CREST | 堆肥过程中的人畜病原菌及其控制

导 读

澳大利亚维多利亚州环境保护局Muriel Lepesteur 在Critical Reviews in Environmental Science and Technology（CREST，《环境科技评论》）期刊发表题为” 堆肥过程中的人畜病原菌及其控制（Human and livestock pathogens and their control during composting; 2022, 52(10): 1639-1683）”的综述。

堆肥（composting）是一常见的有机废弃物处理方法, 其效果主要包含废弃物减量和致病菌灭活, 并生产可以回用于农业的肥料或土壤改良剂。然而当前基于时间-温度要求的堆肥准则并不总能保证堆肥产品的安全性。本综述的目的是评估在堆肥过程中哪些病原菌被灭活，以及如何改进灭活以提升堆肥产品的安全性, 最终为堆肥行业制定保护人类和动物健康的管理指南。

图1 图文摘要（Graphic abstract）

主要内容

有机废弃物堆肥是藉由混合富含营养物质的氮源底物和富含有机碳的碳源底物来进行好氧微生物降解的工程手法, 其过程可以分为三个主要阶段, 分别为(1)中温阶段，主要由细菌来分解易于降解的有机物同时生产大量的热来导入(2)高温阶段，主要由芽孢杆菌、放线菌和真菌主导来降解复杂有机物如蛋白质、多糖类和木质素, 然后进入(3)腐熟阶段，此时由于可降解有机质的消耗殆尽, 微生物活性下降导致温度逐渐下降至常温, 完成堆肥。在不同阶段中, 堆肥的酸碱度和化学成分也会有所不同, 导致了对不同微生物的灭活效果存在差异性。

堆肥原料、过程和产品中常见的人畜病原菌包含致病菌如弯曲杆菌（Campylobacter）和沙门氏菌（Salmonella）等, 病毒如腺病毒（adenovirus）和轮状病毒（rotavirus）等, 原生动物如隐孢子虫（Cryptosporidium）、贾第鞭毛虫（Giardia）和蠕虫等。常用于堆肥标准的指标为大肠杆菌（E. Coli）、粪大肠菌群（fecal coliforms）和沙门氏菌, 主要因为这些检测手法的低成本和通用性。然而这些指标无法完整的检视堆肥产品的安全性和可回用性。作者指出更多的研究和指标更新是必须的, 例如对于致病菌指标的分类可建立在细菌对热压力源和化学压力源的敏感度上。这样的分类显著地指出现有研究的不足, 例如对于热压力源和化学压力源最耐受的芽孢杆菌在堆肥产品中的了解和测量的研究还有待发展（图2）。

图2 基于不同压力源耐受性的人畜病原菌分类

为了更完整地了解堆肥对不同人畜病原菌的灭活效果, 作者也回顾了相关文献并整理了与现代发达国家相关的主要人类和牲畜病原菌，它们的主要宿主（人类、食物、动物），以及堆肥对其灭活的有效性（图3）。作者发现文献中对于堆肥灭活效果存在争议性的包括梭菌属, 芽孢杆菌以及第二类和第四类病毒, 同时, 有文献指出这几种人畜病原菌灭活的争议性可能来自于除了温度以外的其他堆肥过程压力源, 例如：持续性的供氧可以有效地抑制第四类病毒；35%的湿度可以有效地抑制微生物生长和降低致病菌孢子的存活几率（但大于60%的湿度会造成局堆肥内局部厌氧需避免）；酸碱度在中温阶段的下降和部份短链有机酸的生产可以抑制大肠杆菌的生长, 酸碱度在高温阶段的提升可以有效地灭活沙门氏菌甚至延缓部份致病菌孢子的萌发（pH>9时）并产生气态氨来加强对细胞壁的渗透来达到灭活效果；另外包括堆肥原物料的内源微生物群落、碳氮比、原物料自身的新鲜度、不同微生物间对营养物质的竞争或相互捕食的关系都会对堆肥过程中人畜病原菌灭活的有效性产生影响。

图3 人畜病原菌在堆肥过程中的灭活效果概述

总结与展望

作者对于现存的研究瓶颈和未来研究方向都提出了系统性的总结。研究瓶颈主要围绕在现存文献结果的不可比较性。由于不同研究使用不同的人畜病原菌指标、工程尺度、测量手法和内源-外源添加病原菌, 对现存文献的比较无法提炼出对于堆肥准则更新的具体建议。另外, 现有文献普遍使用常见的现行病原菌指标而没有深入考量在不同堆肥产品回用场景中可能致病的主要病原菌, 且对于堆肥过程中存活率高的芽孢杆菌和二类和四类病毒灭活缺乏深入探讨。未来的研究应该专注于扩充堆肥产品的人畜病原菌指标, 建立针对底物-菌群-产品应用定制化的堆肥准则, 系统性分析整理不同底物中耐受性最佳的病原菌, 深入解析不同堆肥灭活压力源的互作最优化以及有效地转化相关研究成果在堆肥准则的制定和更新。

作者简介

Muriel Lepesteur，澳大利亚维多利亚州环境保护局资深高级健康风险顾问，皇家墨尔本理工大学兼职副教授。于1990年代在法国巴黎的皮埃尔和玛丽·居里大学（巴黎第六大学）完成博士学位, 其后致力于研究人畜病原菌在城乡环境体系（包含水体和固体废弃物）的迁移转化、对人体健康安全的影响以及相关准则规范的制定和改进。

|撰稿：陈韦杉
|编排：曾镜羽

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环境科技评论CREST

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