Balance de carbono a distintos tiempos de fermentación en un hongo anaeróbico ruminal. Resultados de un ejercicio de cálculo partir de datos bibliográficos

Los hongos anaerobios son constituyentes importantes del conjunto de microorganismos capaces de degradar los alimentos fibrosos por los rumiantes. Sin embargo, a pesar del tiempo transcurrido desde su identificación, no existe información disponible sobre sus requerimientos energéticos, y cuando esa información se ha necesitado para procesos de modelación de la fisiología ruminal, se les ha extrapolado los valores establecidos para las bacterias celulolíticas (Witten y Richardson 2003). Los requerimientos para el mantenimiento y el crecimiento de los microorganismos se suelen determinar mediante experimentos con reactores de flujo continuo (Dijkstra et al. 1998). Este procedimiento es apropiado para el estudio de los microorganismos que se mueven en la fase líquida, mientras que los hongos anaerobios ruminales se adhieren a las partículas fibrosas e insolubles, lo cual dificulta su manejo en los reactores de flujo continuo convencionales.

En este artículo se describe la estimación del balance de carbono en el hongo Neocallimastix frontalis a partir del procesamiento de los resultados publicados en su momento por Bauchop y Mountfort (1981), obtenidos en un experimento en fase estacionaria en ausencia de microorganismos productores de metano. En un trabajo acompañante (Stuart et al. 2015) se utilizan los resultados aquí obtenidos como punto de partida para la estimación de los requerimientos energéticos para el mantenimiento y el crecimiento del hongo, así como otras informaciones de utilidad para la comprensión de su comportamiento.

 

Para el ejercicio se seleccionó el experimento en que se estudió el crecimiento del hongo en cultivo puro. El mismo se incubó en condiciones anaeróbicas, en presencia de papel de filtro y se hicieron determinaciones de la celulosa residual y de los productos formados a las 72, 120, 168, 216 y 288 horas (Bauchop y Mountfort 1981).  Las condiciones experimentales aparecen descritas en el artículo original y los resultados se expresaron en forma gráfica (Figura 3 del artículo citado). Los productos finales fueron los iones  formiato acetato y lactato, además del etanol, hidrógeno y dióxido de carbono. Determinación de los parámetros de las curvas.La figura 3 del artículo se llevó a una hoja de papel cuadriculado y se estimaron un conjunto de curvas superponibles a las originales, con valores puntuales  conocidos. Dichos valores se ajustaron a un modelo logístico mediante el paquete estadístico InfoStat (Balzarini et al. 2008). La celulosa estaba expresada como el material residual y cada valor se restó de la cantidad inicial, para obtener por diferencia  la celulosa degradada. Una vez determinados los parámetros de las curvas según el modelo seleccionado, se realizó para cada una de ellas los siguientes cálculos: tiempo necesario para alcanzar el punto de inflexión, celulosa degradada o productos de la fermentación acumulados al tiempo correspondiente al punto de inflexión de la celulosa, así como las tasas de degradación de la celulosa y de acumulación de productos de la fermentación a ese tiempo de incubación. Las expresiones matemáticas utilizadas fueron las siguientes: 

donde : α, β y γ son parámetros del modelo logístico, t es el tiempo en horas.La expresión (1) estima la cantidad de la variable Z acumulada hasta el tiempo ti según el modelo logístico, mientras que la expresión (2) estima la tasa de  variación de Z respecto al tiempo en el momento ti. Balance del carbono. El balance del carbono se realizó a la hora correspondiente al punto de inflexión de la degradación de la celulosa. Para el mismo se supuso que el polisacárido está  formado por un gran número de unidades de anhidroglucosa (C6H10O5)n, con un peso molecular de 162. Se determinaron los μmoles de carbono degradados como celulosa hasta el momento del punto de inflexión, así como la suma del carbono los productos acumulados, también en μmoles. La diferencia entre esas dos magnitudes se supuso que correspondían al carbono acumulado como biomasa fúngica. De igual modo se procedió con las tasas de degradación de la celulosa y de acumulación de productos al tiempo mencionado.  

 

En la tabla1 se muestran los valores para los parámetros del modelo logístico correspondientes a la celulosa degradada y a la formación de productos durante la fermentación por el hongo.

0,99. Sin embargo, ese resultado es con referencia a la curva estimada a partir de los datos originales.  El punto de inflexión de la degradación de la celulosa equivale, según el modelo logístico el momento en que se alcanza la máxima tasa degradación,. En ese momento, la celulosa degradada alcanzó un total de 27,68 mg, equivalentes a 1025,20 μmoles de carbono, mientras que la tasa de degradación de dicho polisacárido fue de 0,456 mg*h-1, equivalentes a 16,875 μmoles de carbono*h-1. En la tabla 2 se muestran los acumulados y las tasas de degradación, así como sus equivalentes en carbono para el resto de los productos de la fermentación a las 146 horas. 

La suma del carbono acumulado como productos a las 146 horas fue  de 959,67  μmoles. Al restar dicha cantidad a los 1025,20 μmoles aportados por la celulosa se obtiene un estimado del carbono depositado como biomasa, equivalentes a 65,52 μmoles, o 957,67 μg de carbono. A su vez, la suma de la tasa de formación de carbono como productos  a las 146 horas fue de 16,875  μmoles*h-1,  Al restar dicho valor de los 13,902 μmoles  de carbono*h-1.aportados por la celulosa al degradarse, se obtiene una tasa de acumulación de 2,973 μmoles  carbono*h-1, es decir, 35,676 μg  carbono*h-1. Proporción de acetato  la tasa de formación de los productos finales de dos o más átomos de carbono en los productos  a distintas horas de inicio de la incubación. La proporción de acetato en los productos de dos o más átomos de carbono (acetato + etanol + lactato) según las tasas de fermentación a las 100, y46 y 200 horas decreció de manera sistemática y fue de 0,645; 0,465 y 0,148 respectivamente. Este cambio estuvo asociado a incrementos en la proporción del lactato y el etanol, de modo que al final de la fermentación estos productos tuvieron la mayor tasa de formación, a la vez que ocurrió un incremento sostenido en la presencia de hidrógeno en el medio fermentativo. En los estudios de balance de carbono, el contenido de este elemento químico en los microorganismos es un buen indicador para los estudios de biosíntesis, por su relativa constancia y fácil medición (McKinney 2004). En este caso, se utilizó el estimado de la retención de carbono de Neocallimastix frontalis para determinar la tasa de síntesis, así como los requerimientos energéticos para la síntesis y el mantenimiento del hongo, en un trabajo acompañante (Stuart et al. 2015).

Los resultados, sin embargo están influidos por la incertidumbre de la forma del cálculo de las curvas, como ya se explicó anteriormente.  Se encontró sin embargo, para la celulosa una degradación asintótica (valor de α para la celulosa, tabla 1) ligeramente superior a la encontrada por los autores originales (Bauchop y Mountfort 1981), que fue de 53 mg a las 300 horas. 

El decrecimiento sistemático de la producción de acetato por el hongo y el incremento en el lactato y el etanol, y en general, las variaciones tiene consecuencias importantes en el metabolismo energético del hongo. Si este proceso está relacionado con la acumulación de hidrógeno, entonces resulta un elemento de importancia a los efectos del resultado de la manipulación del hongo y su eficiencia degradativa.