Investigation of the effect of cadmium, selenium and zinc supplementation in broiler feed on productive and biochemical parameters

Abstract

The intake of essential or toxic trace elements from the environment plays a significantrole in the growth of organisms. Selenium (Se) is an essential element involved in the antioxidantsystem of animals and zinc (Zn) is a constituent of prosthetic groups in metalloproteins andmetalloenzymes while cadmium (Cd) is identified as a heavy metal that causes toxic effectsleading the last years to an effort of minimizing its usage and storage to the environment.The aim of the first experiment was to investigate if organic Se can ameliorate the toxiceffects of Cd. We investigated if Se and Cd addition to chickens’ diet affect the accumulation ofSe Cd, Sb, As, Ca, Cr, Co, Cu, Fe, Pb, Li, Mg, Mn, Mo, Ni, V and Zn in the tissues. Threehundred one day-old, chickens (broilers) were randomly distributed in four dietary treatmentswith 5 replicate pens per treatment. In treatment T1, chickens were fed a diet with 0.3 ppm addedSe, as Se yeast, without added Cd. In T2, chickens were fed a diet with 0.3 ppm Se and 10 ppmCd, as CdCl2. In T3, chickens were fed a diet with 0.3 ppm Se and 100 ppm of Cd and in T4chickens were fed a diet with 3 ppm Se and 100 ppm Cd. On days 28 and 42, two chickens perreplicate pen were sacrificed for collection of whole blood, liver, kidney and breast musclesamples. Determined were productive characteristics and hematological and biochemicalparameters. The elements’ concentrations were analyzed by inductive coupled plasma- massspectrometry (ICP-MS).Statistical analysis of the performance characteristics showed that concerning the bodyweight (g), there was no statistically significant difference between T1 and T2 as well as betweenT3 and T4 treatments (2139a ± 60, 2178a ± 80, 950b ± 47 and 1107b ± 50). Broilers consumingfeed with 100 ppm Cd (T3 and T4), showed higher feed consumption ratio (FCR) compared totreatments without Cd (T1) or 10 ppm Cd (T2). FCR in T4 tended to be lower than in T3 whilemortality showed no statistically significant differences between all treatments.The ICP-MS data analysis showed that while the low Cd level (10 ppm) in feed led tohigh concentrations of Cd in the examined tissues, high Cd levels led to increased concentrationsof Cd, Cu, Sb and V and decreased concentrations of Se, Mn and Fe. The addition of Se at highlevels did not reduce Cd concentration. Cd levels rose with the age of broilers, a fact that did notoccur for Se, Cu and Zn. The extra addition of Se to the feed containing 100 ppm Cd (T4 vs T3) raised the concentration of Se in the tissues (P<0.001), but did not reduced Cd levels nor affectedCu and Zn concentrations. Kidneys showed the greatest element accumulation followed by liver,breast muscles and blood. After applying the proper statistical model, more than 39 correlationsbetween the examined trace elements were noticed. Most significant ones were noted betweenCd with Ca, Co, Cu, and Mg while Se was correlated only with Mn.The present study confirmed the negative effects of high Cd concentrations on broilerdevelopment. The positive correlation of Cd with Zn and Cu indicates the need of the organismto accumulate elements with protective action as a countermeasure for increased Cd. The resultsof the study indicate that there is a thin balance between toxic elements and elements with antioxidantaction and the way this balance is modified by high levels of toxic elements. Finally, theresults of the first experiment revealed several correlations between essential, potentiallyessential and toxic elements indicating the importance of equilibrium between the pro-oxidativeand anti-oxidative states.The aim of the second experiment was to assess if organic selenium (Se) and Zn canprotect against the toxic effects of cadmium (Cd) and to examine if Se, Zn and Cd addition tochickens’ diet affect the accumulation of Se Cd, Sb, As, Ca, Cr, Co, Cu, Fe, Pb, Li, Mg, Mn, Mo, Ni, V and Zn in the tissues.A total of 180 one day-old, as hatched, broilers were randomly distributed in three dietarytreatments with 4 replicate pens per treatment. In T1 treatment, chickens were fed a diet with 0.3ppm added Se (as Se yeast), 100 ppm Zn (as ZnO), without added Cd. In T2, chickens were fed adiet with 0.3 ppm Se, 150 ppm Zn and 50 ppm Cd (as CdCl2). In T3, chickens were fed a dietwith 0.5 ppm Se, 150 ppm Zn and 50 ppm Cd. On the 6th week, three broilers per replicate penwere sacrificed for the collection of whole blood-, liver-, kidney- and breast samples. Body mass,feed conversion ratio and mortality were assessed and hematological analyses were performed.Selenium, Zn and Cd levels, as well as the levels of fourteen additional essential and toxicelements in the selected tissues were analyzed by ICP-MS.Addition of 50 ppm Cd to broilers’ diets had negative effects on their performance whichwas not significantly improved by the addition of Se and Zn. Nevertheless, the examinedhematological parameters ranged within physiological values revealing no negative health effectsafter simultaneous Cd, Se and Zn addition. The present study indicated that Se and Zn can partially compensate for the negativeeffects of Cd, at least at the levels of Cd tissue accumulation, but cannot counteract all of itsnegative effects. In addition, the study demonstrated several correlations between essential,probably essential and toxic metals reflecting the importance of the balance between prooxidantsand antioxidants.

Η πρόσληψη απαραίτητων ή τοξικών ιχνοστοιχείων από το περιβάλλον επιδράσημαντικά στην ανάπτυξη των οργανισμών. Το σελήνιο (Se) είναι ένα απαραίτητο ιχνοστοιχείοπου εμπλέκεται στη λειτουργία του αντιοξειδωτικού συστήματος των ζώων, ο ψευδάργυρος(Zn), είναι δομικό στοιχείο πολλών μεταλλοενζύμων ενώ το κάδμιο (Cd) ανήκει στα βαρέαμέταλλα, παρουσιάζει τοξική δράση και τα τελευταία χρόνια καταβάλλονται προσπάθειεςπεριορισμού της χρήσης και εναπόθεσής του στο περιβάλλον.Σκοπός του πρώτου πειράματος της παρούσας μελέτης ήταν η χορήγηση Se και Cd στοσιτηρέσιο κρεοπαραγωγών ορνιθίων και η διερεύνηση των αλληλεπιδράσεών τους με άλλαιχνοστοιχεία, της συσσώρευσής τους στους ιστούς, καθώς και των επιδράσεών τους στηνφυσιολογική ανάπτυξη των ορνιθίων. Επίσης, στόχος ήταν να αξιολογηθεί εάν η προσθήκηαντιοξειδωτικών, όπως οργανικού σεληνίου (Se) και προ-οξειδωτικών, όπως καδμίου (Cd),μπορεί να επηρεάσει την συσσώρευση απαραίτητων και τοξικών στοιχείων (Se, Cd, Sb, Ca, Cr,Co, Cu, Fe, Pb, Mg, Mn, Mo, Ni, V και Zn) σε διάφορους ιστούς τους. Για τους σκοπούς τουπρώτου πειράματος χρησιμοποιήθηκαν 300 νεοσσοί κρεοπαραγωγής (broilers) ηλικίας 1 ημέραςκατανεμημένοι τυχαία σε 4 επεμβάσεις (Τ1-Τ4) με 5 επαναλήψεις των 15 νεοσσών η κάθε μια.Στην επέμβαση Τ1 (μάρτυρας) χορηγήθηκε σιτηρέσιο με 0.3 ppm Se χωρίς την προσθήκη Cd,στις επεμβάσεις Τ2 και Τ3 χορηγήθηκε το σιτηρέσιο του μάρτυρα στο οποίο προστέθηκαν 10ppm και 100 ppm Cd, αντίστοιχα, ενώ τέλος, στην επέμβαση Τ4 χορηγήθηκε σιτηρέσιο μεπροσθήκη 3 ppm Se και 100 ppm Cd. Το Cd στις επεμβάσεις Τ2, Τ3, Τ4 προστέθηκε ως CdCl2,ενώ το Se χορηγήθηκε στην οργανική μορφή του (σεληνιο-αμινοξέα). Τα ορνίθια αναπτύχθηκανγια έξι εβδομάδες και ελήφθησαν δείγματα αίματος και ιστών (ήπατος, νεφρών και μυϊκού ιστούαπό 2 ορνίθια ανά κελί επανάληψης (συνολικά 40 ορνίθια) την 4η και την 6η εβδομάδα. Οισυγκεντρώσεις των στοιχείων προσδιορίστηκαν με τη μέθοδο της φασματοσκοπίας μάζαςεπαγωγικά συνδεδεμένου πλάσματος (ICP-MS). Μετρήθηκαν τα παραγωγικά χαρακτηριστικάκαι προσδιορίστηκαν αιματολογικά χαρακτηριστικά και βιοχημικοί παράμετροι.Η επεξεργασία των παραγωγικών χαρακτηριστικών έδειξε ότι δεν υπήρχε στατιστικώςσημαντική διαφορά μεταξύ των επεμβάσεων Τ1 και Τ2 και μεταξύ των επεμβάσεων Τ3 και Τ4,αντίστοιχα, όσον αφορά στο τελικό σωματικό βάρος (g) (2139 a ± 60, 2178 a ± 80, 950 b ± 47,και 1107 b ± 50). Τα ορνίθια που κατανάλωναν σιτηρέσια με 100 ppm Cd (Τ3 και Τ4), παρουσίασαν υψηλότερο συντελεστή εκμετάλλευσης σε σχέση με αυτά των επεμβάσεων μεκαθόλου ή λίγο Cd (T1 και Τ2). Σημειώθηκε η τάση ο συντελεστής εκμετάλλευσης τηςεπέμβασης Τ4 να είναι μικρότερος από αυτόν της Τ3, χωρίς όμως να είναι στατιστικώςσημαντική. Η θνησιμότητα δεν παρουσίασε στατιστικώς σημαντική διαφορά μεταξύ τωνεπεμβάσεων. Επιπλέον, τα αιματολογικά και βιοχημικά χαρακτηριστικά δεν διέφερανστατιστικώς σημαντικά και κυμαίνονταν εντός των φυσιολογικών τιμών.Η ανάλυση των δεδομένων της ICP-MS έδειξε ότι ενώ το χαμηλό επίπεδο Cd στο σιτηρέσιοοδήγησε μόνο σε αύξηση της συγκέντρωσης Cd στους εξεταζόμενους ιστούς, τα υψηλά επίπεδαCd είχαν ως αποτέλεσμα αύξηση των συγκεντρώσεων των Cd, Cu, Sb και V και μείωση τωνσυγκεντρώσεων των Se, Mn και Fe. Η προσθήκη υψηλών επιπέδων Se δεν μείωσε στατιστικώςσημαντικά τη συγκέντρωση Cd. H συγκέντρωση του Cd αυξήθηκε με την ηλικία των ορνιθίων,κάτι που δεν παρατηρήθηκε για το Se, τον Cu και τον Zn. Η επιπλέον προσθήκη Se στοσιτηρέσιο που είχε ήδη 100 ppm Cd (Τ4 έναντι Τ3), αύξησε μεν τη συγκέντρωση του Se στουςιστούς (P<0.001), αλλά δεν μείωσε στατιστικώς σημαντικά τη συγκέντρωση του Cd, ούτεεπηρέασε αυτές των Cu και Zn. Οι νεφροί παρουσίασαν τη μεγαλύτερη συσσώρευσηιχνοστοιχείων ακολουθούμενοι από το ήπαρ, το μυϊκό ιστό και το αίμα. Μετά από εφαρμογή κατάλληλου στατιστικού μοντέλου παρατηρήθηκαν περισσότερες από 39 συσχετίσεις μεταξύτων συγκεντρώσεων των εξεταζόμενων στοιχείων. Οι πιο σημαντικές αφορούσαν στη συσχέτισητου Cd με τα Ca, Co, Cu και Mg, ενώ το Se συσχετίστηκε με το Mn.Η παρούσα μελέτη επιβεβαίωσε την αρνητική επίδραση των υψηλών συγκεντρώσεων του Cdστην ανάπτυξη των πτηνών. Η θετική συσχέτιση του Cu και του Zn με το Cd, υποδηλώνει τηνανάγκη του οργανισμού να αυξήσει τη συγκέντρωση των ιχνοστοιχείων με προστατευτικήδράση παράλληλα με την αύξηση της συγκέντρωσης του τοξικού Cd. Υπό αυτή την έννοια, ηπροσθήκη υψηλής συγκέντρωσης Se είχε την τάση να μετριάσει τις αρνητικές επιδράσεις τουCd. Τα αποτελέσματα της μελέτης υποδηλώνουν την λεπτή ισορροπία μεταξύ ιχνοστοιχείων μετοξική και αντιοξειδωτική δράση και πως αυτή μεταβάλλεται όταν η συγκέντρωσηιχνοστοιχείων με τοξική δράση αυξηθεί. Τέλος, τα αποτελέσματα του πρώτου πειράματοςαποκάλυψαν αρκετές συσχετίσεις μεταξύ των απαραίτητων, πιθανώς απαραίτητων και τοξικώνστοιχείων καταδεικνύοντας τη σημασία της ισορροπίας μεταξύ των προ-οξειδωτικών και τωναντιοξειδωτικών.Σκοπός του δεύτερου πειράματος της παρούσας μελέτης ήταν η διερεύνηση τηςεπίδρασης χορήγησης των μέγιστων επιτρεπτών συγκεντρώσεων Se και Ζn στο σιτηρέσιοκρεοπαραγωγών ορνιθίων που είχαν επιμολυνθεί με 50 ppm Cd επί των παραγωγικών τουςχαρακτηριστικών, επί της συσσώρευσης δεκαεπτά απαραίτητων και τοξικών στοιχείων σεδιάφορους ιστούς καθώς και η διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων των παραπάνω στοιχείων.Για τους σκοπούς του δεύτερου πειράματος χρησιμοποιήθηκαν 180 νεοσσοί κρεοπαραγωγής(broilers) ηλικίας 1 ημέρας κατανεμημένοι τυχαία σε 3 επεμβάσεις (Τ1-Τ3) με 4 επαναλήψειςτων 15 νεοσσών η κάθε μια. Στην επέμβαση Τ1 (μάρτυρας) χορηγήθηκε σιτηρέσιο με 0.3 ppmSe (σεληνιο-αμινοξέα) και 100 ppm Zn (ZnO) χωρίς την προσθήκη Cd. Στην επέμβαση Τ2,χορηγήθηκε σιτηρέσιο με 0.3 ppm Se, 150 ppm Zn και προσθήκη 50 ppm Cd (CdCl2). Ενώτέλος, στην επέμβαση Τ3 χορηγήθηκε σιτηρέσιο με προσθήκη 0,5 ppm Se, 150 ppm Zn και 50ppm Cd. Τα ορνίθια αναπτύχθηκαν για έξι εβδομάδες και ελήφθησαν δείγματα αίματος καιιστών (ήπατος, νεφρών, μυϊκού ιστού) από 2 ορνίθια ανά κελί επανάληψης την 6η εβδομάδα.Μετρήθηκαν τα παραγωγικά χαρακτηριστικά και προσδιορίστηκαν αιματολογικάχαρακτηριστικά και βιοχημικοί παράμετροι. Οι συγκεντρώσεις των στοιχείων προσδιορίστηκανμε τη μέθοδο της φασματοσκοπίας μάζας επαγωγικά συνδεδεμένου πλάσματος (ICP-MS). Η προσθήκη 50 ppm Cd στο σιτηρέσιο κρεοπαραγωγών ορνιθίων οδήγησε σε μείωσητων επιδόσεων τους, η οποία δεν βελτιώθηκε σημαντικά με την προσθήκη Se και Zn. Παρ 'όλααυτά, οι αιματολογικές παράμετροι που εξετάστηκαν κυμάνθηκαν εντός των φυσιολογικώντιμών και δεν αποκαλύπτουν ιδιαίτερα αρνητικές επιπτώσεις στην υγεία μετά από ταυτόχρονηπροσθήκη Cd, Se και Zn. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι τα απαραίτητα ιχνοστοιχεία Se και Znμπορούν να συμβάλλουν εν μέρει στη βελτίωση από τις αρνητικές επιπτώσεις του Cd,τουλάχιστον στα επίπεδα συσσώρευσης του Cd στους ιστούς, αλλά δεν μπορούν νααντισταθμίσουν όλες τις αρνητικές επιπτώσεις του. Επιπλέον, η μελέτη αποκάλυψε αρκετέςσυσχετίσεις μεταξύ απαραίτητων, πιθανώς απαραίτητων και τοξικών στοιχείων πουαπεικονίζουν τη σημασία της ισορροπίας μεταξύ των προ-οξειδωτικών και αντιοξειδωτικών.