Selenium and other minerals in farm animals, feed, fodder crops and soils in Kosovo, and the bioavailability of selenium to animals from crop biofortification

Abstract

Micro minerals have important functions in plants and animals. Most of the micro minerals are essential for both plant and animal normal growth. However, some of them are only essential for plants, while the others are only essential minerals for animals. People from many countries around the world suffer from micro minerals deficiency, and the same is true for farm animals. Although, there are different ways to deal with micro minerals deficiency in animal and human population, knowledge on micro mineral content in food and feed is a very important and initial step to deal with the problem. The content of micro minerals in food and fodder crops is very much dependent on different soil factors, such as the content of respective or other minerals in the soil, soil pH, soil organic matter, soil texture, soil aeration and other factors. In Kosovo, a country in the Western Balkans, there is very scarce knowledge on the mineral status in soil, fodder crops and animals. However, other studies from the region have shown selenium (Se) to be one of the most deficient micro minerals. Therefore, the aims of the present study were to investigate: 1. The status of Se and other micro minerals in animals and the relationship with their concentrations in the feed consumed. 2. The concentration of Se and other micro mineral in fodder crops and the relationship with their concentration in soil and the influence of other soil parameters. 3. The effect of Se biofortification through Se fertilizers as a way to improve its concentration in fodder and food crops. 4. The effect of Se biofortified feed on animal growth performance and Se retention in animal tissues. Based on the aims of the study, our research was performed, on systematic basis, in five steps. Initial study, aimed to assess the Se status of sheep and cows in four of the Western Balkan countries: Bosnia Herzegovina, Croatia, Kosovo and Serbia. A total number of 105 sheep (from 21 farms) and 160 cow blood samples (from 39 farms) were collected and analyzed for Se in the whole blood. The samples were analyzed using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The results showed that 86% of sheep and 46% of cows had inadequate whole blood Se concentration (≤100 µg L-1). The Se concentration was significantly higher in both sheep and cows that were Se supplemented compared with those without any Se supplementation. The Se status was inadequate at all farms without Se supplementation. Therefore, it was obvious that either Se should be supplemented to the animal feed or Se-biofortified feed used to ensure adequate status of Se in cattle and sheep in the Balkan countries. The initial study revealed that sheep had particularly low blood Se status, and the aim of the second study was to assess the concentration of Se in sheep in relation to the corresponding level in their supplied feed. In addition of Se, four macro minerals ((calcium (Ca), phosphorus (P), magnesium (Mg), and sulphur (S)), six other micro minerals ((iron (Fe), zinc (Zn), copper (Cu), manganese (Mn), cobolt (Co), and molybdenum (Mo)), and two toxic minerals ((cadmium (Cd) and lead (Pb)) were also analyzed. For this study, totally 69 feed and 292 sheep blood samples were collected from 30 farms in different regions of Kosovo. The samples were analyzed using ICP-MS. Among all the minerals analyzed, Se was the element at largest deficiency in both feed and sheep blood; 82% of the feed samples and 83% of the blood samples were inadequate. Selenium-supplemented sheep showed significantly higher Se concentration in blood than non-supplemented sheep. In addition, among the other macro- and micro-minerals in feed, Cu and Co were at inadequate concentrations at some of the farms. The third study aimed to investigate the concentration of Se and other minerals in soils and fodder plants and their relationships, in Kosovo. Seventy-three samples of soil and the same number of fodder plant samples (grass, maize and wheat) from 30 farms were collected. Both soil and plant samples were, after processing and digestion, analyzed for mineral concentrations by ICP-MS. Mineral concentrations in soil and fodder crops, and the predicting/explanatory model for their relation, achieved by stepwise linear regression, are presented in this study. Results showed very low concentration of Se in most of the soil and in all fodder samples. In addition, the concentration of Co, Zn and Fe was not sufficient to satisfy requirements for some categories of farm animals. The plant Se concentration showed a clear positive relationship with Se concentration in soils and was also influenced by Mg and S in the soil. Plant Zn, Mo, Mn and Fe, in general, showed no significant relationship with their concentration in soil, while Co showed positive soil-plant relationship only in maize, and Cu only in wheat grain. Among the soil parameters, pH showed the highest effect on the concentrations of Co, Mo and Mn in fodder crops. To conclude, various soil parameters influenced the trace element concentrations in plants, and there was seldom a simple relation between soil and plant element concentrations. The fourth study, aimed to increase the Se concentration in wheat grain, the most consumed foodstuff in the Balkan region and important ingredient of animal feed. Therefore, winter wheat biofortification experiments with sodium selenate foliar- and soil-fertilization were conducted, at two different locations for two consecutive years. The field experiments with three cultivars of winter wheat (Simonida, Divana, and Srpanjka) in Banovci, Croatia and two cultivars of winter wheat (Simonida and Divana) in Futog, Serbia were set on fertile calcareous soils. The treatments were: a) control; b) 5 g Se ha-1 foliar-; c) 10 g Se ha-1 foliar-; d) 10 g Se ha-1 on the soil surface- application. Both, Se foliar- and soil-fertilization increased Se level in grains up to 2.6- to 4.6-fold. The concentration in grain was highest with Se foliar-fertilization of 10 g ha-1 and it was increased by 29-32 ng Se g-1 DW for each gram of Seapplied ha-1. The wheat cultivars differed significantly in the Se uptake by the grains (g Se ha-1). However, on average, there were no significant differences between wheat cultivars in the Se grain concentrations. Agronomic use efficiency (by grain) was in the order of 31 ≥ 27 > 19% for the application of 5 g Se ha-1 foliar, 10 g Se ha-1 foliar, and 10 g Se ha-1 applied to soil, respectively. The fifth study, aimed to investigate the effect on performance, digestibility and Se retention in tissues of broiler chickens fed with grower diets based on Se biofortified wheat compared with chicken fed diets based on non- Se -biofortified, low Se wheat or commercial grower diet supplied with inorganic Se. The experimental feeding lasted from age 11 to 22 days. No effects on weight gain and feed conversion were observed in broilers fed with Se biofortified diet compared with controls fed with low Se wheat, but broilers fed with the commercial diet showed lower weight gain and higher feed conversion ratio (FCR). Breast muscle Se was affected both by the source and by level of Se in the feed, while the liver Se only by Se level. The results indicate a more efficient Se utilization of organic than inorganic Se. The apparent digestibility coefficient (ADC) of organic Se was not affected by its concentration in feed. Total conclusion; Se was found to be the most deficient micro mineral in soil, fodder plants and feed, and consequently in animals blood. Therefore, it is obvious that either Se should be supplemented to the animal diet or Se-biofortified feed ingredients should be used to ensure adequate level of Se in cattle and sheep in the Balkan countries. Feed supplementation with sodium selenite increased the Se concentrations in animal blood, liver and muscle tissues, but by using Se-biofortified feed, in which Se is in the organic form, the Se level in broilers´ muscle tissues was much higher than in broilers non-supplemented and broilers fed with sodium selenite.

Mikromineraler har viktige funksjoner i planter og dyr. De fleste mikromineraler er essensielle for normal vekst i både planter og dyr. Imidlertid er noen av dem kun essensielle for planter, mens andre er kun essensielle for dyr. Mennesker i mange land rundt i verden lider av mangel på mineraler, og det samme gjelder for husdyr. Selv om det finnes forskjellige måter å håndtere mangel av mikromineraler hos dyr og mennesker, er kunnskap om innholdet av mikromineraler i mat og fôr svært viktig og et første skritt for å håndtere problemet. Innholdet av mikromineraler i mat og fôrvekster er i stor grad avhengig av forskjellige faktorer i jorda, som innholdet av de respektive mineralene i jorda, andre mineraler, pH i jorda, organisk materiale i jorda, jordtekstur, oksygeninnholdet i jorda og andre faktorer. I Kosovo, et land i Vest-Balkan, er det svært lite kunnskap om mineralstatus i jord, fôrvekster og dyr. Imidlertid har andre studier fra regionen vist at selen (Se) er en av de mest mangelfulle mikromineralene. Derfor var målet med denne studien å undersøke: 1. Status av Se og andre mikromineraler hos dyr og sammenhengen med mikromineral-konsentrasjonene i dyras fôr. 2. Konsentrasjonen av Se og andre mikromineraler i fôrvekster og sammenhengen med konsentrasjonen i jord og den influerende betydning av andre jordparametere. 3. Effekten av Se biofortifisering via gjødsling med Se som en måte å forbedre Se-konsentrasjonen i fôr- og matvekster. 4. Effekten av Se biofortifisert fôr på dyras produktivitet og retensjon av Se i animalsk vev.

Basert på studiens formål ble forskningen utført systematisk i fem trinn. Den første studien hadde til hensikt å vurdere Se-status i sauer og kyr i fire land på vest-Balkan; Bosnia-Hercegovina, Kroatia, Kosovo og Serbia. Totalt ble 105 sauer (fra 21 gårder) og 160 kyr (fra 39 gårder) undersøkt via blodprøver som ble analysert for Se i helblod. Prøvene ble analysert ved bruk av induktivt koblet plasma-massespektrometri (ICP-MS). Resultatene viste at 86 % av sauene og 46 % av kyrene hadde utilstrekkelig Se konsentrasjon i helblod (≤100 µg L-1). Se-konsentrasjonen var signifikant høyere hos både sauer og kyr som hadde fått Se-tilskudd sammelignet med dyr uten Se-tilskudd. Se- statusen var utilstrekkelig på alle gårder som ikke hadde gitt dyra Se-tilskudd. Det ble derfor åpenbart at Se enten bør tilføres fôret eller man bør bruke biofortifiserte fôringredienser for å sikre tilstrekkelig status av Se hos storfe og sauer i Balkanlandene. Den første studien viste at sauer hadde særlig lav status av Se i blod, og målet med den andre studien var å se på sammenhengen mellom konsentrasjonen av Se i sauer og deres fôr. I tillegg til Se ble fire makromineraler (kalsium (Ca), fosfor (P), magnesium (Mg) og svovel (S)), seks andre mikromineraler ((jern (Fe), sink (Zn), kobber Cu), mangan (Mn), kobolt (Co) og molybden (Mo)) og to toksiske mineraler (kadmium (Cd) og bly (Pb)) analysert. I denne studien ble totalt 69 prøver av fôr og 292 blodprøver fra sauer samlet inn fra 30 gårder i forskjellige regioner i Kosovo. Prøvene ble analysert ved hjelp av ICP-MS og mineralkonsentrasjonene i helblod ble målt. Blant alle analyserte mineraler var Se det elementet som var i størst mangel både i fôr- og blodprøver; 82 % av fôrprøvene og 83 % av blodprøvene viste utilstrekkelig Se-nivå. Sauer som hadde fått tilskudd av Se viste signifikant høyere Se-konsentrasjon i blodet enn dem som ikke hadde fått tilskudd. I tillegg var det utilstrekkelige konsentrasjoner av Cu og Co i fôret fra noen av gårdene. Den tredje studien ble også foretatt i Kosovo og hadde som mål å undersøke konsentrasjonen av Se og andre mineraler i jord og fôrvekster og deres sammenheng. Det ble samlet 73 prøver av jord og samme antall prøver av fôrplanter (gras, mais og hvete) fra 30 gårder. Både jord- og planteprøver ble, etter forbehandling og oppslutning, analysert for mineralkonsentrasjoner med ICP-MS. Mineralkonsentrasjonene i jord- og fôrvekstene og statistiske modell for sammenhengen mellom dem ved hjelp av trinnvis lineær regresjon, er presentert i denne studien. Resultatene viste svært lav konsentrasjon av Se i de fleste jordprøvene og i alle fôrprøvene. I tillegg var konsentrasjonen av Co, Zn for lav til å dekke behovet til noen kategorier husdyr. Se-konsentrasjonen i plantene viste klar positiv korrelasjon med Se-konsentrasjonen i jord og ble også påvirket av Mg og S i jorda. Konsentrasjonene av Zn, Mo, Mn og Fe i plantene viste generelt ikke noe signifikant forhold til konsentrasjonene i jord, mens Co kun viste positiv jord-plante-korrelasjon i mais og Cu kun i hvetekorn. Blant jord-parametrene viste pH størst effekt på konsentrasjonene av Co, Mo og Mn i fôrplantene. Som konklusjon påvirket ulike jordparametere sporelementenes konsentrasjoner i planter, og det var sjelden et enkelt forhold mellom elementkonsentrasjonene i jord og fôrplantene. Den fjerde studien, hadde til hensikt å øke Se-konsentrasjonen i hvetekorn, den mest konsumerte matvaren i Balkan-regionen og viktig ingrediens i dyrefôr. Det ble gjennomført biofortifiseringsforsøk med vinterhvete som ble gjødslet med natriumselenat på bladene og i jorda, ved to forskjellige lokaliteter i to påfølgende år. Felteksperimentene med tre sorter vinterhvete (Simonida, Divana og Srpanjka) i Banovci, Kroatia og to sorter vinterhvete (Simonida og Divana) i Futog, Serbia, foregikk på fruktbar kalkholdig jord. Behandlingene var: a) kontroll; b) 5 g Se/ha på bladene; c) 10 g Se/ha på bladene; d) 10 g Se/ha som overflategjødsling i jorda. Gjødsling både på blader og i jorda økte Se-nivået i korn opp til 2,6 til 4,6 ganger. Konsentrasjonen i korn var høyest med bladgjødsling på 10 g Se/ha, og den ble økt med 29-32 ng Se/g tørrvekt for hvert gram Se-gjødsel pr hektar. Hvetesortene varierte betydelig i Se-opptak i kornet (g Se/ha). I gjennomsnitt var det imidlertid ingen signifikante forskjeller mellom kornsortene i Se-konsentrasjon i kornet. Agronomisk effektivitet var i størrelsesorden 31 ≥ 27> 19 % for gjødsling med 5 g Se/ha på bladene, 10 g Se/ha på bladene og 10 g Se/ha på jorda. Den femte studien hadde som mål å undersøke effekten på produksjonsparametere, fôrfordøyelse og retensjon av Se i vev hos broilerkyllinger som ble fôret med vekstfôr basert på Se biofortifisert hvete sammenlignet med kylling gitt tilsvarende fôr uten Se-biofortifisering, eller kommersielt vekstfôr tilsatt uorganisk Se. Den eksperimentelle fôringen ble gitt fra 11 til 22 dagers alder. Ingen effekter på tilvekst eller fôrutnyttelse ble observert hos broilere som ble fôret med Se biofortifisert hvete sammenlignet med kontrolldyr fôret med lav Se hvete, men broilere fôret med kommersielt fôr viste lavere tilvekst og lavere fôrutnyttelse. Se i brystmuskulatur ble påvirket både av Se-type og -nivå i fôret, mens Se i leveren bare ble påvirket av Se-nivå. Resultatene indikerer en mer effektiv Se-utnyttelse av organisk enn uorganisk Se. Fordøyeligheten av organisk Se ble ikke påvirket av dets konsentrasjon i fôret. Samlet konklusjon: Se ble funnet å være det mikromineralet som var i mest utpreget mangelnivå i jord, fôrvekster og ferdig fôr, og følgelig i dyrs blod. Det er derfor åpenbart at enten bør Se tilsettes til dyrefôret eller man bør bruke Se-biofortifiserte fôringredienser for å sikre tilstrekkelig nivå av Se hos storfe og sauer i Balkanlandene. Fôrtilskudd med natriumselenitt økte Se-konsentrasjonene i blod, lever og muskulatur, men ved bruk av Se-biofortified fôr, der Se er i organisk form, var Se-nivået i kyllingenes muskulatur mye høyere enn hos kyllinger uten tilskudd av Se og i kyllinger som var gitt natriumselenitt i fôret.