La digestion microbienne chez les ruminants

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La digestion microbienne chez les ruminants
Update 31 septembre 2008
P.L. Toutain
2
Plan

• La matière végétale et évolution des mammifères
• Adaptations anatomiques et physiologiques aux
  relations symbiotiques
• Ecosystème microbien du rumen
• Bactéries
• Protozoaires
• Conditions physico-chimiques
• La digestion microbienne
• Le devenir des produits de la digestion
• Perturbation de la digestion microbienne

3
Documentation (open book)
4
Co-évolution des plantes et des herbivores

• Les plantes ont évolué pour assurer leur propre
  développement et non pour servir daliment à des
  herbivores
• Pour résister à leurs prédateurs les plantes ont
  développé deux mécanismes différents la
  production de substances toxiques et la mise en
  place de tissus résistants aux enzymes animales

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Les substances végétales comme aliments

• Dans tous les végétaux, on reconnaît deux types
  de substances
• Celles qui forment la partie active de la plante
  (respiration, croissance..) ce sont des
  glucides, lipides et protéines qui sont
  digestibles par les animaux
• Les substances (cellulose, hémicelluloses) qui
  forment lappareil de soutien de la plante (paroi
  cellulaire) ces substances ne sont pas
  digestibles par les mammifères qui ne possèdent
  pas les enzymes (cellulases) ad hoc.
• Avec la conquête du milieu aérien, une majeure
  partie de lénergie végétale est devenue
  inutilisable par les mammifères et les premiers
  mammifères étaient de petits rongeurs granivores
  capables dutiliser lamidon, substances
  ubiquitaire et utilisable grâce à la présence
  damylases salivaire et pancréatique

6
Nécessité dun recyclage de la matière végétale

• La matière végétale indigestible doit être
  recyclée
• En moins de 20 ans, la totalité du CO2
  atmosphérique aurait disparu sil ny avait
  restitution à partir de la destruction de la
  cellulose
• Seules certaines bactéries et quelques
  champignons sont capables de dégrader la
  cellulose et cest grâce à ces microorganismes
  que les herbivores, et plus particulièrement les
  ruminants, ont pu évoluer
• Les ruminants se sont intégrés dans le cycle
  biologique du carbone ils ne doivent pas être
  vus comme des prédateurs de végétaux mais comme
  lun des éléments spécialisés du recyclage du
  carbone

7
Nécessité dun recyclage de la matière végétale

• Les ruminants sont les mammifères les mieux
  adaptés à la dégradation (digestion) de la
  cellulose (et des autres substances indigestibles
  par les enzymes mammaliennes) par leurs
  adaptations anatomiques et physiologiques qui ont
  donné des conditions optimales au développement
  et lactivité des microorganismes cellulolytiques

8
Progression historique des connaissances les
concepts de base

• Zuntz 1879 élève de Pasteur, affirme que les
  micro-organismes du rumen sont responsables des
  fermentations et que ce sont ces micro-organismes
  qui assurent la production des acides gras
  volatils ou AGV (acide acétique, acide
  propionique et acide butyrique) et les gaz (CO2
  et CH4) il affirme également que les ruminants
  absorbent et utilisent ces AGV.
• Cette dernière idée est contestée à une époque où
  la fermentation évoquait la putréfaction et le
  CH4 se nommait le gaz des marais

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Progression des connaissances la démonstration
expérimentale de labsorption des AGV

• La démonstration de labsorption des AGV est
  faite par leur mise en évidence dans le sang
  grâce à la mise au point des méthodes de
  chromatographie
• Publication princeps Barcroft, J., R. A.
  McAnally and A. T. Phillipson.1944. Absorption of
  volatile fatty acids from the alimentary tract of
  the sheep and other animals.J. Exp. Biol. 20120.
• Pour un historique
• Pour une revue sur le métabolisme dans le rumen
• Pour une revue sur le métabolisme dans les tissus
  des ruminants

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Adaptations anatomiques aux relations symbiotiques

• Un vaste réservoir (150 L) pour une vache de 600
  kg. Situé en amont de lestomac sécrétoire
  (abomasum) ce qui permet de faire subir à la
  totalité du matériel quittant le rumen laction
  des enzymes digestives
• Alternative un large complexe caeco-colique et
  caecotrophie (lapin)

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Fermenteurs prégastriques
Fermenteurs post-gastriques
12
Avantages dune fermentation prégastrique

• Meilleure utilisation daliments de faible
  qualité nutritionnelle
• Cellulose
• Azote non protéique
• Destruction présystèmique de substances toxiques
• Oxalates, cyanure, alcaloïdes
• Meilleur usage des produits résultant de la
  fermentation
• AGV, protéines microbiennes, vitamine B
• Diminution du temps de prise de nourriture

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Désavantages dune fermentation prégastrique

• La Fermentation est globalement peu efficace
• Énergie
• pertes du total des calories
• Méthane
  5-8
• Chaleur de fermentation 5-6
• Le rendement dépend du pourcentage des glucides
  non cellulosiques.
• Protéine
• De lammoniaque résultant de lactivité
  microbienne sera absorbé et excrété
• 20 de lazote des bactéries est sous la forme
  dacides nucléiques

14
Désavantages dune fermentation prégastrique

• Les ruminants sont susceptibles à lacétonémie
• Les ruminants sont susceptibles aux toxines
  produites par les bactéries du rumen avec
  conversion de
• nitrates en nitrites
• urée en ammoniaque
• glucides en acide lactique
• tryptophane en 3-methyl-indole
• Phyto-oestrogènes isoflavonoïdes en
  phyto-oestrogènes de type coumestanes

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Adaptations physiologiques aux relations
symbiotiques le fermenteur prégastrique
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Adaptations physiologiques aux relations
symbiotiques le fermenteur

• Apport régulier daliments
• Aliments soigneusement mastiqués et insalivés
• Séparation mécanique de lépiderme du
  sclérenchyme sous-jacent
• Brassage régulier du contenu ruminal par la
  motricité (1 contraction par minute)
• Évacuation des gaz (600 L dont 140 L de CH4 par
  jour) par les contractions éructatives.
• Temps de séjour denviron 50 h dans le rumen

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Adaptations physiologiques aux relations
symbiotiques la salive

• La salive contrôle lhumidité du contenu du RR
• RR 85-88 deau la salive est la vraie
  sécrétion du contenu RR
• Production de 100 à 200 L par jour chez les
  bovins 3-16 L chez un mouton soit 4-5 fois
  lingestion quotidienne deau.
• Production maximale avec de la nourriture à base
  dherbe (flottaison de lherbe pour la
  déglutition) et moindre avec une alimentation à
  base de granulés
• La moitié de la salive est issue des parotides
• Sécrétion continue, isotonique au plasma
• Contrôle de la sécrétion lié à la prise de
  nourriture, la rumination et par des récepteurs
  localisés dans le RR
• Stimuli mécaniques (fibrosité des aliments) et
  chimiques (lacidité du RR stimule la production
  de salive)

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Adaptations physiologiques aux relations
symbiotiques la salive

• La salive na pas de rôle digestif propre
• Pas damylase ni de lipase salivaire
• Contrôle la teneur hydrique du RR
• Contrôle du pH du RR
• La salive est alcaline (pH8) et apporte des
  bicarbonates (1.2 kg/J) et des phosphates (0.5
  kg/J) chez un bovin.
• Rôle tensioactif avec diminution de la tension
  superficielle du contenu RR ce qui évite la
  formation de mousse stable (risque de
  météorisation)
• Apport dazote dont 80 sous forme durée
• Apport azoté de 40 g/j chez un bovin

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Le milieu ruminal teneur en matière sèche (MS)

• Le sac dorsal du rumen a un contenu supérieur en
  MS (langue de fourrage qui flotte sur le contenu
  du sac ventral (SV)) car formé des plus grosses
  particules (0.8mm) et plus légères)
• Le SV est très liquide (4 de MS) ce qui forme un
  bouillon de culture

20
Le milieu ruminal température

• Plus élevée que la température rectale (38 vs.
  40C)
• Optimale pour les réactions de fermentation

21
Le milieu ruminal pH

• pH compris entre 5.5 et 7.3
• Valeur optimale autour de 6
• Minimum 2 à 6 h après la PN (production des AGV)
• Significativement plus basse avec une ration
  riche en grains et des aliments granulés
• Moindre production de salive et davantage dacide
  lactique
• Milieu bien tamponné
• Existence de systèmes tampons entre les pH 6-8,
  le système tampon le plus important est celui des
  phosphates entre 5 et 6, ce sont les
  bicarbonates et en dessous, les AGV
• Absorption des AGV par la paroi du rumen qui est
  facilitée par la diminution du pH

22
Le milieu ruminal pression osmotique

• Hypotonique au plasma avant la prise de
  nourriture (PN)
• Après la PN, la PO atteint 400 mOsmol
• Apport de Na et K
• Attraction de leau vers le rumen depuis le
  secteur vasculaire
• Hémoconcentration
• Sécrétion accrue dADH

23
Le réticulo-rumen un environnement favorable au
développement dune flore anaérobie
24
Le milieu ruminal environnement gazeux

• Le RR est un milieu anaérobie fortement réducteur
• CO267 CH426 Azote6 SH20.1 O20.5
• La concentration optimale en CO2 pour la
  croissance bactérienne est de 5
• Lexistence dun milieu anaérobie est
  fondamental pour comprendre lintérêt de la
  digestion microbienne
• Faute de O2, les dégradations sarrêteront au
  stade dacides organiques en présence de O2,
  elles iraient jusquau CO2
• La production de CO2 est néanmoins de 300-400 L
  par jour et il se trouve éliminé soit par
  diffusion directe par la paroi du rumen soit par
  éructation le méthane nest éliminable que par
  éructation

25
Microflore et microfaune du rumen
Cliquer sur le livre pour plus dinformation
26
Microflore et microfaune du rumen

• Bactéries
• digestion de la cellulose
• plus de 200 espèces
• taille inférieure à 5 µm
• Protozoaires
• contrôle la population bactérienne
• taille (20-200 µm)
• Prédateurs des bactéries
• Champignons (moisissures)
• aide à la digestion de la cellulose
• même taille que les protozoaires
• population très réduite
• Archaea (ex archéobactéries)

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Caractéristiques dune bactérie pour être
cataloguée comme une bactérie du RR

• Doit être isolée du rumen
• Doit être anaérobie
• Doit être capable de produire un ou plusieurs des
  métabolites trouvés dans le rumen
• Doit avoir une population supérieure à 106 par mL
• Une classification classique des bactéries du
  rumen
• Pour en savoir plus sur la classification des
  bactéries du rumen

28
Population microbienne du RR

• Le rumen héberge de 20 à 40x108 bactéries par mL
  de jus de rumen soit environ 1 kg de bactéries
  chez une vache (ce qui correspond à 10 de la MS
  du RR)
• Le rumen héberge de 104 à 106 protozoaires par mL
  de jus de rumen soit environ 2 kg de protozoaires
  chez un bovin
• Présence également de champignons (104/mL) et
  dArchaea (ex archéobactéries) (108/mL)

29
Les bactéries majeures du RR(Church 1988)
30
Microorganismes du rumen
31
Bactéries attachées à la cellulose
32
Les principales bactéries du RR

• Cellulolytiques
• Fibrobacter succinogenes (ex Bacteroides
  succinogenes)
• Ruminococcus albus
• Ruminococcus flavefaciens
• Hémicellulolytiques
• Prevotella ruminicola
• Butyrivibrio fibrisolvens
• Amylolytiques
• Ruminobacter amylophilus
• Streptococcus bovis (aérobie facultatif)
• Utilisatrices dacides organiques
• Megasphaera elsdenii
• Selenomonas ruminantium

33
Profil type des populations bactériennes du rumen

• Anaérobies 98
• Cellulolytiques 14
• Amylolytiques 39
• Capables dutiliser le glucose 72
• Capables dutiliser le xylose 54
• Capables dutiliser la cellobiose 71

34
Bactéries cellulolytiques et hémicellulolytiques

• Produisent de la cellulase peuvent également
  utiliser la cellobiose
• Très sensibles au pH acide (nécessité dun pHgt6)
• Utilisent lazote sous forme dammoniac ( NH3)
• Demandent du soufre pour la synthèse des acides
  aminés soufrés (cystéine et méthionine)
• Produisent de lacétate, du propionate, un peu de
  butyrate et du CO2
• Bien développées avec les régimes riches en
  fourrage
• Peu tolérantes aux régimes riches en lipides
• Ne représentent jamais plus de 25 de la
  population bactérienne
• Fibrobacter succinogenes (autrefois Bacteroides
  succinogenes), Ruminococcus flavefaciens, R
  albus Bacteroides ruminicola

35
Les bactéries cellulolytiques

• Les bactéries sattachent (colonisent) sur les
  fibres et sécrètent des enzymes
• Produisent des cellulases (clivage des liaisons
  ß1?4)
• pH optimal 6-7
• Utilisent N pour former NH3
• Nécessité davoir du soufre pour synthétiser les
  AA soufrés (cystéine et méthionine)

36
pH et faciès microbien
37
Bactéries amylolytiquesex Streptococcus bovis

• Digèrent lamidon
• Faciès dominant avec un régime grain
• La vache en haute production reçoit une
  alimentation contenant au moins 30 damidon
• Tolèrent des pH plus acides (pH5-6) que les
  cellulolytiques
• Utilisent lazote sous forme dammoniac ( NH3) ou
  de peptides
• Produisent du propionate, du butyrate et des
  lactates
• Une transition trop rapide dun régime foin vers
  un régime grain peut causer une acidose lactique
• La plupart des amylolytiques sont sensibles aux
  antibiotiques ionophores
• Streptococcus bovis, Selenomonas ruminantium
  ,Bacteroides ruminicola

38
Bactéries amylolytiquesex Streptococcus bovis

• S. bovis est considéré comme  la mauvaise
  herbe  du rumen il se développe de façon
  explosive lorsque les conditions sont favorables
  (beaucoup damidon/ sucres et un pH bas) le
  doublement de la population demande 13 min
  étant donné quil produit de lacide lactique, S.
  bovis est à lorigine des syndromes dacidose du
  RR.
• Ce type de croissance exubérante est contrôlé par
  les antibiotiques dits  ionophores 

39
Souches utilisant préférentiellement les sucres
simples

• Sucres abondants dans les jeunes plantes
• Ces bactéries peuvent aussi utiliser le matériel
  glucidique des bactéries (capsule bactérienne)
• Ex Lactobacillus spp

40
Classification des bactéries sur des critères
nutritionnels autres bactéries

• Souches utilisant préférentiellement des acides
• Substrat acide lactique, succinique
• Propionobactéries
• Souches protéolytiques
• Peuvent utiliser des acides aminés comme source
  énergétique
• Streptococcus bovis, Bacteroides ruminicola
• Souches lipolytiques
• Capables dutiliser le glycérol, les
  triglycérides (qui seront hydrogénés)
• Anerovibrio lipolytica

41
Classification des bactéries sur la base de leur
catabolites majeurs
42
Bactérie produisant de lammoniaque

• L'ammoniaque, ou hydroxyde d'ammonium, (NH4OH)
  est une solution aqueuse concentrée d'ammoniac
  (NH3), qui est un gaz
• Certaines sont également classées dans les
  protéolytiques

43
Bactéries productrices de méthane (CH4)

• Ex Methanobacterium ruminantium
• CH4 est utilisé par les microbes comme énergie ou
  éliminé par éructation
• La production de CH4 représente une perte
  dénergie pour lanimal
• Le CH4 issu des ruminants a une contribution
  significative à la libération de CH4 dans
  latmosphère (gaz à effet de serre)

44
Bactéries produisant des vitamines

• Flavobacterium

45
Le faciès microbien nature des populations
bactériennes présentes dans le rumen
46
Le faciès microbien nature des populations
bactériennes présentes dans le rumen

• La nature des populations bactériennes présentes
  dans le rumen varient avec de nombreux facteurs
• Saison, age, présence ou absence de protozoaires,
  régime alimentaire
• Labsence de protozoaires augmente le nombre
  total de bactéries
• Régime alimentaire
• La taille de la population augmente au pâturage
• La nature du foin influence peu le faciès
  microbien
• Un régime riche en amidon augmente la taille de
  la population de S bovis, diminue le pH du RR,
  diminue le nombre de protozoaires et augmente le
  nombre total de bactéries

47
Développement de la flore bactérienne

• Le rumen contient des microorganismes dès les
  premiers jours de la vie
• A une semaine, les lactobacilles sont nombreux
  car le pH du RR est bas (régime lacté)
• Chez le veau, à lâge de 15 jours, le faciès
  bactérien est similaire à celui de ladulte
• Faciès adulte à 13 semaines
• Modalités de transmission
• Dun animal à lautre (léchage)
• Pour en savoir plus sur le développement des
  fonctions digestives du veau

48
Les moisissures (champignons) du rumen

• Plus récemment mis en évidence
• Taille de la population réduite
• Capables de digérer des fibres indigestibles par
  dautres microorganismes
• Pour en savoir plus sur les champignons du rumen
  

49
Ruminants axéniques conséquences

• Rumen peu développé
• Rumination réduite
• Fèces molles
• Digestibilité réduite
• Pica
• Appétit réduit
• Glycémie élevée
• Graisses moins saturées

50
Les protozoaires du rumen
51
Les protozoaires

• Ecologie
• 105-106 cellules/g dingesta
• Espèces ciliées anaérobies
• Masse totale équivalente aux bactéries
• Rôles
• Idem bactéries / pas indispensables aux ruminants
  stockage et digestion lente de certains substrats
• Régulation des populations bactériennes

52
Protozoaires du RR

• Organismes unicellulaires de grande taille
  (20-200 microns)
• Spécifiques du rumen
• 104 à 106 par mL de jus de rumen soit 2 kg de
  matière vivante pour un rumen de bovin
• Appartiennent presque tous à la classe des
  ciliophores (ex Ciliés) caractérisés par la
  présence de cils vibratiles
• 2 sous-classes selon la localisation de cils
• Les holotriches (25) avec des cils sur toute la
  surface
• Les oligotriches (75) avec des cils oraux
• Ingèrent des particules alimentaires ou dautres
  protozoaires
• Digèrent les glucides, protéines et lipides
• Nombre modulé par le régime alimentaire
• Pour en savoir plus sur les protozoaires du rumen

53
Classification des protozoaires du RR
Entodinium longinucleatum
Pour un exemple de répartition des protozoaires
du rumen
54
Protozoaires faciès

• Localisation géographique
• Pas dholotriches chez le mouton en Australie
• La saison
• Pic printanier lié au régime (amplitude pouvant
  aller de 1 à 10)
• Alimentation
• Population plus importante avec les régimes
  riches en énergie
• Un régime riche en amidon favorise Entomidium
• Les régimes trop riches en concentrés entraînent
  la disparition des protozoaires par baisse du pH
• Conditions du RR
• Strictement anaérobies pH de 5.5 à 7.6

55
Nutrition des protozoaires du rumen

• Ingèrent des particules alimentaires, les
  bactéries et dautres protozoaires
• Un milieu sans bactéries ne permet pas la
  croissance des protozoaires car ils sont
  incapables dutiliser de lazote non protéique et
  ils ont besoin de vitamine B
• Digestion des bactéries par les protozoaires en 2
  h
• En digérant les bactéries, ils transforment des
  protéines végétales en protéines animales de
  meilleure valeur biologique, surtout si la source
  initiale dazote était de lurée
• On estime à 100 g par jour lapport protéique
  réalisé par les protozoaires (1000 à 1500 g de
  protozoaires quittent le rumen quotidiennement )

Un protozoaire du rumen (du genre Polyplastron)
qui a ingéré 3 petits protozoaires (du genre
Dasytricha) entouré par des bactéries et des
champignons (x 400 fois). Photo credit Andrew
Williams
56
Rôle des protozoaires

• Étudié par des défaunations
• Technique délimination de la microfaune
• Ex Solution de dioctyl sodium sulfosuccinate à
  raison de 30 g par jour pendant 2 jours
• Animaux isolés pour éviter les recontaminations

57
Rôle des protozoaires conséquence de la
défaunation

• Les animaux vivent normalement
• La microfaune est non vitale pour les ruminants
• Animaux plus ventrus
• Performances zootechniques diminuées de 15
• Augmentation de la MS du RR, diminution du pH,
  diminution de la production des AGV, de
  lammoniaque
• Réduction de la digestibilité de la cellulose et
  de la rétention azotée
• Réduction de lhydrogénation des AG

58
Vue générale du métabolisme chez les ruminants
59
Digestion et absorption ruminants vs. non
ruminants
Non-ruminants Ruminants
Glucides alimentaires
Enzymes digestives
Fermentations microbiennes
Glucose dans lintestin grêle
AGV dans le rumen
Absorption dans la circulation
60
Intervention Bactérienne
Aliment
Zone dabsorption
Cavité buccale
Protéines
Azote Non Protéique (ANP)
Graisses
Glucides
Rumen
ANP
Protéines alim
Graisses
Cellulose
Amidon
B
B
B
B
B
Protéines bactériennes
AGV
Glucose
B
Abomasum
Protéines bactériennes
Peptides
Protéines alim
glucose
Acides Aminés
Graisses
AG,
Int Grèle
peptides
sang
Acides Aminés
Glucose
AG, glycérol
AGV
61
La digestion fermentaire

• Les bactéries anaérobies, les protozoaires, et
  les champignons produisent les enzymes capables
  de digérer la cellulose, lhémicellulose et les
  pectines
• Produits de la fermentation
• Acides gras volatils (en C2, C3 et C4)
• Méthane
• CO2
• Ammoniac (NH3)

62
Digestion des glucides
63
Composition en glucides daliments usuels des
ruminants
64
Structure de la paroi végétale
Les Glucides représentent 75 de la masse du
tissu végétal avec les glucides membranaires
(cellulose, lignine et hémicellulose) et les
glucides de réserve (amidon) et sucres simples
Contenu cellulaire Protéines sucres Graisses
amidon Pectines
Paroi primaire croissante
Paroi secondaire rigide
Hémicellulose
Paroi cellulaire
Lignine
Cellulose
65
Les glucides membranaires
Cliquer sur limage

• Les parois cellulaires représentent 30-80 de la
  MS végétale
• Formées par une trame de cellulose formant un
  réseau cristallin qui assure la rigidité des
  structures végétales
• La trame est remplie de polyholosides amorphes
  comme lhémicellulose et les pectines et dun
  complexe non glucidique la lignine

66
La cellulose

• Représente de 15 à 40 de la MS des fourrages
• Polymère du glucose avec des liaisons de type ß1-4

67
Cellulose et fibre de cellulose
La cellulose est la substance la plus importante
de la paroi des cellules végétales. Sa
composition chimique et sa structure permettent
d'expliquer ses propriétés physiques. La
molécule de cellulose est un polymère linéaire
(sans ramification) formée de 1 000 à 10 000
résidus de type ß-D-glucose. Elle est uniquement
formée de cellobiose ( 2 glucoses liés en bêta
1-4). Une fibre de cellulose est typiquement
formée par environ 500 000 molécules de
cellulose
liaisons ß-(1,4)
68
Localisation de lamidon dans un grain de blé

• Cliquez sur limage pour plus dinformations

69
Dégradation de la cellulose

• Se fait en 2 étapes
• Étape de désagrégation des chaînes entre elles
• Intérêt du broyage des aliments car ce serait
  létape limitante
• Étape de digestion enzymatique

70
Dégradation de la cellulose Étape de digestion
enzymatique

• Rupture des liaisons beta1-4 assurée par une
  cellulase (EC 3214) qui est une ß endoglucanase
  qui se trouve fixée sur la paroi bactérienne
  (pas de diffusion dans le jus du RR) ce qui
  explique que les bactéries doivent être au
  contact de la cellulose
• Cela forme des enclaves lytiques

• Cliquer sur limage pour en savoir plus

71
Attachement des bactéries cellulolytiques à la
cellulose

• A lorigine dun délai à la digestion
• Adhésion non spécifique des bactéries
• Liaison avec le Glycocalyx
• Survient sur les zones coupées de la plante
• Adhésion spécifique des bactéries
• Forme le Cellulosome
• Un complexe multi-enzymatique spécialisé dans la
  digestion de la cellulose

72
Dégradation de la cellulose Étape de digestion
enzymatique

• Les bactéries doivent être au contact de la
  cellulose
• Tout ce qui limite laccès des bactéries à la
  cellulose gène sa digestion ce qui est le cas de
  la lignine, de la silice ou des tanins
• Intérêt des traitements des pailles par les
  alcalis

Image montrant le  corsetage  de la cellulose
(en bleu) par la lignine (en rouge)
73
Dégradation de la cellulose Étape de digestion
enzymatique

• Endo-ß-1,4-glucanase clive les chaînes de
  cellulose
• Exo-ß-1,4-glucanase clive les unités de
  cellobiose
• Cellobiase clive la cellobiose
• La cellobiose qui résulte de la digestion de la
  cellulose (2 glucoses) sera absorbée par la
  bactérie qui la transforme en glucose

74
Digestion de lhémicellulose

• Forme 15 à 25 de la MS
• Mélange de pentoses, dhexoses et dacide
  uronique
• Le maillon le plus représentatif de
  lhémicellulose est formé avec du xylose
• Digestion analogue à celle de la cellulose mais
  enzymes dans le jus de RR
• Par les bactéries et certains protozoaires
  oligotriches
• Découpage des chaînes par des xylanases pour
  donner le xylobiose
• Le xylobiose sera hydrolysé en xylose par une
  xylobiase et avec dautres sucres simples, il
  sera absorbé par la bactérie

75
Importance de la dégradation des glucides
membranaires

• Cellulose 70 à 80
• Hémicellulose 80 à 90
• Pectine 100
• Facteurs de variation
• Présence de lignine (voir diapositive suivante)
• Faciès microbien
• Un profil amylolytique fait chuter de 80 à 15 la
  digestibilité de la cellulose
• Carence en azote
• Temps de séjour
• Si trop court (broyage trop fin des aliments), il
  y a réduction de la digestibilité

76
La lignine
Se fixe seulement sur lhémicellulose et forme
une matrice autour de la cellulose
77
La lignine

• Composé non glucidique (composé polyphénolique
  amorphe)
• Sert de support à la plante érigée (sa teneur qui
  augmente avec lâge de la plante)
• Absente des betteraves, carottes,
• Quantité limitée (lt à 8) chez les graminées
  jusquà lépiaison mais augmente ultérieurement
  ce qui explique la moins bonne digestibilité des
  fourrages récoltés trop tardivement
• Rend difficile laccès des bactéries à la
  cellulose et toxique pour les bactéries

La digestibilité de la cellulose est inversement
proportionnelle à la teneur en lignine
78
Délignification

• Plusieurs techniques pour réduire linfluence de
  la lignine
• Traitement alcalins
• NaOH 4 NH3 3
• Saponification des liaisons esters
• Pour lherbe uniquement
• Augmente la digestibilité de 10-20
• Peroxidation alcaline de la lignine
• Augmente la digestibilité de 60
• Efficace pour tous les fourrages
• Délignification biologique
• Moisissures

79
La digestion de lamidon

• Lamidon est la principale forme de réserve
  énergétique des végétaux
• Polymère (amylose) ramifié du glucose
  (amylopectine) avec des liaisons de type a1-4)

80
Liaisons 1-4a (amidon) et 1-4ß (cellulose)
81
Structure de lamidon

• Peut présenter une structure cristalline qui
  disparaît par un traitement par la chaleur (ce
  qui augmente la digestibilité) par la technique
  de floconnage

Alternance de zones amorphes et de zones
semi-crystallines
82
Digestion de lamidon

• Des bactéries comme Streptococcus bovis libèrent
  dans le jus de rumen une a-amylase qui va
  découper les chaînes damidon en polyholosides
  puis en un diholoside le maltose
• Les liaisons 1-6 seront rompues par des
  iso-amylases intrabactériennes
• Les protozoaires possèdent également une
  a-amylase
• B. amylolytiques pH optimum 5.5 - 6.6
• Métabolisation rapide / croissance rapide
• Ratio C2 C3 C4 60 30 10

83
Digestion de lamidon par lintestin des ruminants

• Une partie de lamidon échappe au RR pour être
  digéré dans lIG (pas damylase salivaire mais
  présence damylases pancréatiques)
• Capacité limitée des ruminants
• Moins de 1 kg/jour chez la vache

84
Importance et facteurs de variation de la
digestion de lamidon

• Origine de lamidon
• Quantité non digérée de 5 à 10 pour le blé, de
  10 à 20 pour le maïs et de 50 pour le sorgho
  (riche en tanins)
• Quantité ingérée
• Relation inverse entre la quantité ingérée et la
  digestibilité
• Pour en savoir plus

85
Digestion des pectines

• Les pectines sont des polyosides rattachés aux
  glucides
• Les pectines sont des polymères de
  polysaccharides acides. Les pectines sont
  composées d'une chaîne principale de molécules
  d'acide uronique liées en 1-4. Régulièrement
  entre ces monomères s'intercalent des molécules
  de rhamnoses par des liaisons 1-2 et 1-4
• Très facilement digérées par les microorganismes
  du rumen

86
Digestion des sucres solubles

• Les fourrages verts contiennent de 3 à 10 de
  sucres solubles
• Taux plus élevé dans les tiges que les feuilles
• La betterave contient 16 de saccharose
• Rapidement dégradés en hexoses

87
Vitesse de digestion ruminale par h
Sucres solubles 200-300/h
Vitesse de dégradation
Amidon 10-40/h
Cellulose 2-10/h
Temps
88
Fermentation du glucose par les microorganismes

• Les sucres simples sont absorbés par les
  bactéries et ils donnent du glucose 1-6 P qui
  donnera des pyruvates par la voie dEmden
  Meyerhof
• Les pyruvates seront oxydés en milieu anaérobie
  ce qui explique que la dégradation sarrête au
  stade acides organiques les AGV acétate /
  propionate / butyrate

89
Transformation de lacide pyruvique selon le
faciès bactérien
Si pH très bas lactobacilles
Formation de lacide propionque
Voie acrylique pHlt5.5 Régime céréales Streptococcu
s bovis Si pH encore plus bas, développement des
lactobacilles
Voie succinique pHgt5.8 Régime
cellulose Propionobactéries
90
Produits terminaux du rumen en rouge
91
Formations des lactates

• Dans les conditions physiologiques, les lactates
  formés par la voie acrylique ne saccumulent pas
• Rapidement transformés en C3 (de 55 à 90)
• Veillonella alcalescens, Peptostreptococcus
  elsdenii
• Représentent 1 des acides qui seront absorbés
  par la paroi du RR
• Pour un régime riche en sucres solubles, ils
  représentent jusquà 10 des acides du RR
• Risque dacidose (voir plus loin)

92
Production dAGV et pH ruminal
93
Formation des gaz

• Deux gaz CO2 et méthane (CH4)
• Production totale pouvant atteindre 600 L/J
• La majeure partie de CO2 vient de la
  décarboxylation de lacide pyruvique en acétate
• Le CO2 peut être repris pour former lacide
  oxaloacétique (carboxylation)
• Le CO2 peut servir à former du CH4

94
Méthanogénèse à partir du CO2 dans le RR

• Voie principale
• Voie secondaire
• Substrats H2, CO2, formate
• Methanobacterium formicum, Methanobacter
  ruminantium

95
Le méthane (CH4)

• Gaz sans intérêt pour le ruminant
• Perte énergétique de 8-10 de lénergie brute
• Éliminé par éructation
• Ne passe pas la barrière du RR comme le CO2
• Gaz à effet de serre

96
Bilan énergétique de la digestion microbienne
97
Les Acides Gras Volatils
98
Les trois principaux AGV (acides gras volatils)
acide acétique (2c)
Acide Propionique (3c)
Acide Butyrique (4c)
Leur proportion dépend du régime alimentaire
99
Formation des AGV
2 acetate CO2 CH4 chaleur
2 propionate eau
1 Glucose
1 butyrate CO2 CH4
100
Production des AGV

• Production massique
• Bovins 3 kg/J Ovins 300 g/j
• Quantité dénergie générée
• Environ la moitié de lénergie brute
• Pertes par formation de gaz, de chaleur
• Utilisation dionophores

101
Facteurs modifiant la production dAGV

• Prise de nourriture (PN) Pic de production 4 h
  après la PN
• Globalement ce qui diminue C2 et CH4 augmente C3
  et vice versa
• Régime alimentaire
• La diminution des fourrages et laugmentation des
  concentrés diminuent la production de C2 et
  augmentent celle de C3
• Les systèmes tampons
• Augmentent C2 et CH4 et diminuent C3
• Granulation, meulage
• Diminue C2 et CH4 et augmente C3
• Ionophores
• Diminuent C2 et CH4 et augmentent C3
• AG non saturés
• Diminuent CH4 et augmentent C3

102
Production dAGV en fonction du régime
alimentaire (rapport molaire)
103
Absorption des AGV

• Absorption par les papilles du rumen
• Rumen 88, omasum12
• Pas dévidence de transport actif
• Mécanisme de labsorption
• AGV sous forme ionisée pKa ? 4.8
• Ions H fournis par lhydratation du CO2
• Vitesse dabsorption C4 gt C3 gt C2

104
Absorption des AGV

• Métabolisme des AGV par la paroi du rumen
• Les cellules du rumen utilisent pour leur propres
  besoins une grande partie du butyrate
• La totalité de lacétate gagne directement le
  sang et le foie
• le propionate est partiellement transformé en
  lactate par la paroi du RR
• ovins 50 / Bovins 3-15

105
Papilles du rumen

• Lépithélium du rumen est stratifié squameux
• Organisation en papilles
• elles sont des projections de lépithélium
• taille et forme modifiées par la ration
  alimentaire
• multiplient par 20 la surface du rumen
• elles absorbent les AGV
• le développement des papilles exige des AGV
  (butyrate)

106
Développement des papilles du rumen chez le veau
nécessité de stimulus mécaniques et chimiques

• Stimulus mécaniques
• La consommation de fourrage assure le
  développement du rumen et des papilles (le
  frottement de la paroi par le fourrage est un
  stimulus mécanique de développement des papilles
  en revanche une alimentation riche en grain est
  moins stimulante)
• Stimulus chimiques
• La production dAGV entraîne le développement des
  papilles du rumen (lacide butyrique est le
  principal facteur de croissance des papilles du
  rumen)

107
Les AGV (acides gras volatils)

• Apportent 60-80 de lénergie alimentaire
• Sont absorbés passivement par les papilles des
  pré-estomacs pour gagner le foie via la
  circulation portale
• Les AGV
• Propionate exporté vers le foie pour la
  néoglucogenèse pour fabriquer le glucose et le
  glycogène
• Acétate exporté vers le foie pour faire des
  Acides Gras (lipides)
• Butyrate largement utilisé localement par les
  papilles et conversion locale en corps cétoniques

108
Acétate

• Pas de métabolisation hépatique
• Source majeure dénergie
• Substrat majeur pour la synthèse des AG et la
  lipogenèse
• Importance des fibres alimentaires pour la
  matière grasse du lait

109
Propionate lactate

• Extraction complète par le foie
• Néoglucogenèse
• Glucose sanguin / glycogène hépatique
• Importance de C3 chez les Ruminants

110
Butyrate

• métabolisé en corps cétonique (b-OH-Bu)
• paroi rumen 90 / foie 10
• utilisation synthèse acides gras du lait

111
Digestion des lipides
112
Les lipides végétaux

• Peu de lipides dans le régime herbivore
• 200 g /J chez un bovin 30 g/J chez le mouton
• Matière végétale 2 à 5 de MG
• MG localisée dans les chloroplastes
• Galactolipides et non triglycérides
• Un AG est remplacé par un galactose
• Les AG sont largement insaturés (80)

113
Digestion des lipides

• Hydrolyse complète des galactolipides
• Lipase bactérienne (2/3) et protozoaires (1/3)
• Le glycérol et le galactose donnent des AGV
• Saturation (hydrogénation) des AG insaturés
• Acide linolénique et linoléique donnent de
  lacide stéarique
• Certains AG ne sont pas saturés (AG en C20 et
  C22)
• Les AG quittent le rumen et seront absorbés par
  lIG
• La saturation concerne également les ß-carotènes
  (risque de carence en vitamine A)
• Synthèse de lipides bactériens à partir des AGV
• Différent des lipides alimentaires branchés)

114
Prévention de la saturation des AG

• Les AG saturés sont athérogènes
• Intérêt de prévenir la saturation dans le RR
  notamment pour le lait

115
Digestion des protéines
116
Digestion des protéines et métabolisme azoté

• Besoin dazote de lordre de 350 g/J de MAD chez
  une vache à lentretien
• Protéines végétales
• Solubles (60) essentiellement localisées dans
  les chloroplastes
• Immédiatement libérées et utilisées par les
  bactéries avec une protéolyse totale (en 2h)
• Insolubles (40) organites intracellulaires
  comme les mitochondries, membranes
• Libérées progressivement avec la dégradation des
  polyholosides
• Les protéines liées à la cellulose sont
  inutilisables par les microorganismes et quittent
  le RR pour gagner lIG

117
Digestion microbienne des protéines

• Protéines
• Non dégradables hydrolyse intestinale
• Dégradables hydrolyse bactérienne
• rapide et complète AA, NH3
• Synthèse de protéines microbiennes
• Remarque UREE source endogène dazote

118
Métabolisme des acides aminés

• La protéolyse donne des AA
• Les AA sont rapidement dégradés et donnent NH3

119
Digestion de lazote non protéique (ANP)

• Les ruminants peuvent tirer profit de lazote non
  protéique
• Apport possible durée comme source dazote

120
Digestion de lazote non protéique (ANP)

• LANP sera la principale source dazote des
  bactéries
• ANP est abondant dans les ensilages (fermentation
  par les bactéries), la betterave
• Apport possible sous forme durée (CON2H4) qui
  contient 47 dazote et 150 g durée est
  léquivalent théorique de 1 kg de soja
• De lurée arrive par la salive (synthétisée par
  le foie)

121
Utilisation de lurée

• Hydrolyse rapide par les uréases bactériennes
• 35 des bactéries du rumen ont cette capacité
• Vitesse dhydrolyse très rapide
• Vitesse dutilisation de NH3 plus lent ce qui
  limite lutilisation de lurée car NH3 peut
  traverser la paroi du RR et intoxiquer lanimal
  (alcalose)
• Enrobage de lurée
• biuret
• Les protozoaires nont pas cette capacité

122
Le cycle rumino-hépato-salivaire de lazote

• Le foie produit de lurée
• Sort de lurée
• Éliminé par le rein
• Clairance rénale adaptée à lapport azoté ce qui
  épargne lazote (chameau)
• Retour vers le RR
• Par la salive
• Par diffusion par la paroi du RR (majoritaire)

123
Sort des protéines chez les ruminants
124
Cycle de lazote chez le mouton(grammes par jour)
NH3 2.4g Bactérie 10g Protozoaires 1g Pr alim
3g
25g
1g
Rumen 15g (60) dégradation
ORO 40
24g
NH3 4-5g
IG 10g
10g
Sang 4g
Urine 14g
Fèces 5g
Bilan net 5g ou 30g de protéine
125
Synthèse dacides aminés par les bactéries du
rumen

• Les bactéries utilisent de lammoniac (NH3) ou de
  lazote protéique pour synthétiser leurs propres
  acides aminés
• Les ruminants peuvent absorber les AA pour faire
  des protéines mais ils couvrent leurs besoins en
  digérant les micro-organismes eux-mêmes dans
  labomasum et le grêle

126
Anabolisme microbien
127
Synthèses bactériennes

• Pour 100 g de foin ingéré, synthèse de 10 g de
  bactéries production totale de 600 à 1000 g/J
• Les bactéries sont constituées à 65 de protéines
  
• Apporte environ 50 de lazote au niveau du IG
• Digestibilité des protéines bactériennes
  inférieure aux protéines alimentaires (doù la
  protection des protéines à haute valeur
  nutritionnelle par les traitements par la chaleur
  pour les rendre insolubles), présence de tanins,
  encapsulation,
• La principale source dazote est le NH3
• Possibilité de fabriquer les AA essentiels
  (limité pour méthionine)
• Source dénergie fournie par les glucides
• Synthèse de vitamines
• Vitamines du groupe B

128
Synthèse de vitamines par les bactéries du rumen

• Synthétise toutes les vitamines B , sauf la
  B12, qui nécessite du cobalt pour sa synthèse

129
Perturbation de la digestion microbienne
éléments de physiopathologie liés à lacidose
130
Facteurs liés au risque dacidose

• Modifications de la ration alimentaire
• concentrés gt fourrages
• Modifications du pH
• AGV production / absorption
• Diminution de la sécrétion salivaire et réduction
  du pouvoir tampon dans le RR
• Contrôle de la production salivaire
• Réduction de la mastication et des stimuli ayant
  pour origine le RR

131
Pour en savoir plus sur les capacités tampon du RR
132
Acidose lactique
Rumen Acidosis
Nocek, jds 801005
133
Acidose du rumen
1-capacté tampon
2-taux de production des acides
Niveau des concentrés
Fibrosité du régime , salive
Les acides
AGV, pKa
7
Lactate 3.86
134
Acidose symptômes

• Appétit variable (cause et conséquence)
• Fèces modifiées
• Arrêt de la rumination
• Anomalie de croissance des onglons
• Lait inversion des lipides
• Abcès du foie

135
Besoin en glucose

• Glycémie de 0.4-0.6 g/L
• Régulation différente chez les ruminants
• Production continue dAGV
• Capacité très limitée dabsorption du glucose
• Néoglucogenèse

136
Le méthane (CH4) un gaz à effet de serre

• Gaz sans intérêt pour les ruminants et éliminé
  par éructation
• Gaz à effet de serre
• Une molécule de méthane participe 23 fois plus au
  réchauffement quune molécule de CO2

137
Les gaz à effet de serre caractéristiques
138
Gaz à effet de serre sources

• CO2
• Combustion (énergies fossiles, bois)
• Méthane
• Ruminants, chevaux, fumier, traitement station
  dépuration,
• NO2
• Combustion (énergie fossile, bois) activités
  industrielles, dénitrification du fumier et du
  sol

139
Contribution à la production de CH4
140
La présence de CH4 dans lair

CH4 dans latmosphère (en haut) et la
stratosphère (en bas)

Cliquer sur limage pour des explications
141
Le méthane (CH4)contribution des bovins à la
production mondiale

• La contribution des ruminants à la production
  mondiale de CH4 est significative (environ 30 de
  la production en relation avec les activités
  humaines) car il y a plus d1 milliard de bovidés
  dans le monde à raison de 100 kg de méthane par
  an et par bovin

142
Comment réduire la production de CH4 par les
ruminants en manipulant le régime alimentaire

• Réduire la part des fourrages et augmenter celle
  des céréales dans la ration
• Fourrages la richesse en cellulose favorise la
  production dacétate et de CH4
• Céréales un régime riche en amidon favorise la
  production de propionate et réduit la production
  de CH4
• Granulation
• Diminue le temps de séjour dans le rumen et le
  temps de rumination
• Diminution de la salivation et de larrivée dans
  le rumen de bicarbonates ce qui diminue le pH
• La diminution du pH réduit la flore
  cellulolytique et partant la production
  dacétate et de CH4

143
Réduction de la méthanogenèse utilisation des
ionophores
Certains antibiotiques peuvent être utilisés chez
les ruminants pour orienter la flore bactérienne
vers un faciès favorisant la production dacide
propionique au détriment de la production
dacétate et de CH4. Le monensin en est le
prototype
144
Mode daction des ionophores monensin

• Ils modifient le faciès bactérien du rumen et
  partant la part respective des différents AGV qui
  sont produits
• Pour en savoir plus sur les différents usages du
  monensin

145
Réduction de la méthanogenèse utilisation des
ionophores

• Pour en savoir plus

146
La méthanogenèse et son contrôle

• Pour en savoir plus sur la méthanogènese et son
  contrôle voir les diapositives du Dr.Akio
  Takenaka correspondant à son cours intitulé The
  properties of rumen microorganism and their
  contribution to methane production