EVALUACIÓN DE UN SISTEMA RUMINAL BASADO EN CAÑA DE AZÚCAR MEDIANTE UN MODELO DINÁMICO MECANÍSTICO Luis Vargas-Villamil, Juan Ku-Vera, Felipe Vargas-Villamil y Salvador Medina-Peralta
RESUMEN Se utilizó un modelo dinámico mecanístico (Turix v 1.0) como base de una función de regresión para la obtención de los parámetros ruminales, utilizando dos series de datos experimentales in situ e in vitro de tres tratamientos de la caña de azúcar (CZ). Los resultados de los ajustes para los tratamientos, concentración de biomasa (M) en cultivos con caña integral (CI), fibra detergente neutra y ácida fueron: a) kM, SmL= 16,28; 49,20 y 20,86ml/h por mgM; b) kLM= 9,99E+03; 9,92E+03 y 9,98E+03/h; c) YPAGV, SF= 0,72; 0,28 y 0,14g/g y d) raíz media del residual al cuadrado, 3,86E-03; 2,85E03 y 1,87E-03 respectivamente. Contrario a lo esperado, los resultados indican que para el tratamiento de CI existe una captura len-
ta de sustrato microbiano y un rendimiento de M bajo. El comportamiento de M a las primeras horas de cultivo sugirió la presencia de una fase rápida de captura de carbohidratos solubles, como consecuencia de concentraciones altas de carbohidratos solubles. Los resultados sugieren bajos niveles de M sobrepasante que pueden ser una de las causas de los bajos rendimientos de rumiantes con dietas a base de CZ. Aunque se requiere trabajos adicionales para valorar la utilidad del modelo en el análisis de alimentos, así como del comportamiento nutricional de la CZ, el trabajo plantea un nuevo enfoque en la evaluación de los sistemas ruminales.
SUMMARY A mechanistic dynamic model (Turix v 1.0) that involves differential equations and in situ and in vitro data, was used for estimating the ruminal parameters for three sugar cane (CZ) treatments. The results for the treatment, integral cane (CI), neutral detergent fiber and acid detergent fiber biomass (M) concentration, were a) kM, SmL= 16.28, 49.20 and 20.86ml/h per mgM; b) kLM= 9.99E+03, 9.92E+03 and 9.98E+03/h; c) YPAGV, SF= 0.72, 0.28 and 0.14g/g; and d) the root mean square= 3.86E-03, 2.85E-03 y 1.87E-03, respectively. Contrary to findings by some authors, the results indi-
Introducción La caña de azúcar (Saccharum officinarum; CZ) es un recurso forrajero que puede ser utilizado en las épocas de sequía o inundación, mejorando la eficiencia en la producción de rumiantes (Preston, 1977; Aranda, 2000; Ruiz, 2001), como consecuencia de su alto potencial de producción de 50t/ ha por año, llegando a rendimientos máximos anuales de 89 a 158t/ha (Ruiz, 2001). Se con-
sidera que la CZ tiene un contenido bajo de proteína cruda (PC), alta proporción de contenido celular (CC; la fracción de la CZ que no corresponde a la fibra), elevada proporción de carbohidratos (CH2O) estructurales y lignina, ausencia de grasa y almidones (Sr), y déficit de minerales (Aranda, 2000). A pesar de las ventajas potenciales de un alto CC, las principales limitantes como fuente de forrajes para rumiantes son: i- de orden nutricional, como es la inhi-
cated that a slow microbial substrate uptake and a low M yield for IC exists. The M performance in CI treatment at the first hours suggests a fast soluble carbohydrate uptake as a consequence of a high carbohydrate concentration. The results imply low M surpass that it could be one of the causes of low performance in ruminants eating sugar cane. Additional work is required to evaluate the Turix v 1.0 model utility in the feed analysis but the work raises a new approach in the ruminal systems evaluation.
bición parcial de la celulolísis ruminal, insuficiente contenido de PC para el crecimiento microbiano y animal, déficit de minerales y bajo contenido de Sr; y ii- de orden fisiológico, tales como mayor trabajo de rumia, lenta reducción del tamaño de partículas y elevado tiempo de permanencia de las partículas en el retículo-rumen (Ruiz, 2001). La respuesta a la alimentación con CZ es variable, dependiendo del tipo y nivel de suple-
mentación utilizada. La mejor respuesta se encuentra cuando se utiliza un suplemento que contenga proteína (Pro) y Sr de escape (Preston, 1977; Aranda, 2000). El CC de la CZ es altamente digestible, al contrario de lo encontrado en la fracción fibrosa (Aranda, 2000; Ruiz, 2001). Algunos investigadores (González, 1995; Aranda, 2000) consideran que el bajo consumo de CZ se puede explicar como consecuencia de la alta concentración de CH2O solubles, rápi-
PALABRAS CLAVE / Nutrición Animal / Caña de Azúcar / Modelos Mecanísticos / Rumen / Recibido: 09/02/2004. Modificado: 30/05/2005. Aceptado: 02/06/2005.
Luis Manuel Vargas-Villamil. Medico Veterinario y Zootecnista, Universidad Veracruzana, México. Maestro en Ciencia Animal Tropical y Doctor en Ciencias Agropecuarias, Universidad Autónoma de Yucatán (UADY), México. Investigador, Colegio de Postgraduados
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Campus Tabasco, México. Dirección: Periférico Carlos A. Molina Km. 3.5, Apartado Postal 24, 86500, Cárdenas Tabasco, México. e-mail:
[email protected] Juan Ku-Vera. Médico Veterinario Zootecnista, UADY, México. Maestría en Nutrición Animal y
Doctorado en Nutrición de Rumiantes, University of Aberdeen, RU. Jefe de la Unidad de Posgrado e Investigación, Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia, UADY, México. Felipe de Jesús Vargas-Villamil. Ingeniero Químico, Universidad Veracruzana, México. Ph.D.
0378-1844/05/07/424-07 $ 3.00/0
Universidad Estatal de Arizona State University, EEUU. Investigador, Instituto Mexicano del Petróleo, México. Salvador Medina-Peralta. Licenciado en Matemáticas y Especialidad en Estadística, UADY, México. Profesor, UADY, México.
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RESUMO Utilizou-se um modelo dinâmico mecanístico (Turix v 1.0) como base de uma função de regressão para a obtenção dos parâmetros ruminais, utilizando duas séries de dados experimentais “in situ” e “in vitro” de três tratamentos da cana de açúcar (CZ). Os resultados dos ajustes para os tratamentos, concentração de biomassa (M) em cultivos com cana integral (CI), fibra detergente neutra e ácida foram: a) kM, SmL= 16,28; 49,20 e 20,86ml/h por mgM; b) kLM= 9,99E+03; 9,92E+03 y 9,98E+03/h; c) YPAGV, SF= 0,72; 0,28 y 0,14g/g y d) raiz média do residual ao quadrado, 3,86E-03; 2,85E-03 e 1,87E-03 respectivamente. Contrario ao esperado, os resultados indicam que para o tratamento de CI existe
damente fermentables, inhibidores de la celulolísis ruminal y a los bajos niveles de PC presentes, que afectan negativamente la degradación (Aranda, 2000). Los microorganismos son los responsables de la mayoría de los procesos que se llevan a cabo en el rumen. La degradación, captura de sustrato microbiano (Sm), aumento de biomasa (M) y fermentación son solo algunos de estos procesos que se reflejan en el comportamiento del consumo, digestibilidad, material sobrepasante, tipo y concentración de productos de la fermentación (P), así como en el comportamiento animal. El análisis de los procesos ruminales en animales que consumen CZ solo puede ser comprendido a través del estudio cuantitativo y cualitativo del comportamiento bacteriano, ya que los responsables directos de las tasas de degradación y síntesis de M y P son los microorganismos ruminales. La modelación dinámica mecanística es una herramienta útil en el estudio de los procesos digestivos y ha sido utilizada con la CZ (Dijkstra et al., 1996). Sin embargo, es una ciencia nueva en nutrición animal que va adquiriendo importancia para el estudio de diferentes fenómenos. Con ella se estudian las relaciones presentes en el sistema para posteriormente describir el comportamiento biológico desde un punto de vista matemático. Los factores estudiados en la alimentación con dietas de CZ pueden ser integrados a un modelo para analizar el comportamiento del sistema ruminal ante diferentes situaciones presentes en el campo.
La CZ es un recurso importante desde el punto de vista forrajero y azucarero, con gran potencial, que puede ser explotado para mejorar la eficiencia de los rumiantes que consumen CZ. Cualquier optimización en su utilización la hará más atractiva para la inversión. Sin embargo, el alto potencial de la CZ no se refleja en los resultados. Muchos de los aspectos involucrados tienen que ver con aspectos cuantitativos más que cualitativos, por lo que es importante trabajar con métodos cuantitativos como los modelos matemáticos, que resuelven las interrogantes sobre el peso relativo de cada proceso en el comportamiento final del animal. Con el modelo Turix v 1.0 (Vargas-Villamil, 2003; VargasVillamil et al., 2004) se obtuvieron los valores de tres parámetros con significado biológico: kM, SmL, que determina el comportamiento del proceso de captura de Sm; kLM, que determina el comportamiento del proceso de crecimiento bacteriano a partir de un metabolito intermediario, y YPAGV, SF, que determina el rendimiento microbiano (Y) de producción de productos relacionados a los ácidos grasos volátiles (PAGV) en relación con el substrato fermentado (SF) que entra al sistema. Con este modelo se pueden evaluar las diferencias cinéticas del crecimiento bacteriano entre las diferentes fracciones de la CZ y de esta forma empezar el estudio cuantitativo de este alimento con la finalidad de optimizar los recursos. En este trabajo se considera al alimento o sustrato animal (Na), como al sustrato añadido a cualquier medio de cultivo ru-
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uma captura lenta de substrato microbiano e um rendimento de M baixo. O comportamento de M nas primeiras horas de cultivo sugeriu a presença de uma fase rápida de captura de carboidratos solúveis, como conseqüência de concentrações altas de carboidratos solúveis. Os resultados sugerem baixos níveis de M sobrepassante que podem ser uma das causas dos baixos rendimentos de ruminantes com dietas a base de CZ. Ainda que se requeira trabalhos adicionais para valorizar a utilidade do modelo na análise de alimentos, assim como do comportamento nutricional da CZ, o trabalho apresenta um novo enfoque na avaliação dos sistemas ruminais.
minal o proporcionado al rumiante para su estudio, que todavía no ha sufrido transformación alguna por el contacto con el animal o medio de cultivo. Materiales y Métodos Para el estudio cuantitativo del sistema ruminal se utilizó el modelo Turix v 1.0 (Vargas-Villamil, 2003; Vargas-Villamil et al., 2004) como base de una función de regresión para la obtención de los valores de los parámetros kM, SmL, kLM y YPAGV, SF para cada uno de tres tratamientos: caña integral (CI), fibra detergente neutro (FDN) y fibra detergente ácida (FDA) de la CI. La CI esta compuesta de toda la biomasa de la CZ sin la raíz, por lo que se puede considerar CZ como sinónimo de CI en este trabajo. Las series de datos utilizadas durante los ajustes para cada uno de los tratamientos y los valores iniciales de las variables, reportados en la Tabla I, fueron obtenidos de experimentos in situ e in vitro reportados por Aranda (2000) donde no existían concentraciones limitantes de nitrógeno (N). Debido a que es la primera vez que se ajustan parámetros de fracciones de CZ, los valores iniciales utilizados tuvieron mínimos= 0 y máximos aumentados (kM, SmL= 100ml/h por mg de M; kLM= 10000/h); YPAGV, SF= 100g/g. Lo anterior se hizo con la finalidad de tener la seguridad de que los rangos de valores utilizados en el ajuste son suficientes para abarcar valores de parámetros extremos. En anterior reporte (Vargas-Villamil et al., 2004) se detallan el significado de los términos y variables
utilizados en este trabajo. Los valores de CNS(0,5) y kNSSm utilizados en el modelo Turix v 1.0 se consideraron valores iguales a cero debido a que, después de estudiar (Vargas-Villamil, 2003) la cinética de la desaparición del residual, mediante la técnica de la bolsa de nylon, durante las 12h iniciales, se consideró que solo existía la fase degradable (ND). Los valores de CSC(0,5) y kSCSm se consideraron valores iguales a cero debido a que no se incluyó CH2O en el medio de cultivo. Los valores de CND(0,5) y CM(0,5), corresponden a las concentraciones de fase degradable (ND) y M en el medio de cultivo al tiempo 0,5h, calculados a partir de los datos de Aranda (2000). Posteriormente, se utilizaron los valores ajustados de los parámetros para obtener la solución numérica del modelo y de esta forma estudiar el comportamiento cinético del sistema ruminal en dietas a base de CZ. El desarrollo y la evaluación matemática del modelo se presenta en Vargas-Villamil (2003) y Vargas-Villamil et al. (2004). Resultados y Discusión Los procedimientos de ajustes pueden ser utilizados para estimar parámetros a partir de datos experimentales obtenidos in situ e in vitro, para posteriormente ser incorporados a modelos que describan el comportamiento total del sistema (López et al., 2000). La optimización de una función objetivo permite encontrar el valor del parámetro que relacione los datos con una representación abstracta, o modelo, de la realidad (Richter y
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Söndgerath, 1990). Para que al resultado del procedimiento de ajuste pueda dársele una interpretación biológica, se requiere que la función de regresión represente al sistema adecuadamente. El modelo Turix v 1.0, como base de una función de regresión, representa una realidad abstracta y limitada del sistema. Sin embargo, permite cuantificar y comparar procesos biológicos que no pueden ser analizados directamente. Caña de azúcar Caña integral. En el caso de la CI, el valor ajustado de kM, SmL fue de 16,28ml/h por mgM, que puede ser considerado un indicador de captura de Sm (Vargas-Villamil, 2003). Sin embargo, el material degradado que sale de la bolsa de nylon no forzosamente esta completamente degradado. Existe la posibilidad de que este material se degrade durante el tiempo que se encuentra disuelto en el líquido ruminal. Una degradación más lenta que la captura del sustrato microbial puede reflejarse en el valor estimado de este parámetro. Si el alimento que se filtra a través de la bolsa no esta totalmente degradado y se degrada a la misma velocidad que el residual que esta dentro de la bolsa, el valor de kM, SmL será un índice de la degradación de lo que se escapa de la bolsa y no de la captura de sustrato microbial (Sm). Para estudiar lo
anterior, es necesario diseñar experimentos donde el alimento o sustrato animal (Na) sea el sustrato ya degradado. Esto se puede realizar mediante el estudio in vitro de compuestos simples (monómeros), que pueden ser posteriormente comparados a estudios con compuestos más complejos (polímetros). Mientras tanto, el valor de kM, SmL indicará cual es el comportamiento de Sm, independientemente de cual sea el tipo de sustrato presente en el medio. El valor de kLM= 9,99E+03/h obtenido después del ajuste es un indicador de la tasa de síntesis de M en relación con la suma de la materia seca de los metabolitos intermedios (L). Debido a que no existe en la literatura indicadores equivalentes para comparación, solo podrá ser evaluado cuando se obtengan nuevos estimados de éste parámetro. En este trabajo, los tres tratamientos tuvieron resultados similares con respecto al parámetro kLM, indicando una síntesis de M a partir de L similar. El valor ajustado de YPAGV, SF= 0,72g/g indica que aproximadamente el 72% de Sm se convierte en PAGV y muy poco a M. Este valor puede ser consecuencia de un ajuste no muy preciso debido a las variaciones encontradas en los datos en este tratamiento. Otra posibilidad es que la eficiencia de conversión hacia M realmente sea muy baja en la CI, produciendo ren-
dimientos altos de PAGV. El valor del mínimo de la raíz media del residual al cuadrado (MRMRC)= 3,86E-03 es el más alto de los tres tratamientos, indicando el ajuste menos preciso entre ellos; por lo que cualquiera de los valores de los parámetros pueden no representar adecuadamente la realidad; sin embargo, esto no quiere decir que no estén cercanos a ella. En la Figura 1a se muestra la trayectoria de M de la CI, tanto de los tomados del trabajo de Aranda (2000) como los obtenidos con la solución del modelo. La Tabla II y la Figura 1 muestran la solución numérica del modelo al tiempo 10h. En la CI se puede apreciar que los valores de M obtenidos con el mo-
delo son cercanos a los experimentales, excepto en las tres primeras horas. En un primer análisis, puede suponerse que el aumento es consecuencia de un crecimiento bacteriano acelerado debido a la concentración alta de CH2O solubles en el medio, los cuales son resultado de la degradación en las primeras horas de incubación (Figura 2); sin embargo, este nivel de concentración también podría ser consecuencia de la variación experimental. Las tasas de captura de substrato microbiano (kSmSF) para los tres tratamientos hacen suponer que no es factible que exista un crecimiento bacteriano tan acelerado para las primeras 3h de cultivo de la CI. Es probable que suceda lo que Panikov (1995) reporta como
TABLA I VALORES INICIALES DE LAS VARIABLES UTILIZADAS EN EL MODELO TURIX v 1.0 Variable: -1
kNDSm (h ) fND, Na (%) CND(0,5) (mgND/ml) CSm(0,5) (mgSm/ml) CM(0,5) (mgM/ml) CL(0,5) (mgL/ml) CAc(0,5) (mgAc/ml) CPr(0,5) (mgPr/ml) CBu(0,5) (mgBu/ml) CVa(0,5) (mgVa/ml) QATP(0,5) (mmolATP/ml) QATP(0,5) (mmolATP/ml)
CI
FDN
FDA
1,13404 47,71 0,31596 , 0,00667 , , ,, , , , , -
0,30151 14,10 0,09336 , 0,00208 , , , , , , , -
0,49040 43,77 0,02899 , 0,00229 , , , , , , , -
CI: caña integral, FDN: fibra detergente neutra, FDA: fibra detergente ácido, ND: degradable. -: Valor suficientemente pequeño, Nota: Para el significado de la variables ver Vargas-Villamil et. al., (2004).
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Figura 1. La trayectoria de los datos de la caña integral (CI) (a), fibra detergente neutra (FDN) (b) y fibra detergente ácida (FDA) (c), tanto de los tomados del trabajo de Aranda (2000), como los obtenidos con la solución del modelo. CI: concentración de M en CI (Aranda, 2000); FDN: concentración de M en DN (Aranda, 2000); FDA: concentración de M en FDA (Aranda, 2000); ATPO: concentración de ATP calculado del primer ajuste; CM: concentración de M según el modelo; ATPA: concentración de ATP según el modelo.
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diauxia falsa o aceleración positiva, donde existe un aumento de M debido a un ingreso de exosubstratos hacia un compartimento de almacenaje celular. El Sm para almacenaje puede utilizar mecanismos diferentes a los estudiados para la captura de Glu y celobiosa (Kajikawa et al., 1997; Kajikawa y Masaki, 1999). El potencial de la CZ radica en su alta concentración de CC (46,30%) en etapas maduras, que se piensa puede ser aprovechado en la alimentación de bovinos; por lo que es importante aclarar este aspecto en futuros trabajos; tiene implicaciones en el crecimiento bacteriano y en la retención de Sm por parte de alguna población bacteriana en la alimentación con CZ, que podrían significar procesos de captura diferentes a los comúnmente considerados para los microorganismos. Fibra detergente neutra. En el tratamiento FDN, el valor ajustado de kM, SmL fue 49,20ml/h por (mgM) y el de k LM = 9,92E+03/h. La captura de Sm es más rápida que para el caso de CI, determinando el comportamiento de M. El rendimiento de AGV con YPAGV, SF= 0,28g/g describe una mayor eficiencia durante la síntesis de M, por lo que aún teniendo menor concentración de Sm en el medio, las bacterias crecen a un ritmo similar al del tratamiento CI (Figuras 1a y 1b). El valor de MRMRC= 2,85E-03 indica que los valores del ajuste son más confiables que los de CI. Aunque es importante el estudio de la CI, para estudios comparativos es más conveniente la comparación de las FDN de diferentes alimentos, ya que la variación en los datos es menor. La Tabla II y la Figura 1b muestran la solución numérica del modelo después del ajuste, para el tratamiento FDN. Se puede apreciar que los valores de M obtenidos son cercanos a los experimentales. Las variaciones en los datos son menores que con CI y no presentan un comportamiento similar a la falsa diauxia en las tres primeras horas. Fibra detergente ácida. En el tratamiento FDA, el valor ajus-
tado de kM, SmL fue 20,86ml/h por (mgM), aproximadamente la mitad del encontrado en el tratamiento FDN y mayor al encontrado para la CI. El cambio de la estructura de la fibra, debido a la ruptura celular al ser separada la hemicelulosa, observado por microscopia electrónica (Ruiz, 2001), puede ser la causa de una captura inferior a la del tratamiento FDN. Al utilizar el modelo Turix v 1.0 como base de una función de regresión para la obtención de los parámetros cinéticos de la hemicelulosa (Hc) por diferencia (Hc= FDN-FDA), se obtuvo un valor de kM, SmL= 100ml/h mgM para la Hc (datos no publicados). Una captura baja de Sm para la FDA, requiere una captura alta de Hc, para alcanzar los valores de kM, SmL de la FDN. El menor valor de kM, SmL para el tratamiento FDA se refleja en la concentración de M alcanzada a las 10h= 1,93E02mgM/ml, un tercio de lo encontrado para CI y FDN (Tabla
TABLA II VALOR DE LOS DATOS EXPERIMENTALES UTILIZADOS PARA EL AJUSTE, ASÍ COMO LA SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LOS TRES TRATAMIENTOS A LAS 10h Tratamiento
#M #ATPO M ATPA (mgM/ml) (mmol ATP/ml) (mgM/ml) (mmolATP/ml)
CI FDN FDA
6,16E-02 5,53E-02 1,96E-02
0,60E-03 0,88E-03 0,14E-04
5,70E-02 5,09E-02 1,93E-02
0,62E-02 2,63E-03 7,71E-04
#M: datos de la concentración de M utilizada para el ajuste al tiempo 10h, de Aranda (2000). #ATPO: datos de la concentración de ATP utilizada para el ajuste al tiempo 10h. M: concentración de M según el modelo al tiempo 10h. ATPA: concentración de ATP según el modelo al tiempo 10h.
II). El valor de kLM= 9,92E+03/ h es similar al encontrado en FDN y CI. El valor de YPAGV, SF= 0,14g/g es menor al encontrado para CI y cercano a lo encontrado para FDN. La proporción de AGV producidos tanto en FDN y FDA, es menor que la producida en el caso de la CI. Lo anterior ayuda a comprender la problemática de la CZ ya que, según los presentes resultados, no solo existe una baja captura de
Sm en la CI, sino que la eficiencia de formación de M es pobre, con altos niveles de formación de AGV. En la Tabla IV se reflejan estas diferencias, ya que la concentración de acetato (Ac), propionato (Pr) y butirato (Bu) para CI es un grado de magnitud superior al de FDN o FDA. El valor de MRMRC= 1,87E03 es menor que el encontrado para la CI y la FDN, a pesar de la variación encontrada en las 4,5 primeras horas, por lo que es probable que esta variación no afecte el valor de los parámetros. La Tabla II y la Figura 1c muestran la solución numérica del modelo para el tratamiento FDA. Se puede apreciar que los valores de M obtenidos con el modelo son cercanos a los experimentales, excepto para las primeras 4,5h. En la FDA no existe una liberación grande de material al medio que pueda suponer un crecimiento de M acelerado ni niveles altos de Sm (Figura 2c). La variación o la imprecisión en el valor inicial de M como consecuencia de concentraciones bajas pueden modificar la solución del modelo en el caso de FDA. Cinética del material degradado
Figura 2. Solución numérica de las concentraciones, fracción lentamente degradable (ND), substrato microbiano (Sm) y substrato intermedio (L), para el tratamiento de caña integral (CI) (a), FDN (b) y FDA (c), obtenido con el modelo Turix v 1.0. ND: trayectoria de la CND, Sm: trayectoria de la CSm, CL: trayectoria de la CL.
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En la Tabla III se presentan los valores de las concentraciones de ND, Sm y L al tiempo 10h para los tratamientos CI, FDN y FDA; obtenidos mediante la solución numérica del modelo Turix v 1.0, y las Figuras 2a, b y c muestran sus comportamientos. Se puede observar un aumento seguido de una dismi-
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TABLA III VALORES DE CONCENTRACIÓN OBTENIDOS CON EL MODELO TURIX v 1.0 AL TIEMPO 10h Tratamiento CI FDN FDA
CND
CSm
CL
(mg/ml)
(mg/ml)
(mg/ml)
5,90E-06 5,32E-03 2,67E-04
9,78E-04 7,32E-04 6,12E-03
5,88E-08 1,53E-07 2,28E-07
CI: caña integral, CND: concentración de fracción degradable, CSm: concentración de sustrato microbial, CL: concentración de metabolito intermedio.
nución de la concentración de Sm (C Sm), debido a la solubilización de ND y a la captura de Sm. En CI aumenta y desaparece rápidamente hasta aproximarse a cero, llegando a concentraciones altas en relación a FDN y FDA. La CSm en FDN y FDA no aumenta a los niveles de CI. Estos datos revisten importancia, ya que las diferencias encontradas en los tratamientos probablemente se reflejarán en la cantidad de material sin fermentar que pasa al tracto posterior. Cuando el tratamiento es CI, hay una liberación grande de CH2O solubles, pero no está acompañado de un crecimiento de M similar (Figuras 1a y 2a). El valor de kSmSF de estos CH2O solubles es bajo para CI, sin embargo, la alta CSm produce una entrada rápida de Sm a los microorganismos. El crecimiento de M puede ser explicado, principalmente, por la concentración y el tipo, tanto de Sm como de la proteína cruda presente en el medio (datos sin publicar). Debido a que el nivel de N en el medio es teóricamente adecuado para un crecimiento normal, el bajo crecimiento de M en CI, puede ser explicado por los valores altos de YPAGV, SF y bajos de kM, SmL, como consecuencia de una concentración alta de Sm de la CI. El problema de la nutrición de animales con CI parece estar relacionado a un problema de eficiencia, que no se encuentra ligado a una deficiencia de N o por un pH bajo. Según Egil Robert Ørskov (comunicación personal) el problema de crecimiento de M en CI es como resultado de una captura rápida de nutrientes por parte de la población bacteriana ligada a CH2O solubles. Ello trae como consecuencia una privación de ele-
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mentos esenciales para la población celulolítica. Hay factores de crecimiento bacteriano que podrían ser los responsables, al menos en parte, de una disminución selectiva del crecimiento de bacterias, como lo son las vitaminas del complejo B (Kulande et al., 1992). Según lo observado en este trabajo, la privación tendría que ser de elementos diferentes a los CH2O, ya que el crecimiento bajo de M se encuentra a lo largo de las 10h, siendo al final de este período que hay una disminución significativa de Sm. Biomasa La CZ no promueve un crecimiento alto de M (Figura 1a). En el rumen los microorganismos tienen una limitada habilidad para aumentar su tasa de crecimiento aunque exista más N y CH2O disponibles (Sauvant y Van Milgen, 1995). Lo anterior puede ser consecuencia de la disminución de la tasa de captura de substrato. En la CZ, la solubilización de los CH2O es alta pero es muy probable que la toma de éstos por los microorganismos sea lenta, como se deduce de los resultados de Sauvant y Van Milgen, (1995), Kajikawa et al. (1997), Kajikawa y Masaki (1999) y este trabajo. El pico de concentración de CH2O puede ser de 0,042mg/ml hasta 20 o 30 veces esta cantidad (Sauvant y Van Milgen, 1995). Esto puede significar que la dieta puede inducir situaciones donde el aporte de CH2O sobrepase su utilización por los microorganismos ruminales. Se estima (Sauvant y Van Milgen, 1995) que esta puede ser de 1,1mg de CH2O (mgM por h) y que el retraso por la toma de
TABLA IV VALORES DE CONCENTRACIÓN OBTENIDOS CON EL MODELO TURIX v 1.0 AL TIEMPO 10h Tratamiento CI FDN FDA
CAc
CPr
CBu
CVa
(mg/ml)
(mg/ml)
(mg/ml)
(mg/ml)
1,25E-01 1,82E-02 2,68E-03
1,99E-02 2,90E-03 4,34E-04
3,20E-02 4,66E-03 6,92E-04
1,00E-05 1,00E-05 1,00E-05
CI: caña integral, C Ac : concentración de acetato, C Pr : concentración de propionato, CBu: concentración de butirato, Cva: concentración de valerato.
energía por los microbios puede ir de 1,3 a 7,5h. Por ello el crecimiento de M con la CZ tendría una limitada relación al potencial en CH2O presente en el CC. Por el contrario, éste será menor debido a que, como se analizó, la mayor parte de los CH2O capturados por la M se transformarán en AGV. Además, la tasa de almacenamiento de CH2O en las células microbianas es muy rápida después de la comida, 2-5% por min para la primera ½h en dietas altas en CH2O solubles o Sr altamente degradable, indicando que la toma de cadenas de carbón por los microorganismos es mucho mayor que su fermentación (Sauvant y Van Milgen, 1995) en las primeras horas. Los protozoarios almacenan sustratos degradables más rápido que las bacterias (Sauvant y Van Milgen, 1995). Ambos grupos de microorganismos son, teóricamente, capaces de capturar el 100% (65% las bacterias en 30min) de los sustratos solubles presentes en el medio ruminal. La captura de sustratos solubles por las bacterias puede ser la causa del aumento rápido de la M, observada en las tres primeras horas del cultivo in vitro de CI (Figura 1a), sin embargo, un aumento de este nivel no es suficiente para explicar por si sola la retención de Sm en el rumen; es más probable que sea como consecuencia de la presencia de protozoarios. Ácidos grasos volátiles En un trabajo previo (VargasVillamil, 2003) se analizaron las concentraciones de N y el pH del trabajo de Aranda (2000), y se determinó que los sistemas in situ e in vitro no estaban limitados en N o afectados por nive-
les bajos o altos de pH, por lo que es muy probable que tampoco, in vivo, los microorganismos se vean limitados en su crecimiento. Sin embargo, in vitro, concentraciones altas de AGV podrían inhibir el crecimiento de M. En la Tabla IV se presentan las concentraciones de Ac, Pr, Bu y Va al tiempo 10h, y en las Figuras 3a, 3b y 3c el comportamiento de estas mismas concentraciones durante las primeras 10h, todos para los tratamientos CI, FDN y FDA, después del ajuste. La Figura 3a describe una concentración muy alta de Ac (CAc) y Bu (C Bu) para CI en comparación de FDN, que podría modificar el pH ruminal y afectar la síntesis de M. Las CAc y CBu, en CI, son superiores al tiempo 10h a los encontrados en la FDN (Tabla IV). Es de esperar que la solución buffer impidiera un cambio en el pH, de igual forma como sucede in vivo. Por otro lado, como no se midieron las concentraciones relativas de los AGV, no se conoce si existió diferencia en estas concentraciones aunque, teóricamente, los cambios en las proporciones relativas de AGV sólo tienen un efecto muy pequeño sobre la generación de AGV y sobre la producción de células microbiana (Obara et al., 1991). Estos dos aspectos (pH y concentraciones relativas) son parte importante del ambiente ruminal relacionados a los AGV que no inhibirán el crecimiento de M mientras se encuentren en rangos biológicos adecuados para los microorganismos. La similitud entre la CI y la FDN con respecto a la concentración de M parece estar basada, principalmente, en YPAGV, SF y kM, SmL. Algo diferente sucede en el comportamiento de
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FDN con respecto a FDA, ya que ésta última fracción presentó una disminución cercana a la mitad en el valor de kM, SmL que influyó principalmente en el comportamiento de la concentración de M, debido a que los valores de YPAGV, SF son cercanos. Esta disminución puede deberse al efecto de una tasa de degradación baja de material desconocido que se escapa de la bolsa. La disminución de kM, SmL puede ser una consecuencia de los compuestos químicos utilizados en la obtención de FDA que transforman la fibra y la vuelve menos degradable o por la presencia de factores inhibidores. Lo que no se puede deducir es si la cinética de la fracción FDA en el tratamiento FDA es la misma que presenta esta fracción dentro de los tratamientos CI o FDN. Es posible que las cinéticas no puedan separarse como unidades independientes para su estudio y que el resultado de cada tratamiento sea consecuencia de la microecología de la partícula. La mi-
croecología es la que determina la eficiencia de la síntesis microbial mediante el ambiente determinado por el pH, potencial de reducción, desequilibrio entre los requerimientos de las bacterias y la composición de la partícula y la accesibilidad de la partícula por los microorganismos (Sauvant y Van Milgen, 1995). Se requiere de más trabajos para aclarar estos aspectos, que son importantes al momento de decidir los elementos incluidos dentro de modelos de cinética ruminal. En la Figura 2 se aprecia que a las 10h el sistema ha agotado la mayoría de los sustratos que permiten la síntesis y producción de M y AGV. La concentración de L (CL) baja (Tabla III, Figuras 2a, b y c) indican que el sistema no retiene este metabolito intermediario, por lo que casi toda la masa que viene de la captura del Sm se transforma en M y en P. La concentración de Va (CVa) es cero debido a que dentro de las suposiciones se consideró que no hay producción significativa
Figura 3. Solución numérica de las concentraciones de acetato (Ac), propionato (Pr), butirato (Bu) y valerato (Va), para el tratamiento de caña integral (a), FDN (b) y FDA (c), obtenido con el modelo Turix v 1.0. Ac: trayectoria de la CAc, Bu: trayectoria de la CBu, Pr: trayectoria de la CPr, Va: trayectoria de la CVa.
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de este AGV en la CZ (Aranda, 2000). Comportamiento animal La finalidad en la investigación de la CZ es mejorar el comportamiento animal para permitir su utilización en la producción de rumiantes y no solo en la producción de azúcar. Esto ayudaría a diversificar la utilización de este cultivo para aprovechar sus excedentes, así como tener una alternativa en las épocas de sequía para la alimentación de rumiantes.
Figura 4. Porcentaje de degradación de diferentes fracciones de la caña de azúcar (CZ), calculado para las 12h de los datos de Aranda (2000). CI: caña integral, CC: contenido celular, FDN: fibra detergente neutra, Hc: hemicelulosa, FDA: fibra detergente ácida.
Degradación y consumo. En la Figura 4 se presenta la degradación de diversas fracciones de la CZ y la CI a las 12h; la única fracción que está totalmente degradada es el CC. Las fracciones FDN y FDA tienen una degradación muy baja, que ocasiona que la degradación de la CI este cercana al 50%. Debido a la degradación tan baja de estas dos fracciones es probable que exista una retención de fibra en el rumen, disminuyendo el consumo voluntario y el aumento de peso. Lo anterior dependerá de la tasa de pasaje de la fibra hacia el exterior del rumen. El CC, con una degradación tan alta, no debe afectar de forma física el consumo ni el tránsito intestinal. Sin embargo, como se aprecia en la Figura 2, generará un aumento brusco de la CSm. Esto podría, dependiendo del consumo del animal, provocar una disminución del pH con la consiguiente disminución de la tasa de degradación y limitación del consumo (Hernández, 2002), impidiendo alcanzar ganancias aceptables de peso. Además de lo anterior, la alta osmolaridad en dietas que provocan alta concentración de AGV, así como proporciones molares altas de AGV de bajo peso molecular, se asocia a consumos pobres (Hernández, 2002). Aunque en este trabajo se llegó a la conclusión que los tratamientos con CI tienen un rendimiento muy alto en PAGV (Tabla IV), no se puede afirmar que el sistema ruminal tenga
concentraciones altas de estos compuestos, pues no se midieron experimentalmente. Sin embargo, Obara et al. (1991) llegaron a conclusiones similares al estudiar la adición de sacarosa, que es el principal compuesto del CC, a la dieta de ovejas; la adición de sacarosa no aumentó el crecimiento de M, por lo que, el aumento de 35% de la materia orgánica aparentemente degradada en el rumen como consecuencia de la adición de sacarosa hace suponer un aumento de la producción de AGV. La infusión de sacarosa no disminuyó el consumo, se degradó en el rumen, bajó el pH, disminuyó la proporción de Ac y aumentó las concentraciones de Bu y Pr. En el experimento de Aranda (2000), donde se midieron el pH y la concentración de N, no se encontraron cambios en las proporciones de AGV al aumentar el consumo de la CZ de 0 a 0,57% del peso vivo de cuatro bovinos. El nivel de consumo bajo en ese experimento puede encubrir los cambios encontrados en el experimento de Obara et al. (1991), referentes al pH y a los AGV. De lo anterior se puede deducir que es probable que exista una disminución del consumo, originado principalmente por la pobre degradación de la fibra de la CZ y el aumento de la osmolaridad. Aunque en el trabajo de Obara et al. (1991) se encontró un aumento de la proporción del Pr, experimentos con CZ (Preston, 1977; Aranda 2000) no muestran un aumento mayor del 18%, lo que significaría una
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mayor proporción de Ac, con el consiguiente efecto sobre el consumo. Energía. La razón de que se obtengan ganancias cercanas a 0g/ d (Preston y Bonaspetti, 1975; Álvarez y Preston, 1976) en rumiantes y el aumento de estas ganancias cuando se suplementan con Sr (Preston y Bonaspetti, 1975; López et al., 1976; Silvestre et al. 1977), son situaciones que no pueden explicarse exclusivamente por el consumo y la degradación. El animal requiere proteína (Pro) y energía para su crecimiento. La Pro la adquiere principalmente de la M y el 70% de la energía de los AGV (Brockman, 1993). Una cantidad extra de Pro y energía viene de la Pro y compuestos energéticos sobrepasantes que llegan al intestino delgado sin ser degradados y transformados por los microorganismos. La disminución del consumo puede limitar el aporte de nutrientes hacia el animal, pero una disminución del tránsito permite que los compuestos permanezcan más tiempo en el rumen aumentando su digestibilidad, lo que podría compensar el efecto de un menor consumo. En la CI se observa un aumento de la CSm durante las primeras cuatro horas (Figura 2a). La CZ contiene casi un 50% de CC y ésta una degradación cercana al 100% en 12h (Figura 2), por lo que el aumento de la CSm en la CI está relacionado a esta fracción. Debido a que la CZ no contiene Sr sino sacarosa y el rumiante no tiene sacarasa para desdoblarla, toda la sacarosa que llegue al intestino delgado se perderá (Van Soest, 1994). Si ésta es desdoblada o fermentada en el rumen, podrá ser utilizada por el rumiante para su crecimiento. Según Obara et al. (1991) la sacarosa se degrada completamente en el rumen, aún en el caso de ser infusionada directamente al rumen de ovejas. Esto significaría que la sacarosa no alcanza llegar al duodeno como tal. Aunque se desconoce la composición de Sm, en este trabajo se observó que, debido a su concentración, gran parte de sus compuestos pasarán al tracto posterior. Sin embargo,
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la gran capacidad que tienen los protozoarios para capturar y retener sustratos del alimento puede estarlo impidiendo. Según lo encontrado en este trabajo, la mayor parte de la sacarosa de la CZ se transforma en AGV y no en M. La capacidad de los protozoarios para consumir CH2O probablemente determinará la dinámica de éstos en el rumen. El mejoramiento de dietas a base de CZ requiere el estudio cuantitativo de los procesos, ya que es importante encontrar el punto óptimo donde los recursos se aprovechen al máximo, entendiéndose como punto óptimo al conjunto de valores de los parámetros donde el sistema es más eficiente en la transformación de los nutrientes. Se requieren más estudios donde al análisis estadístico se le sumen estudios con modelos matemáticos, los cuales deben estar enfocados a problemas particulares de estudio para obtener información con significado biológico que ayuden a entender y solucionar los problemas. Conclusiones a) La utilización del modelo Turix v 1.0 para analizar datos experimentales permitió diferenciar los procesos ruminales significativos involucrados en la producción de biomasa y ácidos grasos volátiles, elementos primordiales en la comprensión de la nutrición ruminal. b) Los niveles pobres de conversión de sustrato microbiano hacia biomasa pueden originar un déficit proteico en el rumiante, que podría ser la causa de los aumentos de pesos bajos encontrados experimentalmente. c) Se necesitan más estudios para determinar si existe una captura rápida de carbohidratos solubles hacia el interior de las bacterias, como lo hace suponer el comportamiento de la caña integral en las primeras horas, y para conocer el grado de pasaje de sustrato microbiano hacia el tracto posterior en presencia de esta cinética. d) Se requiere más trabajos tanto en el desarrollo de modelos, análisis de datos, como diseño de experimentos in vitro, in situ
y/o in vivo para obtener una mejor comprensión de los procesos ruminales y, en este caso particular, aquellos de la caña de azúcar. AGRADECIMIENTOS
El presente trabajo fue realizado gracias al apoyo brindado por CONACYT dentro del proyecto 33722-B. BIBLIOGRAFÍA Álvarez FJ, Preston TR (1976) Studies on urea utilization in sugar cane diets: effects of level. Trop. Anim. Prod. 1: 98-104. Aranda EM (2000) Utilización de la caña de azúcar en la alimentación de rumiantes. Tesis. Universidad Nacional Autónoma de México, México. 90 pp. Brockman RP (1993) Glucose and short-chain fatty acid metabolism. En Forbes JM, France J (Eds.) Quantitative Aspects of Ruminant Digestion and Metabolism. CAB Internacional. Nueva York, EEUU. pp. 249266. Dijkstra J, France J, Neal HDST, Assis AG, Aroeira LJM, Campos OF (1996) Simulation of digestion in cattle fed sugarcane: model development. J. Agric. Sci. 127: 231-246. González RF (1995) Contribución al estudio de los factores que limitan el consumo de forrajes de caña de azúcar integral por los bovinos. Tesis. Instituto de Ciencia Animal. La Habana, Cuba. 130 pp. Hernández M (2002) Desarrollo de un modelo dinámico para la simulación del consumo voluntario de bovinos pastoreando en regiones tropicales. Tesis. Universidad Autónoma de Yucatán, México. 303 pp. Kajikawa H, Masahiro A, Masaki S (1997) Glucose transport by mixed ruminal bacteria from a cow. Appl. Env. Microbiol. 63: 1847-1851. Kajikawa H, Masaki S (1999) Cellobiose transport by mixed ruminal bacteria from a cow. Appl. Env. Microbiol. 65: 2565-2569. Kulande K, Glyswyk NO, Wejdema K (1992) Comparative growth rates of various rumen bacteria in clarified rumen fluid from cows and sheep fed different diets. Appl. Env. Microbiol. 58: 99-105. López JM, Preston TM, Sutherland, Wilson A (1976) Pulidura de arroz en dietas de caña de azúcar. Efecto del nivel en condiciones de lluvia y sequía. Revista Cubana de Ciencias Agrícolas 1: 170-178.
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