韓 帥 ,孫興濱 ,陳 默 ,高 敏 ,王旭明
(1.東北林業大學林學院,哈爾濱 150040;2.北京市農林科學院農業生物技術研究中心,農業基因資源與生物技術北京市重點實驗室,北京 100097;3.中國農業大學生物學院,北京 100193)
金黃色葡萄球菌是一種重要的人畜共患條件致病菌。在臨床上可引起人類皮膚組織感染、敗血癥、肺炎、腸炎、腦膜炎和中毒性休克綜合征等疾病[1]。在動物養殖中可引起家畜乳房炎[2]、禽類關節炎[3]、外傷化膿性炎癥、泌尿道感染[4]等多種疾病。嚴重侵害家畜健康,使畜牧業遭受重大經濟損失[5]。1961年,英國的Jevons[6]發現了第一株耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MRSA)。MRSA含有mecA及其相關基因[7],幾乎對所有β-內酰胺類抗生素具有耐藥性[8-9],被稱為“超級細菌”[10]。目前對感染MRSA的治療已經成為最棘手的問題[11]。MRSA不僅可以感染人類,而且也是家畜感染的重要致病菌[12-13]。近年來,由于抗生素藥物在養殖業的不規范使用,導致動物感染MRSA的事件逐年增加[14]。
隨著我國經濟不斷發展和人們飲食結構的改變,以集約化、工廠化為主要養殖模式的現代化畜禽養殖場數量不斷增加[15]。其中,蛋雞數量已占全球的40%[16]。在高密度的養殖條件下,墊料、動物自身以及糞便中含有的包括病原菌或條件致病菌在內的微生物,通過風化、腐蝕、空氣氣流彌散等作用懸浮在空氣中形成生物氣溶膠[17],引起動物或飼養員的感染[18]。這些微生物還可以負載到顆粒物表面,傳播到舍外環境[19],導致氣源性傳染病流行[20],給附近居民健康帶來極大威脅[21-22]。其中,動力學當量直徑小于2.5 μm的顆粒(PM2.5)可直接深入到細支氣管和肺泡,從而增加人和動物的發病率和死亡率[23]。因此,越來越多的學者開始關注顆粒物特別是細顆粒物負載的空氣微生物[24-25]。
自首次發現以來,MRSA已成為爆發率最高的醫院內感染病原菌之一,分離率可達55.73%[26]。動物中最先在患乳房炎的奶牛中發現MRSA[27],之后相繼在豬、牛、羊和雞等動物中發現[28]。在歐洲地區的家禽、豬和牛肉類制品中MRSA的檢出率達到27.3%、10.4%和9.6%[29]。目前有關MRSA的研究多集中在人醫環境[30-31]和部分豬、牛、羊養殖環境[32-34]中的定殖情況、傳播擴散與耐藥機制。而對于家禽空氣環境中的MRSA研究相對較少,尤其是細顆粒物負載MRSA以及其影響因素均未見報道。因此,本研究通過對北京地區一家蛋雞養殖場進行等時間間隔連續采樣,記錄養殖環境中MRSA的濃度變化,分析其影響因素。
本研究在2016年7—11月期間,對北京平谷地區一家規模化蛋雞養雞場兩棟雞舍分別進行同時采樣調查。雞場所處位置地勢平坦,其800 m輻射半徑內不受較高建筑物及公路主干道影響。采樣當日天氣均為晴天。主要采集空氣樣本和相應糞便樣本。兩棟雞舍飼養品種均為海蘭蛋雞,所處環境及養殖方式相同,采取籠上養殖,每個雞舍內蛋雞數量均在9300只左右,雞舍采取機械通風,每周帶雞消毒2次。
生物氣溶膠采集在清糞、噴淋消毒等作業開始前40 min完成。采集使用FA-Ⅰ撞擊式采樣器(遼陽,中國)。該儀器將空氣中的帶菌粒子按空氣動力學直徑大小分別捕捉在各級培養皿上,具體粒徑分布信息如表1所示。采樣高度距地面1.5 m,細菌與抗生素耐藥菌樣本采集時間經優化,分別為1 min和2 min,氣體流量28.3 L·min-1,每次采樣前用流量計(余姚,中國)對采樣泵進行流量校正,每個采樣點同時采集3個平行樣本。采用相同方式檢測舍內溫度、相對濕度和各粒徑顆粒物濃度,使用溫濕度計檢測(WD-35612,OAKTON,德國)。
1.2.1 雞舍內空氣中細菌及耐藥菌的培養
樣本采集選用9 cm培養皿,滅菌后加入20 mL培養基。細菌采用LB營養瓊脂培養基,28℃培養2 d。金黃色葡萄球菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌均采用CHRMagar顯色培養基(法國科瑪嘉公司),37℃培養24 h,均選取培養基上呈紅色、紅褐色或粉紅色的邊緣光滑菌落進行計數[35-36]。采集樣本在進行菌落計數時,采用Positive hole method方法進行菌落計數校正。取同一采樣點3次計數校正后平均值計算出平均細菌濃度(CFU·m-3)。

表1 FA-Ⅰ撞擊式采樣器特征Table 1 FA-ⅠImpingement sampler characteristics
1.2.2 糞便中細菌及耐藥菌的培養
收集與空氣樣本對應的新鮮糞便樣本,采用五點法,將5個點采集的新鮮糞便混合均勻作為一個樣本,冷藏運輸。為使得糞便中細菌具有良好活性,取10 g糞便加0.8%滅菌生理鹽水100 mL,37℃、160 r·min-1,搖菌12~16 h。得到的菌液取1 mL加入裝有9 mL 滅菌生理鹽水的離心管中,按 10-2、10-3、10-4、10-5、10-6、10-7倍比稀釋,選取 10-5、10-6、10-7梯度菌液各100 μL用涂布棒均勻涂布在LB培養基上,每稀釋梯度涂布3塊培養皿,28℃培養2 d。選取10-3、10-4、10-5梯度菌液各100 μL用涂布棒均勻涂布于CHRMagar顯色培養基上,每稀釋梯度涂布3塊培養皿,37℃培養24 h。在進行菌落計數時,選取各重復菌落計數相近且菌落計數在30~300個的稀釋梯度平板為宜。采用Positiveholemethod方法進行菌落計數校正。取同一稀釋梯度3次計數校正后平均值計算出平均細菌濃度(CFU·g-1)。
1.3.1 空氣中細菌氣溶膠濃度
根據采樣時間和氣體流量,利用公式(1)計算各級生物氣溶膠濃度。

式中:Ca為細菌或耐藥菌氣溶膠濃度,CFU·m-3;N 為各級菌落數,CFU;t為采樣時間,min;F為采樣時的氣體流量,L·min-1。
1.3.2 糞便中細菌濃度
根據稀釋梯度和樣品質量,利用公式(2)計算糞便中細菌濃度。

式中:Cf為糞便中細菌或耐藥菌濃度,CFU·g-1;N 為各稀釋梯度菌落數,CFU;a為稀釋倍數;10為實驗樣本質量,g。
1.3.3 耐藥菌占總細菌濃度比例

式中:η為耐藥菌所占比例;C為細菌或耐藥菌濃度,CFU·m-3。
1.3.4 細顆粒物中耐藥菌氣溶膠所占比例
本研究將粒徑 D50≤2.1 μm(stageⅣ)定義為細顆粒物。細顆粒物所負載耐藥菌氣溶膠比例(FBT)計算公式如下:

式中:BⅠ、BⅡ、BⅢ、BⅣ、BⅤ、BⅥ分別為分布在 StageⅠ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ粒徑范圍內耐藥菌氣溶膠濃度,CFU·m-3。
采用SPSS 21.0對數據進行Spearman相關性分析。當P<0.05時,表明在95%置信區間內具有統計學意義上的差異;當P<0.01時,表明在99%置信區間內具有統計學意義上的顯著差異。運用逐步回歸方法,建立雞舍空氣及糞便中與MRSA濃度相關影響因素的回歸方程,R趨近于1表明此回歸效果較好。
2.1.1 雞舍空氣中MRSA濃度及比例
本研究采集了蛋雞舍內環境中總細菌(LB)、金黃色葡萄球菌(S)和MRSA氣溶膠樣本,并進行微生物培養和計數,對比分析上述細菌生物氣溶膠濃度和比例隨蛋雞日齡的變化趨勢,結果如圖1所示。
由圖1可知,在蛋雞日齡分別為145、404 d檢出舍內環境總細菌氣溶膠濃度最低值和最高值,即總細菌氣溶膠濃度變化范圍在 1.9×103~3.8×104CFU·m-3。整體來看,總細菌氣溶膠濃度隨日齡增加呈上升趨勢。其中,日齡分別為209、270、378 d所檢測到的總細菌氣溶膠濃度相比臨近日齡濃度略有下降,但濃度差異小于1個數量級。本研究中所檢測到的總細菌氣溶膠濃度略低于萊蕪市蛋雞舍內濃度[21],相比山西地區某牛場(2.1×102~5.26×103CFU·m-3)和羊場(3.7×102~5.55×103CFU·m-3)中空氣細菌濃度略高[37]。值得關注的是,在較大日齡343 d和404 d所檢測到的總細菌濃度高于我國《畜禽場環境質量標準》的細菌濃度界定值(2.5×104CFU·m-3)。金黃色葡萄球菌濃度的最低和最高值分別在日齡145 d和343 d檢出,濃度分別為 2.8×102CFU·m-3和 2.19×103CFU·m-3,整體變化趨勢與總細菌相似。該濃度變化范圍與山西某牛場和羊場以及山東泰安市某雞舍內檢測到的濃度范圍相近[37-38]。其中,在日齡分別為209、270 d和404 d所檢測到的金黃色葡萄球菌濃度略有下降。據既往研究,養殖環境中的細菌會負載到細顆粒物(動力學當量直徑≤2.5 μm),通過空氣途徑傳播[19]。本研究檢測到的金黃色葡萄球菌濃度變化可能是受到雞舍內細顆粒物濃度變化的影響。在上述3個日齡下檢測到的PM2.5濃度較前一日齡相比濃度均有下降,分別為6.93、2.77 μg·m-3和 4.23 μg·m-3。MRSA 濃度的檢測結果顯示,整體上,MRSA的平均值為(4.31×102±4.56×102)CFU·m-3,在 145~176 d,其濃度隨日齡增加有升高趨勢。在176~270 d,MRSA濃度由4.7×102CFU·m-3逐步下降到 80 CFU·m-3,310 d 濃度上升到最高值 1.15×103CFU·m-3,后逐步下降,404 d 檢測到最低值 70 CFU·m-3。

圖1 雞舍內部空氣中MRSA、金黃色葡萄球菌(S)和總細菌(LB)濃度及比值Figure 1 Concentrations and percentages of MRSA,Staphylococcus aureus(S)and total bacteria(LB)in air of layer house
由圖1可知,與MRSA濃度變化趨勢相似,在176~270 d,MRSA/LB由最高值5.47%下降到0.76%,310~343 d,MRSA/LB由1.84%上升到3.22%后逐步下降,404 d檢測到最低值0.21%。在所檢測的259 d中,MRSA/LB的均值為2.04%±1.72%。該值略低于已有研究對山東兩個養雞場檢出具有耐甲氧西林抗性基因的金黃色葡萄球菌比例(4.2%和8.3%)[39]。MRSA/S比值在14%~95%之間,均值為41.99%±26.99%,該比率變化可能受到舍內溫度的影響。在MRSA/S最高比例的第310 d,溫度檢測到最高值為29℃,當378 d溫度為17℃時,檢測到MRSA/S的最低值。S/LB變化趨勢與MRSA/LB相似,在145 d和404 d檢測到最高值與最低值,分別為14.4%和0.66%,均值為4.91%±5.89%。本階段研究結果表明,MRSA/LB和MRSA/S的比值變化可能受到MRSA濃度及舍內溫度的影響。在雞舍環境中雖檢測到金黃色葡萄球菌和MRSA,但二者占總細菌濃度比例較低。而在檢測到的金黃色葡萄球菌中具有耐甲氧西林抗性的細菌平均比例高達41.99%,這一結果與以往研究對廣東地區飼養場、屠宰場、肉類市場3種空氣環境的研究(48.2%)結果相似[40],低于醫院環境中的MRSA檢出率(55.6%和 57.1%)[26,31]。
2.1.2 細顆粒物表面負載MRSA比例
據流行病學研究,長期暴露在細顆粒物(動力學當量直徑小于2.5 μm的顆粒)污染的環境中,可增加人和動物的發病率和死亡率[25]。因此,本研究對PM2.5所負載的MRSA濃度及比例進行計算分析,結果如圖2所示。
由圖2可知,PM2.5負載的MRSA濃度的變化規律與空氣中總的MRSA濃度相似,其濃度范圍在26~441 CFU·m-3之間,均值為(151±170)CFU·m-3。其中,PM2.5負載濃度的最高值與最低值檢出日齡和MRSA濃度臨界值檢出日齡相同,分別在343 d和404 d。PM2.5負載MRSA比例變化范圍11%~75%,均值為38.13%±20.17%,其中在日齡 244、270、343 d和 404 d的負載比例均高于40%,該負載比值說明MRSA濃度變化可能會受到細顆粒物濃度變化影響。
畜禽糞便被認為是養殖環境中抗性細菌存在的重要來源庫,本研究在采集氣溶膠樣品的同時收集相同日齡的糞便樣品,進行涂板計數后計算出相應濃度,并分析雞舍糞便中總細菌、金黃色葡萄球菌及MRSA隨蛋雞日齡增長的濃度及比例變化。結果如圖3所示。
如圖3可知,在蛋雞日齡增加過程中,糞便中細菌濃度雖有小幅度波動,但整體上糞便樣品中總細菌、金黃色葡萄球菌以及MRSA的濃度均隨日齡增加呈現上升趨勢。總細菌濃度的變化范圍在3.1×107~4.1×108CFU·g-1,其最高值及最低值分別在日齡343 d和145 d時檢出,其濃度變化趨勢與空氣中總細菌濃度變化一致,說明糞便可能是雞舍內空氣中細菌主要來源。柳敦江[39]對泰安養雞場舍內金黃色葡萄球菌的研究也得到了相似結論。259 d的檢測結果顯示,糞便中金黃色葡萄球菌濃度變化范圍在1.6×104~2.3×105CFU·g-1,其最高值及最低值分別在404 d和176 d檢出。其中MRSA濃度的最低值和最高值在同一天檢測出,分別為 3×103CFU·g-1和 1.31×105CFU·g-1,其濃度平均值為(3.37×104±4.83×104)CFU·g-1。

圖2 雞舍空氣中PM2.5負載MRSA濃度及比例Figure 2 Concentrations and percentages of MRSA on fine particles(PM2.5)in air of layer house

圖3 雞舍內糞便中MRSA、金黃色葡萄球菌(S)和總細菌(LB)濃度及比值Figure 3 Concentrations and percentages of MRSA,Staphylococcus aureus(S)and total bacteria(LB)in faeces of layers
與MRSA濃度變化相比,MRSA/LB和MRSA/S比值變化趨勢雖波動較大,但二者比例的最高值仍在日齡404 d檢出,分別為4.49%和57.75%。MRSA/LB比例變化范圍為0.11%~4.49%,其中在日齡244、378、404 d所檢測到比值較其他日齡高,該變化趨勢與糞便中MRSA濃度變化相符。S/LB比例變化范圍為3.72%~51.8%,MRSA/S的比例變化范圍在4.375%~57.75%。以上3種比例的均值分別為1.82%±1.81%、13.67%±15.99%、22.11%±20.06%。本研究結果顯示,蛋雞糞便中的MRSA/LB與MRSA/S的比值均低于空氣中所檢測到的相應濃度比值,該結果可能與MRSA的存活率會受到養殖環境中不同介質影響有關。
畜禽養殖環境中細菌氣溶膠濃度可能會受到多種不定因素影響,其中包括溫度、濕度及各粒徑顆粒物濃度。本研究對上述所涉及到的影響因素進行監測,結果如圖4所示。
由于樣品來源于同一家養雞場的兩棟不同日齡雞舍,溫度受采樣時季節變化的影響。由圖4可知,蛋雞日齡在145~270 d之間時,舍內溫度由28℃逐步下降到13℃;在310~404 d之間時,舍內溫度由最高值29℃逐步降到最低值12℃。在采樣期間,溫度的均值為(21.9±6.6)℃。濕度的變化范圍為33%~71%,與溫度變化規律相似,最高值與最低值檢出日齡分別在310 d和404 d,均值為53%±14%。PM1濃度變化范圍為 0.6~18.1 μg·m-3,均值為(6.73±6.19)μg·m-3,最高值與最低值檢出日齡在310 d和404 d,變化規律與溫度相似。PM2.5濃度變化范圍為4.2~36.5 μg·m-3,均值為(16.14±11.59)μg·m-3,臨界值檢出日齡與 PM1相同。整體來看,細顆粒物濃度變化趨勢與溫度和濕度變化趨勢保持一致。PM4濃度變化為9.2~55.6 μg·m-3,均值為(33.6±15.1)μg·m-3。PM7濃度范圍為 20.3~169.3 μg·m-3,均值為(76.9±38.6)μg·m-3。PM10濃度范圍為 54.1~332.6 μg·m-3,均值為(130.2±82.7)μg·m-3。總懸浮顆粒物濃度變化范圍為111.6~919.8 μg·m-3,均值為(292.9±253.5)μg·m-3。其中總懸浮顆粒物與PM10顆粒物濃度均符合我國《畜禽場環境質量標準》。
本研究進一步考察了雞日齡、溫度和各粒徑顆粒物濃度對雞舍內總細菌、金黃色葡萄球菌以及MRSA的影響相關性。分析結果如表2所示。
由表2可知,空氣中總細菌濃度與糞樣中總細菌濃度呈顯著正相關(P<0.01),而糞樣中總細菌濃度與雞日齡呈顯著正相關(P<0.01)。因此,空氣中總細菌濃度隨日齡變化呈現上升趨勢,同時說明糞便可能是空氣中生物氣溶膠的主要來源。空氣中MRSA濃度與溫度(P<0.01)、PM1濃度(P<0.05)、金黃色萄葡球菌濃度(P<0.01)呈顯著正相關,其中PM1濃度與溫度(P<0.05)、PM2.5濃度(P<0.01)呈顯著正相關。該相關性結果表明,溫度的變化會引起細顆粒物濃度的變化,從而引起所負載的MRSA濃度變化,導致空氣中MRSA、金黃色萄葡球菌隨蛋雞日齡變化過程中所呈現的濃度變化與采樣時溫度變化相一致。值得注意的是,上述結果未發現空氣中MRSA與糞便中MRSA的顯著相關性,這可能和雞場所處地理環境和養殖管理方式有關,也可能由于MRSA除了分布在糞便中還可存在于雞的羽毛、皮膚和呼吸道中。空氣中MRSA/LB比值與空氣中MRSA濃度(P<0.05)呈顯著正相關,而S/LB與MRSA/LB(P<0.05)呈顯著正相關,二者比值變化趨勢與MRSA濃度變化相類似。糞樣中MRSA濃度變化與溫度(P<0.05)為顯著負相關,糞樣中MRSA/LB與MRSA(P<0.05)為顯著正相關。這可能是因為溫度升高,加速糞便中MRSA逸散,空氣中MRSA濃度相應升高。這導致了糞樣中MRSA和MRSA/LB、MRSA/S比值有異于空氣中相應變化。

圖4 雞舍內溫度、濕度和顆粒物Figure 4 Temperature,humidity and concentration of particles in air of layer house

表2 雞舍空氣中MRSA影響因素Spearman相關性分析Table 2 Spearman correlation analysis of factors influencing methicillin-resistant staphylococcus aureus(MRSA)in air of layer house
本研究根據上述相關性分析結果作出初步回歸分析,以此得到影響因素與MRSA、金黃色萄葡球菌和總細菌之間的量化關系。分析結果如表3所示。
由表3可知,當環境中其他變量保持穩定時,雞舍內溫度每升高1℃,空氣中MRSA濃度平均升高49 CFU·m-3(R2=0.53)。同樣條件下,日齡每增加1 d,空氣中總細菌濃度平均升高110 CFU·m-3(R2=0.63);糞樣中總細菌濃度平均升高1.27×106CFU·m-3(R2=0.71),MRSA 濃度平均升高 434 CFU·m-3(R2=0.53),金黃色葡萄球菌濃度平均升高899 CFU·m-3(R2=0.94)。其中,糞樣總細菌濃度每升高1 CFU·m-3,空氣中總細菌濃度上升8.07×10-5CFU·m-3(R2=0.77)。
本研究對蛋雞場空氣和糞便中MRSA、金黃色葡萄球菌和總細菌的濃度進行檢測。實驗結果表明,當蛋雞在145~404 d日齡之間時,其舍內空氣中總細菌、糞便中總細菌、MRSA和金黃色葡萄球菌濃度與日齡存在顯著正相關。雞舍空氣中MRSA濃度隨蛋雞日齡增加而增加,與雞舍內溫度和細顆粒物呈顯著正相關。整體上,MRSA/S較S/LB和MRSA/LB比值高,且空氣中的MRSA/S比值略高于糞便中相應比值。本研究結果將為養雞場空氣中MRSA對工人以及對環境和居民的危害評估提供基礎數據。

表3 雞舍空氣中MRSA影響因素回歸分析Table 3 Regression analysis of factors influencing MRSA in air of layer house
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