生物封闭式动物尸体堆肥法控制牲畜传染病暴发

摘要

利用 readily available 的材料，这种生物封闭式堆肥系统可有效就地处理因传染病暴发而产生的大型动物尸体。该方法能够灭活尸体及受污染粪便中的大多数病原体。一旦确认病原体已无活性，成熟的堆肥即可作为肥料施用。

摘要

集约化畜禽养殖系统特别容易受到自然或人为（生物恐怖主义）传染病暴发的影响。大量动物饲养在有限的空间内，使得大多数病原体能够在畜群中迅速传播。快速控制是应对任何传染病暴发的关键，因此常常需要进行扑杀，以防止病原体扩散到更广泛的畜禽群体。在这种情况下，会产生大量畜禽尸体和被污染的粪便，需要迅速处理。

堆肥可作为处置受感染动物尸体以及可能携带病原体的粪便和土壤的一种快速响应方法。我们设计了一种生物封闭式死亡动物堆肥处理程序，并验证了其在降解牛组织和灭活微生物方面的有效性。所用材料均为农场现有或可在当地农场用品商店购买的物资，以便在疫病暴发现场直接实施该系统。本研究中，堆肥温度超过55°C持续一个月以上，植入牛尸体和粪便中的病原体在堆肥开始后14天内即被灭活。经过147天后，尸体几乎完全降解。残留的少量长骨通过在开放式条垛中进行第二轮堆肥进一步降解，最终所得的成熟堆肥可用于土地施肥。

使用大麦秸秆捆并以内衬黑色重型青贮塑料薄膜的方式，构建了两个相同的堆肥结构（最终尺寸为25米×5米×2.4米；长×宽×高）。每个结构内填充松散秸秆、动物尸体和粪便，总重量约为95,000千克。在每个堆体底部铺设一层40厘米厚的松散大麦秸秆，其上横向放置16具育肥牛尸体（平均体重343千克），间距约0.5米。为实现被动通气，在相邻尸体之间放置带孔的柔性塑料排水管（直径15厘米），沿两侧内壁垂直延伸，并将管端穿过塑料膜通至外部。尸体上方覆盖潮湿且已通气的育肥场粪便（约1.6米深），直至堆体顶部。将塑料膜折叠覆盖顶部并用胶带密封，形成封闭屏障，同时在每个结构顶部设置八个通气口（50厘米×50厘米×15厘米），以促进被动通气。经过147天后，每个结构中堆肥物料的体积和质量损失平均分别为39.8%和23.7%。

方案

在加拿大艾伯塔省莱斯布里奇市的莱斯布里奇研究中心（LRC）建造了两座相同的堆肥结构（图1）。墙体采用大型矩形大麦秸秆捆（260 × 120 × 80 cm；长×宽×高），地面则使用小型秸秆捆（100 × 40 × 45 cm）。大型秸秆捆以120 cm厚度作为墙体，以最大程度增强墙体稳定性并提高保温性能。构成地面的小型秸秆捆以捆扎绳水平放置的方式铺设，以便在发生渗漏时最大限度吸收液体，形成45 cm厚的地面。整体结构尺寸为25 m × 5 m × 2.4 m（长×宽×高）。建造地点地势具有约1°的坡度，堆肥结构的朝向设计有利于渗滤液流向为实验监测而设置的采样口。在建造围护结构前，将潮湿的饲料场粪便通过撒肥机进行混合与通气处理，并堆积24小时。

堆肥坑内衬有常见的黑白重型塑料布，通常用于覆盖青贮饲料堆。在各个方向上，塑料布顶部均留有足够的余量，以便最终将堆肥床在坑内折叠并密封。为抵御环境风力，在装入稻草前，使用轮胎压住坑内塑料布，但在放置尸体前已将轮胎移除。安装渗滤液取样口（仅用于实验取样）后，将散装大麦稻草加入生物封闭结构中，形成约40 cm厚的底层基质。操作时用前端装载机运入一整捆圆柱形稻草，并人工将其沿堆肥坑长度方向均匀铺开。

将16具育肥牛尸体放置于稻草垫料上。这些牛只均来自附近商业育肥场，在过去48小时内死亡，其中大多数死于牛呼吸道疾病。尸体横向排列于堆肥槽内（图1），各具尸体之间间隔约0.5米。为实现被动通气，在相邻尸体之间的松散稻草基底中铺设了带孔的柔性塑料排水管（直径15厘米）。排水管的末端沿侧壁垂直向上延伸至槽顶以上，并利用超出墙体上表面的轮胎临时固定。

将经过预处理的饲料场粪便装入堆体中，覆盖动物尸体，最终覆盖深度达到1.6米。粪便从堆体的一侧墙体上方装入，并沿结构的一端向另一端移动进行铺设。在此过程中，按要求将下文所述的样品采集锥体放置于粪便层内的指定深度。堆体填满后，将塑料膜折叠覆盖在粪便堆顶部，并使穿孔管的两端穿过塑料膜，置于覆盖层外部。使用胶带将塑料膜密封，从而在秸秆、动物尸体和粪便周围形成封闭屏障。在每个堆体顶部放置八个通气口（50 × 50 × 15 cm），以促进被动通气；同时在每段穿孔管的两端安装T型接头，以促进空气向下流入管道。

在本项初步研究中，对堆肥结构进行了实验性改良，以探究静态堆肥过程中病原体失活和组织降解的情况。将通过组织重量或微生物计数预先定量的组织和微生物样品用尼龙样品袋（5 × 9 cm；孔径50 μm）热封密封后，装入特制的金字塔形钢制笼中，该装置称为贝克回收金字塔（Baker Retrieval Pyramids, BRP）¹。这些金字塔的设计允许在堆肥过程中按预定时间间隔将其从堆肥基质中取出，同时不会严重破坏密闭性或改变堆肥过程的动态特性。每个BRP内嵌入八个样品袋（八种样品类型各一个），并使用与填充堆坑相同的粪便材料包裹，排列方式确保每个样品袋均被粪便包围，且彼此之间无直接接触。装有粪便和样品袋的BRP通过记录链条固定，并悬挂在堆肥基质中80 cm和160 cm深度处。链条锚定在横跨堆坑、间隔1.5 m的木杆上（图1）。每个BRP中放置的T型热电偶也沿链条引出，连接至堆肥结构外部的数据记录仪。在指定时间点，使用带棘轮的牵引钢缆垂直地将BRP从堆肥中拉出，随后重新密封塑料覆盖层。在加拿大阿尔伯塔省南部自然干旱的气候条件下，试验期间降雨稀少，但塑料覆盖层和堆肥材料的穹顶形状有效促进了侧向径流，并被秸秆堆坑壁吸收。

讨论

经过147天的静态堆肥后，总质量、干物质（DM）、有机质、总碳和总氮的损失率分别为23.7%、35.6%、52.9%、49.6%和41.4%²每个结构中堆肥物料的体积从118立方米减少至71立方米³. 监测到的牛组织分解程度排序为脑组织 > 蹄 > 骨。仅堆肥7天后， >90%的脑组织干物质和80%的蹄部干物质在堆肥56天内已分解。微生物活性完全丧失。 大肠杆菌 O157:H7 和新城病在 14 天内得到控制。

集约化畜牧生产系统特别容易受到自然或人为传染病暴发的影响。在有限区域内集中饲养大量动物，会导致大多数病原体在群体中迅速传播。控制任何传染病暴发的关键在于隔离 containment，因此常采用扑杀后清除（depopulation）的方式，以防止病原体扩散至更广泛的牲畜群体。这种扑杀清除情景会产生大量染病动物尸体及受污染的粪便，需要迅速处理。堆肥法可作为处理感染性尸体以及可能携带病原体的粪便和土壤的一种快速响应处置方法。我们提出了一种可在疫病暴发现场实施的堆肥操作流程，所用材料均可在农场现场或当地农用物资商店便捷获取。在本研究中，与肉牛尸体及粪便相关的病原体在堆肥开始后14天内即被灭活，且堆体温度在超过一个月的时间内持续高于55 °C。渗滤液的产生量极低，可能归因于底层疏松稻草的强吸水性，以及我们在堆肥启动时对干物质（DM）含量进行了优化。渗滤液总产量低于初始堆体质量的3 ppm（即每堆体<300 g）。在堆肥第14天时，渗滤液中可检测到最高达5.8 log10 CFU/mL的总大肠菌群，但在堆肥进行至101天后已无法检出。经过147天后，牛体尸体几乎完全降解，仅残留少数长骨尚可辨认。在生物封闭结构打开后，再经过一轮开放式条垛堆肥，残余骨骼进一步降解，最终形成成熟的堆肥产物，可用于土地施用。

综上所述，堆肥过程所创造的环境对大多数病原微生物的存活构成了显著挑战。游离的细菌、原生动物和病毒会因堆肥中的高温、高碱性以及蛋白酶和核酸酶的高活性而迅速失活。对育肥牛成年尸体成功进行分解的结果表明，这种静态堆肥处理方法适用于所有常见的家畜。然而，必须注意确保堆肥中维持最佳的碳氮比和含水量，以达到杀灭微生物所需的条件。某些本身耐热性较强的病原体，例如可形成芽孢的细菌（如炭疽杆菌），或特别顽固的病原体（如朊病毒），在堆肥处理后仍可能保持感染性。目前，本实验室正在开展研究，以阐明这些类型微生物在堆肥过程中的归趋。

图1. 生物安全堆肥系统的示意图，包括稻草捆墙体和地面、塑料覆盖层、疏松稻草基底、牛尸体、粪便、带孔塑料通风管和通风口，以及实验性附加装置（渗滤液采集口、样品取样锥体和温度传感器）。（A）横截面视图（剖面图）。（B）纵向视图（侧壁已移除）。所有尺寸单位均为 cm。引自 Xu 等（2009）²