Modelling digestion in the rumen : comparison of current models, modelling starch flows, thermodynamic approach of fermentations
Modélisation systémique de la digestion dans le rumen : comparaison des modèles existants, modélisation des flux d'amidon, approche thermodynamique des fermentations
Résumé
Nutritional and zootechnical responses of ruminants to diets largely depend on responses at the rumen level. The objective of this study was to bring new prospects to progress in rumen modeling, pioneered in the early seventies. To tackle this work, we decided to favor a systemic modeling approach based on various organizational levels: from organs to nutrients flows and down to mechanisms of cellular regulation. The first part of this study was devoted to compare current rumen models. Indeed, few comparative validations had been undertaken until now. The results pointed out that models share common principles but have also their own characteristics. Their main weakness was their inability to predict the end-products of fermentation (volatile fatty acids, gas, microbial matter) in a satisfactory way. We investigated two directions to progress in this area. The first one deals with the representation of starch digestion; this carbohydrate substrate explains the most variation in ruminal digestion rates of a diet. We developed a model predicting starch flows to better quantify and explain observed variation. This study was conducted from quantitative databases related to in situ and in vivo flows. Results for variation within experiments were entirely satisfactory. However, variation among experiments remained large and was difficult to explain. The second direction was based on the application of thermodynamic laws to microbial metabolism. The objective was to improve the prediction of end-products of fermentation. This original approach of fermentation includes both modeling and experimental work. Results allowed some properties resulting from thermodynamic principles to be identified and strengthened interest in the subject. This work has contributed to some progress on rumen modeling, especially on the modeling of starch flows. It also opens a promising new field of knowledge that deserves further attention.
Les réponses nutritionnelles et zootechniques des ruminants aux variations de régime sont largement conditionnées par leurs effets au niveau du rumen. L'objectif de ce travail était d'apporter de nouvelles perspectives pour progresser dans la démarche de modélisation de cet organe, qui a débuté dans les années 1970. Pour l'aborder, nous avons privilégié une approche par modélisation systémique à différents niveaux organisationnels: de l'organe, aux flux de nutriments et jusqu'aux mécanismes de régulation cellulaire. La première partie du travail était consacrée à une étude comparative des modèles actuels. Peu de validations comparées des modèles avaient été entreprises jusqu'à présent. Les résultats rendent compte des principes communs appliqués mais aussi des spécificités de chacun des modèles. Leur plus grande faiblesse réside dans leur incapacité à prédire de façon satisfaisante les équilibres des produits terminaux des fermentations (acides gras volatils, gaz et matières microbiennes). Pour progresser dans ce domaine, nous avons exploré deux voies. La première concerne la représentation de la digestion de l'amidon, substrat glucidique expliquant la majeure partie des variations de la vitesse de digestibilité ruminale des rations. Nous avons développé un modèle de prédiction des flux d'amidon pour mieux quantifier et expliquer les variations observées. Cette étude a été réalisée à partir de bases de données quantitatives portant sur ces flux mesurés in sacco et in vivo. Les résultats obtenus expliquent assez précisément les variations observées intra-essai. Par contre, les variations inter-essais demeurent importantes et difficiles à apprécier. La seconde voie est basée sur l'application des lois de la thermodynamique au métabolisme microbien. L'objectif est d'améliorer la prédiction des produits terminaux des fermentations. Cette approche originale des aspects fermentaires a comporté un volet modélisation et un volet expérimental. Les résultats permettent de dégager certaines propriétés comme résultant des principes de la thermodynamique et nous confortent dans l'intérêt de cette approche. Ce travail de thèse contribue aux avancées en matière de modélisation du rumen, notamment pour la modélisation des flux d'amidon. Il propose aussi de nouveaux champs de recherche encore peu explorés.
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Sciences du Vivant [q-bio]
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