Effects of therapeutic ZnO and Antibiotics and its withdrawal on the microbiome of weaned pigs

Abstract

Post-weaning diarrhoea (PWD) is an infectious disease that causes significant productive and economic losses in pig production and often requires antimicrobial use. Antibiotic prophylaxis and metaphylaxis in animals are subject to more and more restrictions, especially in the EU, due to the risk of antimicrobial resistance. Zinc Oxide (ZnO) used in a range of 1500-3000ppm (dose referred as therapeutic or pharmacological) is also an effective treatment to prevent PWD. However, its therapeutic use was banned in the EU on the 28th of July 2022 due to environmental risk of soil pollution associated to its use. Finding alternative strategies to the use of antibiotics and ZnO to control PWD is crucial to ensure optimum levels of animal health and welfare and the economic viability of pig farms, ultimately resulting in high quality food production. A key step to find alternative strategies to the use of antibiotics and ZnO is to understand in detail their effects in the microbiome and the animal. This thesis focuses on the effects on the microbiome. The main causative agent of PWD is enterotoxigenic Escherichia coli. Antibiotics and ZnO are effective controlling E. coli overgrowth during the post-weaning period, although the exact mechanism of action of ZnO is not completely understood. On the other hand, microbiome dysbiosis occurring immediately post-weaning is described as both a possible risk factor and consequence of PWD. ZnO stabilizes the gut microbiome avoiding this dysbiosis, yet the exact taxonomic and functional changes triggered by ZnO in the microbiome are not completely characterized. In this thesis, we used shotgun whole metagenome sequencing to explore the effects of ZnO and antibiotics both, at species and functional level, in pigs gut microbiome in the first weeks post-weaning. In chapter 2, we studied the effects of ZnO and apramycin on the gut microbiome of the piglet a week post-weaning. Both, ZnO and apramycin had marked effects in gut microbiome taxonomy and functionality. Pigs fed the control diet with no ZnO or apramycin (Ct) exhibited high abundance of E. coli harbouring several virulence factors in animals not showing clinical signs of diarrhoea. This study was carried out in a low disease, high hygiene and biosecurity experimental farm where effects of different cleaning procedures were assessed as well. Treatment was the factor with strongest effect on the microbiome, whereas cleaning procedures had no remarkable effects. Given the results observed in the first study, the following studies described in chapters 3 and 4 were conducted in commercial farms to explore the effects of ZnO and antibiotics in commercial environments and between-farms variability in gut microbiome composition. Chapter 3 studied the impact of antibiotics and ZnO in pig microbiome comparing farms that had successfully removed ZnO and antibiotics to farms frequently using ZnO and antibiotic prophylaxis and metaphylaxis at weaning. Pig microbiome of farms using ZnO and antibiotics exhibited changes at days 7 and 14 post-weaning both at taxonomic and functional levels; these changes being more apparent in diarrhoea samples of 7 days post-weaning. Analysis of the environmental microbiome revealed a weak contribution of the environment to the gut microbiome of piglets, which shared few species early after weaning and within the 2 weeks post-weaning period studied. Chapter 4 studied the effects of removing antibiotics and ZnO on the microbiome of farms regularly using ZnO and antibiotics as prophylaxis and metaphylaxis. Results showed that antibiotics, and especially ZnO, maintain a stable microbiome composition (taxonomical and functional), inhibiting E. coli overgrowth both in normal and diarrhoeic conditions. Removal of ZnO and antibiotics generated an increase of E. coli abundance, as well as virulence related genes associated to the higher abundance of E. coli. Lastly, in chapter 5, e discussed the utility of shotgun sequencing in the study of microbiome changes caused by ZnO and diarrhoea, that could be triggered by antimicrobial and notantimicrobial ZnO-associated effects (both taxonomical and functional), and the effects of ZnO maintaining gut microbiome stability during the most critical period of post-weaning stage. From the results obtained in this thesis, the author concludes that weaning induces a sudden transition from a suckling pig microbiome to an adult like microbiome. The use of antibiotics and ZnO had a strong influence in this microbiome transition after weaning preventing piglet’s gut microbiome dysbiosis by inhibiting E. coli overgrowth and hence the presence of its associated virulence factors related genes as well as promoting a stable transition to an adult-like microbiome. Finally, environmental microbiota (i.e., weaning room environment) exerts minor effects on the composition of the microbiome of the piglet.

La diarrea pos-destete (PWD, del inglés post-weaning diarrhoea) es una enfermedad infecciosa que causa pérdidas productivas y económicas en producción porcina y que a menudo requiere el uso de antimicrobianos. El uso profiláctico y metafiláctico de estos antimicrobianos para el tratamiento de la PWD está sujeto a cada vez más restricciones, especialmente en la UE, debido al riesgo de resistencias antimicrobianas. El óxido de zinc (ZnO) usado en concentraciones de 1500 a 3000ppm (referidas como concentraciones terapéuticas o farmacológicas) también se usa como un tratamiento eficaz para prevenir la PWD. Su uso se prohibió el 28 de julio de 2022 en la UE debido al riesgo ambiental de contaminación del suelo asociado a su uso. Encontrar estrategias alternativas al uso de los antibióticos y del ZnO es crucial para mantener los niveles óptimos de salud y bienestar animal, así como la rentabilidad de las granjas, asegurando la producción de alimentos de alta calidad. Un primer paso clave para encontrar estas estrategias alternativas a los antibióticos y el ZnO es entender en detalle sus efectos de en el microbioma y en el animal. Esta tesis se centrar en los efectos en el microbioma. El principal agente causal de la PWD es Escherichia coli enterotoxigénica. El ZnO y los antibióticos son efectivos para controlar el crecimiento excesivo de E. coli durante este período, aunque el mecanismo de acción exacto del ZnO no está totalmente claro. Por otro lado, la disbiosis del microbioma que ocurre en los días posteriores al destete uno de los nuevos posibles factores de riesgo y a su vez consecuencias descritas de la PWD. Se cree que el ZnO estabiliza el microbioma intestinal, pero hasta el momento, los cambios taxonómicos y funcionales exactos que provoca no están bien caracterizados. En esta tesis, utilizamos la secuenciación del metagenoma completo para caracterizar el efecto que tanto el ZnO como los antibióticos tienen en el microbioma intestinal del cerdo tanto a nivel taxonómico como funcional, en las primeras semanas posteriores al destete. En el capítulo 2, estudiamos el efecto del ZnO y de la apramicina en la respuesta del microbioma intestinal del cerdo al destete una semana pos-destete. Ambos tuvieron efectos marcados en la taxonomía y funcionalidad del microbioma intestinal. Los cerdos alimentados con dieta control sin ZnO ni antibióticos (Ct) exhibieron una gran abundancia de E. coli, que portaba varios factores de virulencia en animales que no mostraban signos clínicos de diarrea. Este estudio se realizó en una granja experimental de baja patología con altos niveles de higiene y bioseguridad en la que también se evaluaron los efectos de diferentes procedimientos de limpieza. El tratamiento fue el factor con mayor efecto en el microbioma, mientras que los procedimientos de limpieza no tuvieron efectos notables. Dados los resultados observados en el primer estudio, los siguientes estudios descritos en los capítulos 3 y capítulo 4 se realizaron en granjas comerciales para explorar los efectos de los antibióticos y el ZnO en entornos comerciales y la variabilidad entre granjas en la composición del microbioma intestinal. En el capítulo 3, se compararon granjas que usaban antibióticos y ZnO con granjas que los habían retirado. El microbioma de las granjas que utilizaban ZnO y antibióticos exhibió diferencias en los días 7 y 14 posteriores al destete, tanto a nivel de taxonómico como funcional; diferencias más evidentes en muestras de diarrea de 7 días post destete. El análisis del microbioma ambiental reveló una contribución débil al microbioma de los lechones, que compartían algunas especies consideradas como “core” que permanecían en el ambiente limpio de la sala de destete y en muestras iniciales y recogidas a las 2 semanas posdestete. En el capítulo 4 se estudió el impacto de la retirada de los antibióticos y ZnO en el microbioma porcino en granjas que utilizaban habitualmente antimicrobianos de forma profiláctica y metafiláctica al destete. Los resultados mostraron que los antibióticos, y sobretodo el ZnO, mantienen la composición del microbioma estable (taxonómica y funcionalmente), inhibiendo el crecimiento excesivo de E. coli tanto en condiciones normales como en diarrea. La retirada de ZnO y antibióticos en estas granjas generó un aumento en la abundancia de E. coli, así como genes relacionados con la virulencia asociados a la mayor abundancia de E. coli. Por último, en el capítulo 5, discutimos la utilidad de la secuenciación por medio de “Shotgun” en el estudio de los cambios en el microbioma causados por el ZnO y la diarrea, que podrían desencadenarse por efectos antimicrobianos y no antimicrobianos asociados al ZnO (tanto taxonómica como funcionalmente), y los efectos de ZnO manteniendo la estabilidad del microbioma intestinal durante el período más crítico de la etapa posterior al destete. De los resultados obtenidos en esta tesis, el autor concluye que el destete induce una transición brusca de un microbioma de lechón lactante a un microbioma de cerdo adulto. El uso de antibióticos y ZnO tiene una fuerte influencia en la transición del microbioma después del destete, previniendo la disbiosis intestinal en el microbioma del lechón al inhibir el crecimiento excesivo de E. coli y, por lo tanto, la presencia de sus genes relacionados con factores de virulencia, así como promover una transición estable hacia un microbioma similar al de un animal adulto. Finalmente, la microbiota ambiental (la presente en la sala de destete) ejerció efectos menores en la composición del microbioma de los lechones.