Effects of High Copper Supplementation from Different Sources on the Productive Performance and Intestinal Microbiota of Broilers and Pigs, and Its Environmental Dimension

Abstract

El coure (Cu) ha guanyat una atenció important com a substitut dels antibiòtics a causa de les seves propietats antimicrobianes i la seva capacitat de millorar el rendiment dels animals quan s'alimenta més enllà del requisit mínim. Tanmateix, la ingesta excessiva de Cu pot provocar danys cel·lulars en generar radicals lliures que causen estrès oxidatiu i disfunció hepàtica en animals. A més, complementar les dietes dels animals amb metalls pesants com el Cu augmenta la probabilitat de co-seleccionar i mobilitzar gens de resistència als antibiòtics, cosa que podria conduir a la difusió de la resistència als antibiòtics en humans. Encara existeixen moltes llacunes de coneixement sobre les fonts de Cu existents al mercat i el paper que tenen en el rendiment dels animals, el seu mecanisme d'acció i la dimensió ambiental de la suplementació d'alt Cu. Aquest doctorat. tesi dirigida a investigar els efectes de la suplementació elevada de Cu de diferents fonts sobre el rendiment productiu i la microbiota intestinal de polls d'engreix i porcs, i la dimensió ambiental. Al manuscrit I, vam realitzar un experiment per investigar els efectes de dues fonts de Cu, CuSO4 o Cu2O, a tres nivells d'inclusió sobre el rendiment del creixement i la microbiota intestinal dels polls d'engreix. L'estudi tenia com a objectiu determinar l'impacte de la suplementació d'alt Cu en polls d'engreix amb enteritis necròtica mitjançant la reutilització de deixalles velles. També vam investigar la resistència antimicrobiana mitjançant l'anàlisi de mostres d'excrements. Les nostres troballes suggereixen que l'addició de 150 mg/kg de Cu a partir de Cu2O pot provocar alteracions en la microbiota intestinal, específicament mitjançant la regulació de la població bacteriana a l'ileon, cosa que pot proporcionar una explicació potencial per a la millora observada en el rendiment del creixement dels broilers. Al manuscrit II, vam explorar els efectes d'incloure un alt Cu (250 mg/kg) de CuSO4 o Cu2O a la dieta dels porcs en creixement sobre l'estrès oxidatiu, la inflamació, l'abundància de gens i la modulació microbiana. L'estudi va informar que afegir 250 mg/kg de Cu a partir de CuSO4 o Cu2O regula els gens implicats en la immunitat i el creixement i indueix canvis en la microbiota intestinal. Tanmateix, Cu2O indueix menys oxidació i inflamació sistèmiques en comparació amb CuSO4. Al manuscrit III, vam presentar els resultats d'un estudi, utilitzant les mateixes mostres fecals del manuscrit II, basat en un nou xip de gens de resistència metàl·lica HT-qPCR en combinació amb la seqüenciació d'amplicó del gen rRNA 16S i la tipificació de resistència fenotípica d'Escherichia coli (E. coli) aïllats. L'estudi tenia com a objectiu investigar els efectes de l'addició elevada de Cu de CuSO4 o Cu2O sobre el resistoma del metall bacterian de l'intestí del porc i l'assemblatge de la comunitat. Arribem a la conclusió que la suplementació d'alt Cu indica un baix risc de co-selecció d'ARG mitjançant mecanismes de co-resistència o resistència creuada, respectivament. Col·lectivament, aquesta tesi demostra que la suplementació d'alt Cu, especialment Cu2O, pot millorar el rendiment del creixement i alterar la microbiota intestinal i l'abundància de gens en animals. Tanmateix, també pot causar estrès oxidatiu i inflamació, que es poden mitigar per la font de Cu. A més, el risc potencial de co-selecció de gens de resistència als antibiòtics mitjançant suplements de Cu alt sembla ser insignificant.

El cobre (Cu) ha ganado una atención significativa como reemplazo de los antibióticos debido a sus propiedades antimicrobianas y su capacidad para mejorar el rendimiento animal cuando se alimenta más allá del requisito mínimo. Sin embargo, la ingesta excesiva de Cu puede provocar daño celular al generar radicales libres que causan estrés oxidativo y disfunción hepática en animales. Además, complementar las dietas de los animales con metales pesados como el Cu aumenta la probabilidad de coseleccionar y movilizar genes de resistencia a los antibióticos, lo que eventualmente podría conducir a la diseminación de la resistencia a los antibióticos en humanos. Todavía existen muchos vacíos de conocimiento con respecto a las fuentes existentes de Cu en el mercado y el papel que juegan en el desempeño de los animales, su mecanismo de acción y la dimensión ambiental de la suplementación con alto contenido de Cu. Este doctorado tesis dirigida a investigar los efectos de la suplementación alta en Cu de diferentes fuentes sobre el rendimiento productivo y la microbiota intestinal de pollos de engorde y cerdos, y la dimensión ambiental. En el manuscrito I, llevamos a cabo un experimento para investigar los efectos de dos fuentes de Cu, CuSO4 o Cu2O, en tres niveles de inclusión sobre el crecimiento y la microbiota intestinal de los pollos de engorde. El estudio tuvo como objetivo determinar el impacto de la suplementación con alto contenido de Cu en pollos de engorde desafiados con enteritis necrótica al reutilizar la cama vieja. También investigamos la resistencia a los antimicrobianos mediante el análisis de muestras de excrementos. Nuestros hallazgos sugieren que la adición de 150 mg/kg de Cu a partir de Cu2O puede provocar alteraciones en la microbiota intestinal, específicamente mediante la regulación de la población bacteriana en el íleon, lo que puede proporcionar una explicación potencial para la mejora observada en el rendimiento del crecimiento de los pollos de engorde. En el manuscrito II, exploramos los efectos de incluir un alto contenido de Cu (250 mg/kg) de CuSO4 o Cu2O en la dieta de cerdos en crecimiento sobre el estrés oxidativo, la inflamación, la abundancia de genes y la modulación microbiana. El estudio informó que agregar 250 mg/kg de Cu de CuSO4 o Cu2O regula los genes involucrados en la inmunidad y el crecimiento, e induce cambios en la microbiota intestinal. Sin embargo, Cu2O induce menos inflamación y oxidación sistémica en comparación con CuSO4. En el manuscrito III, presentamos los resultados de un estudio, utilizando las mismas muestras fecales del manuscrito II, basado en un nuevo chip genético de resistencia a metales HT-qPCR en combinación con secuenciación de amplicón del gen 16S rRNA y tipificación de resistencia fenotípica de Escherichia coli (E. coli) aislados. El estudio tuvo como objetivo investigar los efectos de la alta adición de Cu de CuSO4 o Cu2O en el resistoma metálico bacteriano del intestino porcino y el ensamblaje de la comunidad. Concluimos que la suplementación con alto contenido de Cu indica un bajo riesgo de coselección de ARG a través de mecanismos de co-resistencia o resistencia cruzada, respectivamente. En conjunto, esta tesis demuestra que la suplementación con alto contenido de Cu, particularmente Cu2O, puede mejorar el rendimiento del crecimiento y alterar la microbiota intestinal y la abundancia de genes en los animales. Sin embargo, también puede causar estrés oxidativo e inflamación, que pueden ser mitigados por la fuente de Cu. Además, el riesgo potencial de coselección de genes de resistencia a los antibióticos a través de la suplementación con alto contenido de Cu parece ser insignificante.

Copper (Cu) has gained significant attention as a replacement for antibiotics due to its antimicrobial properties and ability to enhance animal performance when fed beyond the minimum requirement. However, excessive Cu intake can lead to cellular damage by generating free radicals that cause oxidative stress and liver dysfunction in animals. Furthermore, supplementing animal diets with heavy metals such as Cu increases the likelihood of co-selecting and mobilizing antibiotic-resistance genes, which could eventually lead to the dissemination of antibiotic resistance in humans. Many knowledge gaps still exist regarding the existing sources of Cu in the market and the role that they play in animals’ performance, their mechanism of action, and the environmental dimension of high-Cu supplementation. This Ph.D. thesis aimed at investigating the effects of high Cu supplementation from different sources on productive performance and intestinal microbiota of broilers and pigs, and the environmental dimension. In manuscript I, we conducted an experiment to investigate the effects of two sources of Cu, CuSO4 or Cu2O, at three inclusion levels on the growth performance and gut microbiota of broilers. The study aimed to determine the impact of high-Cu supplementation on broilers challenged with necrotic enteritis by reusing old litter. We also investigated antimicrobial resistance by analyzing excreta samples. Our findings suggest that the addition of 150 mg/kg of Cu from Cu2O can lead to alterations in the gut microbiota, specifically by regulating the bacterial population in the ileum which may provide a potential explanation for the observed improvement in broiler growth performance. In manuscript II, we explored the effects of including high Cu (250 mg/kg) from CuSO4 or Cu2O in the diet of growing pigs on oxidative stress, inflammation, gene abundance, and microbial modulation. The study reported that adding 250 mg/kg of Cu from CuSO4 or Cu2O regulates genes involved in immunity and growth, and induces changes in the intestinal microbiota. However, Cu2O induces less systemic oxidation and inflammation compared to CuSO4. In manuscript III, we presented the results of a study, using the same fecal samples from manuscript II, based on a novel HT-qPCR metal resistance gene chip in combination with 16S rRNA gene amplicon sequencing and phenotypic resistance typing of Escherichia coli (E. coli) isolates. The study aimed to investigate the effects of high Cu addition from CuSO4 or Cu2O on the swine gut bacterial metal resistome and community assembly. We conclude that high-Cu supplementation indicates a low risk for co-selection of ARGs via co-resistance or cross-resistance mechanisms, respectively. Collectively, this thesis demonstrates that high-Cu supplementation, particularly Cu2O, can improve growth performance and alter the gut microbiota and gene abundance in animals. However, it may also cause oxidative stress and inflammation, which can be mitigated by the source of Cu. Furthermore, the potential risk of co-selection of antibiotic-resistance genes through high-Cu supplementation appears to be insignificant.