Kompostowanie padliny w systemie zamkniętym w celu opanowania ogniska choroby zakaźnej u zwierząt hodowlanych

Podsumowanie

Wykorzystując łatwo dostępne materiały, ten system kompostowania w warunkach biocontainment umożliwia skutylną utylizację na miejscu dużych trucheł zwierząt powstałych w przypadku wybuchu choroby zakaźnej. Procedura ta eliminuje większość czynników zakaźnych w truchełkach oraz zanieczyszczonym oborniku. Po potwierdzeniu, że czynnik zakaźny nie jest już żywotny, dojrzały kompost można rozprowadzić jako nawóz.

Streszczenie

Intensywne systemy produkcji zwierzęcej są szczególnie podatne na naturalne lub celowe (bioterrorystyczne) wybuchy chorób zakaźnych. Duża liczba zwierząt utrzymywanych na ograniczonej przestrzeni umożliwia szybkie rozprzestrzenianie się większości czynników zakaźnych w obrębie stada. Szybka izolacja jest kluczowa dla opanowania każdego wybuchu choroby zakaźnej, dlatego często przeprowadza się depopulację, aby zapobiec rozprzestrzenieniu się patogenu na większą populację zwierząt hodowlanych. W takiej sytuacji powstaje duża liczba trucheł zwierząt oraz zanieczyszczonego obornika, które wymagają szybkiej utylizacji.

Kompostowanie stanowi szybką metodę utylizacji zainfekowanych padlin, a także obornika i gleby, które mogą zawierać czynniki zakaźne. Opracowaliśmy procedurę kompostowania padliny w systemie bioizolacyjnym i przetestowaliśmy jej skuteczność w zakresie degradacji tkanek bydlęcych oraz dezaktywacji drobnoustrojów. Wykorzystaliśmy materiały dostępne w gospodarstwie lub możliwe do nabycia w lokalnych sklepach z artykułami rolniczymi, aby system ten mógł zostać wdrożony bezpośrednio w miejscu wystąpienia ogniska choroby. W niniejszym badaniu temperatura przekraczała 55°C przez ponad miesiąc, a czynniki zakaźne wprowadzone do trucheł bydła mięsnego oraz do obornika zostały dezaktywowane w ciągu 14 dni kompostowania. Po 147 dniach truchła uległy niemal całkowitej degradacji. Pozostałe nieliczne kości długie poddano dalszej degradacji w dodatkowym cyklu kompostowania w otwartych pryzmach, a uzyskany w końcowej fazie dojrzały kompost nadawał się do aplikacji na grunty.

Zbudowano powielone struktury do kompostowania (wymiary końcowe 25 m x 5 m x 2.4 m; D x S x W) przy użyciu bel słomy jęczmiennej i wyłożono je grubą, czarną folią silosową. Każda z nich została załadowana luźną słomą, truchłami i obornikiem o łącznej masie ~95 000 kg. W każdym bunkrze umieszczono 40-cm warstwę bazową luźnej słomy jęczmiennej, na której ułożono 16 trucheł bydła z wykarmiaczy (średnia masa 343 kg), ustawionych poprzecznie w odstępach około 0.5 m. W celu zapewnienia napowietrzania pasywnego, pomiędzy sąsiednimi truchłami umieszczono odcinki elastycznych, perforowanych plastikowych rur drenażowych (średnica 15 cm), które poprowadzono pionowo wzdłuż obu wewnętrznych ścian, a ich końce wyprowadzono przez folię na zewnątrz. Truchła przykryto wilgotnym, napowietrzonym obornikiem z wykarmiaczy (~1.6 m głębokości) aż do górnej krawędzi bunkra. Folię złożono na górze i uszczelniono taśmą, aby stworzyć barierę zabezpieczającą, a na szczycie każdej struktury umieszczono osiem otworów wentylacyjnych (50 x 50 x 15 cm) w celu usprawnienia napowietrzania pasywnego. Po 147 dniach ubytki objętości i masy kompostowanych materiałów wyniosły średnio odpowiednio 39.8% i 23.7% w każdej strukturze.

Protokół

Powielone struktury kompostowe zostały zbudowane w Lethbridge Research Centre (LRC) w Lethbridge, Alberta, Kanada (Rys. 1). Do budowy ścian wykorzystano duże prostokątne bele słomy jęczmiennej (260 x 120 x 80 cm; dł. x szer. x wys.), a do podłogi małe bele (100 x 40 x 45 cm). Duże bele zorientowano tak, aby ściany miały 120 cm grubości, co maksymalizowało stabilność konstrukcji oraz zatrzymywanie ciepła. Małe bele tworzące podłogę ułożono sznurkami poziomo, aby zwiększyć absorpcję w przypadku wycieku, co dało podłogę o grubości 45 cm. Całkowite wymiary struktur wynosiły 25 m x 5 m x 2,4 m (dł. x szer. x wys.). Teren budowy miał nachylenie około 1°, a struktury zorientowano tak, aby sprzyjać spływowi odcieków w stronę portu pobierania próbek, który zainstalowano w celu oceny eksperymentalnej. Wilgotny obornik z wybiegów dla bydła został wymieszany i napowietrzony poprzez przejazd rozrzutnikiem i składowanie w pryzmach przez 24 h przed budową struktur ograniczających.

Bunkry kompostowe zostały wyłożone grubą czarno-białą folią plastikową, powszechnie stosowaną do przykrywania pryzm kiszonki. W każdym kierunku pozostawiono wystarczający zapas folii u góry, aby umożliwić późniejsze złożenie i uszczelnienie złoża kompostowego wewnątrz bunkra. Aby zapobiec przesuwaniu się folii pod wpływem wiatru, do jej obciążenia w bunkrze użyto opon, które usunięto przed umieszczeniem padlin. Po zainstalowaniu portu do pobierania odcieków (niezbędnego wyłącznie do celów pobierania próbek eksperymentalnych), do struktury bioasekuracyjnej dodano luźną słomę jęczmienną, tworząc warstwę bazową o grubości około 40 cm. Osiągnięto to poprzez dostarczenie pojedynczej okrągłej beli za pomocą ładowarki czołowej i ręczne rozprowadzenie słomy wzdłuż długości bunkra.

Szesnaście trucheł bydła z zapadów utuczalnianych umieszczono na słomianym podłożu. Były to zwierzęta, które padły w ciągu ostatnich 48 godzin w pobliskich komercyjnych zapadach, z czego większość zmarła z powodu kompleksu chorób układu oddechowego bydła. Truchła ułożono poprzecznie w bunkrze do kompostowania (Rys. 1), zachowując odstęp około 0,5 m między poszczególnymi osobnikami. W celu zapewnienia napowietrzania pasywnego, między sąsiadującymi truchłami, wewnątrz luźnej warstwy słomy, ułożono odcinki perforowanych, elastycznych plastikowych rur drenażowych (średnica 15 cm). Końce rur skierowano pionowo wzdłuż ścian bocznych, tak aby wystawały ponad górną krawędź bunkra, a następnie tymczasowo przymocowano je za pomocą opon wystających poza górną powierzchnię ścian.

Wstępnie przygotowany obornik z fermy tucznika załadowano do bunkrów, aby przykryć truchła do końcowej głębokości 1,6 m. Obornik załadowywano przez ścianę boczną bunkra, przemieszczając się od jednego końca konstrukcji do drugiego. Piramidy do pobierania próbek, opisane poniżej, rozmieszczono na określonych głębokościach w warstwie obornika na tym etapie. Po napełnieniu bunkra folię plastikową złożono na wierzchu usypanego obornika, a końce perforowanych rurek przeprowadzono przez nią tak, aby znajdowały się na zewnątrz owinięcia. Folię uszczelniono taśmą, aby stworzyć barierę ochronną wokół słomy, trucheł i obornika. Na górze każdej konstrukcji umieszczono osiem otworów wentylacyjnych (50 x 50 x 15 cm) w celu zapewnienia napowietrzania pasywnego, a do każdego końca odcinków perforowanych rurek przymocowano łączniki w kształcie litery T, aby wspomóc przepływ powietrza w dół rurek.

W niniejszym badaniu pilotażowym wprowadzono eksperymentalne modyfikacje struktury kompostownika, aby umożliwić badanie inaktywacji patogenów oraz degradacji tkanek podczas procesu kompostowania statycznego. Próbki tkanek i mikroorganizmów, uprzednio ilościowo określone na podstawie masy tkanek lub enumeracji mikrobiologicznej, zapieczętowano termicznie w nylonowych woreczkach na próbki (5 x 9 cm; wielkość porów 50-μm), a następnie umieszczono w specjalistycznych stalowych klatkach o kształcie piramidy, określanych jako Baker Retrieval Pyramids (BRP)¹. Piramidy te zaprojektowano w taki sposób, aby umożliwić ich wyciąganie z matrycy kompostu w określonych odstępach czasu podczas procesu kompostowania, bez poważnego naruszania szczelności ani zmiany dynamiki procesu. Wewnątrz każdej BRP zatopiono osiem woreczków (po jednym z ośmiu rodzajów próbek) w tym samym oborniku, który posłużył do wypełnienia bunkra, rozmieszczając je tak, aby każdy woreczek był otoczony obornikiem i nie stykał się bezpośrednio z innymi woreczkami. Wypełnione obornikiem i woreczkami BRP przymocowano do odcinków łańcucha zrywowego i zawieszono na głębokościach 80 cm oraz 160 cm w matrycy kompostu. Łańcuchy zakotwiczono do drewnianych pali rozpiętych nad bunkrami w odstępach 1,5-m (Rys. 1). Termopary typu T umieszczone w każdej BRP zostały również poprowadzone wzdłuż łańcuchów do rejestratora danych znajdującego się na zewnątrz struktury kompostownika. W określonych odstępach czasu BRP wyciągano pionowo z kompostu za pomocą zapadkowej wciągarki linowej, a folię ochronną ponownie zapieczętowano. W naturalnie suchym klimacie południowej Alberty w tym okresie odnotowano niewielkie opady, jednak folia ochronna i kopułowaty kształt materiału kompostującego skutecznie sprzyjały bocznemu odpływowi wody, która była absorbowana przez słomiane ściany bunkra.

Dyskusja

Po 147 dniach kompostowania statycznego straty całkowitej masy, suchej masy (DM), materii organicznej, całkowitego węgla i całkowitego azotu wyniosły odpowiednio 23,7, 35,6, 52,9, 49,6 i 41,4%². W każdej strukturze objętość kompostowanych materiałów zmniejszyła się ze 118 do 71 m³. Monitorowany rozkład tkanek bydlęcych przebiegał w kolejności: mózg > kopyto > kość. Już po 7 dniach kompostowania rozłożyło się >90% DM tkanki mózgowej, a 80% DM kopyta rozłożyło się w ciągu 56 d kompostowania. Całkowita utrata żywotności Escherichia coli O157:H7 oraz wirusa choroby Nowcastle została osiągnięta w ciągu 14 dni.

Intensywne systemy produkcji zwierzęcej są szczególnie podatne na naturalne lub celowe wybuchy chorób zakaźnych. Utrzymywanie dużej liczby zwierząt na ograniczonym obszarze sprzyja szybkiemu rozprzestrzenianiu się większości czynników zakaźnych w populacji. Ograniczenie rozprzestrzeniania się patogenów jest kluczowe dla opanowania każdego ogniska choroby zakaźnej, dlatego depopulacja jest często stosowana jako środek zapobiegający przenoszeniu czynnika zakaźnego na szerszą populację zwierząt hodowlanych. Scenariusz depopulacji skutkuje powstaniem ogromnej liczby trucheł zwierząt oraz zanieczyszczonego obornika, które wymagają szybkiej utylizacji. Kompostowanie jest odpowiednią metodą szybkiego reagowania w zakresie utylizacji zakaźnych trucheł, a także obornika i gleby, które mogą zawierać czynniki zakaźne. Opisujemy procedurę kompostowania, którą można przeprowadzić w miejscu wystąpienia ogniska choroby, wykorzystując materiały łatwo dostępne w gospodarstwie lub w lokalnych sklepach z artykułami rolniczymi. W naszym badaniu czynniki zakaźne związane z truchłami bydła mięsnego i obornikiem zostały inaktywowane w ciągu 14 dni kompostowania, a temperatury kompostu przekraczały 55 °C przez ponad miesiąc. Produkcja odcieków była niezwykle niska, co prawdopodobnie wynikało z higroskopijności luźnej warstwy podstawowej ze słomy oraz z optymalizacji zawartości DM na początku procesu kompostowania. Całkowita ilość odcieków stanowiła mniej niż 3 ppm początkowej masy kompostu (tj. <300 g na strukturę). W odciekach po 14 dniach wykryto koliformy na poziomie do 5,8 log10 CFU/mL, jednak po 101 dniach kompostowania nie były one już wykrywalne. Po 147 dniach truchła bydlęce uległy niemal całkowitej degradacji, a rozpoznawalnych pozostało jedynie kilka kości długich. Kości uległy dalszej degradacji podczas dodatkowego cyklu kompostowania w pryzmach otwartych po otwarciu struktur bioizolacyjnych, co pozwoliło uzyskać końcowy, dojrzały kompost odpowiedni do zastosowania na gruntach.

Podsumowując, kompostowanie tworzy warunki, które stanowią istotne wyzwanie dla przetrwania większości drobnoustrojów chorobotwórczych. Wolne bakterie, pierwotniaki i wirusy są szybko inaktywowane przez wysoką temperaturę, zasadowość oraz wysoką aktywność proteaz i nukleaz w kompoście. Pomyślny rozkład dojrzałych trucheł bydła z fermtielnicowych wskazuje, że ta procedura utylizacji poprzez statyczne kompostowanie byłaby odpowiednia dla wszystkich powszechnych zwierząt hodowlanych. Należy jednak zadbać o zachowanie optymalnych stosunków węgla do azotu oraz odpowiedniego poziomu wilgotności, aby zapewnić warunki niezbędne do eliminacji drobnoustrojów. Patogeny z natury bardziej odporne na ciepło, takie jak bakterie tworzące przetrwalniki (np. wąglik), lub te wyjątkowo oporne, takie jak priony, mogą nadal zachować zakaźność po kompostowaniu. W naszym laboratorium prowadzone są obecnie badania mające na celu wyjaśnienie losów tego typu drobnoustrojów podczas procesu kompostowania.

Rycina 1. Schematyczny rysunek biosekurencyjnego systemu kompostowania składającego się ze ścian i podłogi z bel słomy, osłony z folii plastikowej, luźnej warstwy słomy u podstawy, trucheł bydła, obornika, perforowanych plastikowych rurek wentylacyjnych i otworów wentylacyjnych, a także dodatków eksperymentalnych (portu do odzysku odcieków, piramid do pobierania próbek oraz czujników temperatury). (A) Widok poprzeczny (przekrój). (B) Widok podłużny (po usunięciu ściany bocznej). Wszystkie wymiary podano w cm. Z Xu et al. (2009)²