Impact of feed composition on rearing of broiler chickens without in-feed antimicrobials

Abstract

In-feed antimicrobials with antibiotic properties have been used for disease-preventive and performance-promoting purposes in rearing of broiler chickens since the mid-twentieth century. The use of antibiotic agents in subtherapeutic doses to promote growth has later been banned in several countries. However, ionophorous polyether antibiotics (‘ionophores’) with anticoccidial and antibacterial properties are still extensively used in broiler production in most countries, except Norway, to control the key production-limiting diseases coccidiosis and Clostridium perfringens-associated necrotic enteritis.

Antimicrobial resistance is a serious threat to global public health, and the increasingly higher occurrence of antibiotic resistant pathogens requires urgent action and prudent use of antibiotics. Increased consumer awareness and criticism from other stakeholders, novel therapeutic indications of ionophores and a possible association between ionophores and antimicrobial resistance to antibiotics important in human medicine, may lead to future restrictions of the prophylactic use of ionophores in more countries.

The aim of this thesis was to study and assess specific dietary manipulations in broiler chickens reared in ‘antimicrobial-free’ production systems, meaning that no substances with antibiotic properties were added to the feed. Effects of adding non-antibiotic feed additives or changing the dietary ratio of starch to fat on intestinal health and production performance in Ross 308 broilers were investigated by the use of an experimental animal model simulating commercial broiler house conditions.

The first hypothesis of this work was that diets supplied with non-antibiotic feed additive products improve production performance and/or reduce intestinal C. perfringens counts compared with a diet with no feed additives. Twenty commercially available feed additives categorized as prebiotics, probiotics, phytogenics and/or organic acid-based products, and four combinations of such products, were evaluated based on their effect on caecal C. perfringens counts and production performance. Probiotic feed additives with Bacillus subtilis strains improved production results in a time interval of the study comprising infection with coccidia, and one of these products concurrently reduced C. perfringens counts. Prebiotic feed additives, all based on non-living components from the yeast Saccharomyces cerevisiae, improved production performance and particularly feed conversion ratio in the rearing interval with coccidia infection. The heterogeneous group of feed additives with phytogenic compounds showed variable results. A product based on oleoresins from turmeric and chilli peppers improved overall feed conversion and reduced C. perfringens counts, and two products containing essential oils improved production performance in the time interval comprising infection with coccidia. Several organic acid-based feed additives containing short- and/or medium-chain fatty acids or derivatives thereof improved overall production performance, and demonstrated superior production performance results during the first two weeks post-hatch. In general, the study of non-antibiotic feed additives provided comparable and unbiased results from testing of a representative selection of commercially available products and product combinations in a uniform experimental model relevant to commercial rearing of broilers. The different non-antibiotic feed additives affected production performance and intestinal C. perfringens counts with varying degrees of success, and some feed additives had beneficial impact only during distinct rearing phases and on specific performance targets. The use of optimized combinations of different active components with synergistic effects, and targeted use of feed additives in specific phases of the production cycle, are promising strategies in antimicrobial-free broiler rearing systems.

The second hypothesis was that a high dietary starch to fat ratio impairs starch digestibility, production performance and intestinal health in broilers challenged with coccidia. Two antimicrobial-free diets with similar energy and protein content, but with different inclusion level of starch and fat, were evaluated for their effect on nutrient digestibility, production performance, small intestinal morphology, C. perfringens counts and toxin profile, necrotic enteritis prevalence and caecal short-chain fatty acid (SCFA) abundances in coccidia-challenged broilers. Results showed that the diet with the highest starch inclusion level augmented starch digestibility, led to improved feed conversion and did not have an impact on intestinal C. perfringens counts, toxin profile or necrotic enteritis prevalence. Thus, the hypothesis that a higher dietary starch to fat ratio would impair intestinal health and production performance was not verified. A rejection of the hypothesis needs to take two possibly confounding factors of the high starch to fat ratio diet into consideration: The degree of starch gelatinization and the use of isolated wheat starch. In chickens fed the high starch to fat ratio diet, total caecal SCFA level was greater prior to infection with coccidia and small intestinal villi were longer after infection with coccidia. The study of dietary starch to fat ratios suggests that broiler chickens have the capacity to adapt to different diet compositions by structural remodelling of the small intestine, and that chickens adapted to higher levels of dietary starch might be more resilient to Eimeria spp. infections as a consequence of increased mucosal surface area.

Possible future restrictions of the use of ionophores in the global broiler industry call for more knowledge of the impact of feed composition on development of intestinal disease and production performance. Results from this thesis suggest that some non-antibiotic feed additives have disease-preventive and performance-enhancing effects. Further, diets with a high starch to fat ratio do not seem to predispose for intestinal disease if the dietary starch is readily available and easily digested.

Antimikrobielle midler med antibiotiske egenskaper har blitt tilsatt i fôret til slaktekylling siden midten av det 20. århundre for å forebygge sykdom og fremme ytelse. Bruk av antibiotika i subterapeutiske doser for å fremme tilvekst har senere blitt forbudt i flere land, men ionofor-polyeterantibiotika (‘ionoforer’) med effekt mot koksidier og bakterier benyttes fortsatt i stort omfang i de fleste land med unntak av Norge. Ionoforer brukes hovedsakelig for å forhindre koksidiose og Clostridium perfringens-assosiert nekrotiserende enteritt, som er blant de mest tapsbringende sykdommene hos slaktekylling.

Antibiotikaresistens er en alvorlig trussel mot global folkehelse, og stadig økende forekomst av antibiotikaresistente sykdomsfremkallende bakterier krever umiddelbar handling og restriktiv bruk av antibiotika. Økt forbrukerbevissthet og kritikk fra ulike interessegrupper, nye terapeutiske indikasjoner for ionoforer og en mulig sammenheng mellom ionoforer og resistens mot antibiotika som er viktige i humanmedisinen, vil kunne føre til fremtidige restriksjoner på profylaktisk bruk av ionoforer i flere land.

Formålet med doktorgradsarbeidet var å studere og evaluere spesifikke endringer i fôrsammensetningen i slaktekyllingoppdrett uten bruk av antimikrobielle midler med antibiotiske egenskaper i fôret. Effekten av ikke-antibiotiske fôrtilsetninger og betydningen av å endre mengdeforholdet mellom stivelse og fett i fôret på tarmhelse og produksjonsresultat hos Ross 308 slaktekyllinger, ble undersøkt ved hjelp av en dyreforsøksmodell som simulerte forholdene i kommersielle kyllinghus.

Den første hypotesen i arbeidet var at fôr supplert med ikke-antibiotiske fôrtilsetninger forbedrer produksjonsresultatet og/eller reduserer antall C. perfringens i tarmen sammenlignet med et fôr uten fôrtilsetninger. Tjue kommersielt tilgjengelige fôrtilsetninger kategorisert som prebiotika, probiotika, planteprodukter og/eller produkter basert på organiske syrer, og fire kombinasjoner av slike produkter, ble evaluert basert på deres innvirkning på antall C. perfringens i blindtarm og produksjonsresultater. Probiotiske fôrtilsetninger med Bacillus subtilis-stammer forbedret produksjonsresultatene i et tidsintervall av studien som inkluderte infeksjon med koksidier, og ett av disse produktene reduserte også antall C. perfringens i samme tidsintervall. Prebiotiske fôrtilsetninger, som alle var basert på ikke-levende komponenter fra gjærsopparten Saccharomyces cerevisiae, forbedret produksjonsresultater og spesielt fôrutnyttelsen i fasen av oppdrettet med koksidieinfeksjon. Den heterogene gruppen av plantebaserte fôrtilsetninger viste varierende resultater. Et produkt basert på oleoresiner fra gurkemeie og chili forbedret fôrutnyttelsen for hele forsøksperioden og reduserte antall C. perfringens. To produkter som inneholdt eteriske oljer forbedret produksjonsresultater i perioden som inkluderte infeksjon med koksidier. Flere fôrtilsetninger basert på organiske syrer som inneholdt korte og/eller mellomlange fettsyrer eller derivater av disse, forbedret produksjonsresultatene for hele studieperioden. Slike produkter genererte også svært gode produksjonsresultater i de to første ukene etter klekking. Studien av ikke-antibiotiske fôrtilsetninger genererte sammenlignbare og objektive resultater fra testing av et representativt utvalg av kommersielt tilgjengelige produkter og produktkombinasjoner i en standardisert forsøksmodell relevant for kommersielt slaktekyllingoppdrett. De ulike ikke-antibiotiske fôrtilsetningene påvirket produksjonsresultat og antall C. perfringens i blindtarm med varierende grad av suksess, og enkelte fôrtilsetninger hadde gunstig effekt kun under bestemte faser av oppdrettet eller på spesifikke ytelsesparametere. Bruk av optimaliserte kombinasjoner av ulike aktive komponenter med synergistiske effekter, samt målrettet bruk av fôrtilsetninger i spesifikke faser av produksjonssyklusen, er potensielle strategier i slaktekyllingoppdrett uten bruk av antimikrobielle midler.

Den andre hypotesen var at en høy stivelse/fett-ratio i fôret svekker stivelsesfordøyeligheten, produksjonsresultatene og tarmhelsen hos slaktekylling som utsettes for infeksjon med koksidier. To antibiotika-frie dietter med likt energi- og proteininnhold, men med ulikt innhold av stivelse og fett, ble evaluert på grunnlag av deres effekt på fordøyelighet av næringsstoffer, produksjonsresultat, tynntarmsmorfologi, C. perfringens-tall og toksinprofil, forekomst av nekrotiserende enteritt og mengde kortkjedede fettsyrer i blindtarm hos koksidiesmittede slaktekyllinger. Resultatene viste at fôret med høyest innhold av stivelse økte stivelsesfordøyeligheten, førte til forbedret fôrutnyttelse og ikke hadde noen innvirkning på antall C. perfringens, toksinprofil eller forekomst av nekrotiserende enteritt. Dermed ble ikke hypotesen om at en høy stivelse/fett-ratio svekker tarmhelse og produksjonsresultat verifisert. Dersom hypotesen skal forkastes må to potensielt konfunderende faktorer i fôret med høy stivelse/fett-ratio tas i betraktning: Grad av forklistring og bruk av isolert hvetestivelse. I kyllinger som fikk fôret med høy stivelse/fett-ratio var den totale mengden kortkjedede fettsyrer i blindtarm høyere før koksidieinfeksjon, og lengden på villi i tynntarm var lengre etter koksidieinfeksjon. Studien av fôr med ulik stivelse/fett-ratio indikerer at slaktekyllinger har kapasitet til å tilpasse seg ulike dietter ved strukturell remodellering av tynntarmen. Videre antyder funnene i studien at kyllinger tilpasset en høyere mengde stivelse i fôret kan være mer robuste mot koksidieinfeksjoner grunnet økt overflateareal av tarmens slimhinne. Mulige fremtidige restriksjoner relatert til den profylaktiske bruken av ionoforer i den globale slaktekyllingnæringen krever mer kunnskap om betydningen av fôrsammensetning for sykdomsutvikling og produksjonsresultat. Resultater fra dette doktorgradsarbeidet indikerer at enkelte ikke-antibiotiske fôrtilsetninger har sykdomsforebyggende og ytelsesfremmende effekt. Videre viser resultatene at dietter med høy stivelse/fett-ratio ikke ser ut til å predisponere for tarmsykdom dersom stivelsen i fôret er tilgjengelig og lettfordøyelig.