封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠的分布規律及其危害

摘 要：封閉式畜禽舍能夠有效控制畜禽舍內溫度和濕度等環境因子的變化，從而促進畜禽的高效生產，因此在現代畜牧生產中已被廣泛使用。但其缺陷在于通風換氣效率降低，導致舍內有害氣體和微生物氣溶膠濃度增高，當畜禽舍內有害氣體和微生物氣溶膠的濃度增高到一定程度時將會危害工人和動物健康。為科學評估封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠對人畜的危害，本文綜述了封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠的分布規律、變化特點及其對動物生產和健康的影響，為封閉式畜禽舍內空氣質量預警評估和高效防護提供理論依據。

關鍵詞：封閉式畜禽舍；分布規律；微生物氣溶膠；危害

中圖分類號：S815 文獻標志碼：C 文章編號：1001-0769（2017）10-0068-06

隨著畜禽生產工業化程度的提高以及飼養密度的增加，現代畜禽養殖生產普遍開始使用能夠進行環境控制的全封閉畜禽舍。與傳統的半開放半封閉畜禽舍相比，全封閉畜禽舍有利于舍內溫度和濕度等環境因子的控制，但與此同時也降低了舍內的通風換氣效率，導致畜禽舍內粉塵、微生物、內毒素以及氨氣和硫化氫等污染物含量顯著提高。畜禽舍內的微生物通過空氣氣流擴散，與水和粉塵相結合后懸浮于空氣中，形成微生物氣溶膠[1]。微生物氣溶膠中含有粉塵顆粒物、致病性有害微生物及其產生的內毒素。當畜禽舍內微生物氣溶膠濃度提高到一定程度時，將會對暴露在該環境中的工人和畜禽健康產生嚴重危害[2]。為科學評估封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠對工人和畜禽健康的影響，有必要了解不同封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠中顆粒物的粒徑大小、組成與分布，病原微生物的組成和含量。因此，本文旨在介紹全封閉式畜禽舍（豬舍和雞舍）內微生物氣溶膠的組成特點及其演變規律，從而為畜禽養殖場內的生物安全評估提供依據。

1 封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠的定義和組成

封閉式畜禽舍內空氣中的主要污染物包括粉塵顆粒、微生物和微生物產生的毒素、以及氨氣和硫化氫等有害氣體[3]。在現代畜禽養殖場內，舍內空氣中的顆粒物通常與細菌、毒素、氣體和揮發性有機物等結合后以混合物的形式存在，稱之為微生物氣溶膠。根據微生物的種類可將微生物氣溶膠分為細菌氣溶膠、真菌氣溶膠和病毒氣溶膠等。從畜禽舍內分離到的細菌主要有葡萄球菌、需氧芽孢菌、鏈球菌和腸桿菌，以及金色葡萄球菌、厭氧芽孢菌、沙門氏菌、致病性大腸桿菌和產氣莢膜桿菌等致病菌[4]。畜禽舍內微生物氣溶膠顆粒的直徑范圍大概在 0.5 μm～100 μm，其顆粒大小影響其在動物體內的沉積部位。粒徑大于10 μm的粒子主要沉積在鼻腔；粒徑在2 μm～5 μm范圍的粒子約10%沉積在支氣管；粒徑在1 μm～2 μm范圍的粒子約50%沉積在肺部，且沉積量隨粒徑變小而增加[5]。氣溶膠粒子粒徑越小，微生物氣溶膠顆粒進入呼吸道的程度就越深。畜禽舍內微生物氣溶膠中所含有的細菌來源于畜禽皮膚或消化道、排泄物、墊料、飼料、養殖場周圍環境的土壤以及通過空氣傳播從舍外進入舍內的微生物氣溶膠。細胞壁組成和細胞形狀是細菌分類的主要依據。細胞壁較厚的革蘭氏陽性菌生命力比較頑強，使其能夠在生物氣溶膠中存活更長時間。與此相反，桿狀的革蘭陰性菌生命力較弱，因此在生物氣溶膠中的存活時間有限[17]。雖然革蘭陰性菌在微生物氣溶膠中所占比例較小，但包含了大量致病菌和條件性致病菌，是動物群體細菌性疾病的指征。微生物氣溶膠中細菌內毒素的主要成分是脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS），存在于革蘭陰性菌細胞壁的外膜中，只有在細菌死亡發生自溶或黏附在其他細胞時才會釋放出來體現其毒性[6]。封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠中的真菌主要來源于養殖場周邊的土壤、灰塵、飼料和墊料，而來源于畜禽自身攜帶的真菌較少。盡管畜禽舍內微生物氣溶膠中高濃度的真菌含量已被證實會影響工人的肺功能，但目前關于畜禽舍內真菌的研究報道依然很少。此外，需要注意寄生蟲也是畜禽舍內生物氣溶膠中的一種污染物，這一點在家禽舍內微生物氣溶膠的研究中體現得更加充分，而家禽塵螨已被證實是導致過敏和哮喘的直接原因。家禽舍內較常見的螨主要包括皮刺螨、禽刺螨、粉塵螨、屋塵螨、鳥疥螨和粗腳粉螨等[7]。

2 封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠的分布規律

2.1 封閉式豬舍內微生物氣溶膠的分布規律

陳劍波等[8]研究了不同封閉式豬舍內微生物氣溶膠的粒度分布規律，結果表明，哺乳豬舍內微生物氣溶膠濃度在3.3×103 CFU/m3～ 13.7×103 CFU/m3之間，其中粒徑>7 μm的粒子占27.9%，粒徑在2.1 μm～3.3 μm的粒子占23.6%，微生物氣溶膠濃度的最大值出現在15：00，最小值出現在11：00和20：00。保育豬舍內微生物氣溶膠濃度在4.4×103 CFU/m3～ 8.5×103 CFU/m3之間，其中粒徑>7 μm的粒子占37.7%，粒徑在2.1 μm～3.3 μm的粒子占16.2%，微生物氣溶膠濃度的最大值出現在15：00，最小值出現在11：00。肥育豬舍內微生物氣溶膠濃度在6.9×103 CFU/m3 ～26.6×103 CFU/m3之間，其中粒徑>7 μm的粒子占26.9%，粒徑在2.1 μm～3.3 μm的粒子占21.1%，微生物氣溶膠濃度的最大值出現在15：00。由此可見，封閉式豬舍內微生物氣溶膠濃度關系為肥育豬舍>保育豬舍>哺乳豬舍，且粒子大小以粒徑在2.1 μm～ 3.3 μm范圍和>7 μm的粒子為主。鄭煥強[9]研究指出，封閉式豬舍內微生物氣溶膠中需氧菌濃度在3.57×103 CFU/m3～1.49×105 CFU/m3之間，大腸桿菌含量濃度在12 CFU/m3～1 464 CFU/m3 之間。微生物氣溶膠粒子空氣動力學分析表明，20.32%～51.42%的需氧菌和30.34%～43.21%的大腸桿菌存在于氣溶膠粒徑>8.5 μm的粒子中，35.16%～55.40%的需氧菌和36.93%和44.64%的大腸桿菌分布在氣溶膠粒徑在2 μm～6 μm之間的粒子中，僅有11.50%～13.79%的氣溶膠顆粒粒徑在0.65 μm～2.1 μm之間。李超等[10]對封閉式豬舍中微生物氣溶膠含量和微生物構成成分進行監測的結果表明，豬舍微生物氣溶膠中需氧菌含量在0.466×104 CFU/m3～2.585×104 CFU/m3 之間；需氧革蘭陰性菌含量在0.014×103 CFU/m3 ～0.840×103 CFU/m3之間；厭氧菌含量在0.060×104 CFU/m3～2.025×104 CFU/m3之間；真菌濃度在0.265×103 CFU/m3～1.490×103 CFU/m3之間；內毒素含量在0.114×103 CFU/m3 ～0.533×103 CFU/m3之間。微生物氣溶膠中需氧菌主要以腸桿菌屬、假單胞菌屬和莫拉菌屬為主。腸桿菌屬以大腸桿菌、成團腸桿菌和克雷伯菌為主；假單胞菌屬以嗜麥芽窄食單胞菌、睪酮叢毛單胞菌、少動鞘氨醇單胞菌、施氏假單胞菌為主；莫拉菌屬主要是腔隙莫拉菌。空氣動力學分析表明，58%的需氧菌分布在粒徑>4.7 μm的顆粒中，22%的需氧菌分布在粒徑在2.1 μm～4.7 μm的顆粒中，20%的需氧菌分布在粒徑在0.6 μm～2.1 μm的顆粒中。與此相似，48%的革蘭陰性菌分布在粒徑>4.7 μm的顆粒中，39%的革蘭陰性菌分布在粒徑在2.1 μm～4.7 μm的顆粒中，僅有13%的革蘭陰性菌分布在粒徑在0.6 μm ～2.1 μm的顆粒中。Thorne等[11]和黃藏宇等[12]研究指出，封閉式豬舍內冬季微生物氣溶膠中細菌濃度顯著高于夏季時的細菌濃度，原因可能在于夏季的通風強度大于冬季。袁文等[13]研究也表明，封閉式豬舍內微生物氣溶膠中需氧菌含量在9.07×104 CFU/m3～28.23×104 CFU/m3之間，且在冬季（25.96×104 CFU/m3）的濃度顯著高于夏季（9.38×104 CFU/m3）的濃度，需氧菌主要分布在粒徑在2 μm～3 μm的顆粒中。前期利用微生物培養法和變性梯度凝膠電泳結合PCR測序法的研究指出，封閉式豬舍內微生物氣溶膠中的革蘭氏陽性菌主要包括氣球菌屬、芽孢桿菌屬、微球菌屬、鏈球菌屬和葡萄球菌屬；革蘭陰性菌主要包括莫拉式菌屬、腸球菌屬和假單胞菌屬[14]。

2.2 封閉式雞舍內微生物氣溶膠的分布規律

柴同杰等[15]研究表明，雞舍內微生物氣溶膠中需氧菌含量在3.12×104 CFU/m3 ～ 9.01×105 CFU/m3之間，而條件性致病菌金黃色葡萄球菌含量在2.0×103 CFU/m3 ～3.3× 104 CFU/m3之間。空氣動力學分析表明，38%的需氧菌和58.3%金黃色葡萄球菌氣溶膠顆粒粒徑>5 μm，22.5%的需氧菌和1.8%的金黃色葡萄球菌氣溶膠顆粒粒徑在0.65 μm～2.1 μm 之間。張永英等[16]研究表明，全封閉式蛋雞舍內微生物氣溶膠中細菌總數達226 CFU/m3，氣溶膠顆粒粒徑5 μm以下的顆粒占總量的40.8%。段會勇[17]的研究指出，雞舍內微生物氣溶膠中需氧菌總數在0.8×105 CFU/m3 ～1.72×105 CFU/m3之間，可吸入需氧菌總數在4.17×104 CFU/m3～9.65×104 CFU/m3之間，可吸入需氧菌和需氧菌總數的含量之比在47.9%～70.2%之間。微生物氣溶膠中大腸桿菌含量在15 CFU/m3～81 CFU/m3之間，可吸入大腸桿菌含量在9 CFU/m3～55 CFU/m3之間；腸球菌含量在224 CFU/m3～488 CFU/m3之間，可吸入腸球菌含量在165 CFU/m3～345 CFU/m3之間。空氣動力學分析表明，大多數需氧菌、大腸桿菌和腸球菌均分布在粒徑<6 μm的微生物氣溶膠顆粒中，僅有小部分粒子分布在粒徑< 1 μm的顆粒中。鐘召兵等[18]研究指出，封閉式雞舍內微生物氣溶膠中需氧菌濃度在 142 CFU/m3～479 CFU/m3之間（平均287 CFU/m3），葡萄球菌濃度在17 CFU/m3～68 CFU/m3之間（平均34 CFU/m3）。對葡萄球菌菌群組成和含量進行分析后發現，金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、腐生葡萄球菌、豬葡萄球菌、頭狀葡萄球菌、木葡萄球菌、科氏葡萄球菌、肉葡萄球菌分別占24.2%～31.6%、13.2%～19.4%、23.3%～30.1%、9.3%～14.2%、1.7%～9.1%、5.2%～9.7%、2.3%～6.6%、2.3%～4.3%，其中條件性致病菌金黃色葡萄球菌的含量大致在23 CFU/m3～51 CFU/m3之間，且主要來源于雞糞。空氣動力學分析表明，33.9%的需氧菌、42.8%的葡萄球菌和25.4%的金黃色葡萄球菌分布在粒徑>8.5 μm的氣溶膠顆粒中，該部分顆粒由于粒徑較大僅有少部分能進入鼻腔和呼吸道；26.2%需氧菌、22.7%葡萄球菌和36.4%的金黃色葡萄球菌分布在粒徑在 3 μm～6 μm之間的氣溶膠顆粒中，該部分能直接進入人畜的氣管和支氣管。此外，雞舍內微生物氣溶膠的濃度和組成受季節變化的影響，微生物氣溶膠中需氧菌濃度的變化趨勢是夏季（6.8×103 CFU/m3～2.32×103 CFU/m3）>冬季（6.5×104 CFU/m3～2.47×104 CFU/m3）>秋季（5.2×103 CFU/m3～2.35×103 CFU/m3）；微生物氣溶膠中葡萄球菌濃度的變化趨勢是夏季（3.6×103 CFU/m3～1.57×103 CFU/m3）>秋季（9.4×103 CFU/m3～1.47×103 CFU/m3）>冬季（5.8×103 CFU/m3～1.76×103 CFU/m3）；微生物氣溶膠中金黃色葡萄球菌濃度的變化趨勢是冬季（8×102 CFU/m3～3.54×102 CFU/m3）>夏季（6×102 CFU/m3～4.34×102 CFU/m3）>秋季（6×102 CFU/m3～4.24×102 CFU/m3）。雞舍內真菌氣溶膠的濃度的季節變化規律與細菌氣溶膠的季節變化規律相似，即夏季（1.78× 103 CFU/m3）>秋季（1.43×103 CFU/m3）>冬季（1.31×103 CFU/m3）>春季（1.06×103 CFU/m3）。出現上述現象的主要原因可能在于夏季空氣溫度和濕度較高，有利于細菌生長，而冬季通風換氣效率較低導致溫度濕度加大也促進了細菌的生長和繁殖。由此可見，夏季和冬季是防范雞舍內微生物氣溶膠危害的重點季節[19]。隨著日齡增加，雞舍內真菌氣溶膠濃度呈現上升的趨勢，9日齡、14日齡、30日齡和37日齡時雞舍內真菌氣溶膠的濃度分別為0.11×103 CFU/m3、 0.49×103 CFU/m3、0.46×103 CFU/m3和3.67×103 CFU/m3[20]。對真菌氣溶膠進行分離純化鑒定出雞舍內真菌氣溶膠中優勢菌種為黑曲霉、黃曲霉、繩狀青霉、鏈狀假絲酵母和芽枝狀枝孢菌，共占37.9%。

3 微生物氣溶膠對畜禽生長和健康的影響

微生物氣溶膠中顆粒物被吸收進入到動物呼吸系統后的代謝過程主要受顆粒物粒徑大小的影響，其中粒徑大于10 μm的顆粒物主要被阻留在鼻腔，而粒徑在5 μm～10 μm的顆粒可通過呼吸系統到達支氣管，只有粒徑在5 μm以下的顆粒才可進一步到達細支氣管和肺泡，而沉積在肺泡內的主要是粒徑小于1 μm的顆粒物[5]。對于那些粒徑小于0.4 μm的顆粒物，由于能夠自由進出肺泡并隨呼吸排出體外，在肺泡內的沉積量相對較少。微生物氣溶膠中對動物生產和健康影響最大的是那些吸附或滯留在支氣管和肺泡的顆粒，這些顆粒主要通過下述途徑影響動物生產和健康：（一）隨黏液咳出體外或被吞咽后進入消化道；（二）被氣管和支氣管的纖毛黏液系統以及巨噬細胞清除；（三）被吸收進入血液循環系統；（四）通過淋巴間隙和淋巴結進入血液循環系統；（五）長期滯留在肺泡內引起動物感染甚至傳播疾病。微生物氣溶膠中顆粒物攜帶的有毒有害化學物質隨顆粒物進行血液循環系統之后會加劇顆粒物對動物呼吸系統和免疫功能的損傷。前期大量研究，封閉式畜禽舍內高濃度的微生物氣溶膠會顯著增加動物呼吸道疾病的發生概率，并損傷動物生產性能和免疫功能[21-23]。微生物氣溶膠的濃度和顆粒物大小與畜禽呼吸道疾病的相關性在前期研究中已經得到證實，但目前關于微生物氣溶膠中特定致病性細菌對動物健康影響的研究較少，且缺乏機理研究。

4 緩解有害氣體和微生物氣溶膠對人畜危害的措施

鑒于封閉式畜禽舍內高濃度的微生物氣溶膠對畜禽和工人的危害已經有所報道，因此有必要采取措施緩解微生物氣溶膠對人畜的危害，從而為畜禽和工人提供一個健康安全的生存環境和工作環境。緩解微生物氣溶膠對人畜危害的途徑主要包括以下幾個方面：

4.1 加強通風

通風是減少畜禽舍內粉塵、有害氣體和有害微生物含量的主要方法[24]。傳統的開放式或半開放式畜禽舍以自然通風為主，通風效果容易受到風向、風力、畜禽舍朝向和設計以及周圍環境等多種因素的影響，因此可控性較差。現代化的全封閉畜禽舍一般采用負壓機械通風系統，通過排氣扇等機械設備將畜禽舍內的空氣抽出，在封閉式畜禽舍內形成瞬時負壓，從而使得舍外空氣在舍內外壓力差的驅動下通過進氣系統進入舍內的通風模式。增加通風效率雖然可以顯著降低畜禽舍內生物氣溶膠含量，但在氣溫較低的冬季需要注意調節風速和風量的大小維持舍內溫度的穩恒，以免過度通風造成環境溫度過低從而影響動物生長性能。

4.2 采用靜電吸附和離子吸附裝置

通過安裝靜電吸附和離子吸附裝置是降低畜禽舍內生物氣溶膠含量的有效措施。通過使用空間電場凈化系統可使封閉式畜禽舍內粉塵降低70%～94%、生物氣溶膠中需氧菌總數降低50%～93%、有害氣體降低40%以上[25]。但現有的空氣凈化裝置能耗較高，尚不可能在畜禽養殖企業中推廣使用，因此急需研發能耗較低的生物凈化裝置用于過濾封閉式畜禽舍內生物氣溶膠中的粉塵和有害微生物。

5 展望

畜禽生產過程中的高密度集約化養殖使得封閉式畜禽舍內的微生物氣溶膠濃度已顯著高于安全水平，在畜禽舍內工作的工人和生存的動物會暴露在微生物氣溶膠中所含有的大量細菌和真菌之下，已構成一個潛在的疾病風險。但截至目前，對畜禽舍內微生物區系的組成及其對畜禽健康影響的研究仍然十分有限，原因主要在于以下三點：（一）現代采樣儀器設備成本相對較高，使用過程中故障率較高且維修過程煩瑣，很難在大部分科研院所中推廣使用；（二）普遍還在使用存在缺陷的舊方法來研究和評估微生物氣溶膠的含量和質量，而現代分子生物學的分析技術和方法在封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠的研究中還未廣泛使用；（三）僅少數科研院所和機構感興趣上述研究。考慮到封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠對人畜的危害及其潛在的疾病風險，急需建立一套標準的研究方法用于評估封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠的生物安全性，為畜禽健康養殖建立生物安全預警系統提供參考數據。制定上述標準時應考慮以下幾方面內容：（一）鑒于不同方法測得微生物氣溶膠中細菌含量和組成差異較大，因此首先應當在全國范圍內建立微生物氣溶膠質量和含量測定的標準化方法；（二）根據微生物氣溶膠顆粒粒徑大小，明確不同顆粒危害動物健康的安全閾值以及不同粒徑顆粒危害動物健康的互作效應；（三）篩選出微生物氣溶膠中的致病性細菌，明確其危害人畜健康的致病劑量；（四）利用現代分子生物學的技術手段，開展微生物氣溶膠影響動物健康的機理研究。只有在標準化微生物氣溶膠質量和濃度評定方法以及弄清微生物氣溶膠影響畜禽健康機理的基礎之上，才能有效監控封閉式畜禽舍內微生物氣溶膠的變化從而建立畜禽舍內空氣質量預警系統，最終達到促進畜禽健康高效生產的目的。□□

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