Das ruminale Mikrobiom des Rindes (3. Teil)

Wilfried Brade, Ottmar Distl

Abstract


Der Pansen ist eine prägastrische Fermentationskammer und ein sehr komplexes mikrobielles Ökosystem. Er entstand in einer bereits viele Millionen Jahre umfassenden Koevolution der Wiederkäuer mit zahlreichen Mikroorganismen.
Der Erfolg dieser Koevolution hat längst auch die Aufmerksamkeit von Biotechnologen geweckt. Die ruminale Mikrobiomforschung ist deshalb auch nicht mehr auf spezielle Ziele der Tierernährungsforschung beschränkt, sondern zunehmender Bestandteil der gesamten Agrarforschung einschließlich der Bioenergiegewinnung.
Im Pansen koexistieren eine Vielzahl und Vielfalt von Mikroorganismen, die an die dort herrschenden anoxischen Bedingungen gut angepasst sind, ebenso an das Redoxpotential von etwa - 300 bis - 400 mV, an einen pH-Wert von etwa 6,3 bis 6,5 und an eine konstante Temperatur von rund 39° C.
Die Symbiose zwischen Wiederkäuer (Wirt) und seinem Mikrobiom ist von gegenseitigem Vorteil. Der Wirt liefert beispielsweise Nährstoffe (Cellulose und andere pflanzliche Polysaccharide) und sichert optimale Lebensbedingungen für sein ruminales Mikrobiom.
Die Mikroorganismen schließen für den Wirt unverdauliche Nährstoffe auf und liefern ihm darüber hinaus Proteine oder Aminosäuren sowie lebenswichtige Vitamine.
An der Pansensymbiose sind eine außerordentlich hohe Anzahl von Bakterien, eukaryotische Einzeller und weitere Community-Mitglieder beteiligt.
Die Zahl der Protozoen, hauptsächlich Ciliaten, beträgt rund eine halbe Million pro Milliliter Pansensaft. Sie leben von Bakterien, können aber auch Cellulose oder Stärke vergären. Im Gegensatz zu den Bakterien sind sie für den Wirt nicht lebensnotwendig. Flagellaten (Geißeltierchen) sind eine weitere Gruppe einzelliger, eukaryotischer Lebewesen im Pansen.
Die Methanogenese als energieverbrauchender Prozess läuft bei faunierten Tieren verstärkt ab. Eine Reduktion der ruminalen Protozoen-Dichte (Defaunation) ist im Allgemeinen mit einer Reduktion der Methanemission je Kilogramm Futter-Trockenmasseaufnahme verbunden.
Zusätzlich sind Hefen und andere anaerobe Pilze in geringerer Dichte im Pansen vorhanden. Sie sind gleichfalls am Abbau von Hemicellulosen oder weiterer Polymere oder an der Umsetzung von Lignin beteiligt.
Das Verständnis der symbiotischen Beziehungen innerhalb des ruminalen Mikrobioms sowie zwischen Wirt und seinem ruminalen Mikrobiom ist ein wichtiger Schlüssel, um die Milch- und Rindfleischerzeugung immer umweltgerechter zu gestalten und gleichzeitig auch wichtige Rückschlüsse auf die künftige Biogasproduktion zu erhalten.

 

The ruminal microbiome of cattle
Part 3: Eukaryotic unicellular organisms – additional organisms of the ruminal microbiome

The rumen is a pre-gastric fermentation chamber and a very complex microbial ecosystem. It was formed over many millions of years as the result of the co-evolution of ruminants with numerous microorganisms.
The success of this co-evolution has long aroused the attention of biotechnologists. For this reason, ruminal microbiota research is not limited to the specific objectives of animal nutrition research, but is increasingly part of total agricultural research, including bioenergy production.
A very high variety and diversity of microorganisms coexist in the rumen. They are well adapted to the prevailing anoxic conditions and to the redox potential of about - 300 to - 400 mV, a pH of about 6.3 to 6.5 and a constant temperature of about 39° C.
The symbiosis between ruminants (hosts) and their microbiome is of mutual benefit. The host provides, for example, nutrients (cellulose and other plant polysaccharides) and ensures optimal living conditions for its ruminal microbiome. For the host, the microorganisms digest specific nutrients and provide proteins, amino acids, and essential vitamins.
An extraordinarily high number of bacteria, unicellular eukaryotic protists and other community members are involved in this symbiosis in the rumen.
The number of protozoa, mainly ciliates, is about 0.5 million per milliliter of rumen fluid. They live on bacteria, but can also ferment cellulose or starch. In contrast to bacteria, they are not vital to the host. Flagellates are another group of unicellular eukaryotic organisms in the rumen.
Methanogenesis (as an energy-consuming process) is reinforced in faunated animals. A reduction in ruminal protozoan density (defaunation) is generally associated with a reduction in methane emissions per kilogram of feed dry matter intake.
In addition, yeasts and other anaerobic fungi are present in lower density in the rumen. They are also involved in the degradation of hemicelluloses and other polymers or in the biological conversion of lignin.
The understanding of the symbiotic relationships within the ruminal microbiome and between host and his ruminal microbiome is an important key to make milk and beef production more environmentally-friendly, while drawing also important conclusions about future biogas production.

 

Le microbiome ruminal des bovins   
3e partie : les eucaryotes unicellulaires – autres composants du microbiome ruminal

Le rumen constitue une chambre de fermentation pré-gastrique et un écosystème microbien très complexe. Il a réalisé une coévolution des ruminants avec de nombreux microorganismes qui s’est étendue sur de nombreux millions d’années.
Le succès de cette coévolution a éveillé depuis longtemps l’attention des biotechnologistes. La recherche portant sur le microbiome ruminal n’est donc plus limitée aux objectifs spécifiques de la nutrition de l’animal, elle constitue une part croissante de toute la recherche agricole incluant la production de bioénergie.
Une très grande variété et une forte diversité de microorganismes coexistent dans le rumen et se sont bien adaptés aux conditions d’anoxie qui y règnent, de même qu’au potentiel Redox d’environ - 300 à - 400 mV, à un pH d’environ 6,3 à 6,5 et à une température constante d’enviton 39° C.
La symbiose entre le ruminant (hôte) et son microbiome offre des avantages réciproques. L’hôte fournit par exemple les nutriments (la cellulose et d’autres polysaccharides végétaux) et assure des conditions de vie optimales pour son microbiome ruminal. Les microorganismes digèrent les nutriments indigestes pour l’hôte et lui fournissent en outre les protéïnes ou les acides aminés ainsi que les vitamines essentielles.
Un nombre extrêmement élevé de bactéries unicellulaires eucaryotiques et d’autres membres de la communauté participent à la symbiose ruminale.
Le nombre des protozoaires, essentiellement des ciliés, s‘élève à environ 0,5 millions par millilitre de liquide ruminal. Ils vivent de bactéries mais ils peuvent aussi provoquer la fermentation de la cellulose ou de l’amidon. Ils ne sont pas vitaux pour l’hôte contrairement aux bactéries. Les flagellés (protozoaires ciliés) représentent un autre groupe unicellulaire, eucaryotique composé d’organismes vivants dans le rumen.
La méthanogenèse en tant que processus consommateur d‘énergie est renforcée pour les animaux faunés. Une réduction de la densité protozoaire ruminale (défaunation) est généralement liée à une réduction des émissions de méthane par kilogramme de masse sèche de fourrages ingérée. 
De plus, des levures et autres champignons anaérobies sont présents dans le rumen en plus faible densité. Ils participent de même à la dégradation d’hémicelluloses ou à celle d’autres polymères, voire encore à la conversion de la lignine.
La compréhension des relations symbiotiques dans le microbiome ruminal, ainsi qu’entre l’hôte et son microbiome ruminal est une clé importante pour rendre la production de lait et de bœuf plus favorable à l’environnement et en même temps pour recueillir des conclusions importantes sur la production future de biogaz.




DOI: http://dx.doi.org/10.12767/buel.v93i3.71

DOI (Volltext als PDF): http://dx.doi.org/10.12767/buel.v93i3.71.g214

DOI (Volltext als HTML): http://dx.doi.org/10.12767/buel.v93i3.71.g215