Mitigação do metano: entendendo o microbioma ruminal

Além do metano ser um problema ambiental, a formação de CH₄ leva a uma perda bruta de energia para o hospedeiro ruminante. 

Neste estudo, pesquisadores da Universidade da Pensilvânia abordaram lacunas críticas de conhecimento subjacentes à diversidade de metanogênios e sua ligação com a formação de CH₄ , formação de coortes específicas de bactérias-arqueais e como a produção e utilização de H₂ são reguladas entre essas coortes durante a metanogênese normal e inibida. (Coortes: interação mutualistica entre microrganismos ruminais para metabolização de substâncias). 

“Enfrentar essas lacunas de conhecimento tem o potencial de levar ao desenvolvimento de novas estratégias ou complementar as estratégias existentes para reduzir efetivamente a formação de CH ₄ , ao mesmo tempo em que melhora a produtividade em vacas leiteiras”, disseram eles.

 

Importância do microbioma ruminal

As vacas leiteiras dependem dos micróbios do rúmen para obter suas necessidades energéticas e proteicas da fermentação microbiana dos alimentos. O microbioma ruminal é predominado por bactérias anaeróbicas, seguidas por archaea menos abundantes (metanógenos, protozoários e fungos) que trabalham coletivamente para digerir os alimentos. 

À medida que a fermentação aumenta após a ingestão de alimentos, são produzidos AGV e gases (CO ₂ e H _{2 ).} Os AGV são absorvidos pelo hospedeiro como fontes de energia, mas a maior parte do H ₂ é utilizada por arqueas metanogênicas para reduzir o CO ₂ levando à formação de CH ₄.

Postulou-se que linhagens metanogênicas individuais formam sintróficos específicos (mutualismo metabólico obrigatório) com certas bactérias no rúmen e diferenças nessas interações bactérias-arqueias podem estar ligadas à saúde e produção de ruminantes. 

Compreender os diferentes tipos de metanógenos, como eles interagem com outros micróbios e seu papel na metanogênese pode permitir o desvendamento de estratégias de mitigação que podem efetivamente reduzir a formação de CH ₄ sem perturbar o ambiente ruminal.
 

Diversidade metanogênica no rúmen

Archaea metanogênicas são um grupo ecologicamente diverso de microrganismos estritamente anaeróbios com metabolismo energético distinto que resulta na formação de CH₄ através de diferentes vias que incluem a redução de CO₂ , formato, metanol, metilaminas e clivagem de acetato. 

Continua depois da publicidade

O advento da PCR possibilitou a identificação de genes marcadores específicos como 16S rRNA e mcrA (subunidade α do MCR) que são conservados entre os metanógenos. Usando o gene 16S rRNA ou RFLP terminal do gene mcrA, os metanógenos ruminais foram amplamente agrupados em 3 gêneros distintos: Methanobrevibacter , Methanosphaera e Methanomassiliicoccales em vacas leiteiras.

Notavelmente, estudos mostram que as abordagens baseadas em RNA, como a metatranscriptômica, são mais discriminatórias do que as abordagens baseadas em DNA, como a metagenômica, e que a formação de CH₄ está intimamente ligada à expressão gênica microbiana. Os pesquisadores afirmaram que, embora o uso de genes marcadores combinados com componentes totais e metabolicamente ativos tenha fornecido novos insights sobre a composição de linhagens metanogênicas individuais no rúmen, uma melhor caracterização dessas linhagens ao nível de espécie e uma melhor compreensão de seu papel no total. A formação de CH₄ em várias espécies de ruminantes é necessária para entender completamente a metanogênese no rúmen.
 

Metabolismo do hidrogênio sob metanogênese normal e inibida

No rúmen, a fermentação alimentar representa uma série de reações de oxidação e redução envolvendo a produção e transferência de H₂ dentro e entre micróbios para permitir a reoxidação de cofatores reduzidos e evitar interrupções na fermentação microbiana.

Portanto, compreender a produção e utilização de H₂ através da determinação da distribuição e papel das hidrogenases sob condições normais e moduladas, como metanogênese inibida, será fundamental para poupar H₂ de formar CH₄ e redirecionar esse H₂ para sumidouros alternativos que levam a melhorias significativas na eficiência energética no rúmen. 

Por exemplo, alguns estudos mostram que o H₂ poupado da formação de CH₄ é redirecionado para sumidouros alternativos, como bactérias produtoras de butirato.

 

Vias de metanogênese ruminal

Apesar do produto comum, os metanógenos individuais têm capacidades fisiológicas e metabólicas distintas para sua sobrevivência, incluindo utilização de substrato, limiares de H₂ , respostas à pressão parcial de H₂ e diferenças estruturais. Segundo os pesquisadores, várias vias de metanogênese usam diferentes substratos entre os metanógenos. O conhecimento de possíveis vias para a formação de CH₄ pode permitir a identificação de novos alvos para inibir a formação de CH₄ ou alterar estratégias de alimentação para reduzir a oferta de substratos metanogênicos no rúmen.

Continua depois da publicidade

Alguns dos caminhos declarados (conforme recuperados dos bancos de dados da Enciclopédia de Genes e Genomas de Kyoto e genomas de metanógenos individuais) são os seguintes:

• Via acetoclástica
• Via da glicina
• via CO 2 + H 2
• Caminho GTP
• Via do metanol
• Via das metilaminas
• Via do fosfonato

Além das diferentes vias de metanogênese, os pesquisadores destacaram que há interação constante entre bactérias, protozoários, fungos e arqueas metanogênicas resultando na troca de metabólitos como o H₂ . Uma melhor compreensão dessas interações pode ajudar a selecionar vacas com tendência natural para maior eficiência ruminal. 

Eles afirmaram que as diferenças nas coortes microbianas entre os fenótipos de alto e baixo rendimento de CH₄ entre hospedeiros ruminantes podem estar ligadas a vários fatores, incluindo, mas não limitado a, tamanho do rúmen, taxa de passagem, ruminação e absorção de AGV.
 

Abordagem global para melhores estratégias de mitigação

Os pesquisadores acreditam que, em escala global, focar no efeito de diferentes estratégias de mitigação, como suplementos alimentares (incluindo lipídios, óleos essenciais, taninos e monensina), vacinas e moduladores microbianos em diferentes estilos e raças alimentares e de manejo no rúmen microbioma pode permitir uma melhor compreensão da metanogênese ruminal.

Eles afirmaram a importância da pesquisa global para identificar fatores que impulsionam a diversidade de metanogênios para criar melhores estratégias de mitigação para reduzir a formação de CH ₄ e melhorar a eficiência ruminal. Eles enfatizaram a importância de otimizar a consistência nas estratégias de amostragem, dinâmica temporal, armazenamento de amostras, extração de ácidos nucleicos e pipelines de bioinformática.

Eles concluíram que as tecnologias genômicas podem ajudar a determinar a contribuição de linhagens metanogênicas individuais para a formação total de CH₄ e como elas são inibidas por diferentes estratégias de mitigação. E, em geral, entender as lacunas de conhecimento na metanogênese e como desviar o H₂ para sumidouros alternativos pode levar ao desenvolvimento de novas estratégias ou complementar as estratégias existentes para reduzir efetivamente a formação de CH₄ e, ao mesmo tempo, melhorar a produtividade em vacas leiteiras.

As informações são do Dairy Global, adaptadas pela equipe MilkPoint.