Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura

Micotossine e fisiologia dei ruminantiF. Abeni, CRA-FLC Cremona

1. ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni con sostanze adsorbenti; assorbimento

2. detossificazione epatica ed escrezione; carry-over nel latte

3. effetti su metabolismo nutrienti, crescita, produzione latte, riproduzione e sistema immunitario

Struttura della presentazione

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Le micotossine principalmente

indagate nei ruminanti

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

La potenziale ingestione giornaliera di una bovina da latte

< 40 µg/d di AFB1 per non avere problemi AFM1 latte (Moschini et al, 2008)

Scenario 1

alimento % ss afb1 ppb ss tq kg ss razione afb1 ing µµµµg/d app % afb1

Silomais 33 1,0 25,0 8,3 8,25 47

Farina di mais 87 1,3 3,5 3,0 3,96 23

Concentrato 89 1,0 6,0 5,3 5,34 30

Fieno 88 0,0 5,0 4,4 0,00 0

totale 39,5 21,0 17,5 100

Scenario 2

alimento % ss afb1 ppb ss tq kg ss razione afb1 ing µµµµg/d app % afb1

Silomais 33 3,5 25,0 8,3 28,88 49

Farina di mais 87 8,0 3,5 3,0 24,36 42

Concentrato 89 1,0 6,0 5,3 5,34 9

Fieno 88 0,0 5,0 4,4 0,00 0

totale 39,5 21,0 58,6 100

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

La potenziale ingestione giornaliera di una bovina da latte

linea blu = equazione adottata dai servizi di assistenza tecn ica; deriva da studi di inizio anni ’90linea rossa = equazione riportata da Fink-Gremmels (2008), inse rita nel documento EFSA (2004) sul problema aflatossine

Proiezione del livello di contaminazione dell’insilato di mais in AFB1, se impiegato in ragione di 25 kg capo -1

giorno -1, sulla contaminazione del latte in AFM1 escludendo il possibile ruolo degli apporti con altri alimenti

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Le micotossine nei foraggi aziendaliGli insilati

Silomais «maturo»: citrinina, DON, gliotossina (Richard et al., 2007)-Importanza gliotossina nel silomais dopo 9 mesi di insilamento-da A. fumigatus; immunosoppressiva

Silomais: DON, ZEA, fumonisine, T-2, PAT, ROC, AF (Cheli et al., 2013)

Dinamica microflora sul fronte degli insilati nei diversi momenti dell’anno, in relazione a condizioni ambientali (Storm et al., 2010)

Problemi derivanti da deterioramento aerobico al momento dell’utilizzo (Cavallarin et al., 2011)

-non corretta progettazione del silo in funzione delle necessità di consumo

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Le micotossine nei foraggi aziendali

equazione di Tabacco et al., 2011 J Dairy Sci

Perdita > 300 kg latte/tonnellata di

silomais (-20% in termini di resa)

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Il problema della co-contaminazione

Streit et al., 2012

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Influenza DON (vomitossina) su ingestione alimentoDON (anche detto vomitossina)

Può influire su ingestione

Controllo – 2,1 – 6,3 – 8,5 ppm

Ingalls, 1996

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Destino delle micotossine nel ruminante

Metabolismo ruminale

Ruminanti sono + resistenti dei monogastrici → il rumine ha un ruolo nella detossificazione

♣ Protozoi + efficaci di batteri, ma sono loro stessi molto + sensibili alle micotossine

AF generalmente poco degradate nel rumine → < 10% quando concentrazione è 1.0-10.0 µg/mL

Formazione aflatossicolo altamente tossicoMolti batteri sono inibiti già a concentrazioni AFB1 < 10 µg/mL ⇒

disturbo crescita e metabolismo microrganismi rumine

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Detossificazione ruminale: batteri e protozoi

•+ efficace azione dei protozoi rispetto ai batteri•se il fluido ruminale viene defaunato, la capacità di detossificazione è prossima a quella dei soli batteri

Kiessling et al., (1984) – AEM 47(5), 1070-1073

> ruolo protozoi > ruolo batteri

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Detossificazione ruminale: batteri e protozoi

Protozoi + veloci e + efficaci

Westlake et al. (1989)Anim Feed Sci Technol 25, 169-178

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Interferenza con metabolismo ruminaleEs. frumento contaminato da Fusarium

+ 88% frazione NPN prontamentedisponibile per sintesiproteine microbiche(per attività proteasicaFusarium)

> ⇑ postprandiale [NH4+]

fluido ruminale< flusso proteina

microbica e utilizzabilea livello duodenale

Dänicke et al., 2005 JAPAN

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Interazioni con sostanze adsorbenti

Biodisponibilità → proporzione di un contaminante ingerito che può raggiungere la circolazione sistemica

Ing. 10 µg contaminante x matrice alimentare A → tossicitàIng. 10 µg contaminante x matrice alimentare B → non esercita

effetti tossici

Biodisponibilità orale → è la risultante di1. Rilascio del composto dalla sua matrice nel succo digestivo nel tratto gastrointestinale (bioaccessibilità)

a. [Nel ruminante, interazioni con microbiologia del rumine]2. Trasporto attraverso l’epitelio intestinale entro la vena porta (trasporto intestinale)3. Degradazione del composto nel fegato (e intestino) (metabolismo)

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Adsorbenti (formano complessi stabili micotox-ads che non possono attraversare membrana tratto gastrointestinale)

Proprietà adsorbente: efficacia – specificità – meccanismo di adsorbimento

Proprietà micotossina: polarità – solubilità – dimensione – forma –distribuzione della carica e costante di dissociazione

Esempi1. carbone attivo (relativamente poco specifico)2. allumosilicati (zeoliti, HSCAS, argille): HSCAS alta affinità per AFB1 → complesso stabile a 25-37 °C, in range pH 2-103. adsorbenti vari: polimeri - lieviti e prodotti da loro derivati

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

bocca

esofago

Intestino crassoIntestino tenue

Rumine

Reticolo

Omaso

Abomaso

Ingestione aflatossine200-250 µg/d

Fase liquida rumine50-60 L

[aflatossine]3.0-5.0 µg/L

pH (?)

AF:SA(1:5000 ?1:50,000 ?

1:500,000 ?)

Elementi tratti e riadattati da Moschini et al. (2008) Anim Feed Sci Technol 147:292-309

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Modalità impiego adsorbenti: esempio con AFB1

Influisce su capacità di prevenire assorbimento da parte della bovina e l’eventuale trasferimento nel latte

Migliore legame SA con AFB1 quando SA è nel pellettato(>interazione)

Durante pellettatura, condizionamento pressione 80 °C e 18% umidità (+6% rispetto al 12% della farina)

Parziale distruzione AF con trattamenti quali autoclavaggio, pellettatura e estrusione

(adattato da Masoero et al., 2009, Anim. Feed Sci. Tech. 150:34-45)

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Effetti secondari impiego adsorbenti (nostri studi)

(Abeni et al, dati non pubblicati)

Volume medio eritrociti

41.5

42.0

42.5

43.0

43.5

44.0

44.5

45.0

45.5

46.0

14/03/06 28/03/06 11/04/06 25/04/06 09/05/06 23/05/06 06/06/06 20/06/06 04/07/06 17/07/06

data

fL adscon

Media di MCV fL

DATA

tesi

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Effetti secondari impiego adsorbenti (nostri studi)

(Abeni et al, dati non pubblicati)

Emoglobina corpuscolare media

15.415.615.816.016.216.416.616.817.017.217.417.6

14/03/06 28/03/06 11/04/06 25/04/06 09/05/06 23/05/06 06/06/06 20/06/06 04/07/06 17/07/06

data

pg adscon

Media di MCHpg

DATA

tesi

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Effetti secondari impiego adsorbenti (nostri studi)

(Dal Prà et al, ISM - MycoRED Europe, May 27-30 2013 - Martina Franca, Italy)

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Effetti secondari impiego adsorbenti (nostri studi)

(Dal Prà et al, ISM - MycoRED Europe, May 27-30 2013 - Martina Franca, Italy)

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Effetti secondari impiego adsorbenti (nostri studi)

(Migliorati et al, 2007, Proc. 17th ASPA Congress – Alghero, Italy)

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Assorbimento micotossine

Assorbimento gastrointestinale

1) semplice diffusione di composti polari in fase liquida

2) diffusione di composti non ionici in fase lipidica

3) trasporto attivo (es. aflatossine)

1. Ingestione alimento, metabolismo ruminale e interazioni

con sostanze adsorbenti; assorbimento

Assorbimento micotossine

Gallo et al., 2008, Italian Journal of Animal Science 7:53-63

0

5

10

15

20

25

30

0 15 30 60 180 360

AF

B1

plas

ma,

ng/

L

tempo da impianto vaginale, min

Concentrazione AFB1 nel plasma a seguito

di impianto vaginale

AFB1

2. Detossificazione epatica ed escrezione; carry-over nel

latte

Detossificazione epaticaCapacità di metabolizzare micotossine da Fusarium (es. ZEA) varia tra specie-per localizzazione cellulare delle reazioni-per metaboliti finali (es. α-ZOL o β-ZOL)(Malekinejad et al., 2006)

Bovino

2. Detossificazione epatica ed escrezione; carry-over nel

latte

Escrezione micotossine

Escrezione fecale: risultato mancato assorbimento gastrointestinale (DON, FB1, T-2) o efficiente eliminazione di tossine o loro metaboliti da parte del sistema biliare (AFB1, acido ciclopiazonico, OTA, ZEN)

Escrezione urinaria: per quelle micotossine che sono fortemente assorbite e metabolizzate (AFB1, citrinina, OTA, PAT, ZEN)

AFB1 → urinaria è la + efficiente

LatteAFM1 → max 2 d dopo ingestione AFB1 da parte della vacca, scompare 4 d dopo eliminazione AFB1 da dieta

2. Detossificazione epatica ed escrezione; carry-over nel

latte

Escrezione micotossine nel latte (Yannikouris e Jouany, 2002)Micotossina Contaminazione

o dose oraleTempo di

esposizione (d)Forma escreta

nel latteConcentrazione nel latte (ppb)

AFB1 0.35 mg·kg–1 3 AFM1 0.10

DON 1.8 mg·kg–1

66 ppm880 ppm

135

DONDOM-1

DOM-1 conj

< 430

220

FB1 3 mg·kg–1 14 FB1 0

OTA 50 mg1 g

44

OTAαOTA

OTAα

150100700

T-2 50 ppm 15 T-2 10–160

ZEN 25 ppm 7 ZENα-zearalenolo

481508

ZEN 40 ppm 21 ZEN 2.5

ZEN 1.8 g e 6 g 1 ZENα-zearalenolo

4.0 and 6.11.5 and 4.0

Carryover AFM1 escreto/AFB1 ingerito = 0.000769 * kg latte/vacca/d – 0.003255

Effetto livello cellule somatiche su CO → fase iniziale ingestione AF di vacche + produttive

2. Detossificazione epatica ed escrezione; carry-over nel

latte

Carry-over micotossine nel latte (Masoero et al., 2007)

produzione latte, kg/d 15 20 25 30 35 40

Carry-over, AFM1 escreto/AFB1 ingerito 0,008 0,012 0,016 0,020 0,024 0,028

Escrezione AF influenzata da impiego (ed efficacia) adsorbenti (esempio con pecore) → esposizione lungo periodo rende + evidente effetto YCW su shift AF urine ⇒ feci

Firmin et al., 2011

2. Detossificazione epatica ed escrezione; carry-over nel

latte

Escrezione urinaria micotossine: le aflatossine

ZEA escreto principalmente nelle urine → possibile strumento per un monitoraggio?

Takagi et al., 2011

2. Detossificazione epatica ed escrezione; carry-over nel

latte

Escrezione urinaria micotossine: lo zearalenone

giorni

Periodo utilizzo adsorbente

3. Effetti su metabolismo nutrienti, crescita, produzione latte,

riproduzione e sistema immunitario

MicotossicosiFattori genetici

-specie-razza e ceppo

Fattori fisiologici-età

-ormoni-nutrizione

-microflora digerente-infezioni e parassitosi

Fattori ambientali-condizioni climatiche

-inquinanti-tecniche allevamento

e gestione

Metabolismo micotossineAssorbimento, distribuzione, biotrasformazione, escrezione

Tossicità

danno anatomico macroscopico

morte

alterazione biochimica

alterazione funzionale

danno anatomico microscopico

adattato da Bryden, 2012

3. Effetti su metabolismo nutrienti, crescita, produzione latte,

riproduzione e sistema immunitario

Effetti su metabolismo nutrienti e su crescita (nostri studi)Ritardo crescita

(Abeni et al., submitted)

Metabolic marker of fumonisin toxicity in heifer

Abeni et al., (submitted)

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25

U/L

wk of experimental period

Plasma GGT

C

A

A-F

Metabolic marker of fumonisin toxicity in heifer

Abeni et al., (submitted)

4

14

24

34

44

54

64

74

0 5 10 15 20 25

U/L

wk of experimental period

Plasma AST

C

A

A-F

3. Effetti su metabolismo nutrienti, crescita, produzione latte,

riproduzione e sistema immunitario

Azione negativa micotossine in bovine in transizion e

Problemi tipici Effetti additivi causati da micotossine

Micotossine implicate

↓ Ingestione alimento Odore-sapore avversi alimento contaminato

Metaboliti volatili micotossine

↓ fermentazioni ruminali (SARA)

Attività antimicrobiche Patulina, acido fusarico, …

Steatosi epatica Danno epatico (colestasi), cirrosi epatica

AF, fumonisine, monacoline

Danneggiamento immunitàinnata

Danneggiamento immunità innata Tricoteceni, ocratossine, ABs, gliotossina

↑ Incidenza infezioni respiratorie

Effetti pro-infiammatori A. Fumigatus

↑ Incidenza mastiti e laminiti Effetti pro-infammatori tricoteceni

Danneggiamento fertilità Effetti estrogenici Zearalenone e metaboliti

adattato da Fink-Gremmels, 2008

3. Effetti su metabolismo nutrienti, crescita, produzione latte,

riproduzione e sistema immunitario

Effetti su metabolismo nutrienti e sistema immunita rio: vacca inizio lattazione

Mix micotossine Fusarium (DON, ZEA)

↑ N-NH3 da detossificare ⇒ Problemi epatici; ↑ Lavoro escrezione renale urea ⇒ ↑ urea plasma

↑ Globuline ⇒ ↑ proteine totali ⇒ ↓ albumine:globuline

↑Na plasma

↓ Capacità fagocitaria neutrofili e ↓ livelli Ig

(Korosteleva et al., 2007 and 2009, JDS)

3. Effetti su metabolismo nutrienti, crescita, produzione latte,

riproduzione e sistema immunitario

Effetti su riproduzioneMicotossine da Fusarium (DON, T-2, fumonisine, ZEA)

Funzione ovarica (ruminanti meno sensibili di suini)Manze 250 mg ZEA × 3 cicli estrali ⇒ ↓ tasso concepimento da 87 a 62%ZEA → α-ZOL

⇒ altera progressione meiotica degli oociti bovini (arresto metafase I)⇒ inibizione produzione estradiolo dalle cellule della granulosa

T-2 orale ⇒ ritardo maturazione follicoli, ritardo conseguente ovulazione e e relativa luteinizzazione

Funzione testicolareT-2 ⇒ danneggia qualità seme toro (attenzione al fieno)

Pubertà e maturità sessualeScarsi studi (vediamo nostri risultati)

Puberty attainment and mycotoxins in dairy heifer

Abeni et al., (submitted)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58

%

Age, wk

Puberty attainment (% of heifers)

C

A

A-F

Prosecuzione studio effetti secondari derivanti da impiego adsorbenti su

� Profilo metabolico

� Profilo ematologico

� Profilo sieroproteine

� Urine

Attuale impegno su problemi micotossine

Lavori Progetto CANADAIR

Ringraziamenti

� Progetto CANADAIR� Gruppo laboratorio fisiologia animale di Cremona (q ui

con Dr Zhou, per collaborazione CANADAIR)

… e a voi per la cortese attenzione!