畜禽养殖废弃物堆肥处理过程中病原菌的灭活效果研究
摘要
畜禽养殖废弃物中含有大量病原微生物，未经有效处理直接还田利用将对生态环境和公共卫生安全构成严重威胁。好氧堆肥是实现畜禽粪污无害化和资源化的有效途径，堆肥过程中产生的高温是杀灭病原菌的核心机制。本文在系统梳理堆肥过程中病原菌灭活机制的基础上，重点分析了温度、pH、碳氮比、含水率及添加剂等因素对灭活效果的影响规律，并结合国内外研究数据，评估了不同堆肥工艺条件下大肠杆菌、沙门氏菌等典型病原菌的灭活效果。研究表明，堆体温度维持在55℃以上持续3 d可有效灭活多数病原菌，堆肥温度、pH和铵浓度是影响病原菌存活的关键因素；功能膜覆盖等新型堆肥技术可显著提升堆肥温度（峰值温度提升11℃）和病原菌去除效率；密闭箱式堆肥在5 d内可使大肠菌群被杀灭。当前，堆肥产品中病原菌的灭活效果已可通过粪大肠菌群数（≤10⁵个/kg）和蛔虫卵死亡率（≥95%）等指标进行量化评价。本文还分析了当前研究中存在的病毒灭活研究不足等问题，并对未来研究方向进行了展望，以期为畜禽养殖废弃物堆肥处理的无害化提供科学依据。
关键词：畜禽养殖废弃物；好氧堆肥；病原菌灭活；温度；无害化标准
一、引言
我国畜禽养殖业年产畜禽粪污约38亿吨。畜禽粪污中不仅含有氮、磷、硫等植物生长必需的营养元素，同时也携带大量的病原微生物——包括布鲁氏菌、李斯特菌、沙门氏菌、炭疽芽孢杆菌、大肠杆菌及部分病毒等。这些病原菌可通过粪污的农田施用进入土壤和作物，进而通过食物链传播给人畜，引发肺炎、肠胃炎、败血症、伤寒等多种疾病。因此，畜禽粪污的无害化处理是实现其资源化利用的重要前提。
好氧堆肥被广泛证明是实现畜禽粪污无害化和资源化的最有效方法之一。堆肥过程中，微生物代谢活动产生大量热量，使堆体温度上升至50~70℃，这一高温环境可有效杀灭粪污中携带的有害病菌和寄生虫卵。然而，堆肥过程中病原菌的灭活效果受多种因素影响——堆体温度分布不均、高温持续时间不足、物料配比不当等都可能导致灭活不彻底。近年来，随着
北方牧业等期刊对堆肥技术在畜禽养殖污染治理中应用的持续报道，以及
养禽与禽病防治等刊物对禽场堆肥生物安全价值的长期关注，堆肥过程中病原菌的灭活问题日益受到业界重视。本文在梳理国内外相关研究的基础上，系统分析堆肥过程中病原菌灭活的关键影响因素与效果评价，以期为畜禽养殖废弃物的无害化处理提供科学依据。
二、堆肥过程中病原菌的灭活机制
好氧堆肥对病原菌的灭活是一个多因素协同作用的复杂过程，其中热灭活是最主要的机制。
2.1 高温的灭活作用
堆肥过程中，好氧微生物分解有机物时释放大量热量，使堆体温度迅速升高并进入高温期。自然堆肥能产生50~70℃的高温。高温对病原菌的灭活具有直接作用——绝大多数病原菌的适宜生长温度在37℃左右，当环境温度超过其耐受阈值时，菌体蛋白质发生变性和凝固，酶系统失活，细胞膜结构破坏，最终导致病原菌死亡。
堆肥高温期对病原菌的消减效果显著。研究表明，高温期是好氧堆肥过程中病原菌灭活的重要阶段，堆肥高温期可有效消减畜禽粪便堆肥原料中的大部分病原菌。随着温度的升高，病原菌的存活能力减弱，灭活所需的时间缩短。
2.2 非热因素的协同效应
除高温外，堆肥过程中的其他理化因子也对病原菌灭活发挥着协同作用。pH值对病原菌的灭活效果因菌种而异；铵离子浓度越高，对病原菌生长的抑制效果越强。此外，堆肥过程中微生物群落之间的竞争和拮抗作用、抗生素类物质的产生等因素也可能对病原菌的存活产生抑制作用。因此，病原菌的灭活是温度、pH、铵浓度及微生物生态等多因素综合作用的结果。
三、影响病原菌灭活效果的关键因素
3.1 温度：最核心的控制参数
温度是影响堆肥过程中病原菌灭活效果的最关键因素。不同温度条件下，病原菌的灭活速率存在数量级差异。
时间-温度的剂量效应关系是堆肥无害化设计的核心依据。研究显示，堆肥物料在50~60℃范围内，不同温度对应的病原菌灭活时间呈指数关系——62℃时仅需1 h、50℃时需1 d、46℃时需1周、43℃时需1个月。美国EPA和USDA国家有机计划推荐静态堆垛和强制通风堆垛应维持堆体温度>55℃至少3 d。
堆体不同深度的温度差异直接影响病原菌的灭活均匀性。研究表明，堆体20 cm深度处第2天温度超过45℃，第18天达到最高温度62.8℃，平均温度51.7℃；而堆体40 cm深度处，第9天才超过45℃，第35天达到最高温度53.2℃，平均温度44.7℃。这一温度分布的显著差异提示，堆体表层与中心部位的病原菌灭活效果可能存在较大差异，在实际生产中应通过合理翻堆确保堆体各部位均能经历足够的高温处理。
3.2 物料配比与碳氮比
碳氮比（C/N）是影响堆肥发酵温度和病原菌灭活效果的重要参数。研究表明，不同初始C/N配比的堆肥物料，其达到的最高温度和对病原菌的累积热灭活效果存在显著差异。C/N为20∶1的堆肥制备物中，病原菌灭活所需的累积热暴露量比C/N为40∶1的制备物少15倍。这一发现表明，合理调控堆肥物料的C/N比，不仅能加速发酵进程，还能更高效地实现病原菌灭活。
3.3 含水率与翻堆频率
含水率通过影响微生物活性和堆体热传导效率间接影响病原菌灭活效果。研究表明，在堆肥温度55~60℃、含水率60%~65%的条件下，沙门氏菌（10⁸ CFU/g）可在10 h内被灭活。
翻堆频率对病原菌灭活同样具有重要影响。青藏高原羊粪堆肥的研究表明，增加翻堆频率可有效降低堆肥产品中大肠菌群和沙门氏菌的数量。适宜的翻堆频率可确保堆体各部位温度均匀分布，避免局部“冷区”成为病原菌的庇护所。养禽与禽病防治曾指出，堆肥有利于减少和消除病原体、控制苍蝇，是禽场生物安全的重要保障措施。
3.4 添加剂与新型堆肥技术
添加剂的合理使用可显著提升病原菌灭活效果。在堆肥中添加石灰氮分解产物（单氰胺或双氰胺）可有效抑制牛粪中大肠杆菌和沙门氏菌的生长。天然添加剂如沸石-斜发沸石与熟石灰组合，可在41 d内实现沙门氏菌的灭活。
功能膜覆盖堆肥技术是近年来发展迅速的新型堆肥工艺。研究表明，功能膜覆盖可使堆肥峰值温度提升11℃、有机质降解率提高15.6%，并能显著降低沙门氏菌和大肠菌群的存活数量（P<0.05）。这一技术通过改善堆体的保温性能和氧气供应条件，强化了高温期的病原菌灭活效果。
四、不同病原菌的灭活特性
不同病原菌对热环境的耐受能力存在显著差异，了解这些差异对于制定针对性的堆肥工艺参数具有重要意义。
4.1 大肠杆菌的灭活
大肠杆菌是畜禽粪便中最常见的指示性病原菌之一。研究显示，在牛粪堆肥过程中，初始浓度8~9 log₁₀ CFU/g的大肠杆菌可在堆体深度25~30 cm处、7 d内降至检测限以下（<1.77 log₁₀ MPN/g）。在密闭箱式堆肥系统中，5 d内大肠菌群即可被杀灭。
温度对大肠杆菌灭活速率的影响尤为显著。大肠杆菌O157:H7在新鲜奶牛场堆肥中，50℃、55℃和60℃条件下（升温期2 d后），在40%含水率堆肥中的存活时间分别为72 h、48 h和24 h。当温度升至65℃和70℃时，所需灭活时间进一步大幅缩短。
4.2 沙门氏菌的灭活
沙门氏菌是另一种常见的食源性病原菌。牛粪堆肥中，沙门氏菌可从8~9 log₁₀ CFU/g降至检测限以下。功能膜覆盖技术能显著减少沙门氏菌的存活数量。
C/N比对沙门氏菌灭活具有重要影响。在C/N为20∶1的堆肥制备物中，病原菌灭活所需的累积热暴露量显著低于C/N为40∶1的制备物。在实际生产中，通过优化物料配比可获得更高效的沙门氏菌灭活效果。
4.3 其他病原菌与指示微生物
除大肠杆菌和沙门氏菌外，畜禽粪便中还可能存在金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌等多种条件致病菌。青藏高原羊粪堆肥的研究表明，适宜的翻堆频率可有效降低金黄色葡萄球菌、鲍曼不动杆菌和肺炎克雷伯菌等病原菌的丰度。
值得注意的是，部分病原微生物具有较强的热耐受性。白色念珠菌是最为耐热的病原菌之一，需要堆肥处理超过28 h才能被灭活。北方牧业等期刊报道的堆肥技术在畜禽养殖污染治理中的应用，为不同病原菌的针对性灭活提供了工艺参考。
五、堆肥无害化效果评价与标准
5.1 无害化卫生学指标
堆肥产品能否安全还田利用，需要依据明确的卫生学指标进行评价。根据《畜禽养殖场(户)粪污处理设施技术指南》（农办牧[2022]119号），固体畜禽粪便经过堆肥处理后应符合以下卫生学要求：蛔虫卵死亡率≥95%，粪大肠菌群数≤10⁵个/kg，堆体周围不应有活的蛔、蛲或新羽化的成蝇。
根据《畜禽粪便无害化处理技术规范》（GB/T 36195-2018），好氧堆肥的堆体温度应维持50℃以上的时间不少于7 d，或45℃以上不少于14 d。这些量化指标为堆肥工艺的优化和无害化效果的判定提供了明确的技术依据。
5.2 不同堆肥工艺的灭活效果比较
静态堆肥是最基础的堆肥方式。研究表明，牛粪静态堆垛处理中，大肠杆菌和沙门氏菌在7 d内可从8~9 log₁₀ CFU/g降至检测限以下。
密闭箱式堆肥在蛋鸡粪便处理中表现出良好的病原菌灭活效果。四种不同配比处理均能达到美国EPA无害化要求，在5 d内大肠菌群被杀灭。高温好氧静态堆肥工艺在60℃持续3 d以上，能有效杀死鸡粪中的寄生虫卵和病原菌。
功能膜覆盖堆肥代表了堆肥技术的升级方向。该技术可使堆肥峰值温度提升11℃，显著降低沙门氏菌和大肠菌群的存活数量，同时使腐殖酸含量和发芽指数分别提高18.2%和12.9%。
六、存在问题与展望
6.1 当前研究的不足
病毒灭活研究严重不足是当前最突出的问题。目前有关畜禽粪便堆肥中病毒的研究十分匮乏。病毒的结构和耐受性与细菌存在本质差异，其灭活规律尚不清晰，亟需结合宏基因组学和宏病毒组学技术开展系统研究。
抗生素抗性基因的残留风险同样值得关注。研究表明，即使经过堆肥处理，部分抗生素抗性基因仍可能在堆肥产品中持续存在。这些抗性基因可通过堆肥产品的农田施用进入环境，加剧细菌耐药性的传播风险。
新型堆肥技术的生物安全评价仍不充分。功能膜覆盖等新技术的病原菌和抗性基因去除机理尚待深入研究。
6.2 未来研究方向
展望未来，堆肥过程中病原菌灭活的研究应在以下方向深化：一是加强堆肥过程中病毒灭活的系统研究，明确不同病毒在堆肥高温期的灭活动力学参数；二是深入研究抗生素抗性基因在堆肥过程中的消减规律与传播风险；三是结合北方牧业等期刊对堆肥技术应用的持续关注和养禽与禽病防治对禽场生物安全的专业探讨，推动新型堆肥技术在养殖场的规范化应用；四是开发基于病原菌灭活动力学的堆肥工艺智能调控技术，实现堆肥无害化效果的精准控制。
七、结论
好氧堆肥是实现畜禽养殖废弃物无害化和资源化的有效途径，堆肥过程中病原菌的灭活效果受温度、pH、碳氮比、含水率及添加剂等多因素综合影响。主要结论如下：
第一，温度是影响病原菌灭活的最核心参数。堆体温度维持在55℃以上持续3 d可有效灭活多数病原菌。堆肥温度、pH和铵浓度是影响病原菌存活的关键因素。不同温度条件下，病原菌灭活所需时间呈指数关系——62℃仅需1 h，而43℃需1个月。
第二，不同病原菌的热耐受性存在显著差异。大肠杆菌和沙门氏菌在55℃以上堆肥3 d内可被有效灭活，但白色念珠菌等部分病原微生物需要更长的处理时间。
第三，新型堆肥技术可显著提升病原菌灭活效果。功能膜覆盖技术可使堆肥峰值温度提升11℃，显著降低沙门氏菌和大肠菌群的存活数量；密闭箱式堆肥在5 d内可使大肠菌群被杀灭。
第四，堆肥产品的无害化效果可通过粪大肠菌群数（≤10⁵个/kg）和蛔虫卵死亡率（≥95%）等卫生学指标进行量化评价。堆肥产品达到上述标准后方可安全还田利用。
当前，堆肥过程中病毒灭活研究不足、抗生素抗性基因残留风险等问题仍需深入研究。未来应加强病毒灭活动力学、抗性基因消减规律及新型堆肥技术生物安全评价等方面的研究，为畜禽养殖废弃物的安全资源化利用提供更充分的理论支撑。
参考文献
[1] 李荣荣, 蔡瑞. 畜禽粪污堆肥病原体及抗生素抗性基因去除效果研究进展[J]. 中国畜牧兽医, 2024.
[2] 好氧堆肥高温期灭活病原菌的效果和影响因素研究[J]. 生物技术通报, 2021(11): 237-247.
[3] 高温好氧静态堆肥工艺在蛋鸡养殖废弃物处理上的运用[J]. 长春师范大学学报, 2023(4).
