无土栽培生菜生产中沙门氏菌与单增李斯特菌在无土基质中的差异性持久存活

《Food Microbiology》：Differential Persistence of Salmonella spp. and Listeria monocytogenes in Soilless Substrates for Hydroponic Lettuce Production

　　

摘要：无土栽培基质在水培生菜系统中可能对人类病原体的存活产生差异影响。本研究评估了在14天的室内水培生菜生产系统中，有植株和无植株条件下，不同无土基质对沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌存活的影响。第0天，将岩棉（RW）、低密度泡沫（LDF）、泥炭藓（PM）和椰糠（CC）基质置于底部灌溉营养液中，并以约6 log菌落形成单位（CFU）/毫升的初始浓度接种沙门氏菌或单核细胞增生李斯特菌混合菌液。处理包括有植株和无植株基质，采用因子随机完全区组设计，设3个生物学重复。在第0、3、5、7、10和14天采集样本。样本经处理后，在选择性培养基上进行细菌计数。采用负二项分布的广义线性混合模型评估种植状态、基质类型、细菌类型及其交互作用的影响，并以营养液温度、pH和电导率为协变量。细菌浓度（log10 CFU/基质）随时间显著降低（p < 0.001）。基质类型对病原菌有显著影响，椰糠中的浓度明显高于其他基质类型（p < 0.001）。单核细胞增生李斯特菌和沙门氏菌也表现出不同的存活模式（p < 0.001）。基质类型与细菌类型之间、基质类型与种植状态之间存在显著交互作用（p < 0.001），表明在受控的室内水培生菜生产条件下，不同基质中病原体的存活动态存在差异。

引言：联合国粮农组织（FAO）预计，到2050年，人均耕地面积将降至1970年水平的三分之一，表明全球食品供应可能面临危机（Benke & Tomkins, 2017）。随着气候变化、干旱土地扩张、淡水资源减少和人口快速增长等因素对传统农业的制约日益加剧，这一趋势可能进一步持续（Fedoroff, 2015; Ranganathan等, 2018）。可控环境农业（CEA）涵盖了一系列有前景的技术，通过在温室、仓库及其他封闭环境中调节光照、温度、湿度、营养和水份，优化植物生长（Gómez等, 2019; Hamilton等, 2023）。水培系统是CEA的一部分，常用于无土种植叶菜、微型蔬菜和香草。这些方法包括基于基质的滴灌、深液流水培或营养膜技术，用于施用富含营养的水溶液（Al Shrouf, 2017; Rajaseger等, 2023; Resh, 2013）。此外，这种无土技术可在受控环境中实现全年生产，其用水量和土地使用量比土壤农业少几个数量级。它还可减少在土壤贫瘠或极端温度地区对农药和耕地的需求（Lages Barbosa等, 2015; Rajendran等, 2024; Sathyanarayana等, 2022）。此外，水培生产有望增加新鲜农产品的本地供应，通过在靠近城市中心的位置生产来减少"食物里程"，为应对预计到2050年将达到近100亿人口的食品需求提供可扩展的解决方案（Benke & Tomkins, 2017; Kozai, 2018; Ranganathan等, 2018）。在美国，CEA运营机构数量从2009年的1,476个翻倍增至2019年的2,994个，CEA作物产量增长了56%，从5.02亿磅增至7.86亿磅（约227万至356万公斤），表明CEA生产系统持续扩展（Dohlman等, 2024）。然而，严格的环境控制也存在权衡，如高昂的资本和能源需求，以及需要严格的微生物和营养液管理来避免循环水中的病原体（包括人类和植物病原体）污染。水培CEA的可持续性和安全性因此依赖于系统设计、能源来源和严格的卫生措施（Lages Barbosa等, 2015; Hamilton等, 2023; Martinez, 2024）。

无土栽培中的基质起到固定根系、调节水分、养分和空气流动的作用。这意味着更好的空间利用（容器化生产）、更精确的肥料和pH控制、更低的用水量、更快的作物周期、更高的产量以及更少的土壤病虫害影响（Atzori, 2021; Fussy & Papenbrock, 2022; Gebreegziher, 2023; Grunert等, 2016; Michelon等, 2020）。在水培栽培中，有机和无机材料如泥炭、岩棉、珍珠岩和椰糠常被使用（Gebreegziher, 2023; Gruda等, 2019）。这些基质的化学和物理特性直接影响养分可用性和微生物活性（表1）。因此，它们被视为增强水培系统食品安全的潜在控制点（Dankwa等, 2020; Maucieri等, 2019）。

历史上，水培和其他无土系统被认为比田间生产风险较低；然而，近期综述表明，人类病原体可以轻易污染并在这些系统中存活（Cheruiyot & Mechesso, 2025; Kilonzo Nthenge等, 2025）。已有报道指出，沙门氏菌属、单核细胞增生李斯特菌和产志贺毒素大肠杆菌O157:H7（STEC）等病原体存在于水培种植的叶菜中（Cheruiyot & Mechesso, 2025）。这令人担忧，因为这些产品通常不经杀菌处理即可食用。未经处理的灌溉水、种子和移栽苗、循环营养液、接触表面和生物膜以及人员卫生是主要污染途径，这些途径与传统生产相比共同构成了独特的风险特征（Kilonzo Nthenge等, 2025; Sirsat & Neal, 2013; Topalcengiz等, 2024; Viviers等, 2024）。近期的系统性和叙述性研究强调了适合水培的农业实践的重要性、水和营养液的监测，以及卫生消毒和干预措施的验证（Kilonzo Nthenge等, 2025; Cheruiyot & Mechesso, 2025）。

水培系统通常连续运行，并且最常使用循环营养液。这些系统在病原体引入后可成为病原体的储存库和传播系统（Dhulappanavar & Gibson, 2023; Kilonzo Nthenge等, 2025; Cheruiyot & Mechesso, 2025）。研究表明，沙门氏菌、单核细胞增生李斯特菌和STEC可在营养液中长时间存在，定殖于根系和地上部，并在系统表面形成生物膜，使其在作物轮作周期之间难以清除（Cheruiyot & Mechesso, 2025; Dhulappanavar等, 2026; Sirsat & Neal, 2013）。使用沙门氏菌Javiana、李氏杆菌属无害李氏菌和单核细胞增生李斯特菌的研究表明，细菌可在21天的生菜生长周期中存活，且营养液温度对下降速率有显著影响，表明循环水可能在整个生产过程中始终是可行的传播途径（Dhulappanavar & Gibson, 2023）。这些结果以及关于循环营养液中生物膜形成和控制的新数据（Rodrigues等, 2022）揭示了系统设计、营养液管理和卫生消毒频率作为病原体存活关键决定因素的重要性，这些需要在水培食品安全管理计划中明确考虑（Kilonzo Nthenge等, 2025）。

水培系统常用于叶菜生产，因此是同行评审文献的关注焦点，但关于无土基质的专门研究及其对食品安全影响的研究仍存在空白。尽管已有许多研究评估了不同基质（如泥炭、椰糠、岩棉和珍珠岩）对促进植物生长的整体有效性，但很少有研究关注这些基质对食品安全风险的微生物学影响。关于不同基质在水培散叶生菜生产中对沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌等病原体产生定殖或减少作用的研究极为稀少。因此，本研究旨在填补这些空白，评估在14天室内水培生菜生产系统中，有植株和无植株条件下不同无土基质对沙门氏菌和单核细胞增生李斯特菌存活的影响。

研究设置部分：系统设置与营养液配制——本研究评估了四种无土基质：岩棉（RW）（2.5 × 2.5 × 4 cm，长×宽×深；A0育苗块200个；荷兰鹿特丹Grodan Rockwool BV公司）、低密度泡沫（LDF）（3.3 × 2.54 × 3.81 cm，长×宽×深；104 CT；美国俄亥俄州肯特市OASIS? AeroSelect?育苗块片材）、加拿大泥炭藓（PM）（加拿大魁北克Rivière-Quelle，Lambert Peat Moss INC公司）和椰糠（CC）（美国康涅狄格州克罗姆韦尔，Fiberdust LLC公司）。由于其坚实、内聚的结构，岩棉和低密度泡沫直接放置——

结果：广义线性混合模型（GLMM）显示，基质类型、细菌类型和种植状态对无土基质中病原体存活的显著主效应（三因素均P < 0.001），而营养液pH、电导率和温度为非显著协变量（P分别为0.264、0.781和0.441）。基质类型与细菌类型之间存在显著双向交互作用；基质类型与种植状态之间也存在显著交互作用（P分别为0.001和0.040）。三因素交互作用——

讨论：水培种植的叶菜已被报道与沙门氏菌属和单核细胞增生李斯特菌等肠道病原体相关的召回和暴发事件有关（McClure等, 2023; Topalcengiz等, 2024）。水培产品的微生物食品安全风险已在多项研究和综述中得到进一步描述（Dankwa等, 2020; Hamilton等, 2023; Ivey等, 2025; Sela Saldinger等, 2023; Topalcengiz等, 2024）。然而，目前仍缺乏研究——

结论：本研究结果表明，在水培基质的选择中存在农业生产力与微生物食品安全之间的基本权衡。岩棉和低密度泡沫等惰性基质可最大化作物生物量和发芽率。其高度多孔的无菌特性有利于肠道病原体（如沙门氏菌）的长期存活和系统性淋溶。然而，泥炭藓等有机基质天然具有抑制病原体的能力（Deng等, 2021; Misra & Gibson, 2020），但——

CRediT作者贡献声明：Kristen E. Gibson：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Rupesh Kariyat：写作——审阅与编辑，资源，资金获取。Ryan W. Dickson：写作——审阅与编辑，资源，资金获取，概念化。Eric Nuertey Tetteh：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理。

未引用参考文献：Atzori等, 2021; Hamilton等, 2023; Kozai, 2019; Ranganathan等, 2016。

利益冲突声明：作者无声明事项。

资助来源：本工作由美国农业部国家食品与农业研究所（NIFA）资助，项目编号2024-68008-42637。

利益冲突声明：? 作者声明没有已知的可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢：我们感谢Gayatri Rajashekhar Dhulappanavar博士、Sahaana Chandran博士、Hanyi Shi博士、Md Ashrafudoulla博士、Francis Torko、Birata Mainali、Stephanie Cruz和Charles Whitten在我们研究工作中的及时协助。我们感谢包括Jackson Ball、Meagan Moseley、Emelyn Chavez和Lucy Carreon在内的本科生支持，感谢他们在培养基制备、平板计数和水培系统搭建方面的帮助。

Eric Nuertey Tetteh | Ryan W. Dickson | Rupesh Kariyat | Kristen E. Gibson
阿肯色大学系统农业分部门，食品安全中心，食品科学系，阿肯色州费耶特维尔，邮编72704