Żwacz, ekosystem drobnoustrojów wewnątrz krowy

06 kwietnia, 2021
Żwacz jest odpowiedzialny za trawienie i rozkład złożonych związków roślinnych na prostsze. W ten sposób zwierzę może je przyswoić. Między ekosystemem drobnoustrojów w żwaczu a przeżuwaczami istnieje symbioza.

Żwacz to wspaniały przykład adaptacji zwierząt do środowiska życia. W diecie przeżuwaczy znajdują się związki, których inne gatunki, w tym ludzie, nie są w stanie strawić.

Jest to możliwe dzięki dużej różnorodności mikroorganizmów obecnych w żwaczu, odpowiedzialnych za anaerobowe (beztlenowe) trawienie tych składników pokarmowych w procesie zwanym fermentacją.

Proces fermentacji anaerobowej jest niezbędny do przetrwania wielu gatunków o znaczeniu rolniczym, w tym krów. W dzisiejszym artykule wyjaśnimy, czym jest żwacz i przedstawimy niektóre mikroorganizmy biorące udział w tym fascynującym procesie.

Żwacz

Przeżuwacze (bydło, kozy, jelenie i owce) cechują się złożonym układem pokarmowym. Ich żołądek tworzą cztery komory:

  • czepiec,
  • żwacz,
  • księgi,
  • trawieniec.

W żwaczu znajdują się tysiące mikroskopijnych organizmów, które produkują enzymy niezbędne do trawienia włókien roślinnych i celulozy. Dlatego też żwacz jest określany mianem ekosystemu drobnoustrojów. 60% populacji mikroorganizmów stanowią bakterie.

Żwacz – jaką pełni funkcję

Żwacz jest połączony z jamą gębową za pomocą przełyku. Oto etapy, którym podlega pokarm aż do jego strawienia:

  • Najpierw zwierzęta spożywają rośliny z zawartością celulozy, skrobi, pektyn i innych składników, których przeżuwacze nie mogą bezpośrednio strawić, ponieważ nie posiadają niezbędnych do tego enzymów.
  • Następnie nieprzeżuty pokarm przechodzi z jamy gębowej do żwacza, gdzie mikroorganizmy przekształcają te złożone związki w prostsze, takie jak niskocząsteczkowe kwasy tłuszczowe, dwutlenek węgla i metan.
  • Gdy te związki zostaną całkowicie rozłożone na prostsze, takie, które jelito zwierzęcia jest w stanie wchłonąć, pokarm wraca do jamy gębowej, gdzie jest przeżuwany i ponownie przełykany.
  • W końcu częściowo strawiony pokarm przechodzi do czepca, a następnie do ksiąg i trawieńca (głównego żołądka), gdzie odbywa się proces ostatecznego trawienia.

Fermentacja

Obecne w żwaczu drobnoustroje wytwarzają enzymy o zasadniczych funkcjach rozkładania węglowodanów (z celulozy, skrobi i cukrów), a także związków azotowych i lipidów. Rozkład ten zachodzi w procesie zwanym fermentacją.

Jest on niezbędny do pozyskiwania energii (w postaci ATP), do rozwoju samych mikroorganizmów oraz do produkcji niezbędnych dla zwierzęcia cząsteczek, takich jak glukoza. Pozyskiwane w ten sposób są również ważne związki zawierające azot, który jest niezbędny do syntezy białek.

Mikroorganizmy, żwacz przeżuwaczy zawiera własną florę mikroorganizmów

Mikroorganizmy wytwarzają wspomniane związki azotowe wewnątrz zwierzęcia, dzięki czemu układ pokarmowy otrzymuje dodatkowe źródło energii bez konieczności zużywania elementów z zewnątrz, takich jak witamina B czy niezbędne aminokwasy.

Żwacz – symbiotyczne relacje w anaerobowym środowisku

Trzeba podkreślić, że żwacz jest wspaniałym przykładem mutualizmu, który jest rodzajem symbiozy. Przeżuwacze zapewniają mikroorganizmom odpowiednie środowisko do ich wzrostu i aktywności. W zamian za to mikroorganizmy dostarczają żywicielowi składników odżywczych, których inaczej nie mógłby strawić.

Dzięki takiemu układowi, dieta przeżuwaczy może składać się z pokarmu bogatego w błonnik i ubogiego w białko.

Ekosystem żwacza składa się z wielu różnych mikroorganizmów. Wchodzą one w symbiotyczny układ z przeżuwaczem w środowisku, w którym nie ma tlenu.

W mikroflorze żwacza znajdują się bakterie, archeowce, pierwotniaki i grzyby. Bakterie są najbardziej podatne na fizyko-chemiczne właściwości żwacza. Te, które przeważają w tej społeczności, należą do dwóch różnych typów:

  • Firmicutes – szczególnie te z rodzaju Butyvibrio, Lachnospira, Succiniclasticum i Ruminococcus,
  • Bacteroidetes – Prevotella jest tu dominującym rodzajem.

Archeowce stanowią około 1% masy drobnoustrojów. Przedstawicielami eukariontów są pierwotniaki, które stanowią jedną trzecią całości. W żwaczu występują też grzyby.

Bakterie

Głównym składnikiem ściany komórkowej roślin jest celuloza. Krowy muszą ją odpowiednio trawić. Dlatego też bakterie celulolityczne są przeżuwaczom niezbędne.

Warto wspomnieć, że pH niższe niż 5,5 wpływa na proces trawienia włókien, a temperatura 39 stopni pogarsza zdolność przylegania bakterii. Bakterie amylolityczne są również ważne ze względu na obecność skrobi w diecie bydła i krów karmionych zbożem.

Bakterie kwasu mlekowego metabolizują kwas mlekowy i kontrolują jego gromadzenie. W ten sposób pomagają utrzymać pH na odpowiednim poziomie.

Ważną rolę odgrywają również bakterie rozkładające pektyny, ponieważ związki te stanowią 10-20% całkowitej ilości węglowodanów w diecie przeżuwaczy.

Metanogenne archeowce

Działalność mikroorganizmów jest głównym źródłem gazów cieplarnianych w rolnictwie. Metanogenne archeowce produkują metan, który jest końcowym produktem fermentacji. Niektórzy uważają to za stratę energii, ponieważ stanowi 6–10% całkowitej energii.

Gaz ten, przenikając się do środowiska, przyczynia się do efektu cieplarnianego. Podczas metanogenezy poziom CO2 i wodoru w medium spada; jest to zjawisko dobre i konieczne. 80% metanu pochodzi z fermentacji włókien (celulozy), a pozostałe 20% z rozkładu obornika.

Pierwotniaki

Te drobnoustroje zmniejszają ryzyko kwasicy po spożyciu żywności o wysokim stężeniu łatwo przyswajalnych cukrów.

Główną funkcją 90% pierwotniaków z typu orzęsków jest hydroliza i fermentacja celulozy. Orzęsek Diplopastron affinis wykazuje aktywność amylolityczną, dzięki której wytwarza maltozę i glukozę.

Grzyby

Niektóre grzyby celulolityczne wytwarzają określone enzymy zdolne do hydrolizy celulozy i ksylanów. Aktywność grzybów wspomaga trawienie ściany komórkowej warzyw.

Kilka krów na pastwisku

Są one ważne przede wszystkim wtedy, gdy przeżuwacze spożywają substancje zdrewniałe. Na przykład Neocallimastix frontalis rozpuszcza wyściółkę ścian komórkowych, dzięki czemu bakterie mogą bez problemów uzyskać dostęp do celulozy.

Żwacz – znaczenie mikroorganizmów

Jak zatem widać, mikroorganizmy odgrywają zasadniczą rolę w rozkładzie i metabolizmie pokarmu spożywanego przez przeżuwacze. Jest to więc kolejny przykład znaczenia tych jednokomórkowych istot w świecie zwierząt.

Warto również pamiętać, że mikroflora żwacza musi pozostać w dobrej kondycji, aby uniknąć u zwierząt problemów fizjologicznych, takich jak kwasica.

  • Krause, D.O., Nagaraja, T.G., Wright, A.D. and Callaway T.R. Board-invited review: Rumen microbiology: leading the way in microbial ecology. J. Anim. Sci. (2013) 91 (1): 331-341.
  • Bickhart, D.M., and Weimer, P.J. Symposium revier: Host-rumen microbe interactions may be leveraged to improve the productivity of dairy cows. J. Dairy Sci. (2018) 101(8): 7680-7689.
  • Baldwin, R.L. and Connor, E.E. Rumen function and development. Vet. Clin. North Am. Food Anim. Pract. (2017) 33(3): 427-439.
  • McCann, J.C., Elolimy, A.A. and Loor, J.J. Rumen microbiome, probiotics and fermentation additives. Vet. Clin. North Am. Food Anim. Pract. (2017) 33(3): 539-553.
  • Castillo, A.R., Burrola, M.E., Domínguez, J. and Chávez, A. Rumen microorganisms and fermentation. Arch. Med. Vet. (2014) 46: 349-361.