberaración de HCN (600.5 vs. 338 mg/kg MS, p<0.001), y por lo tanto, se presume que tienen mayor concentración de precursores cianogénicos (Inthapanya y Preston 2014).
Los microorganismos son capaces de producir varias enzimas que tienen la capacidad de convertir el HCN en compuestos que pueden servir como fuente de carbono y nitrógeno. Pseudomonas sp., por ejemplo, hidroliza el HCN a formato y amonio (Annachhatre y Amornkaew 2001). Las hojas de yuca, cuya presencia de precursores cianogénicos es reconocida, fueron empleadas como fuente de proteína en un estudio in vitro conducido por Inthapanya y Preston (2014). Los autores observaron que este recurso alimenticio registró la menor producción de CH4 en relación con otras fuentes evaluadas, efecto atribuido a la menor degradabilidad de la fracción proteica.
El HCN por ser soluble y volátil puede eliminarse por lavado o calentamiento, respectivamente (Annachhatre y Amornkaew 2001, Phommasack et al 2011). El efecto del procesamiento del alimento sobre la liberación de HCN y la producción de CH4 fue demostrada en el trabajo de Phuong et al (2012). El secado de las hojas de yuca redujó el potencial para liberar HCN en relación con las hojas frescas (696 vs. 330 mg/kg MS, p<0.01), no obstante, su potencial antimetanogénico también fue menor (63.5 vs 53.9 ml/g de sustrato solubilizado, p=0.21).
Annachhatre y Amornkaew (2001) reportan que la actividad de los metanógenos, y con ello la producción de CH4, es inicialmente inhibida por el cianuro, efecto que es transitorio por la habilidad de estos microorganismos para adaptarse a la presencia de compuestos tóxicos. Los mismos autores citan literatura (Fedorak et al, 1986; Harper et al, 1983) en la cual los metanógenos se adaptaron a concentraciones de cianuro entre 5 y 30 mg/L. De acuerdo con estos reportes el potencial de los glucósidos cianogénicos para reducir las emisiones de CH4 merece mayor investigación, evaluando el efecto de la fuente y su procesamiento en estudios in vivo.
Bajo condiciones tropicales en pastoreo, especialmente durante la época seca, la pobre calidad y la falta de disponibilidad de forraje limitan la producción animal. La introducción de árboles leguminosos representa una alternativa para superar esta limitante, y si bien su contenido de TC puede limitar el valor nutritivo(Barahona et al 2003), algunos trabajos indican efectos positivos sobre las emisiones de CH4. Williams et al (2011) reportaron una reducción de la metanogénesis atribuible a la disminución en la relación acetato:propionato. Igualmente, Vargas et al (2012) reportan varios estudios con leguminosas de zonas templadas (Lotus corniculatus) y tropicales (Flemingia macrophylla, Calliandra calothyrsus) donde la producción de CH4 disminuyó entre 16-30% por unidad de materia seca consumida o por unidad de producto animal. Molina et al (2013), a través de la técnica in vitro de producción de gases, incubaron leucaena (Leucaena leucocephala) y pasto guinea (Megathyrsus maximus) de forma individual y combinada.
La producción de CH4 fue 36% menor para el tratamiento con leucaena en relación con el pasto guinea y las mezclas, efecto atribuido a su contenido de TC. Apráez et al (2012) indicaron que recursos forrajeros como la Acacia decurrens, Sambucus nigra, Ambrosia arborescensy, Otholobium munyense, resultan promisorios en la dieta de rumiantes ya que,además de su aporte fibroso y proteico, contribuyen a disminuir la producción de CH4 por su contenido de taninos. Vargas (2013) sugiere que la producción de CH4 en sistemas silvopastoriles puede ser mitigada a través de la presencia de TC y la inclusión de leguminosas en la dieta. Al incluir 30% de heno de Lotus uliginosus sobre una dieta basal de Pennisetum clandestinum en ovinos, el autor encontró que la producción de CH4 por unidad de MS consumida fue 35% menor. Carulla et al (2005) encontraron que la inclusión de taninos de Acacia mearnsiien la dieta redujo la liberación de CH4 un 13%.
De la producción y procesamiento de alimentos para el hombre se originan numerosos subproductos y residuos que pueden ser destinados a la alimentación animal. Las características nutritivas difieren según su origen y el procesamiento industrial. Como resultado del procesamiento húmedo o seco del café se obtiene la pulpa y la cáscara de café, respectivamente (Pandey et al 2000), subproductos que pueden ser utilizados en la alimentación animal (Lima et al 2006, Herrera et al 2003; Mazzafera, 2002), si bien existen limitantes relacionadas con su contenido de taninos, potasio y cafeína (Noriega et al 2008). La pulpa de café constituye alrededor del 29-40% del peso del fruto entero y posee un contenido de taninos que fluctúa entre 1,8 y 8,56%, lo que ha llevado a sugerir niveles de inclusión inferiores al 20% en la alimentación de los rumiantes (Noriega et al 2008). Portela (2012) evaluó in vitro diferentes subproductos agrícolas, encontrando que la cascarilla y la pulpa de café (Coffea arabica) disminuyeron el número de protozoos y la producción de acetato, butirato y CH4.
De la extracción del jugo de uva se obtiene el orujo, aproximadamente 18-20 kg/100 kg de uva, que se compone principalmente de semillas, piel y pulpa (Spanghero et al 2009). La presencia de compuestos secundarios, tales como fenoles y antocianinas, representa una limitante para su empleo en la alimentación de rumiantes, no obstante, esta característica, conjuntamente con su contenido de grasa, le otorgan potencial para reducir las emisiones de CH4 (Moate et al 2014). Los autores evaluaron el efecto del orujo de uva peletizado o ensilado en vacas Holstein, encontrando que la emisión de CH4 fue de 470 g/vaca/día para la dieta control (sin orujo) y de 375 y 389 g/vaca/día para los tratamientos con orujo peletizado y ensilado, lo que correspondió a una producción de 26.1, 20.2, y 21.5 g de CH4/kg de MS consumido, respectivamente. El número de bacterias y de archaea fue menor con la suplementación de orujo, no obstante, la comunidad de hongos y de protozoos no se vió afectada. Abarghuei et al (2010), al trabajar con ovejas que recibieron orujo de uva observaron una menor digestibilidad de la MO, PB y FDN en relación con la dieta control, efectos atribuidos al contenido de taninos y de lignina de este subproducto. A diferencia del trabajo de Moate et al (2014), los autores encontraron que los animales alimentados con orujo presentaron un número inferior de protozoos.
Como se ha descrito previamente, los metanógenos ruminales utilizan principalmente H2 para reducir el CO2 (HCO3-) a CH4 en una serie de reacciones acopladas a la síntesis de ATP (Leahy et al 2010). 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 rumen (Hungate et al 1970).
Leng (2014) presentó varias hipótesis que tratan de explicar los cambios asociados al empleo de compuestos antimetanogénicos. En primer lugar, el autor indica que el uso de compuestos tóxicos para los metanógenos o de sustancias que inhiben la síntesis de CH4 no representala vía más racional para aminorar la emisión de GEI, toda vez que estos compuestos probablemente conducen a la liberación de H2, en lugar de CH4, a la atmósfera. Según Derwent et al (2006) el H2 reacciona con radicales hidróxilostroposféricos y perturba la distribución del CH4 y el ozono, que son los GEI de mayor importancia después del CO2. Por esta razón, puede considerarse al H2 como un GEI indirecto con un potencial de calentamiento de 5.8 veces superior al CO2. Debido a que el CH4 tiene un potencial de calentamiento de 23veces superior al CO2y que su formación requiere la participación de 4 moles de H2, poca utilidad tiene mitigar 1 mol de CH4 entérico si la consecuencia es la liberación de 4 moles de H2 a la atmosfera. En este sentido cobra importancia la evaluación de aceptores electrónicos como el nitrato, que al generar amonio como producto final, representa un medio efectivo paraconservar el H2 (Anderson et al 2003).
La mayoría de los microorganismos ruminales forman consorcios organizados dentro de biopelículas (biofilms) asociadas a las partículas de alimento. En estos biofilms, las colonias individuales optimizan la utilización de productos intermedios de la fermentación, en tanto que la síntesis de CH4 previene el incremento en la presión parcial de H2 y sus efectos negativos sobre la glicólisis. La mayoría de los metanógenos son capaces de producir formato desde H2 y CO2, bien cuando la actividad fermentativa y la producción de H2 son altaso cuando las rutas metanogénicas son bloqueadas. Considerando que el formato producido es liberado al ambiente ruminal, donde es convertido a H2 y CO2 por las bacterias, se producirá un incremento moderado en la presión parcial de H2 en el fluido ruminal, pero no en los sitios próximos a la fermentación (biofilm), con lo cual no se afectará negativamente la oxidación de cofactores reducidos ni la fermentación. No obstante, siendo el H2 un gas relativamente insoluble, será excretado rápidamente a través del eructo, con el efecto ambiental negativo previamente descrito. Con base en este postulado las investigaciones sobre el empleo de sustancias con potencial antimetanogénico debe trascender y evaluar su efecto sobre la síntesis de H2 y formato(Leng 2014).
La habilidad de los metanógenos de producir y usar formato para la metanogénesis plantea la posibilidad de investigar el efecto de sustancias aceptoras de electrones (nitratos y sulfatos) e inhibidoras de la síntesis de CH4 y formato (nitrocomponentes), en cuyo último casola acetogénesis reductiva (conversión de H2 y CO2 en ácido acético, Ragsdale y Pierce 2008) será lavía responsable del mantenimiento de una baja presión de H2, la regeneración de cofactores y la continuidad de la glicólisis (Leng 2014). Entre losnitrocomponentes se encuentran el nitropropanol, el nitroetano y el nitroetanol. Su empleo como sustancias antimetanogénicas representa una alternativa frente a los nitratos, los cuales generan intermediarios reducidos que son tóxicos para el ganado (Anderson et al 2003).
Los MSP, tales como saponinas, taninos y aceites esenciales, parecen tener potencial para inhibir la producción de CH4 en el rumen a través de su efecto sobre la población microbiana, especialmente sobre protozoos y metanógenos. La respuesta depende de la dosis, estructura química, peso molecular y composición de la dieta. La evaluación del potencial antimetanogénico de estos MSP debe trascender y cuantificar su efecto sobre la emisión de H2, importante donador electrónico que también origina problemas de calentamiento global.
Los metabolitos secundarios también pueden afectar negativamente la palatabilidad y la digestibilidad, lo que puede limitar la inclusión de algunos recursos tropicales, arbóreos y agroindustriales en la dieta de los rumiantes. Por tanto, trabajos conducentes a evaluar conjuntamente su efecto sobre el consumo, la digestibilidad, el desempeño productivo y la emisión de CH4 deben ser conducidos.
Los autores agradecen al Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación- Colciencias- el apoyo para el desarrollo de la propuesta de investigación “Efecto de la suplementación con arbóreas y subproductos agroindustriales sobre la eficiencia energética y la emisión de gases de efecto invernadero en ganado cebú“, la cual motivo la realización de esta revisión de literatura.
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Received 11 September 2014; Accepted 15 October 2014; Published 3 November 2014