Digestion microbienne chez les ruminants Aude FERRAN Plan

Digestion microbienne chez les ruminants Aude FERRAN

Plan n Milieu ruminal n Rôles des principales espèces microbiennes dans la digestion n Digestion fermentaire n Devenir des produits de la digestion

Historique n Zuntz 1879 : élève de Pasteur ¨ les micro-organismes du rumen sont responsables des fermentations et assurent la production des acides gras volatils (AGV) et des gaz (CO 2 et CH 4) ¨ les ruminants absorbent et utilisent ces AGV. Remarque : Cette idée était contestée à une époque où la fermentation évoquait la putréfaction et le CH 4 se nommait le gaz des marais

Introduction n Herbivores ¨ Fermenteurs pré-gastriques ¨ Fermenteurs post-gastriques

Introduction n Avantages d’une fermentation prégastrique ¨ Meilleure utilisation d’aliments de faible qualité nutritionnelle n n Cellulose Azote non protéique ¨ Destruction de substances toxiques n Oxalates, cyanure, alcaloïdes ¨ Synthèses n Acides aminés essentiels n vitamine B

Introduction n Désavantages d’une fermentation prégastrique ¨ Perte d’énergie Pertes % du total des calories Méthane 5 -8 Chaleur de fermentation 5 -6 Le rendement dépend du pourcentage des glucides non cellulosiques. ¨ Pertes protéiques n n Perte d’azote sous forme d’ammoniaque Perte d’azote sous forme d’acides nucléiques (20% de l’azote des bactéries)

Introduction n Désavantages (suite) d’une fermentation prégastrique ¨ Les ruminants sont sensibles aux molécules toxiques produites par les bactéries du rumen avec conversion de: n n nitrates en nitrites urée en ammoniaque glucides en acide lactique …

Introduction n Adaptations physiologiques aux relations symbiotiques ¨ Apport régulier d’aliments ¨ Aliments soigneusement mastiqués et ¨ Brassage régulier du contenu ruminal ¨ Conditions ruminales particulières n Absorption des Acides Gras Volatils ¨ ¨ ¨ n Acétate (C 2) Propionate (C 3) Butyrate (C 4) Evacuation des gaz insalivés

Milieu ruminal n Réticulo-rumen : = grand volume ¨ Partie dorsale : gaz ¨ Partie centrale : langue de fourrage (14 -18% MS) ¨ Partie ventrale : 9%MS) fluides (6 Représentation schématique du contenu du réticulo-rumen

Milieu ruminal n Anaérobiose ¨ Indispensable n n sans O 2 (anaérobiose), les dégradations s’arrêtent au stade d’acides organiques avec O 2 (aérobiose), elles iraient toutes jusqu’au CO 2 ¨ Maintenue par la consommation immédiate de l’O 2 par les bactéries anaérobies facultatives

Milieu ruminal n p. H compris entre 5. 5 et 7. 3 ¨ Valeur optimale autour de 6 ¨ Significativement plus bas 2 h à 6 h après la prise de nourriture (production des AGV) et surtout avec une ration riche en concentrés (grains, aliments granulés, …) ¨ Existence de systèmes tampons n entre p. H 6 -8 : surtout phosphates n entre p. H 5 -6: bicarbonates n p. H<5 : AGV (salive) :

Milieu ruminal n Importance de la salive ¨ Production de : n 100 à 200 L par jour chez les bovins n 3 à 16 L par jour chez un mouton = soit 4 -5 fois l’ingestion quotidienne d’eau. n Production maximale avec de la nourriture à base d’herbe et moindre avec une alimentation à base de granulés

Milieu ruminal n Importance de la salive ¨ Contrôle la teneur hydrique du RR ¨ Contrôle le p. H du RR ¨ Rôle tensioactif : évite la formation de mousse ¨ Apport d’azote dont 80% sous forme d’urée

Milieu ruminal n Remarque : Température ruminale plus élevée que la température rectale (40°C vs. 38°C)

Population microbienne du RR n Bactéries < 5 µm ¨ 109 à 1010 /m. L de jus de rumen ¨ environ 1 kg de bactéries chez un bovin (10% de la MS du RR) n Protozoaires (ciliés) 20 -200 µm ¨ 104 à 106 /m. L de jus de rumen ¨ environ 2 kg de protozoaires chez un bovin n Champignons (moisissures) 20 -200 µm ¨ 104/m. L n Archaea (ex archéobactéries) ¨ 108/m. L

Population microbienne du RR n Localisation ¨ sur les particules végétales n Bactéries, champignons, protozoaires ¨ libre dans la phase liquide n Bactéries, protozoaires (espèces à croissance rapide) ¨ épimurale (sur la paroi du rumen) n Recyclage des protéines des cellules desquamées n Utilisation de l’oxygène proviennent du plasma n Hydrolyse de l’urée

Population microbienne du RR n Variation de la population microbienne avec de nombreux facteurs ¨ Régime n alimentaire, saison, … Régime alimentaire ¨ Adaptation alimentaire ¨ des espèces bactériennes au régime Remarque : La taille de la population microbienne augmente au pâturage ATTENTION, les modifications de flore se produisent sur 2 semaines et il faut être prudent lors de transition alimentaire

Population microbienne du RR n Développement de la flore microbienne chez le jeune ruminant ¨ Les animaux ingèrent les micro-organismes par léchage ¨ Le rumen contient des micro-organismes dès les premiers jours de la vie ¨A une semaine, les lactobacilles sont nombreux car le p. H du RR est bas (régime lacté) ¨ Chez le veau, à l’âge de 15 jours, la composition de la population bactérienne est similaire à celui de l’adulte

Population microbienne du RR n Espèces bactériennes ¨ Anaérobies: 98% ¨ Cellulolytiques: 14% ¨ Amylolytiques: 39%

Population microbienne du RR n Principales espèces bactériennes ¨ Cellulolytiques n Bacteroides succinogenes n Ruminococcus albus n Ruminococcus flavefaciens n Butyrivibrio fibrisolvens ¨ Hémicellulolytiques n Bacteroides ruminicola n Butyrivibrio fibrisolvens ¨ Amylolytiques n Bacteroides amylophilus n Streptococcus bovis (aérobie facultatif) n Bacteroides ruminicola

Population microbienne du RR n Principales espèces bactériennes ¨ Cellulolytiques n Les bactéries s’attachent sur les fibres et sécrètent des enzymes (complexe enzymatique : cellulase) n Clivage des liaisons β 1→ 4 entre 2 glucoses n La cellobiose (dimère de 2 glucoses) produite entre ensuite dans la cellule et est hydrolysée en glucose dans la bactérie

Population microbienne du RR n Principales espèces bactériennes ¨ Cellulolytiques et Hémicellulolytiques Développement lent et métabolisme lent = toujours minoritaires (ne représentent jamais plus de 25% de la population bactérienne) n n Bien développées avec les régimes riches en fourrage n Très sensibles (meurent) au p. H acide (nécessité d’un p. H>6) n Produisent de l’acétate (C 2), du propionate (C 3), un peu de butyrate (C 4) et du CO 2

Population microbienne du RR

Population microbienne du RR n Principales espèces ¨ Amylolytiques bactériennes n Digèrent l’amidon n Bien développées avec un régime riche en concentrés n Tolèrent des p. H plus acides (p. H=5 -6) que les cellulolytiques mais si le p. H est trop bas, population de lactobacilles devient prédominante n Produisent des lactates et plus de propionate (C 3) que les cellulolytiques.

Population microbienne du RR

Population microbienne du RR n Principales espèces bactériennes ¨ Amylolytiques (suite) n Streptococcus bovis est considéré comme « la mauvaise herbe » du rumen ¨ Développement extrêmement rapide (doublement en 13 min) lorsque les conditions sont favorables (beaucoup d’amidon/sucres et un p. H bas) ¨ Production d’acide lactique = risque de syndrome d’acidose

Population microbienne du RR n Autres espèces bactériennes ¨ Souches utilisant seulement des sucres simples ¨ Souches utilisant préférentiellement des acides organiques (Propionobactéries) n Substrat : acide lactique, succinique, formique … ¨ Souches protéolytiques (12 à 38 % des bactéries) n ¨ Peuvent utiliser des acides aminés comme source énergétique Souches lipolytiques n Capables d’utiliser le glycérol et les triglycérides

Population microbienne du RR n Autres espèces bactériennes (suite) ¨ Souches utilisant l’ammoniaque ¨ Souches productrices de méthane Ex: Methanobacterium formicicum, Methanobrevibacter ruminantium n CH 4 est éliminé par éructation n La production de CH 4 et son éructation représente une perte d’énergie pour l’animal

Population microbienne du RR n Protozoaires ¨ 104 -106 cellules/m. L de jus ruminal ¨ Espèces ciliées anaérobies ¨ Principalement localisés sur la langue de fourrage 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

Population microbienne du RR n Protozoaires ¨ Strictement ¨ p. H anaérobies optimal de 5. 5 à 7. 6 ¨ Variations en fonction de l’alimentation n Population plus importante avec les régimes riches en énergie n Les régimes trop riches en concentrés entraînent la disparition des protozoaires par baisse du p. H

Population microbienne du RR n Protozoaires ¨ Ingèrent des particules alimentaires, des bactéries (régulation des populations bactériennes) ou d’autres protozoaires ¨ Digèrent dans des vacuoles digestives n n n des glucides : certains sont cellulolytiques des protéines des lipides : importance dans la digestion des galactolipides ¨ Stockent certains substrats (amidon, acides gras insaturés) ¨ Remarque : Incapables d’utiliser de l’azote non protéique et de synthétiser de la vitamine B

Population microbienne du RR n Protozoaires ¨ Rôles n Pas indispensables aux ruminants n Régulent les populations bactériennes Métabolisent l’acide lactique et diminuent les risques d’acidose n

Population microbienne du RR n Champignons (Plus récemment mis en évidence) Taille de la population réduite ¨ Anaérobies ¨ ¨ Capables de digérer des fibres indigestibles par d’autres micro-organismes

La digestion fermentaire n Les bactéries, les protozoaires, et les champignons produisent des enzymes capables de digérer des glucides, des protéines et des lipides Produits de la fermentation : n n Acides gras volatils (acétate, propionate, butyrate) Méthane CO 2 Ammoniac (NH 3)

Digestion des glucides n Glucides = 75% de la masse du tissu végétal ¨ Glucides structuraux n Cellulose n Hémicellulose n Pectine ¨ Glucides de réserve n Amidon ¨ Sucres simples

Rappels : composition en glucides d’aliments usuels des ruminants Glucides %MS Luzerne Herbe Maïs Glucides solubles Cellulose 5 4 2 25 30 0 Hémicellulose 22 26 6 Pectine 6 4 0 Amidon 2 1 72

Digestion des glucides n Glucides structuraux : ¨ Dégradation microbienne n Cellulose: 70 à 80 % n Hémicellulose : 80 à 90% n Pectine : 100% ¨ Facteurs de variation n Population microbienne du rumen : ex Un profil amylolytique fait chuter de 80 à 15% la digestibilité de la cellulose n Temps de séjour : si trop court (broyage trop fin des aliments), il y a réduction de la digestibilité n Présence de lignine Image montrant le « corsetage » de la cellulose (en bleu) par la lignine (en rouge)

Digestion des glucides Exemple : Présence de lignine et digestibilité =Moins bonne digestibilité des fourrages récoltés trop tardivement La digestibilité de la cellulose est inversement proportionnelle à la teneur en lignine

Digestion des glucides n Glucides structuraux : la pectine ¨ Polymères de polysaccharides acides (sucres oxydés) = acides uroniques (acide galacturonique) liés en beta 1 -4 ¨ Régulièrement entre ces monomères s'intercalent des molécules de rhamnoses ¨ Très facilement digérée par les microorganismes du rumen

Digestion des glucides n Glucides structuraux : la cellulose ¨ 15 à 40% de la MS des fourrages ¨ Dégradation en 2 étapes Désagrégation des chaînes par broyage (mastication) n Digestion enzymatique par des bactéries cellulolytiques (complexe d’enzymes = cellulase) au niveau de la langue de fourrage n Pas d’enzymes capables de cliver des liaisons β 1 chez les mammifères

Digestion des glucides n Glucides structuraux : la cellulose ¨ Digestion enzymatique par la n Endo-β-1, 4 -glucanase n Exo-β-1, 4 -glucanase cellulase cellobiose = 2 glucoses. L’hydrolyse de la cellobiose a ensuite lieu dans la bactérie n Cellobiase : clive la cellobiose en 2 glucoses

Digestion des glucides n Glucides structuraux : l’hémicellulose ¨ 15 à 25 % de la MS des fourrages ¨ Polymères de pentoses (principalement xylose) mais aussi d’hexoses et d’acides uroniques (sucres oxydés) ¨ Différentes enzymes nécessaires localisées dans le jus de RR n n Découpage des chaînes par des xylanases pour donner le xylobiose (2 xyloses) Xylobiose sera hydrolysé en 2 xyloses par une xylobiase

Digestion des glucides n Glucides non structuraux : l’amidon ¨ Digestion enzymatique par des bactéries amylolytiques et certains protozoaires n n α-amylase découpe les chaînes d’amidon en polyholosides puis en maltose (2 glucoses) dextrinases intrabactériennes rompent les liaisons de ramification 1 -6 n p. H optimum = 5. 5 - 6. 6 Métabolisation rapide / croissance rapide n Ratio C 2 : C 3 : C 4 = 60 : 30 : 10 n

Digestion des glucides n Glucides non structuraux : l’amidon ¨ Digestion enzymatique n Une partie de l’amidon peut échapper à la digestion ruminale pour être digéré dans l’intestin grêle grâce aux amylases pancréatiques n Fraction non digérée dans le rumen dépend de l’origine de l’amidon ¨ ¨ ¨ n 5 à 10% pour le blé 10 à 20% pour le maïs 50% pour le sorgho (riche en tanins) Fraction non digérée augmente quand la quantité ingérée augmente

Digestion des glucides n Glucides non structuraux : les sucres solubles n Fructosanes (Petits polymères de fructoses avec des liaisons β 1 -2) Ex: inuline n Saccharose (ex : betterave) ¨ Digestion rumen très rapide par les micro-organismes du

Vitesse de dégradation Vitesse de digestion ruminale (% par h) Sucres solubles 200 -300%/h Amidon 10 -40%/h Cellulose 2 -10%/h Temps

Digestion des glucides n Les sucres simples libérés par la digestion ¨ Sont absorbés par les bactéries ¨ Donnent de l’ATP et des d’Embden-Meyerhof D-glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi pyruvates par la voie 2 Pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ ¨ Puis, les pyruvates participent ensuite à la formation des AGV: acétate / propionate / butyrate (selon la population bactérienne présente et le régime alimentaire )

Les Acides Gras Volatils : AGV Les 3 principaux AGV acétate (2 C) 75 % propionate (3 C) butyrate (4 C) 15 % 10 % Leur proportion dépend du régime alimentaire

Les Acides Gras Volatils : AGV Fourrage : Grain 100: 0 Acetate 75 Propionate 15 Butyrate 10

Les Acides Gras Volatils : AGV Fourrage : Grain Acetate Propionate Butyrate 100: 0 75 15 10 20: 80 54 35 11

Les Acides Gras Volatils : AGV Fourrage : Grain Acetate Propionate Butyrate 100: 0 75 15 10 75: 25 70 20 10 50: 50 65 20 10 40: 60 60 26 10 20: 80 54 31 11

Facteurs modifiant la production d’AGV n Production d’AGV ¨ Bovins : 3 kg/j ¨ Ovins : 300 g/j n Prise de nourriture (PN): Pic de production 4 h après la PN n Régime alimentaire Ce qui diminue C 2 et CH 4, augmente C 3 et vice versa ¨ Augmentation des fourrages n n ¨ augmente la production de C 2 et CH 4 diminue la production de C 3 Augmentation des concentrés, granulation, meulage n n diminue la production de C 2 et CH 4 augmente la production de C 3

Digestion des glucides Voie acrylique Voie succinique Formation de l’acide propionique Voie succinique p. H>5. 8 Régime cellulose Voie acrylique p. H<5. 5 Régime céréales

Digestion des glucides p. H ruminal et production d’AGV

Digestion des glucides n Formation des lactates ¨ Rapidement transformés en propionate (de 55 à 90%) par la voie acrylique = Pas d’accumulation des lactates dans les conditions physiologiques (ils sont consommés) ¨ Si accumulation, risque d’acidose

Acidose : symptômes n Arrêt des contractions ruminales Diarrhée Lait : diminution de la quantité et de la qualité n Autres conséquences possibles n n ¨ ¨ ¨ Troubles locomoteurs (fourbure, pododermatite, . . ) Entérotoxémie Inflammation de la paroi ruminale Abcès hépatiques Nécrose du cortex cérébral

Digestion des glucides n Formation de gaz : CO 2 et CH 4 Voie acrylique Voie succinique Production de CO 2 et de CH 4 lors de la synthèse d’acétate et de butyrate

Digestion des glucides n Formation de gaz : CO 2 et méthane (CH 4) ¨ Production totale pouvant atteindre 600 L/J ¨ CO 2 n vient majoritairement de la décarboxylation du pyruvate en acétate n peut être utilisé pour former ¨ de l’oxaloacétate (carboxylation) du CH 4 Voie principale: Methanobacterium formicum, Methanobacter ruminantium ¨

Digestion des glucides n Formation de gaz : CO 2 et méthane (CH 4) ¨ Méthane n Gaz sans intérêt pour les ruminants et éliminé par éructation Dépense énergétique inutile n Réduction de la production par réduction de la part n des fourrages et augmentation de celle des céréales dans la ration

Contribution à la production de CH 4 Sources Naturelles ~33% Industrielles ~33% Agriculture 33% nature Marais autres Pétrole % total 24. 4 9. 5 10. 6 % anthropique Charbon Décharge Épuration eaux Riz Bétail Fumier brûlis 10. 3 6. 4 5. 3 12. 8 17 2. 1 1. 0 16 9. 6 8 19. 3 25. 8 3 -7 1. 6 16. 1

Les Acides Gras Volatils : AGV n Absorption par les papilles épithéliales du RR ¨ Réticulo-rumen : 88% ¨ Feuillet : 12% ¨ Vitesse d’absorption n n C 4 > C 3 > C 2 Forme non ionisée (acide)> forme ionisée (anion) ¨ Diffusion ou diffusion facilitée (sous la forme anion avec un échange de HCO 3 -) à travers la membrane

Les Acides Gras Volatils : AGV n Développement des papilles épithéliales chez le veau ¨ Stimuli chimiques n Production d’AGV (butyrate) ¨ Stimuli mécaniques n La consommation de fourrage et le frottement contre la paroi permet le développement des papilles

Les Acides Gras Volatils : AGV n Distribution et utilisation ¨ Gagnent le foie via la circulation portale Apportent 60 -80% de l’énergie alimentaire ¨ Permettent la production des acides gras du lait ¨ Permettent la production de graisse ¨

Digestion des lipides n 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 Galactolipides : glycérol avec 2 AG et 1 galactose n Triglycérides dans les graines oléagineuses n Phospholipides n n Acides gras largement insaturés (80%)

Digestion des lipides n Hydrolyse complète des galactolipides ¨ Lipases produites par des bactéries (2/3) et des protozoaires (1/3) libèrent des AG ¨ Glycérol et galactose donnent des AGV n Saturation (hydrogénation) des AG insaturés Acceptent les H + libérés lors de l’oxydation anaérobie ¨ Pas intéressante au point de vue alimentaire (lait par ex) ¨ ¨ n Les protozoaires en stockant des AG non saturés peuvent les protéger de la saturation Synthèse de lipides bactériens à partir des AGV

Digestion des lipides n Digestion et absorption dans l’intestin identiques à celles des mammifères monogastriques

Digestion des protéines n Protéines végétales ¨ Solubles (60%) chloroplastes : essentiellement localisées dans les Protéolyse rapide par les enzymes bactériennes en 2 h n Les aa peuvent être utilisés par les microbes (synthèse de protéines microbiennes) ou être dégradés en NH 3 et AGV n ¨ Insolubles (40%) : organites intracellulaires comme les mitochondries, membranes… Libérées progressivement n Les protéines liées à la cellulose sont inutilisables par les microorganismes et quittent le RR pour gagner l’intestin grêle n

Utilisation de l’azote non protéique (ANP) n Les ruminants peuvent tirer profit de l’azote non protéique = Apport possible d’urée qui contient 47% d’azote n ANP est la principale source d’azote des bactéries n ANP est abondant dans les ensilages (fermentation par les bactéries), la betterave…

Utilisation de l’azote non protéique (ANP) n Utilisation de l’urée ¨ Hydrolyse rapide par les uréases bactériennes (35% des bactéries du rumen ont cette capacité) en NH 3 ¨ Ré-utilisation de NH 3 plus lente ce qui limite l’utilisation de l’urée car NH 3 excédentaire peut traverser la paroi du RR et intoxiquer l’animal (alcalose) ¨ ¨ Enrobage de l’urée Biuret

Utilisation de l’azote non protéique (ANP) n Le cycle rumino-hépato-salivaire de l’urée ¨ Urée produite par le foie ¨ Éliminée par le rein ¨ ou recyclée vers le RR Par la salive n Par diffusion à travers la paroi du RR (majoritaire) n

Synthèses bactériennes n Synthèses avantageuses pour le ruminant ¨ Synthèse d’AA à partir d’ANP ¨ Synthèse d’AA essentiels (limité pour méthionine) ¨ Synthèse de vitamines du groupe B (Nécessité de Cobalt pour la synthèse de la vitamine B 12)

Intervention Bactérienne Cavité buccale Rumen caillette Int Grèle sang Zone d’absorption

Intervention Bactérienne Aliment Zone d’absorption Cavité buccale Glucides Cellulose Rumen B AGV B Amidon B Glucose caillette glucose Int Grèle sang AGV Glucose

Intervention Bactérienne Aliment Zone d’absorption Cavité buccale Lipides Glucides Cellulose B Rumen B AGV B lipides AG Amidon B Glucose caillette Int Grèle sang AGV AG glucose Glucose

Intervention Bactérienne Aliment Cavité buccale Protéines bactériennes caillette Protéines bactériennes Int Grèle peptides sang Lipides Protéines alim Rumen Zone d’absorption B Peptides B Cellulose B AGV B B Amidon B Glucose Protéines alim Acides Aminés Lipides Glucides AGV lipides AG AG glucose Glucose

Intervention Bactérienne Cavité buccale Aliment Azote Non Protéique (ANP) ANP Rumen B caillette Protéines bactériennes Int Grèle peptides sang Lipides Protéines alim Protéines bactériennes Zone d’absorption B Peptides B Cellulose B AGV B B Amidon B Glucose Protéines alim Acides Aminés Lipides Glucides AGV lipides AG, glycérol AG glucose Glucose

Conclusion n Milieu ruminal adapté à la fermentation microbienne ¨ ¨ n Populations microbiennes sont très avantageuses pour ¨ ¨ n Anaérobie Volume Température p. H, … Digestion de glucides structuraux Synthèse d’acides aminés à partir d’azote non protéique Populations microbiennes sont défavorables pour ¨ Saturation des lipides