长期施用未处理奶牛粪肥对农业土壤微生物组及产志贺毒素大肠杆菌（STEC）持续性的影响

这篇研究通过宏基因组测序技术，揭示了未处理奶牛粪肥（BSAAO）施用对土壤微生物组及产志贺毒素大肠杆菌（STEC）的长期影响。研究发现粪肥施用后4周内STEC检出率显著升高，且其存在与土壤阳离子交换能力（CEC）、钙镁含量等理化性质显著相关。研究为粪肥安全施用间隔期（90-120天）提供了科学依据，同时指出非粪肥来源的STEC污染风险需持续关注。

　　

长期施用未处理奶牛粪肥对土壤微生物组及STEC的影响

研究背景

产志贺毒素大肠杆菌（STEC）是引发食源性疾病的重要病原体，常通过受污染的农产品传播。未处理的奶牛粪肥（BSAAO）虽能改善土壤肥力，但可能引入STEC等病原体。本研究通过宏基因组技术，系统分析了俄亥俄州两个农场（一个施用粪肥，一个未施用）的土壤微生物组动态变化，追踪STEC及其相关基因的持续性。

研究方法

研究历时两年，采集了102份粪肥处理土壤（B场）和48份对照土壤（N场）样本。通过宏基因组测序分析：

1. 检测志贺毒素基因（stx1/stx2）及其他毒力因子（eae、ehxA等）

2. 评估大肠杆菌O血清型多样性

3. 结合土壤理化性质（pH、有机碳氮、阳离子交换能力等）进行相关性分析

关键发现

粪肥施用后的短期影响

• 所有粪肥样本均检出stx基因，证实其作为STEC自然储存库的风险

• 粪肥施用后4周内，B场土壤STEC检出率高达94.4%，且大肠杆菌O血清型多样性显著增加（较基线提升3.7倍）

• 土壤含水量在施用后70天内持续高于对照场（P<0.05），与STEC存在显著正相关（r_rb=0.76）

长期环境行为

• 粪肥引入的STEC在6周后基本消失，符合FDA推荐的90-120天安全间隔期

• 但两场土壤全年均零星检出STEC（B场9.5%，N场8.3%），提示存在其他污染途径

• STEC阳性土壤具有显著特征：低钙（978 vs 1,162 ppm）、低镁（140 vs 161 ppm）和低CEC（3.2 vs 4.21 meq/100g）

微生物组动态

• 粪肥显著增加土壤中假单胞菌（Pseudomonas caeni）的相对丰度（最高达64%）

• STEC存在与微生物组α多样性小幅增加相关（Shannon指数5.29 vs 5.23）

• 季节变化对微生物组的影响大于粪肥处理，冬季样本跨年聚类显著（PERMANOVA, P=0.0001）

创新性结论

1. 首次发现STEC检出与高大肠杆菌O血清型多样性显著相关（阳性样本中位数77种，阴性仅19种）

2. 鉴定出35种与STEC共现的O血清型，其中O101在土壤中持续存在，可能成为指示菌

3. 非STEC毒力基因（如ETEC热不稳定毒素基因）在粪肥处理土壤中富集，提示多重病原风险

实践意义

研究为小规模农场粪肥安全管理提供数据支持：

• 验证了现行120天安全间隔期的科学性

• 指出需关注钙/镁缺乏土壤中STEC的潜在存活优势

• 强调全年监测的必要性，尤其夏季收获期eae基因检出率异常升高（P<0.0001）

未解之谜

• 非粪肥来源STEC的传播途径尚不明确

• 特定土壤微生物（如黄单胞菌科）与STEC的拮抗关系需进一步验证

• 跨年数据揭示微生物组年际变异可能影响病原体存活预测

这项研究通过多维度分析，为理解农业环境中STEC的生态学提供了新视角，同时凸显了土壤健康管理与食品安全之间的复杂关联。