Manipulación de la fermentación ruminal mediante electrofermentación

Palabras clave:

fermentación ruminal, electrofermentación, microbiota ruminal

Resumen

La fermentación ruminal (FR) es un proceso anaerobio de óxido-reducción realizado por una comunidad microbiana compleja, mediante el cual se generan ácidos grasos volátiles (AGV), principal fuente de energía para los rumiantes. Sin embargo, la FR también produce metano, un gas de efecto invernadero que afecta la sostenibilidad de los sistemas ganaderos. Esto ha impulsado el interés en estrategias que aumenten la eficiencia energética del rumen, lo que favorece una mayor producción de AGV y reduce simultáneamente las emisiones de metano por unidad de alimento fermentado. La electrofermentación (EF) puede considerarse como una alternativa innovadora para abordar estas limitaciones. Este enfoque combina fermentación microbiana con la aplicación de corrientes eléctricas mediante electrodos que funcionan como sumideros o fuentes de electrones. Al modificar el balance redox microbiano y superar restricciones termodinámicas, la EF redirige el flujo de electrones hacia rutas metabólicas que incrementan la síntesis de AGV. Estudios in vitro han demostrado aumentos superiores al 80% en la producción de AGV, acompañados de una reducción significativa del biogás y un incremento en biomasa microbiana. En conjunto, estos avances posicionan a la EF como una estrategia prometedora para mejorar la eficiencia alimentaria y disminuir el impacto ambiental de la ganadería, aunque su implementación in vivo requiere mayor investigación técnica y metodológica.

https://doi.org/10.21929/abanicomicrobiano/2025.7

2025-7

https://www.youtube.com/watch?v=cAZisEK0sF8

Citas

AGUILAR-GONZÁLEZ M, Buitrón G, Shimada A, Ayala-Sumuano J, González-Dávalos L, Varela-Echavarría A, Mora O. 2022. Study on manipulation of ruminal fermentation using a bioelectrochemical system. J. Anim. Physiol. and Anim. Nutr. 107(2):357-366. https://doi.org/10.1111/jpn.13723

BAJRACHARYA S, Sarkar O, Krige A, Matsakas L, Rova U, Christakopoulos P. 2022. Chapter 12: Advances in gas fermentation processes. In: Current Developments in Biotechnology and Bioingineering, Eds Sirohi et al. Elsevier. Pp. 321-351. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-91167-2.00004-6

BHAGCHANDANII DD, Babu RP, Sonawane JM, Khanna N, Pandit S, Jadhav DA, Prasad R. 2020. A comprehensive understanding of electro-fermentation. Fermentation. 6(3):e92. https://doi.org/10.3390/fermentation6030092

BUCKEL W. 2021. Energy conservation in fermentations of anaerobic bacteria. Front. Microbiol. 12(703525):1-16. https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.703525

CHANDRASEKHAR K, Naresh K.A, Gopalakrishnan K., Dong-Hoon K., Young-Chae S., Sang-Hyoun K. 2021. Electro-fermentation for biofuels and biochemicals production: current status and future directions. Bioresour. Technol. 323:e124598 https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124598

CHOI O, Sang BI. 2016. Extracellular electron transfer from cathode to microbes: application for biofuel production. Biotechnol. Biofuels. 9(11):1-14. https://doi.org/10.1186/s13068-016-0426-0

FIRKINS JL, Mitchell KE. 2023. Rumen modifiers in today's dairy rations. J. Dairy Sci. 106(5):3053-3071. https://doi.org/10.3168/jds.2022-22644

GONZÁLEZ-CABALEIRO R, Lema JM, Rodríguez J. 2015. Metabolic energy-based modelling explains product yielding in anaerobic mixed culture fermentations. PLoS One. 10(5):e0126739. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0126739

KRACKE F, Vassilev I, Krömer JO. 2015. Microbial electron transport and energy conservation – the foundation for optimizing bioelectrochemical systems. Front. Microbiol. 6:e575. https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00575

KRÓLICZEWSKA B, Pecka-Kie?b E, Bujok J. 2023. Strategies Used to Reduce Methane Emissions from Ruminants: Controversies and Issues. Agriculture. 13(3):e602. Pags.1-26. https://doi.org/10.3390/agriculture13030602

LAN W, Yang C. 2019. Ruminal methane production: Associated microorganisms and the potential of applying hydrogen-utilizing bacteria for mitigation. Sci. Total Environ. 654:1270-1283. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.11.180

LEAHY SC, Janssen PH, Attwood GT, Mackie RI, McAllister TA, Kelly WJ. 2022. Electron flow: key to mitigating ruminant methanogenesis. Trends Microbiol. 30(3):209-212. https://doi.org/10.1016/j.tim.2021.12.005

LIU K, Zhang Y, Yu Z, Xu Q, Zheng N, Zhao S, Huang G, Wang J. 2021. Ruminal microbiota–host interaction and its effect on nutrient metabolism. Anim. Nutr. 7(1):49-55. https://doi.org/10.1016/j.aninu.2020.12.001

LÓPEZ-HERNÁNDEZ R, Cercado-Quezada B, Gómez-Velázquez H, Robles-Rodríguez C, González-Dávalos L, Varela-Echavarría A, Shimada A, Mora O. 2023. Single-chamber electrofermentation of rumen fluid increases microbial biomass and volatile fatty acid production without major changes in diversity. Fermentation. 9(6):e502. https://doi.org/10.3390/fermentation9060502

MORAÏS S, Mizrahi I. 2019. The road not taken: the rumen microbiome, functional groups, and community states. Trends Microbiol. 27(6):538-549.

https://doi.org/10.1016/j.tim.2018.12.011

MOSCOVIZ R, Toledo-Alarcón J, Trably E, Bernet N. 2016. Electro-fermentation: how to drive fermentation using electrochemical systems. Trends Biotechnol. 34(11):856-865. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.04.009

MUKHERJEE T, Venkata Mohan S. 2021. Metabolic flux of Bacillus subtilis under poised potential in electrofermentation system: gene expression vs product formation. Bioresour. Technol. 342:e125854. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125854

NAGARAJA TG. 2016. Microbiology of the Rumen. In: Rumenology. Eds. MILLEN DD et la. Springer International. Pp 39-61. https://doi.org/10.1007/978-3-319-30533-2_2

NEWBOLD C, Ramos-Morales E. 2020. Review: Ruminal microbiome and microbial metabolome: Effects of diet and ruminant host. Anim. 14(1):78-86. https://doi.org/10.1017/S1751731119003252

ROMAGNOLI EM, Kmit MCP, Chiaramonte JB, Rossmann M, Mendes R. 2017. Ecological aspects on rumen microbiome. In: Diversity and Benefits of Microorganisms from the Tropics. Eds. DE AZEVEDO JL and Quecine MA. Springer. Pp. 367-389. https://doi.org/10.1007/978-3-319-55804-2_16

SANJORJO RA, Tseten T, Kang MK, Kwon M, Kim SW. 2023. In pursuit of understanding the rumen microbiome. Fermentation. 9(2):e114.

https://doi.org/10.3390/fermentation9020114

SCHIEVANO A, Pepé-Sciarra T, Vanbroekhoven K, De Wever H, Puig S, Andersen SJ, Rabaey K, Pant D. 2016. Electro-fermentation- Mergin electrochemistry with fermentation industrial applications. Trends in Biotechnol. 34(11):866-878.

https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.04.007

SESHADRI R, Leahy SC, Attwood GT, Teh KH, Lambie SC, Cookson AL, Eloe-Fadrosh EA, Pavlopoulos GA, Hajithomas M, Varghese NJ, Paez-Espino D, Hungate 1000 project collaborators, Perry R, Henderson G, Creevey CJ, Terrapon N, Lapebie P, Drula E, Lombard V, Rubin E, Kyrpides NC, Henrissat B, Woyke T, Ivanova NN, Kelly WJ. 2018. Cultivation and sequencing of rumen microbiome members from the Hungate1000 Collection. Nat. Biotechnol. 36:359-367. https://doi.org/10.1038/nbt.4110

SIKORA A, Detman A, Chojnacka A, B?aszczyk MK. 2017. Anaerobic digestion: I. A common process ensuring energy flow and the circulation of matter in ecosystems. II. A tool for the production of gaseous biofuels. InTech. 14(08):e271. https://doi.org/10.5772/64645

SRAVAN JS, Butti SK, Sarkar O, Mohan SV. 2019. Chapter 5.1: Electrofermentation: chemicals and fuels. In: Microbial Electrochemical Technology. Eds. MOHAN VS, et al. Elsevier. Pp 723-737. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64052-9.00029-7

VASSILEV I, Averesch Nils JH, Ledezma P, Kokko M. 2021. Anodic electro-fermentation: Empowering anaerobic production processes via anodic respiration. Biotechnol. Adv. 48:e107728. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2021.107728

YEE MO, Deutzmann J, Spormann A, Rotaru AE. 2020. Cultivating electroactive microbes–from field to bench. Nanotechnol. 31:e174003. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab6ab5

Manipulación de la fermentación ruminal mediante electrofermentación

Palabras clave:

Resumen

Citas

Publicado

Número

Sección