热处理家禽粪肥与堆肥对佛罗里达土壤中大肠杆菌存活的时间与环境驱动因素研究

《Journal of Food Protection》：Temporal and Environmental Drivers for Survival of Escherichia coli in Florida Soils Amended with Heat-Treated Poultry Pellets and Composted Poultry Litter

　　本研究针对生物源动物性土壤改良剂（BSAAO）应用中病原菌存活风险问题，通过为期两年的田间试验，探究了热处理家禽颗粒（HTPP）和堆肥家禽粪便（PL）对非致病性大肠杆菌（E. coli）TVS 353在土壤中存活的影响。研究构建了线性混合效应模型（LME），发现HTPP处理的土壤中E. coli存活水平显著高于未改良土壤，并识别出累积降雨量（cmrain4）和风速（W1）是影响其存活的关键环境因子。该模型（R2: 0.88-0.92）可有效预测E. coli种群动态，为制定基于科学数据的农产品安全间隔期提供了重要依据。

　　

在美国，每年产生近1400万吨家禽粪便，这些粪便富含氮、磷、钾等营养元素，常被用作生物源动物性土壤改良剂（BSAAO）以提升土壤肥力和作物产量。然而，未经处理的BSAAO可能携带诸如产志贺毒素大肠杆菌（STEC）、单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌等食源性致病菌，对农产品安全构成潜在威胁。尽管美国食品药品监督管理局（FDA）的《食品安全现代化法案》（FSMA）中的农产品安全规则（PSR）对BSAAO的处理标准进行了规范，但未经处理的粪便在农业生产中仍有使用，尤其是在美国东南部地区。洋葱作为一种经常施用BSAAO的作物，近年来多次成为食源性疾病暴发的源头，例如2024年与美国汉堡中洋葱相关的大肠杆菌O157:H7多州暴发，导致超过百人患病。因此，深入了解BSAAO施用后病原菌在土壤中的存活规律，对于制定科学的农产品安全生产间隔期至关重要。

以往的研究表明，田间环境条件显著影响BSAAO改良土壤中病原菌的存活。然而，在动态变化的田间环境下，量化多种环境因素对病原菌存活的具体影响仍是一个挑战。为此，研究人员在美国佛罗里达州开展了一项为期两年的完全随机设计田间试验，旨在建模分析BSAAO（堆肥家禽粪便PL和热处理家禽颗粒HTPP）改良土壤中，多种环境变量对非致病性大肠杆菌（E. coli）TVS 353存活的综合影响，并评估洋葱种植对HTPP改良土壤中E. coli存活的影响。

本研究主要应用了以下关键技术方法：1）田间试验设计：在佛罗里达州Live Oak的研究站进行了为期两年（2021-2022年为第一年，2022-2023年为第二年）的完全随机田间试验，设置了包括PL、HTPP、未改良阳性对照（UN）和未接种阴性对照（C）在内的不同处理小区，部分HTPP小区还移植了甜洋葱苗（O-HTPP）。2）微生物学检测：在接种后第0、1、3、7、14、28、56、84、112、140、147（收获日）和161天（晾晒后）采集土壤样本，通过平板计数法（结果表示为log₁₀ CFU/g）和最大可能数法（MPN，当菌落数低于检测限时使用，结果表示为log₁₀ MPN/g）对E. coli进行定量。3）环境数据收集与整合：从佛罗里达自动气象网络获取降雨量、相对湿度、气温、土壤温度和风速等气象数据，并将其与微生物学数据关联。4）统计建模：利用R语言的“nlme”包构建线性混合效应模型（LME），以log₁₀ E. coli种群数量为因变量，分析土壤处理、采样天数以及气象变量（如Log_cmrain₄, RH₁₂₃₄, at60₁₂₃₄, ast₁, Log_W₁）等固定效应的影响，并考虑处理小区重复测量的自相关性（corAR1结构）。

Effect of soil amendment treatment and days post-inoculation on the survival of E. coli

（土壤改良剂处理和接种后天数对大肠杆菌存活的影响）

研究发现，与未改良（UN）和堆肥家禽粪便（PL）处理相比，热处理家禽颗粒（HTPP）改良的土壤中E. coli的存活水平在两年中均显著更高（p<0.05）。第一年，HTPP和PL处理分别使E. coli存活水平比UN处理高出1.8和0.8 log₁₀CFU或MPN/g；第二年，则分别高出1.6和0.2 log₁₀CFU或MPN/g（第二年PL处理的增加不显著）。这表明BSAAO改良土壤，特别是HTPP，能显著延长E. coli的存活时间，这可能与HTPP富含营养物质且热处理后竞争性微生物较少有关。此外，E. coli种群数量在140天的试验期内总体呈显著下降趋势（p<0.05），但下降过程并不一致，存在波动，例如在某些时间点观察到种群数量的暂时性增加，这凸显了田间环境的复杂性。

Effect of onions growing in the heat-treated poultry pellets amended plots on the survival of E. coli

（洋葱种植对热处理家禽颗粒改良小区中大肠杆菌存活的影响）

在第二年，与未种植洋葱的HTPP处理小区相比，种植洋葱的HTPP小区（O-HTPP）中E. coli的存活水平显著增加了0.5 log₁₀CFU或MPN/g（p<0.05）。第一年则未观察到显著差异。洋葱可能通过释放根系分泌物为微生物提供额外营养，从而在某些条件下促进E. coli存活，但其含有的酚类化合物也可能具有抗菌作用，其净效应可能受多种因素影响。

Effect of weather variables on the survival of E. coli

（气象变量对大肠杆菌存活的影响）

线性混合效应模型分析揭示了环境驱动因素的年度差异性。在第一年，对于不同土壤改良剂处理的小区，累积降雨量（Log_cmrain₄）每增加一个单位，E. coli存活水平显著增加0.818 log₁₀CFU或MPN/g（p<0.01），而风速（Log_W₁）每增加一个单位，则显著降低存活水平0.809 log₁₀CFU或MPN/g（p<0.01）。降雨可能通过增加土壤湿度、促进养分扩散而有利于细菌存活，而风速可能通过加速土壤表面干燥（干燥作用）或增加紫外线暴露而对细菌产生负面影响。在比较HTPP小区有无洋葱的模型中，第一年风速（Log_W₁）显示出显著的正向效应（增加存活0.504 log₁₀CFU或MPN/g, p<0.05），推测洋葱植被可能缓冲了风速的干燥效应。然而，在第二年，两个模型中均未发现气象变量对E. coli存活有显著影响。分析表明，第一年早期极端降雨事件更频繁，而第二年气象条件相对稳定，这可能是导致年度间模型差异的原因。

本研究通过构建稳健的线性混合效应模型（条件R2高达0.88-0.92），量化了土壤改良剂类型、作物种植（洋葱）以及关键环境因素（特别是降雨和风速）对佛罗里达砂质土壤中大肠杆菌存活的独立及交互影响。研究证实，基于家禽粪便的BSAAO，尤其是HTPP，能显著延长E. coli的存活时间。环境因素的影响具有年度变异性，突显了在不同地理和气象条件下进行风险评估的必要性。这些模型能够预测E. coli在施用家禽粪便改良剂的土壤（无论是否种植洋葱）中的种群动态，为制定更精准、基于风险的农产品安全间隔期提供了宝贵的科学工具，有助于在保障农产品安全与促进土壤健康之间实现协同管理。未来研究可通过增加后期采样频率、纳入土壤微生物群落互作以及进行受控实验室实验来进一步深化对机理的理解并提升模型的预测能力。该研究成果发表于《Journal of Food Protection》期刊。