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A PBPK model to study the transfer of α-hexabromocyclododecane (α-HBCDD) to tissues of fast- and slow-growing broilers

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Bertrand Méda (Inrae) et al., Food Additives & Contaminants : Part A, 2020, volume 37, numéro 2, février, p. 316-331

A physiologically based pharmacokinetic (PBPK) model was developed to investigate the production-specific factors involved in the transfer of α-hexabromocyclododecane (α-HBCDD) to broiler meat. The model describes growth and lipid deposition in tissues of fast- (FG) and slow- (SG) growing broilers from hatching to slaughter and simulates the exposure through the ingestion of contaminated feed or expanded polystyrene insulation material. Growth parameters were obtained from the literature while parameters relative to uptake, distribution, and elimination of α-HBCDD were adjusted using results of a previous experiment involving broilers exposed through feed throughout the rearing period or allowed to depurate before slaughter. The model was used to compare the two main edible tissues, breast and leg meat, as well as skin, and to investigate the variability within strain. Between strains and within strain, α-HBCDD assimilation efficiency (AE) is higher when the animals are slaughtered young or heavy. However, increasing slaughter age will lower α-HBCDD concentration in tissues, due to dilution. Based on fresh weight, the concentration of α-HBCDD in breast muscles and skin tends to be lower in SG than in FG broilers (-30 to +10%), while it is 10% to 80% higher in leg muscles. Compared to breast muscles, consuming leg muscles would elicit an exposure 9 and 16 times higher in FG and SG broilers, respectively. The consumption of skin together with muscles would multiply the exposure by up to 36 times compared to breast muscle alone. In case of acute exposure, the α-HBCDD concentration in tissues increased sharply, all the more since the animals are lighter in weight, and then decreased rapidly. In FG broilers, dilution through growth contributed for up to 37%, 28% and 97% to the decontamination of breast muscles, leg muscles and skin, respectively, depending on the duration of depuration before slaughter.


Evaluation of micropollutants and chemical residues in organic and conventional pig meat

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G Dervilly-Pinel (ONIRIS) et al., 69h Annual meeting of the european federation of animal science (EAAP), Dubrovnik, Croatie, 27-31 août 2018

Even if there is no clear evidence that organic food products are healthier than conventional ones, the presumed absence of chemical contaminants is reported as main driver for organic consumers.. To provide occurrence data in a context of chronic exposure, samples of liver and meat (psoas major muscle) were collected in 2014 in six French slaughterhouses representing 70 pig farms, including 30 organic, 12 Label Rouge and 28 conventional. Each sample corresponded to a pool of tissues of three carcasses. Environmental contaminants (17 polychlorinated dibenzodioxins/ dibenzofurans (Dioxins), 18 polychlorinated biphenyls (PCBs), 3 hexabromocyclododecane (HBCD) isomers, 6 mycotoxins, 6 trace metal elements) and residues from production inputs (75 antimicrobials and 121 pesticides) were investigated using the most sensitive methods. Contamination levels were measured below regulatory limits in all the samples. However, some differences were observed between types of farming. Dioxins, PCBs and HBCD concentrations were thus observed as significantly higher in organic meat samples. Cu, Zn and As were measured at slightly higher levels in organic meat without differences between organic and Label Rouge. Liver samples from conventional and Label Rouge farms exhibited higher contents in Zn and Cd than the organic ones. Ochratoxin A was the only mycotoxin quantified in 25 samples (36%) and detected in another 22 samples (31%) of the livers analysed, without significant differences between farming systems. A correlation could be observed between mycotoxins concentrations in meat and liver. All meat samples exhibited pesticides levels below the detection limits, whereas only 3 conventional or organic samples (overall: 3.5%) displayed residual concentrations of authorized veterinary antimicrobials, but with concentrations far below the regulatory limits.

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Braviporc - Retardateurs de flammes bromés dans produits avicoles et porcins : état des lieux, modalités de transfert et facteurs de risques

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Travel et al., Innovations Agronomiques (FRA), 2018, volume 63, janvier, p. 115-137

Les retardateurs de flamme bromés (RFB) sont des additifs destinés à limiter l’inflammabilité de certains matériaux, notamment les polystyrènes (PS). Parmi eux, les polybromodiphényléthers (PBDE) et l’hexabromocyclododécane (HBCD) peuvent s’accumuler dans les tissus animaux. Leur concentration dans les denrées alimentaires d’origine animale (DAOA) est généralement faible, mais elle atteint de l’ordre 100 à 1000 fois la médiane dans certains rares échantillons d’oeuf et de viande de volaille ou de porc. Des prélèvements et des enquêtes de terrain menées dans le cadre du projet BrAviPorc (CASDAR, n°1256) ont permis (1) de confirmer la faible concentration de PBDE et d’HBCD dans les produits avicoles et porcins français, (2) d’établir que les isolants contenant des PS sont des sources d’HBCD en élevage qui, accidentellement ingérés par les animaux, conduisent à des DAOA très contaminées. Pour les trois productions, des expérimentations in vivo montrent que l’α-HBCD s’accumule préférentiellement dans les tissus les plus riches en lipides neutres. Ainsi, la cuisse de poulet est 10 fois plus concentrée en α-HBCD que le filet. Pour la première fois, un modèle mathématique, commun aux trois productions et prenant en compte leurs dynamiques lipidiques respectives, a été calibré. Il pourra être adapté à d’autres polluants lipophiles et apolaires.

Brominated flame retardants in poultry and pig products: current situation, modalities of transfer and risk factors

Brominated flame retardants (BFRs) are synthetic substances primarily used as additive in insulating materials, including polystyrenes (PS). Among them, polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) and hexabromocyclododecane (HBCD) can accumulate in animal tissues. Overall, their concentrations in animal-derived foodstuffs are low, but some rare samples of eggs, poultry meat and pork display concentrations exceeding 100 to 1000 times the median value. Sampling and field surveys carried out within the BrAviPorc project (CASDAR, n° 1256) allowed i) to confirm the low concentration of PBDE and HBCD in French poultry and pork products, ii) to establish that insulating foams containing PS may be sources of HBCD in livestock buildings, which lead to highly contaminated DAOAs if animals accidentally ingest them. In vivo experiments carried out with laying hens, broilers and growing pigs showed that α-HBCD accumulates preferentially in the tissues richest in neutral lipids. Thus, chicken leg is 10 times more concentrated in α-HBCD than breast. For the first time, a mathematical model, common to the three animal models and taking into account their respective lipid dynamics, was calibrated. It can be adapted to other lipophilic and nonpolar pollutants.


Micropollutants and chemical residues in organic and conventional meat

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Gaud Devilly-Pinel et al., Food Chemistry,, 2017, volume 232, 1er octobre, p. 218-228

The chemical contamination levels of both conventional and organic meats were assessed. The objective was to provide occurrence data in a context of chronic exposure. Environmental contaminants (17 polychlorinated dibenzodioxins/dibenzofurans, 18 polychlorinated biphenyls (PCBs), 3 hexabromocyclododecane (HBCD) isomers, 6 mycotoxins, 6 inorganic compounds) together with chemical residues arising from production inputs (75 antimicrobials, 10 coccidiostats and 121 pesticides) have been selected as relevant compounds. A dedicated sampling strategy, representative of the French production allowed quantification of a large sample set (n = 266) including both conventional (n = 139) and organic (n = 127) raw meat from three animal species (bovine, porcine, poultry). While contamination levels below regulatory limits were measured in all the samples, significant differences were observed between both species and types of farming. Several environmental contaminants (Dioxins, PCBs, HBCD, Zn, Cu, Cd, Pb, As) were measured at significantly higher levels in organic samples.


Caractérisation et modélisation de l'accumulation dans la viande de porc d'un contaminant émergent : l'hexabromocyclododécane

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Eric Royer et al., 49es Journées de la Recherche Porcine, Paris, 31 janvier et 1er février 2017, p. 43-48

L’hexabromocyclododécane (HBCD) est un retardateur de flamme bromé incorporé dans des matériaux tels que les polystyrènes. Sa présence dans certains échantillons de denrées alimentaires d’origine animale pourrait contribuer à une exposition humaine à ce perturbateur endocrinien. Un total de 56 porcs mâles castrés (LWxLd)  Piétrain (27,7 kg) ont reçu individuellement des aliments témoin ou contenant 32 ou 297 μg d’-HBCD par kg pendant l’engraissement ou uniquement la période de croissance. Des abattages séquentiels de trois porcs par groupe en exposition ou élimination ont été effectués après 19, 49, 70, 91, et 112 j afin de prélever le foie et des échantillons de gras dorsal et de muscle semi-membraneux. Les performances ne sont pas affectées par l’exposition. Avec l’aliment contenant 297 μg/kg d’-HBCD, la concentration dans le muscle augmente rapidement pour atteindre 116 ng d’-HBCD /g de lipides après 49 j. Elle est de 31 ng/g après 63 j d’élimination, en partie en raison de l’accroissement du poids corporel. Les concentrations dans le foie sont inférieures alors que celles dans le tissu adipeux sont supérieures à celles du muscle. Un modèle de type PBPK, combinant des approches de physiologie mécanistique et de pharmacocinétique basée sur la circulation sanguine, a été paramétré parallèlement avec le logiciel Vensim®. Les compartiments représentés : foie, muscles du jambon et de la longe, tissu adipeux sous-cutané, tous irrigués par le plasma, permettent d’étudier le transfert du contaminant vers les tissus. Les prédictions du modèle sont validées par les données expérimentales et permettront la simulation de scénarios d’exposition des animaux. Il est conclu que l’accumulation d’HBCD dans les tissus porcins apparaît possible, justifiant une surveillance des sources d’exposition.


Characterization and modeling of residues of an emergent contaminant in pig meat: hexabromocyclododecane

Hexabromocyclododecane (HBCD) is a brominated flame retardant used into materials such as polystyrenes. Its presence in some animal origin food samples may contribute to human exposure to this endocrine disruptor. A total of 56 barrows (LWxLd)  Piétrain (27.7 kg) were individually given, for total fattening or only growing period, feeds containing 32 or 297 μg α-HBCD per kg or controls. Serial slaughtering of 3 pigs per exposed or decontaminated group was performed at days 19, 49, 70, 91, and 112 to get the liver and backfat and semimembranosus muscle samples. Performance was not affected by α-HBCD exposure. With the 297 μg/kg diet, α-HBCD concentration in the muscle quickly increased up to 116 ng/g lipid at day 49. It declined down to 31 ng/g after 63 d of depuration, partly because of the body weight gain. HBCD concentration was higher in the adipose tissue than in the muscle and was lower in the liver. A Physiologically Based Pharmacokinetic (PBPK) modelling combining mechanistic-physiological and pharmacokinetic approaches was undertaken using the Vensim® software. The model represented different compartments: liver, ham and loin muscles, subcutaneous adipose tissue, all irrigated by plasma, and was calibrated to determine the contaminant transfer to the tissues. Model predictions were validated by experimental data. This generic model may be used to simulate animal exposure scenarios. It is concluded that HBCD accumulation in pig tissues is possible, justifying a monitoring of exposure sources.

PDF icon Eric Royer et al., 49es Journées de la Recherche Porcine, Paris, 31 janvier et 1er février 2017, p. 43-48

Accumulation of -hexabromocyclododecane ( -HBCDD) in muscles of fast- and slow-growing broiler

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Catherine Jondreville et al., XVIIth European Symposium on the Quality of Eggs and EGG Products, XXIIIth European Symposium on the Quality of Poultry Meat, 3-5 septembre 2017, Edimbourgh, Ecosse, abstract

Hexabromocyclodecane (HBCDD is a brominated flame retard included in some insulating materials used in livestock buildings, which has been detected in meat. The aim of the current study is to investigate the of this lipohilic contaminant in fast- (FG) and slow-growing (SG) broilers. First, an experiment involving FG and SG broilers exposed to HBCDD through feed during 42 and 82 days, respectiively, showed that breast muscle (BM, Pectoralis major) is similary concentrated in HBCDD in the two strains, while leg muscles (LM, thigh + drumstick including intermusclar fat) was 5 and 10 times more concentrated than BM in FG and SG broilers, respectively. Second, a physiogically based pharmacokinetic model was developed and validated using the previous data.
Different compartments (total and lipid weights) were represented : plasma, liver, BM  and LM, adipose tissue and the rest of the animal. After ingested HBCDD was absorbed and one part was eliminated by hepatic metabolism, it was distributed to tissues by the plasma, through a partition coefficient defined as the ratio between their respective neutral lipid concentrations. The model, calibrated for different strains and sex, will be used to assess the risk of meat contamination by HBCDD in different chicken production systems.

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Modélisation générique du devenir d’un retardateur de flammes bromé (HBCD) : application au poulet de chair

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Bertrand Meda et al., 12es Journées de la Recherche Avicole et palmpidèdes à foie gras, le 5 et 6 avril 2017, Tours, p. 1064-1069

L’hexabromocyclododécane (HBCD) est un retardateur de flammes ajouté dans certains polystyrènes utilisés comme isolants dans les bâtiments d’élevage. Ce composé, qui est un perturbateur endocrinien, est quantifié à des concentrations pouvant atteindre plusieurs centaines de ng g-1 lipides dans les denrées alimentaires d’origine animale (DAOA pour une médiane inférieure à 0,5 ng g-1 lipides. Des méthodes pour quantifier le transfert de l’HBCD vers les DAOA doivent être développées. Cette étude présente un modèle générique de type PBPK (pharmacocinétique basé sur la physiologie), développé pour les animaux en croissance, et son application chez le poulet de chair. Ce modèle, simulant l’accumulation d’HBCD dans les tissus, repose sur deux sous-modèles. Le sous-modèle physiologique représente différents compartiments (poids total et poids de lipides) : le plasma, le foie, deux muscles ayant des teneurs en lipides différentes (filet et cuisse), le tissu adipeux de réserve (gras abdominal) et un compartiment représentant le reste de l’animal. Dans le sous-modèle ADME (absorption, distribution, métabolisme, excrétion), l’HBCD ingéré, une fois absorbé, est dirigé vers le foie où une fraction est métabolisée (clairance hépatique). La partie non métabolisée est distribuée dans les tissus via la circulation sanguine à l’aide de deux paramètres : l’irrigation sanguine et le coefficient de partage. Le modèle a été paramétré pour tenir compte des vitesses de croissance différentes entre tissus (allométries) ainsi que des teneurs en lipides variables selon la génétique et le sexe. Le modèle a été validé avec des données expérimentales où des poulets de chair ont été contaminés par de l’HBCD. Ce modèle pourra être utilisé pour évaluer le niveau de contamination de produits avicoles selon différents modes d’élevage ou conditions d’exposition. 

Fate of a brominated flame retardant in chickens and pigs: a generic modelling approach

Hexabromocyclododecane (HBCD) is an endocrine disruptor both for humans and animals. It is widely used as a flame retardant in building materials of livestock housing and has been detected in animal products at levels sometimes reaching several hundreds of ng g-1 lipids, while the median is below 0.5 ng g-1 lipids. Thus, there is a great need for methods to investigate the contamination of animal products by HBCD. This study proposes a generic Physiologically Based PharmacoKinetic (PBPK) model for growing farm animals, and its application for broilers. It consists in the connection of two sub-models. The physiological sub-model represents differen  compartments (total weight and lipid weights): plasma, liver, breast muscle, leg muscles, abdominal fat and one compartment representing the rest of the animal. In the ADME sub-model (absorption, distribution, metabolism, excretion), HBCD is absorbed in digestive tract, before being distributed in the organism by the plasma considering differences in blood irrigation between tissues. Since HBCD is a lipophilic and non polar compound, a partition coefficient (Kp), defined as the ratio between neutral lipid concentrations in a tissue and in plasma, was used to predict its distribution in each tissue. In the liver, a fraction of HBCD is eliminated by metabolization (hepatic clearance). Model was calibrated to take into account differences in tissue growth (allometric growth) and lipid contents according to species, genetics and sex, before being validated using experimental data where animals were exposed to HBCD through feed. This model will be used to assess the risk of meat contamination by HBCD in different broiler production systems. 

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Projet BrAviPorc : Prévenir la contamination des produits animaux par des polluants émergents, les retardateurs de flamme bromés

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Selon les autorités sanitaires européennes et nord américaines, l’alimentation est la principale source d’exposition humaine aux retardateurs de flamme bromés, dont les hexabromocyclododécanes (HBCD). Leur fréquence de détection dans les produits animaux est faible, mais les plans de surveillance révèlent des concentrations 7000 fois supérieures à la concentration médiane dans certains échantillons d’oeufs et de viandes de porc et de volaille. Même si ces molécules ne sont pas réglementées, de telles concentrations pourraient représenter un danger pour la santé des consommateurs et nuire à l’image des filières animales. Cependant, ni les sources de contamination, ni les niveaux d’exposition en élevage ne sont connus. De plus, les processus d’absorption, métabolisation, stockage et excrétion de ces polluants émergents, qui conditionnent le niveau de contamination des produits, ne sont que très partiellement élucidés. Cette méconnaissance place les opérateurs des filières et les autorités de surveillance dans l’impossibilité de prévenir la contamination des produits. Le programme BrAviPorc, co-financé par le Ministère de l’Agriculture et de l’alimentation pour la période 2013-2016 (CAS DAR projet n°1256) 1, met en oeuvre des actions visant à détecter puis à hiérarchiser les facteurs d’élevage à risque de façon à garantir la qualité de la production d’oeufs ou de viande. En premier lieu, des enquêtes en élevages de porcs, de poules pondeuses et de poulets, élevés en bâtiment ou en plein air, permettront d’identifier les sources possibles d’exposition des animaux au cours de leur élevage. Dans un second temps, la production de données in vivo permettra d’estimer les paramètres toxicocinétiques qui régissent le transfert à l’échelle de l’animal et de mettre en évidence des biomarqueurs d’exposition via des techniques de métabolomique. L’intégration de ces données dans des modèles mathématiques de type PBPK permettra d’identifier les facteurs de risque liés aux caractéristiques de l’animal (poids d’abattage, durée d’élevage, performances de ponte etc), elles-mêmes dépendantes du système d’élevage.

1Ministère de l’Agriculture et de l’Alimentation, Appel à projet de développement agricole et rural

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