Characterization of ruminal bacteria in grazing Nellore steers / Caracterización de bacterias ruminales en novillos Nelore en pastoreo / Caraterização bacteriana ruminal em novilhos Nelore em pastejo

Abstract Background: Rumen microorganisms have developed a series of complex interactions, representing one of the best examples of symbiosis between microorganisms in nature. Conventional taxonomic methods based on culture techniques are being replaced by molecular techniques that are faster and more accurate. Objective: To characterize rumen bacterial diversity of Nellore steers grazing on tropical pastures by sequencing the 16S rRNA gene using Illumina sequencing. Methods: Three rumen-cannulated Nellore steers were used. The liquid and solid fractions of the rumen contents were processed to extract metagenomic DNA, and the V1 and V2 hypervariable regions of the 16S rRNA gene were sequenced using Illumina sequencing. Results: A total of 11,407,000 reads of adequate quality were generated, and 812 operational taxonomic units (OTUs) were found at the species level. Twenty-seven phyla were identified, and the predominant phyla were Firmicutes (23%), Bacteroidetes (14%), Proteobacteria (10%), Spirochaetes (9%), Fibrobacteres (7%), Tenericutes (5%), and Actinobacteria (2%), which represented 70% of the total phyla identified in the rumen content. Conclusion: Rumen environment in grazing Nellore steers showed high bacterial diversity, with Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Spirochaetes, and Fibrobacteres as the predominant phyla.

Resumen Antecedentes: Los microorganismos ruminales han desarrollado una serie de interacciones complejas que representan uno de los mejores ejemplos de simbiosis entre microorganismos en la naturaleza. Los métodos taxonómicos tradicionales basados en técnicas de cultivo están siendo reemplazados por técnicas moleculares debido a su mayor velocidad y precisión. Objetivo: Caracterizar la diversidad bacteriana ruminal de novillos Nelore mantenidos en pasturas tropicales mediante la secuenciación del gen 16S RNA utilizando la plataforma de secuenciación Illumina. Métodos: Se utilizaron tres novillos Nelore fistulados en el rumen. Las fracciones líquida y sólida del contenido ruminal fueron procesadas para la extracción del DNA meta genómico y las regiones hipervariables V1 y V2 del gen 16S rRNA fueron secuenciadas usando la plataforma Illumina. Resultados: En total, se generaron 11.407.000 lecturas de calidad adecuada, y en el nivel de especie se encontraron 812 unidades taxonómicas operacionales (OTUs). Se identificaron veintisiete filos, predominantemente Firmicutes (23%), Bacteroidetes (14%), Proteobacteria (10%), Spirochaetes (9%), Fibrobacteres (7%), Tenericutes (5%) y Actinobacteria (2%), los cuales representaron el 70% de los filos identificados en el contenido ruminal. Conclusión: El ambiente ruminal de novillos Nelore en pastoreo presenta una alta diversidad de bacterias, con dominancia de los filos Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Spirochaetes y Fibrobacteres .

Resumo Antecedentes: Os microrganismos ruminais têm desenvolvido uma serie de complexas interações que representam um dos melhores exemplos de simbiose entre microrganismos na natureza. Os métodos taxonômicos tradicionais baseados em métodos de cultura vêm sendo substituídos por técnicas moleculares que apresentam maior velocidade a acurácia. Objetivo: Caracterizar a diversidade bacteriana ruminal em novilhos Nelore mantidos em pastagens tropicais mediante o sequenciamento do gene 16S rRNA utilizando a plataforma de sequenciamento Illumina. Métodos: Foram utilizados três novilhos Nelore fistulados no rúmen. A fração liquida e solida do conteúdo ruminal foram processadas para extrair o DNA metagenômico, e as regiões hipervariáveis V1 e V2 do gene 16S rRNA foram sequenciadas na plataforma Illumina. Resultados: No total foram geradas 11.407.000 leituras de qualidade adequada, e 812 unidades taxonomicas operacionais (OTUs) foram identificadas no nível de espécie. Foram identificados 27 filos, e houve predominância de Firmicutes (23%), Bacteroidetes (14%), Proteobacteria (10%), Spirochaetes (9%), Fibrobacteres (7%), Tenericutes (5%) e Actinobacteria (2 %), os quais representaram 70% dos filos identificados a partir do rúmen bovino. Conclusão: O ambiente ruminal em novilhos Nelore em pastejo apresentou alta diversidade bacteriana, com Firmicutes, Bacteroidetes, Proteobacteria, Spirochaetes e Fibrobacteres como filos predominantes.

In vitro fermentation of fibrous substrates by water buffalo ruminal cellulolytic bacteria consortia / Fermentación in vitro de consorcios bacterianos celulolíticos ruminales de búfalos de agua en sustratos fibrosos

ABSTRACT Objective. To measure the in vitro fermentation variables of a cellulolytic bacteria consortium (CBC) isolated from a water buffalo rumen in coculture with total ruminal bacteria (TRB) on two fibrous substrates. Materials and methods. A CBC was isolated from the ruminal fluid of a female water buffalo in selective cellulolytic media. The experimental design was completely random with a 3x2 factorial arrangement; factors were treatments [TRB, CBC, and coculture (TRB + CBC)] and substrates (cobra grass and corn stover). Total gas and methane (CH4) production were measured at different time intervals. At 72 h, measurements were taken of pH, ammoniacal nitrogen (NH3-N), dry matter degradation (DMD), neutral detergent fiber degradation (NDFD) and total bacteria population. Results. Gas production with both substrates was highest (p≤0.05) in the coculture at 3, 6 and 24 h. At 48 and 72 h, gas production in the cobra grass was highest (p≤0.05) in the coculture. The coculture and TRB did not differ (p>0.05) in terms of CH4, DMD and NDFD values at 48 and 72 h. With the cobra grass, NH3-N concentration was higher (p≤0.05) in the coculture than in the TRB. Conclusions. The gas production and dry matter degradation values of the water buffalo rumen cellulolytic bacteria consortia indicate them to be a promising alternative for improving cobra grass structural carbohydrates degradation when in coculture with bovine ruminal bacteria.

RESUMEN Objetivo. Determinar las variables fermentativas in vitro de un consorcio bacteriano celulolítico (CBC) aislado de una búfala de agua en cocultivo con bacterias ruminales totales (BRT) en sustratos fibrosos. Materiales y métodos. Un CBC se aisló de fluido ruminal de una búfala de agua en medios selectivos celulolíticos. El diseño experimental fue un diseño completamente al azar con arreglo factorial 3x2, los factores fueron tratamientos [BRT, CBC y un cocultivo (BRT + CBC)] y sustratos (pasto pangola y rastrojo de maíz). La producción de gas total y metano (CH4) se midieron a diferentes intervalos de tiempo. Además, se estimó pH, nitrógeno amoniacal (N-NH3), degradación de materia seca (DMS) y de fibra detergente neutro (DFDN), y la población de bacterias totales a 72 h de incubación. Resultados. El cocultivo produjo mayor (p≤0.05) cantidad de gas a las 3, 6 y 24 h en ambos sustratos. A las 48 y 72 h, el cocultivo produjo mayor (p≤0.05) gas en pasto cobra. El cocultivo y las BRT no presentaron diferencias (p>0.05) en la producción de CH4 a 48 y 72 h, y en DMS y DFDN (p>0.05). En el pasto cobra, la concentración de N-NH3 con el cocultivo fue mayor (p≤0.05) que con BRT. Conclusiones. La producción de gas y degradación de materia seca de los consorcios bacterianos celulolíticos procedentes del rumen de una búfala de agua muestran que son una alternativa para mejorar la fermentación de carbohidratos estructurales del pasto cobra cuando se cocultivan con bacterias ruminales bovinas.

Fermentação ruminal de ovinos alimentados com alto concentrado e grãos de girassol ou gordura protegida / Ruminal fermentation of sheep fed high-concentrated diet containing sunflower grains or protected fat

Seis ovinos machos, não castrados, da raça Santa Inês, com média de peso de 30kg, fistulados no rúmen, foram distribuídos em delineamento de quadrado-latino duplo (3x3). Três períodos e três dietas, uma controle, sem inclusão de fonte de lipídio, e duas com inclusão de grãos de girassol ou gordura protegida, foram testados quanto aos parâmetros ruminais. Foram verificadas diferenças (P<0,05) entre as dietas quanto à concentração ruminal de amônia (18mg/dL), mas não houve efeito sobre o pH (6,1), a produção total de ácidos graxos de cadeia curta (98mM), a proporção de acetato (66,4 por cento), de propionato (20 por cento) e de butirato (13 por cento) e sobre a razão acetato:propionato (3,2:1). As bactérias sólido-aderidas isoladas do conteúdo ruminal dos animais recebendo a dieta-controle apresentaram maior teor de nitrogênio (10,7 por cento) que as das dietas com gordura protegida (9,8 por cento) ou com grãos de girassol (9,1 por cento). A produção de nitrogênio pelas bactérias sólido-aderidas da dieta-controle (170mg/g) não diferiu da dieta com grãos de girassol (153mg/kg) ou com gordura protegida (160mg/kg). A inclusão de grãos de girassol ou gordura protegida na dieta com alto concentrado para ovinos propiciou ambiente adequado para fermentação ruminal.

Six not castrated Santa Inês breed male sheep, weighing 30kg, fistulated in the rumen, were randomly alloted in a double Latin-Square design (3x3). Three periods and three diets, a control without addition of the lipid source, and two with addition of sunflower seeds or protected fat, were tested on the ruminal fermentation. Differences (P<0.05) between diets for ruminal ammonia concentration (18mg/dL) were observed. However, effects were not detected on pH (6.1); the total production of short-chain fatty acids (98mM); proportions of acetate (66.4 percent), propionate (20 percent), and butyrate (13 percent); and acetate:propionate ratio (3.2:1). The solid-adherent bacteria isolated from the rumen content of animals fed control diet had higher nitrogen content (10.7 percent) than those fed protected fat diet (9.8 percent) or sunflower seeds diet (9.1 percent). The production of nitrogen by bacteria attached to solid-control diet (170mg/kg) did not differ from sunflower seeds (153mg/kg) or protected fat diets (160mg/kg). The inclusion of sunflower seeds or protected fat in diets with high concentrate for sheep provided suitable environment for rumen fermentation.

Use of 16S-rRNA Hybridization Probes to Detect the Cellulolytic Bacteria in Rumen / 微生物学通报

In this study, the general bacterial probe and specific cellulolytic bacterial probes were used to quantify the bacteria in rumen. The total RNA were extracted and then hybridized with general bacterial probe after a dilution of concentration. The result showed that there was a high correlation between the hybridization signal and the dilution of total bacterial RNA. Based on the result above, the quantities of three cellulolytic bacteria in rumen sample were detected. The comparative RNA percentage of three cellulolytic bacteria to total bacterial RNA were similar to the previous reports. It can be concluded that the quantification of bacteria in rumen could be conducted by this approach, and which could be used in future research.