畜禽养殖环境中微生物气溶胶的研究进展

张喜庆，勾长龙，娄玉杰，高云航

（吉林农业大学动物科学技术学院，吉林长春 130118）

畜禽养殖环境中微生物气溶胶的研究进展

张喜庆，勾长龙，娄玉杰，高云航*

（吉林农业大学动物科学技术学院，吉林长春 130118）

畜禽舍内产生的微生物气溶胶不仅对动物以及从业人员健康产生较大影响，也给疾病防控带来一定难度。作为养殖场及周边环境的一个潜在污染源，对畜禽舍内微生物气溶胶的研究已经成为热点之一。本文针对微生物气溶胶的种类及来源、污染现状及危害、采集及检测方法、气溶胶中耐药菌及耐药基因的污染情况等作一综述，以期为研究畜禽养殖业微生物气溶胶提供较全面的理论依据。

微生物气溶胶；耐药菌；耐药基因；污染

畜禽舍内微生物气溶胶与动物和从业人员的健康密切相关。气溶胶中含有大量的病原菌、病毒、真菌等对人体有害的微生物，其可以通过空气将致病因子传出舍内并在外界环境中快速、广泛地传播，对人类和其他动物健康造成危害[1]。2013年我国首次爆发的H7N9禽流感在短短几个月内，在12省（直辖市）的42个地市发生了疫情报告，全国共有确诊病例136例[2]。2003 年爆发的非典型肺炎（SARS）在全球广泛扩散，在爆发后的3个月内，全球26 个国家、地区报告发病3 547例[3]。作为疾病传播的一个重要源头，微生物气溶胶带来的危害不容忽视。在关注微生物气溶胶危害的同时，空气中抗生素耐药菌和耐药基因的存在更应该被引起重视，近年来由于在畜牧养殖过程中大量且不正当的使用抗生素，导致养殖场及周边环境中大量抗生素耐药菌以及耐药基因的出现[4]。尤其是暴露在气溶胶中的耐药菌和耐药基因可能导致气溶胶对动物及人类健康的潜在危害性增强。

本文针对微生物气溶胶的种类及来源、污染现状及危害、采样及检测方法、气溶胶中耐药菌及耐药基因的污染情况等作一综述，以期为更全面地研究畜禽养殖业微生物气溶胶、减少病原微生物的危害提供参考。

1 畜禽舍微生物气溶胶的种类及来源

畜禽舍内微生物气溶胶是畜禽舍内微生物与空气中单独悬浮的粉尘粒子或小液滴结合形成的胶体分散体系[5]。根据气溶胶中的主要成分不同，可将其分为细菌气溶胶、真菌气溶胶、病毒气溶胶以及内毒素气溶胶等。其来源较为广泛，动物本身、粪便、饲料以及动物垫料等都有可能成为气溶胶的潜在来源。据报道，大约有71%的狗本身就携带金黄色葡萄球菌[6]，并可通过咳嗽、打喷嚏等生命活动将病原菌传递到空气中形成气溶胶。Duan等[7]从猪场粪便中分离的大肠杆菌与从舍内空气样本中分离的大肠杆菌相似性达到100%，分析认为空气中的部分大肠杆菌可能来源于粪便。胡婧等[8]从牛舍空气中分离的大肠杆菌、沙门氏菌与饲料、垫料中的分离株相似性为90%以上。一些报道称，疫苗的接种也能够成为微生物气溶胶的潜在来源，通过滴鼻、喷雾等免疫方式接种活疫苗时，部分疫苗可扩散到空气中，进而形成微生物气溶胶。除此之外，饲养人员的活动、土壤灰尘等也可以成为畜禽养殖舍内微生物气溶胶的形成来源。

2 畜禽舍微生物气溶胶的污染现状及危害

表1 畜禽养殖舍内细菌、真菌、病毒以及内毒素气溶胶浓度

近年来，微生物气溶胶的污染已经成为全世界关注的焦点问题之一。国内外相关学者对此也进行了一系列的调查研究，其中以畜禽舍气溶胶的污染范围及污染程度的相关研究居多。本文将近年来国内外部分关于细菌、真菌、病毒以及内毒素气溶胶的报道结果进行了总结（表1）。

从表1中可以发现，绝大多数报道的微生物气溶胶污染均发生在养殖业比较发达的国家，并且从畜禽种类来看，又以鸡舍和猪舍污染频率最高、污染程度最重；从气溶胶种类的比较可以看出，细菌和真菌气溶胶检出频率最高，其中细菌气溶胶污染程度更高。这可能与这些国家养殖基数大、集约化程度高、相对养殖密度增加、微生物含量增加、空气流通差有关。

畜禽舍内微生物气溶胶的污染愈发严重，不仅会影响动物的生长性能，而且其中所含有的某些病原微生物还会造成空气污染，甚至引起人畜共患病。于观留等[20]通过研究不同饲养环境下微生物气溶胶浓度变化对肉鸭生长性能的影响，结果发现高浓度的微生物气溶胶会导致肉鸭各项生长指标下降。秦梅等[21]研究发现，环境好的养殖条件气溶胶浓度要低于环境差的，且可以提高肉鸡的生长性能及福利水平。Wing等[22]调查发现，猪场、牛场周边居民会经常出现头痛增加、流涕、腹泻等症状，严重影响了周边居民的生活质量。Sigurdarson等[23]发现，在养殖场周边的居民患哮喘病的几率要高于其他地区。养殖舍内产生的气溶胶可通过空气迅速传播，给人类和动物带来不同程度的危害，应引起高度重视。

3 微生物气溶胶的采集及检测方法

3.1 采样方法 根据微生物气溶胶的特殊存在形式以及其不同的分布粒径，选择合适的采集方法对于提高样品的捕获效果至关重要。微生物气溶胶粒子中含有不同种类的致病微生物，其浓度、粒径分布不同，对人体和动物的危害也不同。目前，在该领域常用的采样方法如表2所示。安德森采样器应用最为广泛，且被国际空气微生物学会认定为检测空气微生物生物粒子的标准采样器。同时，在选择采样及检测方法时也要充分考虑研究的对象以及研究的目的和内容。

3.2 检测方法

3.2.1 培养法 培养法是较为传统的微生物气溶胶检测方法，主要用于微生物气溶胶中微生物的定性检测与计数。该方法主要是将采集的空气样本在特定的培养基上培养，并应用显微镜计数法进行计数统计。目前，该方法依然是国内外研究气溶胶微生物的主要手段，分析气载微生物的含量、种类及粒径分布情况等。Sancheza等[30]利用微生物采样器采集，以固体培养基为采样介质采集牛场附近的气载微生物，对肉牛场中气载细菌进行培养分析；经培养后共分离出1 295株细菌，并对分离株进行耐药性分析。Arfken等[31]利用该方法对猪舍中的耐药菌进行培养并检测。此研究方法经济、易操作，但耗时、耗力，且只能用于可培养微生物的检测，而气溶胶中可培养的微生物却不足10%，不能完全反映空气中微生物的结构特征。因此，该方法在分析气溶胶中微生物多样性方面具有一定的局限性。

3.2.2 非培养法 非培养法是以气溶胶样本中的微生物基因组为基础研究对象的方法，其与传统培养法相比，主要优点在于能较全面地反映出畜禽舍内气溶胶中微生物的多样性。非培养法主要有荧光显微镜计数法、DNA微阵法、Biolog微平板法等不基于PCR检测的方法；此外，还有实时荧光定量PCR（RT-qPCR）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）、脉冲场凝胶电泳（PFGE）、末端限制性片段长度多态性分析法（T-RFLP）、16S rRNA基因克隆文库分析法、高通量测序技术等分子生物学检测方法。

比较而言，高通量测序技术是目前最常用的研究微生物菌群结构多样性的分析方法。Arfken等[31]、 Kumari[32]利用过滤式采样的方法采集猪舍内气溶胶样本，提取基因组后利用高通量测序技术分析猪舍内其菌群气溶胶微生物的多样性，结果发现变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和放线菌门为主要优势菌。李红梅等[26]使用液体撞击式采样器采集猪场中气溶胶，利用16S rRNA高通量测序技术分析猪舍气溶胶微生物的多样性，共鉴定出16个菌门、115个种科、217个种属，并发现6种病原微生物。与传统培养法相比，该技术手段能够更全面地反映出畜禽舍内气溶胶中微生物的多样性，为气溶胶中微生物的研究提供了更精确的技术支持。

表 2 常用微生物气溶胶采样器的原理及特点[24-29]

4 畜禽舍内微生物气溶胶中抗生素耐药菌及耐药基因的研究

抗生素自被发现以来，由于其具有预防疾病和促生长作用被广泛地应用在畜禽养殖业来提高动物的生产性能[32]。但由于抗生素大量且不正当的使用，导致大量的抗生素耐药菌以及耐药基因的产生[33]。一些编码了抗性基因的耐药菌经动物排泄过程排出体外进入到养殖场空气环境中。近年来，抗生素耐药菌以及耐药基因对环境的污染已经引起国内外的广泛关注。研究者们发现畜禽舍内气溶胶中许多菌株呈现多重耐药的趋势。张晓丹[33]研究发现，猪舍气溶胶中分离的大肠杆菌对四环素、庆大霉素、环丙沙星等14种抗生素有不同程度的耐药，有27.27%的菌株耐11～13种抗生素，表现出严重的多重耐药性。索慧娜[34]对蛋鸡舍109株气载大肠杆菌分离株进行耐药性分析，结果发现部分分离株对β-内酰胺类、氟喹诺酮类、氨基糖苷类、四环素和多西环素类抗生素均有表现耐药性。Brooks等[35]发现，家禽舍内分离得到的葡萄球菌有不同程度的耐药性，有39%的葡萄球菌分离株对4种抗生素产生耐药性，大约有80%的分离菌株至少有一种抗生素产生抗性。耐药菌的出现对人类和动物健康以及环境造成了较大威胁，且对疾病的防控与治疗带来了极大的挑战。

由于抗生素耐药菌长期存在于气溶胶中，导致许多耐药基因（内源性和外源性）也出现在气溶胶中，且污染情况较为严重。柳敦江[36]从6个鸡场分离的149株金黄色葡萄菌中检测到mec A、Tet A、erm C、aac （6'）-aph（2''）4种抗性基因耐药基因。且携带抗性基因耐药基因的金黄色葡萄球菌能从粪便中传播到空气中，或由舍内传播到舍外。Hong等[37]发现，6种四环素类抗性基因耐药基因（Tet B、Tet H、Tet Z、Tet O、Tet Q、Tet W）在家禽、猪舍以及工作的环境气溶胶样本中均有定量检测到，且有着较高的丰度（9.55×102copies ng-1DNA到1.69×106copies ng-1DNA）。Kumari等[32]在猪舍气溶胶中检测到6种四环素类耐药基因（Tet B、Tet H、Tet Z、Tet O、Tet Q、Tet W）。

目前，国外对畜禽舍微生物气溶胶中抗性基因耐药基因的研究较为全面，研究方法以非培养方式的分子生物学方法为主，而我国主要是基于培养方式的研究，对更全面地掌握耐药基因的污染情况存在着一定的局限性。因此，更加准确、全面地分析畜禽舍内气溶胶中抗性基因耐药基因的污染情况是一个主要研究方向。

5 研究展望

随着养殖模式的改变，畜禽舍内气溶胶浓度增大，且其中含有丰富的抗生素耐药菌及抗性基因耐药基因，对养殖场周边的环境造成较大污染。这一问题将是养殖业面临的一个较为严峻的问题，鉴于这一原因，未来关于畜禽养殖场内的微生物气溶胶的研究应主要关注以下几个方面：①微生物气溶胶中病原微生物的研究。定时监测畜禽舍内微生物气溶胶的浓度，建立气溶胶中指示性病原菌的采集和分析方法，确定其浓度与动物和从业人员健康的关系，进而建立一套完整的病原菌气溶胶危害评价体系。②关于减少舍内微生物气溶胶浓度的方法研究。舍内微生物气溶胶浓度得到控制，有助于动物疾病的防控工作，应将主要的研究目标放在控制住微生物气溶胶产生的源头以及研究疫情的爆发与气溶胶中的致病因子有何关系。同时还应该对其净化方法以及防护措施进一步探索研究。

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Research Progress on Microorganism Aerosol of Livestock Breeding Environment

ZHANG Xi-qing, GOU Chang-long, LOU Yu-jie, GAO Yun-hang*
(College of Animal Science and Technology, Jilin Agricultural University, Jilin Changchun 130118, China)

The microorganism aerosol not only poses the health risks to the animals and workers, but also brings certain difficulty to disease control and prevention. As a potential pollution source of the livestock farming and its surrounding environment, the microorganism aerosol has been a hot research issue in recent years. Therefore, this paper is a brief review on the classification and source, pollution status and the hazard, sampling and testing methods of the airborne microbes, and the contamination of the antibiotic resistant bacteria (ARB) and antibiotic resistance genes (ARGs). The aim of this review is to provide a comprehensive theoretical basis to the microorganism aerosol research.

Microorganism Aerosol; ARB; ARGs; Pollution

S813.23

A

10.19556/j.0258-7033.2017-06-020

2016-12-13；

2017-01-16

国家现代农业产业技术体系建设专项（CARS-38）；2013年公益性行业（农业）科研专项（201303091）；吉林省科技发展计划项目（20170101073JC）;国家重点研发计划专项（2016YFD0501400）

张喜庆，男，吉林人，硕士，主要从事养殖场环境控制方向，E-mail：zhangxiqing1020@163.com

* 通讯作者：高云航，E-mail：gaoyunhang@163.com