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El desafío de la metanogénesis en bovinos

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Abstract and Figures

Siguiendo los resultados de exhaustivas investigaciones realizadas en la extensa colección de cepas de levadura de Lesaffre, Actisaf ha sido seleccionado como la solución más adecuada para la producción animal actual. Avalado por rigurosos estudios científicos, este probiótico se utiliza actualmente para mejorar la salud y los rendimientos productivos de más de 100 millones de animales en todo el mundo. Desde la nutrición animal hasta la nutrición humana, Actisaf ofrece beneficios para todos los eslabones de la cadena alimentaria. Actisaf asegura tanto la calidad del producto final como su seguridad, estos factores son fundamentales para lograr una producción alimentaria sostenible.
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The Probiotic
Pro our future generation
phileo-lesaffre.com
Siguiendo los resultados de exhaustivas investigaciones realizadas en la extensa
colección de cepas de levadura de Lesaffre, Actisaf ha sido seleccionado como la solución
más adecuada para la producción animal actual. Avalado por rigurosos estudios
científicos, este probiótico se utiliza actualmente para mejorar la salud y los rendimientos
productivos de más de 100 millones de animales en todo el mundo. Desde la nutrición
animal hasta la nutrición humana, Actisaf ofrece beneficios para todos los eslabones
de la cadena alimentaria.
Actisaf asegura tanto la calidad del producto final como su seguridad, estos factores
son fundamentales para lograr una producción alimentaria sostenible.
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investigación
investigación
EL DESAFÍO DE LA
METANOGÉNESIS
EN BOVINOS
Castillo C. a; Abuelo A.b; Hernández J.a
a Departamento de Patoloxia Animal. Universidade de Santiago de Compostela.
b School of Animal & Veterinary Sciences. Charles Sturt University. Australia.
En el Eurobarómetro 2014 apareció
que la principal preocupación de la
población europea son las amenazas
medioambientales, ligeramente por encima
de la falta de alimentos o de agua para la
población humana.
Automáticamente, al pensar sobre este
hecho, a la mayoría de las personas nos
viene a la mente el efecto invernadero, el
cual se produce por la acumulación en el
ambiente de gases tóxicos:
Anhídrido carbónico
las emisiones de gases de efecto
invernadero se cuantican en kg CO
2
Metano (CH
4
)
Óxido nitroso (N
2
O)
Ozono
Gases indirectos
como puede ser amonio (NH
3
)
Globalmente, el 55% del total del
metano producido proviene de
los sectores agrícolas-ganaderos,
destacando el papel de los animales
domésticos, siendo la especie que
más produce cuantitativamente el
ganado vacuno, con un 74, 2% de
las emisiones (CO2 equivalente). Y de
este total, las vacas lecheras son las
que menos producen, con un 18%,
mientras que el resto de vacuno
(vacuno adulto y joven de carne) se
encarga de producir el 55,3% de las
emisiones, según los datos aportados
por la FAO, correspondientes al período
de tiempo comprendido entre 1990 y
2012.
Como dato positivo, y analizando por
continentes, cabe señalar que en Europa
observamos una disminución en la
emisión de gases, a un ritmo anual de
- 2,87%, aunque por el lado negativo,
África presenta unas cifras de crecimiento
positivo de emisiones de gases del 2,35%.
Tras valorar este dato, cabría preguntar
la razón de por qué África, continente
con sistemas de producción menos
exigentes que en otros industrializados,
emite cada año más gases de efecto
invernadero.
Del 55% del metano
total producido por el
sector agrícola-ganadero,
el 74,2% corresponde al
ganado vacuno
En la participación de cada
uno de los gases tóxicos al
efecto global encontramos
al metano, su vida media
en el ambiente dura 12
años y contribuye 25 veces
más al calentamiento
global que el anhídrido
carbónico, siendo
responsable del 9% del
efecto invernadero
Con relación al metano,
los bovinos producen 74
toneladas métricas, de
las cuales el 88% tiene su
origen en el rumen y el
12% a nivel intestinal
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investigación
METÁGENOS, MICROORGANISMO
GENERADORES DE METANO
Figura 1. Fórmula del ácido 2-mercaptoethanesulfónico.
En Europa observamos una
disminución en la emisión
de gases, a un ritmo anual
de menos 2,87%, aunque en
África se da un crecimiento
positivo de emisiones de
gases del 2,35%
Teniendo en cuenta que el metano
producido por el animal y eliminado debe
ser considerado una pérdida neta de
energía del animal, reduciendo por tanto
el rendimiento productivo, deberíamos
reducir su presencia, no sólo por importantes
razones medioambientales, sino también
por condicionantes económicos, con
objeto de rentabilizar las producciones.
El metano producido por el animal y
eliminado debe ser considerado una pérdida
neta de energía del animal, reduciendo
por tanto el rendimiento productivo.
La evolución de la producción, tan distinta
según la localización geográca, nos hace
pensar que, lejos de estar satisfechos por la
existente reducción europea en la emisión de
gases de efecto invernadero, el problema de
las emisiones persiste, sobre todo en zonas
más desfavorecidas, por lo cual deberíamos
buscar estrategias para disminuir la liberación
de esos gases dañinos al medio ambiente.
Con relación al metano, podemos señalar
que es un producto nal generado
en ambientes anaerobios a raíz de la
fermentación de los alimentos, situándose
la producción en el rumen, habiendo sido
identicado también en zonas intestinales,
al igual que en los monogástricos.
Si bien es cierto que de las más de 74 toneladas
métricas anuales que producen los bovinos,
el 88% tiene un origen ruminal y el resto será
producido a nivel intestinal, no podemos
establecer unas cifras exactas, y estas son
aproximadas, pues su contribución al total
emitido es variable, dependiendo del
animal y no del lugar en donde se produce.
Una vez producido, el metano de origen
ruminal será eliminado al medio ambiente
a través del aire espirado por la boca, y el
intestinal también a través de las heces.
Los metágenos son microorganismos
pertenecientes al género Archaea y al
Phylum Euryarchaeota, algunos de los
cuales viven en la supercie de los protozoos
ciliados del rumen, son concretamente
los responsables de la producción del
13% de metano que genera el animal.
Los metágenos son organismos
que presentan dos coenzimas,
el F420
1 y el M2, que al metilar el
ácido 2-mercaptoethanesulfónico
producirán metano.
1 presentes en las enzimas Hidrogenasa
y Formato deshidrogenasa
2 excepto para Methanobrevibacter ruminantium,
el cual procede de una fuente externa
METÁGENOS EN EL RUMEN
Los metágenos difieren de las
bacterias en que en vez de tener
peptidoglucanos en la pared celular
presentan pseudomurina en los
géneros Methanobrevibacter
(A) y Methanobacterium (B),
heteropolisacáridos en géneros
Methanosarcina (C) y proteínas en
el género Methanomicrobium (D).
Metágenos
género Archaea
Protozoos ciliados
del rumen
(D) Methanomicorbium
(C) Methanosarcina
(B) Methanobacterium
(B) Methanbrevibacter
Al metilar el ácido
2-mercaptoethanesulfonico, los
metágenos producirán metano
RUMENINTESTINO
88 %
12 %
74 t
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Algunos de estos metanógenos han sido
también identicados en el intestino.
Sabemos que existe un escape real de materia
orgánica desde el rumen para ser fermentada al
intestino, en porcentajes nunca inferiores al 10 %.
METÁGENOS EN EL INTESTINO
Es interesante comentar que no todos los
metanógenos utilizan las mismas rutas
bioquímicas a la hora de sintetizar el metano.
Algunos del género Methanosarcina
utilizan metanol y metilamina para
formarlo, mientras otros utilizan formato,
derivado del acetato. Este acetato, una
vez fermentado, provee un grupo metilo
que es utilizado en la metanogénesis.
Los AGV usualmente no son utilizados como
fuente de metano, porque es la interconversión
desde hidrogeno y anhídrido carbónico
un proceso muy largo en el tiempo.
La producción de metano tiene relación
directa no sólo con la cantidad de
carbohidratos fermentados en el rumen,
sino además con la relación entre los
diferentes ácidos grasos producidos.
Puesto que condiciona la producción de
hidrógenos, y por tanto, de metano.
SÍNTESIS DEL METANO
En cuanto al tipo de metanógenos que
encontramos en el rumen, más allá de
retener en la mente, desde un punto de vista
práctico, como ejemplos, Methanobrevi-
bacter ruminantium o Methanomicrobium
mobile, no deberíamos olvidar que el
tipo y la composición de la alimentación
(concentrado o forraje), e incluso la
localización, determinarán la ora presente
en los entornos anaerobios adecuados, ya
sea el rumen o el intestino, y por tanto, la
producción en términos absolutos del mismo.
De hecho, y sorprendentemente, en terneros
de cebo, la producción de metano por unidad
de carne producida es menor en animales
de régimen intensivo, que si lo comparamos
a animales que crecen por pastoreo.
Esto se explica porque los animales que
pastorean viven más tiempo, gastan más
energía en producir una unidad de carne, por
lo que pierden más energía como metano,
y encima producen menos producto nal.
El factor directo, que es la producción de
Kg metano/año, aunque sea mayor en los
animales de cebo intensivo, su contribución
a la contaminación total será menor.
PRODUCCIÓN DE METANO A PARTIR DE
MOLÉCULAS ORGÁNICAS
Dónde las bacterias metanógenas pueden producir
también metano a partir de sustratos orgánicos sencillos
como el ácido acético, el formiato, el metanol, la
metilamina, el sulfuro de dimetilo y el metanotiol .
Mediante la prueba de 14C se ha demostrado que
el metano se origina exclusivamente a partir
del carbono metílico del ácido acético:
CH3COOH CH4 + CO2
Por tanto, estas bacterias pueden producir metano a
partir de formas parcialmente reducidas de carbono
contenido en compuestos orgánicos: tales reacciones
pueden considerarse como verdaderas fermentaciones.
Se han publicado ecuaciones basadas en la
estequiometria de la fermentación, que
predicen la formación de metano según las
diferentes cantidades de AGV (Most et al, 2000).
La perdida de energía en forma de CH4
dependerá de la producción de mayor o
menor cantidad de ácido propiónico.
Por ejemplo:
Si el cociente acetato/propionato
en el dividendo fuera 0,5, la
pérdida energética sería 0,
Mientras que si solo se produjese
acético, y no propiónico, la pérdida
energética podría elevarse al 33 %.
De este modo , de la fórmula se deduce que:
Si conseguimos propionato, éste tiene
un efecto negativo sobre la cantidad de
metano, pues compite por el hidrogeno
con el anhídrido carbónico a nivel ruminal
La inuencia del butirato es baja
Claramente se ve que la cantidad de
acetato es el factor más importante a la
hora de considerar la metanogénesis
La cantidad de acetato es
el factor más importante
a la hora de considerar la
metanogénesis
La producción de metano por unidad de carne
producida es menor en animales de régimen intensivo,
que los animales que crecen por pastoreo
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investigación
ESTRATEGIA OBJECTIVO EJEMPLOS
Inhibición metanogénesis
Inhibición química de
síntesis de metano
Inhibir la metanogénesis
añadiendo análogos halogenados
de metano
2-bromoetano-
sulfónico (BES) , bromo-clorometano ,
á-ciclodextrina, Cloroformo, hidrato de cloral
Estimulantes producción
propionato
Reguladores funcionales del
rumen.
Malato, fu marato.
Estimulación de producción
acetato (acetogénicos)
Bacteria s que sintetizan acetato a
partir de m etano.
Adición bacterias acetogénicas como Acetito-
maculum ruminis
Oxidantes de metano
(Metanotrócos)
Bacteria s que promueven la
oxidación de me tano a CO2 en el
rumen
Adición bacterias metan otrócas como
Metilococus termólos.
Defaunación de protozoos
química o con probióticos
Retirada del 9 al 2 5% de la
población pr otozoaria como
responsab le de la producción de
metano.
Extractos de plantas (saponi nas, taninos).
Adición de grasas. Saccharomyces cerevisiae,
Aspergillus oryzae
Inmunización Vacunación Variable según localización geográca.
Mejorar la productividad (rendimiento) animal
Cambios dietéticos:
a) Aumentar ratio
concentrado/forraje
b) Aumentar dieta a ba se
concentrados
a) Modicar el coc iente acetato : propionato en ru men
b) Cambiar el pH ruminal h acia un punto que sea
hostil contra las bacterias metanogénicas.
Cambiar l a calidad y
presentación del forraje
Favorecer el escap e ruminal,
mejorando la digestibilidad y
ecacia del rumen.
Lejos de entrar en la polémica de si un sistema
de producción contribuye más o menos que
otro al efecto invernadero, pasemos a repasar
algunas de las estrategias existentes en Europa
que se podrían poner en marcha para reducir
la presencia de este metano en el ambiente.
Las medidas, utilizando un punto de vista
metodológico, para reducir la emisión
de metano, podrían ser subdivididas en
preventivas o nales (Clemens y Ahlgrimm 2001).
Podríamos poner como ejemplo la
incorporación de productos que reduzcan
la producción ruminal de metano, o bien
aumentar el procesado de excrementos,
que son una fuente de metano al ambiente, a
través de ltros y controlando la ventilación,
lo cual sería un proceso muy complicado.
De cualquier modo, lo que nunca podremos
olvidar es que los rumiantes son una
fuente de metano, por lo cual parece claro
que una manera ecaz de controlar
la metanogénesis sería mediante la
manipulación de la alimentación.
Se han propuesto diferentes medidas
encaminadas a mitigar la producción de
metano, y que son expuestas en la siguiente
tabla (modicada de Castillo et al, 2014), algunas de
ellas no autorizadas en la Unión Europea.
ESTRATEGIAS EXISTENTES EN EUROPA PARA
REDUCIR LA PRESENCIA DE ESTE METANO EN EL
AMBIENTE
Relativo a las medidas preventivas
Para sintetizar la tabla anteriormente
expuesta, podríamos señalar que las
opciones pasarían por actuar sobre la
producción de metano directamente,
o a través de compuestos químicos:
Actuando sobre los microorganimos
metanogénicos
Promoviendo la producción de
propionato, o de acetato
Creando ambientes hostiles para
la producción de métano
Por ejemplo limitando la actividad
protozoaria, necesario habitáculo
para parte de los metanógenos.
Imunizar
Aunque presenta dicultades
vinculadas a las variaciones de
los huéspedes según localización
geográca y según el tipo de ración
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Relativo a las medidas nales
La segunda alternativa sería un cambio
en la dieta, incrementando la cantidad
de carbohidratos no estructurales, o bien
procesando tecnológicamente el forraje, con
objeto de mejorar la eciencia de la ración, con
lo cual disminuiremos el metano producido
por kilogramo de carne, o de ser el caso de
leche, pues un hecho cierto es que nunca
podremos evitar la producción de metano.
Como contrapartida a la mayoría de
estas medidas, no deberíamos olvidar
que forzando tanto la selección de la
población ruminal, incrementando el uso
de concentrados en detrimento del forraje,
nos podría llevar a favorecer la aparición
de patologías de índole digestivas, como
puede ser la acidosis láctica ruminal.
Por tanto, el planteamiento
global sería buscar un
equilibrio, minorizando
la producción de metano,
pero sin llevar a los
animales a situaciones
productivas tan
exigentes que pudiesen
provocar el aumento
en el número de bajas
o el descenso en el
rendimiento productivo
... However in other places, such as Africa, there has been a growth in emissions by 2.35% (Lin et al., 2015) From a cattle standpoint, the synthesis of methane during rumen fermentation consumes energy from the animal to the detriment of productive results. Therefore, the reduction of their emissions is of interest not only from the environment, but also for the economy of the farmer (Szumacher-Strabel et al., 2004;Castillo et al., 2016a). ...
... There is a vast body of literature that assesses different results obtained by the introduction of different compounds such as organic acids (malate or fumarate), yeast (Saccharomyces cerevisiae), plant extracts, (see review of Castillo et al., 2004Castillo et al., , 2012a, or microalgae (Aemiro et al., 2016). l The end-point measures go through a change in diet, increasing the amount of nonstructural carbohydrates or technological process of forage and decreasing the amount of methane per kilogram of meat or milk (Castillo et al., 2016a) A brief summary of the different measures currently active are exposed in Table 4. Nevertheless, the selection and technological manipulation of ruminal microorganisms through genetic techniques could be a viable alternative in the near future, as exposed in a previous paragraph. An example is the recent study of Jin et al. (2017), which investigates the effects of dietary supplementation of active dried yeast on the fecal methanogenic archea community of dairy cattle. ...
Chapter
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In the near future, bovine livestock would need to keep pace with the projected demands from population growth and environmental concerns. It is clear that the advances in the bovine sector worldwide in a sustainable scenario will require the use of new technological tools (biological or not) with the engagement of a wide variety of disciplines ranging from veterinarians, agronomists, economists, biologists, geneticists, microbiologists, food-policy makers, engineers, bioinformaticians, and farmers. This article considers new biotechnological approaches that range from new sources in cattle nutrition (genetically modified crops or insects); genetic improvement (including the effect of epigenetic or rumen microbiota manipulation); meat and milk quality and safety (functional foods); improvements in waste disposal on farm, to the use of technology (nanotechnology and/or wearable and nonwearable devices).
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