Name: 为控制牲畜传染病爆发Biocontained胴体堆肥 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-05-06T13:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 34 s
Description: 了解生物安全堆肥技术用于牲畜传染病爆发期间的大型动物尸体处理。该方法利用本地材料快速构建堆肥结构，通过温度监测和通风系统实现病原体灭活，确保堆肥产物可安全用作肥料。

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本项目由加拿大食品检验局的化学、生物、放射性和核（CBRN）研究与技术倡议（CRTI）以及阿尔伯塔朊病毒研究所资助。国家自然科学基金委员会向 W. Xu 提供了奖学金（编号：30620120430）。作者感谢 Brant Baker 和 Fred Van Herk，以及 Ruth Barbieri、Lisa Kalischuk-Tymensen、Andrew Olson、Lorna Selinger、Geoff Wallins 和 Homayoun Zahiroddini 在技术方面提供的协助。

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。

<ol><li>Reuter, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+simple+method+for+temporal+collection+of+tissue+and+microbial+samples+from+static+composting+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Canadian+Biosystems+Engineering%22%5BJournal%5D)">A simple method for temporal collection of tissue and microbial samples from static composting systems.</a> Canadian Biosystems Engineering. 50, 6.17-6.20 (2008).</li>
<li>Xu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+biosecure+composting+system+for+disposal+of+cattle+carcasses+and+manure+following+infectious+disease+outbreak%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Environ.+Qual%22%5BJournal%5D)">A biosecure composting system for disposal of cattle carcasses and manure following infectious disease outbreak.</a> J. Environ. Qual. 38, 437-450 (2009).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

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. 在每个结构中，堆肥物料的体积从 118 减少到 71 m³3. 监测到的牛组织分解顺序以脑组织为先 &gt; 蹄 &gt; 骨。仅堆肥7天后， &gt;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。完全丧失活力的 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极易受到自然或人为传染病暴发的影响。在有限空间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。控制传染源是防控任何传染病暴发的关键，因此常采用扑杀后处理的方式，以防止病原体扩散至更广泛的畜禽群体。这种扑杀处理情景会产生大量染疫动物尸体及受污染的粪便，需迅速进行处置。堆肥法可作为处置感染性尸体以及可能携带病原体的粪便和土壤的快速响应方法。本文介绍一种可在疫病暴发现场实施的堆肥操作流程，所用材料均可从农场现有资源或本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处理14天内即被灭活，且堆体温度超过了 55 °C 超过一个月。渗滤液的产生量极低，可能是由于松散的秸秆底层具有较强的吸水性，以及我们在堆肥开始时已优化了干物质含量。渗滤液总产量低于初始堆肥质量的3 ppm（即 &lt;每个结构300 g）。在堆肥第14天时，渗滤液中检出大肠菌群含量高达5.8 log₁₀ CFU/mL，但在堆肥101天后已无法检出。经过147天后，牛 carcass 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，继续进行额外的开放式条垛堆肥周期，骨骼进一步降解，最终获得成熟的堆肥产物，可用于土地施用。
综上所述，堆肥过程创造了对大多数病原微生物的存活构成重大挑战的环境条件。游离的细菌、原生动物和病毒会因堆肥内部的高温、高碱性以及高蛋白酶和核酸酶活性而迅速失活。对育肥场成年牛尸体的成功分解表明，这种静态堆肥处理方法适用于所有常见的家畜。然而，必须注意确保堆肥材料中具有最佳的碳氮比和适当的含水量，以实现有效杀灭微生物的条件。某些本身耐热性更强的病原体，例如能形成芽孢的细菌（如炭疽杆菌），或特别难以降解的病原体如朊病毒，在堆肥处理后仍可能保持感染性。目前，我们实验室正在开展相关研究，以阐明这些类型微生物在堆肥过程中的命运与变化。
<img src="/files/ftp_upload/1946/1946fig1.jpg" alt="堆肥过程示意图，显示草捆结构、温度传感器和渗滤液取样装置。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图1"> 图1. 生物安全堆肥系统的示意图，包括草捆墙体和地面、塑料围护层、疏松秸秆基底、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（渗滤液取样口、样品回收棱锥和温度传感器）。(A) 横向视图（横截面）。(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

生物封闭式动物尸体堆肥法控制牲畜传染病暴发

Biocontained Carcass Composting for Control of Infectious Disease Outbreak in Livestock

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%。

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。

集约化畜牧生产系统特别容易受到自然发生或人为（生物恐怖主义）传染病暴发的影响。大量饲养的动物……

该视频展示了一项在莱斯布里奇研究中心开展的研究实例，该研究由联邦政府的CRTI项目以及阿尔伯塔农业部资助。该项目的目的是在肉牛群体暴发传染病期间，将棉秆打捆掩埋法作为一种动物尸体处理方法进行评估。这一技术此前曾由加拿大食品检验局（CFIA）的劳埃德·斯宾塞博士（Dr. Lloyd Spencer）用于控制数年前在弗雷泽河谷地区暴发的禽流感疫情。该项目的目标主要是有效控制病原体，防止其传播至其他周边牛群。为实现这一目标，必须迅速作出响应，开发出一种处理方法，并确保其在24小时内准备就绪并投入运行。因此，在本实验设计中，我们全程使用本地可获取的材料进行堆肥处理，这些材料可方便地从当地农场供应商处重新采购，从而能够在24小时内完成结构的搭建。该结构的外框架仅采用大麦秸秆作为基础材料。我们在结构底部放置了小型秸秆层，以防整体堆肥过程中产生任何渗漏，这些小型草捆可起到吸收渗出液体的作用。随后，我们使用大型方形草捆作为结构的外墙。因此，我们的目标是探究是否可以采用类似的模型，仅将其规模扩大至更大的尺寸，以应对全尺寸育肥牛较大的体型。本研究中采用的封闭程度远高于典型的堆肥过程。我们使用大型稻草捆，以便在结构化框架内 containment 整个堆肥堆。我们从Lepar研究中心的饲养场收集了粪肥，并通过粪肥撒播机对其进行预处理，以实现通气，使其能够加热新的物料。这基本上是首次在如此大规模且不具备高等级密闭条件下进行的尝试。我们最初尝试时关注的问题之一是：在堆肥过程中是否会产生大量液体渗出物。因此，我们特意设置了排水系统，即堆肥堆，以收集堆肥过程中可能产生的任何液体。我们使用标准的青贮塑料，这种塑料与饲料场用于覆盖青贮坑的塑料相同。使用塑料的目的在于实现极高的安全性，基本上可确保堆肥堆中的所有物质都被保留在塑料屏障内部。我们在堆肥结构的底部铺设一层大麦秸秆，既作为吸水材料，也有助于促进堆肥过程的进行。此外，我们将温度发射器放置在堆肥材料内部。这些发射器可在整个堆肥过程中持续记录温度数据，待堆肥过程结束后，我们回收这些发射器，并下载整个堆肥期间的温度记录。使用塑料材料的一个缺点是，它很可能限制氧气进入堆肥堆体。这里我们使用了在房屋建造中常见的简易排水管或排水管道，并在整个堆肥结构中每隔约16英尺放置一根。这样做的目的是确保空气能够进入堆肥堆内部，使堆肥过程保持为需氧过程，而非缺氧环境下的厌氧过程——在厌氧条件下，氧气被排除，最终发生的反应基本上与青贮饲料的发酵过程相同。而我们并不希望这种情况发生。我们希望氧气能够进入结构内部，以最大程度地促进尸体的降解。这些牛只来自当地的育肥场，其死亡原因主要是由自然因素引起的肺炎。我们并未为了本研究而宰杀或故意杀死这些动物。目前，我们放置的这些管道仅依赖于被动通气，即空气通过管道从周围环境自然流通。我们没有使用风扇或类似设备，因为如果发生传染病暴发，您不希望将传染性病原体从堆肥结构中吹出并扩散到周围区域。在一般的疫情暴发情况下，您不会采用我们在此实验中所实施的如此详细的方案；但由于这是一项实验，我们使用所谓的“贝克尔回收金字塔”（baker retrieval pyramids）作为将样本植入堆肥并在后续时间点取出的方法。为进一步研究，我们使用了模式微生物，包括细菌和病毒，将其放入这些白色小袋中，然后将小袋置于三角区域，再将其放入堆肥结构中。该实验的目的是确保堆肥过程能够杀灭微生物，从而使传染性病原体在堆肥过程中被彻底破坏。我们还添加了其他基质末端材料，如组织、脑组织以及角蛋白（构成蹄和角的蛋白质）。角蛋白具有很强的抗消化性，我们希望探究在堆肥过程中是否能够实现这种抗性蛋白的显著降解。如果确实观察到明显的分解，就表明动物尸体同样能够被完全降解。我们用粪便填满金字塔结构，是为了确保金字塔内部的环境与周围粪便环境尽可能相似。在堆肥过程中，仅有三个袋子被带回。所有材料在放入金字塔之前均已称重，或在放入金字塔之前已对微生物数量进行计数。在此情况下，我们还将对每个金字塔放置温度测量装置，以便实际测量每个金字塔所在位置的温度。在堆肥堆中，我们在两个不同深度共放置了20多个此类金字塔，其中一个深度约为堆体内部半米处，另一个则位于约一米深的动物尸体放置区域。在正常情况下，这些模式细菌大多不会在人体中引起严重疾病，但在处理传染病暴发的情况下，你会注意到工作人员会佩戴手套并穿着防护服；而在传染病暴发期间，他们还会佩戴口罩和专用靴子。如果面对真正的疾病暴发，所需的防护装备等级会高得多。在引入尸体后，我们在每个堆肥结构中放入约16只动物。然后，我们会取用这些粪便，并用加热后的粪便将其覆盖，你可以看到有大量蒸汽冒出，表明粪便已经开始发热。在将其引入堆肥堆之前，我们已将粪便放入并完全填满结构体，因此现在尸体本身位于粪便表面以下约一米半深处。如图所示。随后，我们在堆体顶部增加了额外的通气孔，再次确保实现好氧堆肥过程。我们是否应该跳转到弗雷德的下一个区域？因为这些通气孔还被用于测量所排放的温室气体种类。在堆肥过程中，所有物料均被严密封闭，以确保即使堆体中存在真正的传染性病原体，其逃逸的可能性也极低。可以看到，我们在堆体顶部放置了轮胎，这基本阻止了鸟类或其他传播媒介接触堆体，从而防止病原体被传播至其他潜在的携带者。您所看到的那些导线，是我们用于将金字塔内部测温点的温度数据传输到堆肥结构外部计算机的装置。我们对每个堆肥堆内部超过48个不同位置进行温度监测，以了解堆肥过程中温度在空间上的分布差异，从而评估堆肥效率；而这些管道则用于测量堆肥堆不同深度的氧气浓度。如前所述，氧气渗透到堆体内部非常关键。现在，由于我们在此处构建这些结构时对金字塔放置位置的细节要求较高，因此搭建这些结构所花费的时间比正常条件下要长得多。在实际操作中，您无需如此精确地摆放金字塔，也不必像我们这样格外小心，以确保不会损坏在不同时间点已放置于堆体内的各种实验仪器。随后，在堆肥过程中，我们会进入堆体结构，从粪便表面以下0.5至1米的深度处将三角形装置从结构中取出，然后检测微生物在堆肥过程中是否存活，以及堆肥期间组织降解的程度。这些链条和三角形结构的强度使我们能够直接通过堆肥物料将装置拉出，从而回收样品。在此阶段，在正常情况下，如果处理的是真正的传染病暴发情况，由于堆肥堆内部的温度可以通过外部监测得知，我们已确认其温度达到了70摄氏度，且在高于约55摄氏度的温度下持续一段时间后，大多数病原微生物已被杀灭。当我们对植入堆体中的模式生物（包括我们放置的病毒和微生物）进行检测时发现，病毒在一周内被灭活，而微生物在两周内被完全杀灭。现在，我们正在打开堆肥完成后的堆体。该堆肥过程已持续约150天。堆体内部多个区域的温度在超过70天的时间内保持在70摄氏度以上。堆体顶部的温度往往高于底部，但堆体所有区域的温度均超过了55摄氏度。现在我们正在清空堆肥堆，如果此前确实发生了传染病暴发，那么病原体实际上已在堆肥过程中被杀灭。在此操作过程中，我们在移除物料的同时，也在回收一直置于堆体内的发射器，即温度发射器，随后将这些发射器取出并连接至计算机，以测定整个堆肥过程中动物所在位置的温度变化情况。我们确实发现了一些残留骨骼和组织的证据，但动物遗体已完全无法辨认。经过堆肥过程后，残留组织的尺寸相对较小，均远小于1公斤或500克。在拆除堆肥结构后，我们将物料转移至室外条垛中，在二次堆肥过程中，任何残留的组织都将被进一步降解。关键因素在于，在最终开启时，由于长时间堆肥过程中达到的高温，传染性病原体已经被杀死，脑组织也已降解。在堆肥过程的前两个月内，约98%的脑组织已被分解。

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为控制牲畜传染病爆发Biocontained胴体堆肥

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