芥菜绿肥生物熏蒸对土壤微宇宙中肠道沙门氏菌纽波特血清型存活影响的品种特异性效应

《Journal of Food Protection》：Cultivar-Specific Effects of Mustard Green Biofumigation on Salmonella enterica Newport Survival in Soil Microcosms

　　

摘要 十字花科覆盖作物被广泛用于改善土壤健康并提供多种农艺效益。利用油籽芥菜（Brassica juncea）作为生物熏蒸剂抑制土传病虫害的研究已较为充分，但关于其对农业土壤中食源性病原菌影响的数据仍然缺乏。本研究在土壤微宇宙中评估了八个芥菜品种对肠道沙门氏菌（Salmonella enterica）存活影响的品种特异性效应。八个品种在获得认证的有机农田中种植，于花期收获、切碎，并掺入接种了利福平抗性肠道沙门氏菌纽波特血清型J1892（初始浓度约为8 log CFU/g）的土壤中。研究为每个品种设立了微宇宙，同时设置未添加改良剂的对照组，并在第0、1、4和7天对菌群进行计数。所有处理（包括对照组）中，沙门氏菌种群从第0天到第1天均有所增加（p < 0.05）。在7天采样期内，未处理土壤表现出最高的减少量（1.56 log CFU/g），而添加芥菜的土壤减少量较小（≤ 0.72 log CFU/g）。未处理土壤中沙门氏菌的消亡速率更高（0.57 log CFU/g/天），而掺入芥菜植株的土壤表现出相当或更低的消亡速率（0.18–0.40 log CFU/g/天）。本研究结果表明，芥菜生物熏蒸可能无法在短期内可靠抑制农业土壤中的沙门氏菌。

芥菜绿肥生物熏蒸对土壤中肠道沙门氏菌存活的影响：品种特异性效应的微宇宙研究解读

一、研究背景与意义

过去二十年间，美国有机农业经历了显著增长，认证有机农田面积从2000年的180万英亩增加到2021年的约490万英亩。美国农业部国家有机计划限制大多数合成肥料的使用，有机生产者依赖耕作措施维持土壤肥力和作物产量，同时要求这些措施尽量减少土壤侵蚀并改善土壤物理、化学和生物性质。覆盖种植是生产者在生长季之间广泛采用的一种做法，用以增加土壤有机质、减少养分淋溶和径流。十字花科覆盖作物如芥菜、西兰花、芜菁和萝卜因其生物熏蒸特性而广为人知。芥菜含有多种具有抗菌活性的生物活性植物化学物质，包括硫代葡萄糖苷和酚类化合物。当芥菜植物组织被破碎并掺入土壤时，硫代葡萄糖苷被黑芥子酶水解成具有生物活性的降解产物，如异硫氰酸酯，已被证明可抑制某些土传病虫害。

然而，关于利用生物熏蒸覆盖作物减少土壤中食源性病原菌的研究十分有限。当使用未腐熟或堆肥不当的粪肥、受污染的灌溉水或野生动物侵入时，农业土壤可能受到肠道沙门氏菌和大肠杆菌等病原菌的污染。这些病原菌一旦进入土壤，可长期存活，通常超过100天，对根菜类或与土壤密切接触的农产品构成食品安全风险。此前一项实验室研究报告称，将切碎的芥菜组织掺入土壤可显著减少通用大肠杆菌种群，但该研究使用了无菌土壤和温室种植的植株，仅评估了Kodiak一个品种，结果可能因田间种植的其他品种在生物量和硫代葡萄糖苷含量上的差异而有所不同。

本研究的目的是评估八个芥菜品种对农业土壤中肠道沙门氏菌存活的品种介导效应，为芥菜品种的生物熏蒸活性及其作为收获前策略改善农产品安全提供信息。

二、研究设计与方法

研究人员在佐治亚大学园艺研究农场认证有机农田种植了八个Brassica juncea品种，于花期收获全株并切碎。实验室试验使用未灭菌但经筛选的田间土壤，将芥菜生物质按各品种实测生物量计算的掺入率混入接种了利福平抗性肠道沙门氏菌纽波特J1892的土壤中，在20±3°C和70%相对湿度的环境 chamber 中培养，于第0、1、4、7天采样计数。统计上使用方差分析和Tukey HSD检验，并对消亡期数据拟合线性模型估算消亡速率。

三、研究结果

沙门氏菌在芥菜掺入后的存活情况。 所有处理中沙门氏菌种群从第0天到第1天均增加，达到峰值后在第4天和第7天下降。第7天时，对照土壤中沙门氏菌种群显著低于所有添加芥菜的土壤。对照处理在7天内平均减少量最高（1.56 log CFU/g），而芥菜处理减少量均不超过0.72 log CFU/g，Nemat Caliente Rojo品种甚至出现净增长。

沙门氏菌种群动态。 所有处理均表现出从第0天到第1天的初始增长期，随后进入第1天至第7天的消亡期。增长幅度因品种而异，Trifecta、Nemat Caliente Rojo和Nemat Caliente 199增幅最大，Caliente Rojo和Pacific Gold增幅最小。消亡期线性模型显示，对照土壤的消亡速率（0.57 log CFU/g/天）显著高于多数芥菜处理，芥菜处理的消亡速率为0.18–0.40 log CFU/g/天。

四、讨论与结论

研究表明，将整株芥菜掺入土壤并未比未改良土壤提供更明显的沙门氏菌抑制优势，尽管各品种间种群动态存在差异。生物熏蒸效果受生物量产量、硫代葡萄糖苷浓度和土壤理化性质等多种因素影响。异硫氰酸酯在土壤中的实际回收量往往低于理论产量，且其生物利用度和抗菌活性受温度、土壤湿度和氧气等环境条件影响。研究在20°C下进行，可能降低了生物活性异硫氰酸酯的有效性或活性。此外，Nemat品种含有25%芝麻菜种子，其产生异硫氰酸酯的硫代葡萄糖苷浓度通常较低，可能进一步降低了掺入土壤的总硫代葡萄糖苷负荷。

沙门氏菌在芥菜处理和未处理土壤中的消亡符合农业土壤中细菌自然消亡的规律。未改良土壤表现出最高的减少量，表明观察到的沙门氏菌减少不能仅归因于芥菜改良剂的抗菌效应。与Zhao等人（2023）在无菌土壤、温室植株和1:1植株-土壤比例条件下观察到的大肠杆菌抑制效果相比，本研究使用田间种植植株、未灭菌土壤和基于实测田间生物量计算的掺入率，实验条件的差异可能解释了两项研究结果的不同。

所有处理中沙门氏菌种群的初始增长可能源于土壤固有性质和有机质含量，土壤有机质和易利用碳是细菌增殖的已知驱动因素。芥菜改良土壤中沙门氏菌消亡速率较慢，可能与覆盖作物残体分解过程中保持土壤水分、创造湿润且营养丰富的环境有关，这与有机改良剂可延长病原菌存活的研究一致。

研究结论为：所有八个芥菜品种在掺入后均表现出肠道沙门氏菌种群的初始增加，随后在第7天前下降。然而，与未改良土壤相比，没有任何芥菜改良土壤增强了沙门氏菌的减少效果。芥菜掺入土壤中沙门氏菌种群减少量小于1 log CFU/g，而未改良土壤减少了1.56 log CFU/g。鉴于预测沙门氏菌在土壤中存活的复杂性，需要更多田间研究来评估更可变条件下的病原菌存活情况。此外，需要进一步表征品种特异性硫代葡萄糖苷谱并量化芥菜掺入后土壤中的异硫氰酸酯产量，以增进对其在沙门氏菌抑制中作用的理解。总体而言，尽管十字花科覆盖作物提供了重要的农艺效益并以其生物熏蒸潜力著称，但在本研究所评估的条件下，单独掺入芥菜并未为减少农业土壤中的沙门氏菌提供明确的短期食品安全效益。