基于随机森林模型的畜禽场邻近区域总大肠菌群与E. coli生物气溶胶扩散环境驱动因子研究

《Science of The Total Environment》：Environmental drivers of total coliform and E. coli bioaerosol dispersal near cattle and poultry operations

　　

研究人员采用主动空气采样与随机森林（Random Forest, RF）建模相结合的方法，探讨美国东南部牛场和家禽场附近总大肠菌群与大肠杆菌（E. coli）生物气溶胶的空间扩散及其环境驱动因素。研究重点分析了缓冲区距离、采样高度和气象条件（包括实时和24小时滞后变量）对生物气溶胶浓度的影响。结果显示，总大肠菌群和E. coli浓度随缓冲区距离增大而总体下降，家禽场源处（0 m）浓度最高；牛场模型中，24小时滞后气温和相对湿度是最重要的预测因子，而家禽场模型中，缓冲区距离和实时气象条件最为关键。随机森林模型对牛场生物气溶胶浓度的预测决定系数（R²）为0.87–0.98，对家禽场为0.56–0.69；采样高度引起的预测浓度差异不超过0.02 log₁₀ CFU/m³。研究表明，在新鲜农产品生产规划中，应综合评估与邻近畜禽养殖场的距离及当地气象条件，以科学设定缓冲区。

近年来，产志贺毒素大肠杆菌（Shiga-toxigenic E. coli, STEC）和沙门氏菌（Salmonella）等病原体多次通过新鲜农产品引发食源性疾病暴发，而邻近土地上的畜禽养殖被指认为潜在污染源。然而，病原体通过尘埃和生物气溶胶从动物养殖场传播至周边农田的风险仍未得到充分量化。美国加利福尼亚州和亚利桑那州的绿叶菜营销协议（CA LGMA和AZ LGMA）已要求将养殖场与农田的缓冲距离分别增加至1609 m和2414 m，但现有数据仍不足以支撑科学决策。为此，研究人员在美国东南部（佛罗里达、佐治亚和亚拉巴马州）选取了4个牛场（含奶牛场和肉牛育肥场，饲养规模900–5000头）和5个家禽场（含4–8栋鸡舍，每栋约30,000只肉鸡），开展了一项系统性的生物气溶胶监测研究，旨在量化缓冲区距离、采样高度和气象条件对总大肠菌群和E. coli生物气溶胶浓度的影响。该研究成果发表于《Science of The Total Environment》。

在方法上，研究人员采用Anderson两级撞击器（Anderson 2-stage impactor）在距污染源0、50、100、400、1000 m处以及0.5、2、5 m三个高度进行主动空气采样，每个样品采集空气283 L，流量为28.3 L/min。采样同时记录实时气象数据（温度、相对湿度、风速、阵风、风向等）和采样前24小时的滞后气象数据。针对气象变量之间可能存在的非线性和相关性，研究人员采用随机森林（Random Forest, RF）算法建立预测模型，以决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）评估模型性能，并通过置换重要性（permutation importance）和部分依赖图（partial dependence plots, PDPs）识别关键预测因子。样本来自牛场（N=4，共19次访问）和家禽场（N=5，共11次访问），数据集按80%/20%划分为训练集和测试集。

**3.1 总大肠菌群和E. coli生物气溶胶浓度**
牛场附近E. coli浓度很低，多数样本接近检出限（0.539 log₁₀ CFU/m³），总大肠菌群浓度随距离增大仅略有下降；家禽场0 m处总大肠菌群和E. coli中位数浓度最高（约2.3–2.4 log₁₀ CFU/m³），并随距离增大显著下降，但至1000 m处仍可检出总大肠菌群。

**3.2 随机森林模型：牛场**
对总大肠菌群而言，最重要的预测变量是采样前一天的平均温度、最低温度和最高温度（置换重要性0.18–0.19），其次是24小时滞后的相对湿度；对E. coli也呈现类似模式。部分依赖图显示，预测的牛场生物气溶胶回收率在凉爽至中等温度（如T1_avg约10–13°C）下较高，而在较高温度下下降；当24小时滞后最大相对湿度超过约90%时，回收率增加。

**3.3 随机森林模型：家禽场**
缓冲区距离是最重要的预测变量（总大肠菌群PI=0.17，E. coli PI=0.19），其次是采样期间实时温度、风速、相对湿度和阵风。预测的家禽场生物气溶胶回收率在中等温度（约24–29°C）和中等相对湿度（约65–75%）下较高，当风速或阵风超过约1.5和2 km/h时，回收率增加。模型性能上，牛场模型R²为0.87–0.98，RMSE为0.09–0.25 log₁₀ CFU/m³；家禽场模型R²为0.56–0.69，RMSE为0.42–0.47 log₁₀ CFU/m³。采样高度对预测浓度的影响不超过0.02 log₁₀ CFU/m³。

讨论部分指出，牛场与家禽场之间的预测因子差异可能源于通风方式的不同：家禽舍采用机械通风，排风扇产生集中且方向性更强的生物气溶胶羽流，因此缓冲区距离成为首要因子；而牛场为开放式或半封闭式，扩散更均匀，24小时滞后天气条件通过影响粪便/土壤库中的微生物载量而间接影响回收率。E. coli在空气中的存活时间较短（平均约30分钟），这解释了回收率在50 m以后急剧下降的原因。相对湿度的影响在不同养殖系统中呈现相反趋势，提示应在当地背景下制定缓冲策略。研究还强调，采样高度影响很小，意味着不同冠层高度的作物暴露风险相似，因此缓冲距离的设定应不依赖于作物类型。局限性包括未纳入降水变量、采样次数有限，且指示菌为总大肠菌群和通用E. coli，未包括STEC或沙门氏菌等病原体，未来可结合全基因组测序进行溯源。

结论部分，该研究通过主动空气采样结合随机森林模型，识别出缓冲区距离和气象条件（温度、风速、相对湿度）是畜禽场附近空气中E. coli和总大肠菌群出现的关键驱动因素，且牛场与家禽场具有不同的预测因子结构：牛场以24小时滞后温度和相对湿度为主，家禽场以缓冲区距离和实时天气为主。这些发现表明，种植者在田间管理决策中应同时考虑与邻近养殖场的距离以及当地气象条件，而不仅仅依赖距离。增加缓冲距离并结合场地特定风险评估，有助于降低新鲜农产品受到生物气溶胶污染的风险。未来在更多地理区域和生产系统中扩展指示菌监测数据，将有助于制定更完善的缓冲区建议。