重复使用或新塑料地膜对大肠杆菌存活率及其在番茄和甜椒果实中的传播的影响

《Frontiers in Sustainable Food Systems》：Impact of reused or new plastic mulch on survival of Escherichia coli and transfer to tomato and bell pepper fruit

塑料地膜重复使用对食源性病原体存活及传递的影响研究。通过E. coli GFP作为指示菌，比较单用与重复使用地膜在遮荫与光照条件下24小时内细菌存活率（重复地膜存活率显著低于新地膜，4小时达3.5个对数单位差异），以及通过落果（30-120cm高度）和垂挂接触（1/24小时）对番茄、辣椒的转移率（重复地膜转移率0.01-0.03%，新地膜最高1.87%）。证实重复地膜可降低细菌存活与传递风险，为可持续农业提供食品安全依据。

　　
### 研究背景与目的
生鲜果蔬如番茄和甜椒因直接食用而需重点关注预收获阶段的安全问题。常见的污染途径包括灌溉水、野生动物粪便、雨水径流或土壤接触等。塑料地膜作为现代农业的重要工具，具有控温、保水、抑草等优势，但其一次性使用的做法存在资源浪费问题。美国东南部地区普遍采用地膜双季种植（double-cropping）以提升经济性和可持续性，但此举可能因地膜表面微生物积累或残留而增加食品安全风险。本研究以非致病性大肠杆菌TVS 353 GFP为替代模型，模拟沙门氏菌或产毒素大肠杆菌的存活与转移过程，评估新旧地膜在自然环境中对细菌的影响，旨在为法规制定和可持续农业实践提供依据。

### 实验设计与方法
研究于2023年8月至11月在佐治亚大学沃克瑟维尔的试验田中进行。实验设置包括两套地膜处理（新地膜与重复使用地膜）和两处接种位置（遮阴区与外露区），覆盖番茄和甜椒两种作物。重复使用地膜需经过清洗、涂白处理（稀释涂料与水1:10）以降低土壤温度和紫外线吸收。细菌接种量为10? CFU/64 cm2，分别于1、4、8、24小时后取样检测。转移实验通过人工坠落（高度30-120 cm）和垂挂接触（1-24小时）模拟果实与地膜的直接接触，并量化细菌转移率。

### 关键研究结果
#### 1. 细菌在塑料地膜上的存活动态
- **时间效应**：所有地膜处理中，细菌在24小时内存活量下降超过3.5个对数循环。新地膜在遮阴区（NC）的存活时间显著长于外露区（NE），可能与遮阴区温度较低（平均23°C vs 35°C）和紫外线辐射较弱有关。
- **地膜类型差异**：4小时后，新地膜（NE）和外露区（RE）的细菌存活量显著高于重复使用地膜（RC和RE）。推测重复使用地膜因表面粗糙度和微生物群落丰富度，可能形成竞争性环境，抑制接种菌的存活。
- **环境因素影响**：紫外线（UV-AB）强度和地表温度是主要衰减因素。例如，外露区RE在4小时后地表温度达50°C，UV-AB强度超2 mW/cm2，导致细菌快速失活；而遮阴区NC因低温（23°C以下）和弱紫外线，细菌存活时间延长。

#### 2. 细菌从地膜到果蔬的转移率
- **坠落接触**：番茄和甜椒的转移率均低于2%（0.02-1.87%），且无显著差异。甜椒在新地膜上的转移率（30 cm高度1.87%）显著高于重复使用地膜（0.21%），可能与新地膜表面光滑、吸附力较弱有关。
- **垂挂接触**：无论接触时长（1小时或24小时），转移率均稳定在0.01-0.03%，且地膜新旧无显著差异。此结果与人工模拟接触时间短（1-2秒）和干燥预处理有关，抑制了细菌的主动转移。
- **作物差异**：番茄的转移率普遍低于甜椒，可能与果实表面结构（如番茄表皮蜡质层）或接触面积差异有关。

#### 3. 环境参数的协同作用
- **温度与紫外线**：高温度（>35°C）和紫外线辐射加速细菌失活，但重复使用地膜因表面微孔和生物膜形成，可能缓冲极端环境的影响。
- **湿度波动**：试验期间湿度波动较大（白天<30%，夜间>50%），但未观察到湿度对转移率的显著影响，可能与细菌快速失活有关。

### 讨论与意义
#### 1. 重复使用地膜的潜在优势
研究显示，重复使用地膜在抑制细菌存活和转移方面更具优势。可能机制包括：
- **表面特性**：老化地膜因物理磨损形成粗糙表面，促进生物膜形成，降低细菌与果蔬的直接接触概率。
- **微生物竞争**：长期使用导致地膜表面微生物多样性增加，可能抑制目标菌的定植。
- **预处理差异**：新地膜未经历老化或生物膜覆盖，其光滑表面可能更易吸附细菌，导致初期存活率较高。

#### 2. 法规与农业实践的启示
- **风险可控性**：尽管新地膜在初期细菌存活率较高，但24小时内所有处理均显著下降，表明预收获阶段的风险可通过短期管理（如及时收割、清洁）缓解。
- **循环地膜的安全性**：研究结果支持重复使用地膜在预收获阶段的安全性，但需进一步研究长期循环（如三季以上）可能引发的微生物适应性变化。
- **环境管理建议**：在高温、强紫外线时段（如上午10点至下午2点）减少果蔬与地膜的直接接触，或通过遮阳网、滴灌系统调节局部微环境。

#### 3. 研究局限性及未来方向
- **时间范围限制**：仅追踪24小时内的细菌动态，而实际预收获阶段可能长达数周，需研究长期暴露下的衰减规律。
- **表面微观结构分析缺失**：未量化地膜表面粗糙度、孔隙率等参数对细菌转移的影响，未来可结合显微成像技术探究。
- **作物特异性研究不足**：仅对比番茄和甜椒，需扩大样本范围至更多果蔬类型（如叶菜、浆果类）。
- **环境变量控制**：试验期间未降雨，但需模拟极端天气（如暴雨、高湿度）对转移率的影响。

### 结论
本研究表明，在佐治亚州秋季气候条件下，重复使用地膜对大肠杆菌的存活和转移抑制效果优于新地膜，尤其在遮阴区域。尽管新地膜初期细菌存活率较高，但24小时内所有处理均显著下降，且向果蔬的转移率均低于2%。这些发现为推广循环地膜提供了食品安全层面的依据，但也需关注长期使用可能导致的微生物群落变化。未来研究应结合多环境参数、作物类型和长期循环周期，以完善风险评估模型。

### 总结
塑料地膜循环利用在农业可持续发展中具有重要地位，但需平衡经济性与食品安全风险。本实验通过模拟实际生产条件，证实重复使用地膜在短期内的细菌控制效果更优，为制定预收获阶段的残留标准提供了实验数据。同时，环境因素（温度、紫外线）与地膜物理特性（表面粗糙度、生物膜）的交互作用，提示未来需从多学科角度（材料科学、微生物学、环境工程）深化研究，以支持更精准的农业政策和法规设计。