牛糞再生墊料生產(chǎn)過(guò)程中物料特性及致病菌變化

杜 云，王盼柳，王斌圣，段 娜,2，施正香,2，張?jiān)摧x,3，宋家西

牛糞再生墊料生產(chǎn)過(guò)程中物料特性及致病菌變化

杜 云1，王盼柳1，王斌圣1，段 娜1,2※，施正香1,2，張?jiān)摧x1,3，宋家西4

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083；3. 美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳校區(qū)農(nóng)業(yè)與生物工程系，伊利諾伊 IL61801；4. 哈爾濱華美億豐復(fù)合材料有限公司，哈爾濱 150000）

不同墊料生產(chǎn)方式因工藝差異導(dǎo)致墊料存在生物安全隱患，不利于墊料技術(shù)的推廣，滾筒發(fā)酵具有高溫、快速等優(yōu)勢(shì)，探討其墊料生產(chǎn)過(guò)程的致病菌變化特征，可為解決產(chǎn)業(yè)問(wèn)題提供支持。該研究以滾筒好氧發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程為研究對(duì)象，采用平板培養(yǎng)法對(duì)夏季和冬季墊料生產(chǎn)過(guò)程中滾筒不同位置處奶牛乳房炎主要致病菌（大腸桿菌、鏈球菌、金黃色葡萄球菌和克雷伯氏菌）數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)了物料的理化特性，并進(jìn)一步探究了影響奶牛乳房炎致病菌變化的主要因素。結(jié)果表明，夏、冬季滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程中筒倉(cāng)內(nèi)溫度較穩(wěn)定，滾筒內(nèi)部溫度可維持在55 ℃以上；成品墊料的含水率均低于45%；鏈球菌和克雷伯氏菌在墊料成品中均未檢出，夏季墊料成品中的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌檢測(cè)數(shù)量高于冬季；Pearson相關(guān)性分析結(jié)果表明，在選取的理化指標(biāo)中影響致病菌數(shù)量變化的最主要因素為滾筒溫度，其次為總碳。該研究為滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料技術(shù)的應(yīng)用及推廣提供支撐。

生產(chǎn)；發(fā)酵；牛糞再生墊料；物料特性；奶牛乳房炎致病菌；Pearson相關(guān)性

0 引 言

2018年中國(guó)奶牛存欄總量為1 038萬(wàn)頭[1]，按糞污日均產(chǎn)量48 kg/(頭·d)計(jì)算，奶牛養(yǎng)殖全年糞污產(chǎn)生量為1.82億t[2]。中國(guó)奶牛養(yǎng)殖業(yè)糞污排放總量巨大，亟待對(duì)其進(jìn)行無(wú)害化處理和資源化利用。傳統(tǒng)墊料如沙子、秸稈、稻殼等存在市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)大、不易獲得且后續(xù)處理難（如沙子磨損設(shè)備）等問(wèn)題[3]，因此，亟需新的可替代材料。近年來(lái)，使用固體牛糞作墊料在中國(guó)一些奶牛場(chǎng)中廣泛應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了糞污的資源化利用，可有效緩解農(nóng)業(yè)面源污染，同時(shí)也替代了傳統(tǒng)墊料，解決了墊料供應(yīng)難、來(lái)源不足等問(wèn)題。但由于牛糞再生墊料制作的原料為牛糞，而新鮮牛糞中含有大量致病菌，因此，墊料產(chǎn)品的安全性受到廣泛關(guān)注。

已有研究表明牛糞再生墊料的生產(chǎn)方式對(duì)墊料成品的理化特性及生物安全性有重要影響[4-8]。目前，牛糞再生墊料的生產(chǎn)方式主要有3種：固液分離后的固體牛糞直接作墊料、也可經(jīng)好氧發(fā)酵后作墊料、沼氣發(fā)酵處理后的沼渣沼液經(jīng)固液分離后固體部分作墊料[9]。固液分離屬于物理擠壓過(guò)程，殺菌效果較差[8]；而沼氣工程前期投資大，多以能源產(chǎn)出為主，墊料僅為副產(chǎn)物[9-10]，適用于已建設(shè)沼氣工程的奶牛場(chǎng)；好氧發(fā)酵法生產(chǎn)牛糞再生墊料主要包括自然堆積式、條垛式、槽式和滾筒式，其中，滾筒好氧發(fā)酵具有生產(chǎn)效率高、占地面積小、機(jī)械化自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，且發(fā)酵過(guò)程溫度基本可達(dá)55 ℃以上，能有效殺菌，滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)也可保證墊料成品的均一性和穩(wěn)定性[11-13]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料的研究相對(duì)較少。Husfeldt等[5]利用滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料，經(jīng)18～24 h發(fā)酵后其墊料含水率為60.3%，未檢出大腸桿菌，但有大量鏈球菌和芽孢桿菌。Fournel等[7]在實(shí)驗(yàn)室對(duì)滾筒發(fā)酵24和72 h生產(chǎn)牛糞再生墊料的效果進(jìn)行比較，結(jié)果表明發(fā)酵24 h即可達(dá)到墊料使用標(biāo)準(zhǔn)。汪保根等[14]采用奧地利進(jìn)口墊料生產(chǎn)設(shè)備（Bedding Recovery Unit，BRU）檢測(cè)發(fā)酵溫度、細(xì)菌種類(lèi)和數(shù)量來(lái)評(píng)價(jià)墊料安全性，結(jié)果表明BRU可保持高溫60 ℃以上10 h，檢出的細(xì)菌為芽孢桿菌，對(duì)奶牛無(wú)致病性。以上研究對(duì)滾筒發(fā)酵的工藝參數(shù)和安全性進(jìn)行了初步探究，但關(guān)于生產(chǎn)過(guò)程筒倉(cāng)內(nèi)溫度及牛糞理化特性對(duì)其致病菌數(shù)量變化的影響程度分析較少。

為此，本研究以滾筒好氧發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程為研究對(duì)象，分析不同季節(jié)（夏季、冬季）生產(chǎn)過(guò)程中滾筒不同位置處（進(jìn)料端、滾筒1/3處、滾筒2/3處和出料端）牛糞物料特性（溫度、含水率、pH值、灰分、總碳、總氮）和奶牛乳房炎主要致病菌（大腸桿菌、鏈球菌、金黃色葡萄球菌、克雷伯氏菌）的變化規(guī)律，并探究墊料生產(chǎn)過(guò)程奶牛乳房炎主要致病菌的影響因素，以期為滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在哈爾濱市雙城區(qū)某奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行，奶牛存欄總量為1 800頭，其中泌乳牛900頭。該奶牛場(chǎng)采用刮糞板干清糞工藝，糞污經(jīng)地下暗管輸送至儲(chǔ)糞池。儲(chǔ)糞池內(nèi)的糞污經(jīng)固液分離后固體牛糞進(jìn)入滾筒發(fā)酵倉(cāng)進(jìn)行好氧發(fā)酵，生產(chǎn)牛糞再生墊料。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用的滾筒發(fā)酵罐由哈爾濱華美億豐復(fù)合材料有限公司與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)共同研發(fā)制造。如圖1所示，滾筒式牛糞墊料再生系統(tǒng)主要包括兩級(jí)固液分離機(jī)、臥旋式滾筒發(fā)酵罐以及進(jìn)出料輸送部件。糞污首先通過(guò)儲(chǔ)糞池提升泵輸送至上箱體中的兩級(jí)固液分離機(jī)，經(jīng)過(guò)2次固液分離后的固體牛糞進(jìn)入滾筒發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行好氧發(fā)酵。發(fā)酵后的物料經(jīng)傳送帶輸送至墊料庫(kù)。滾筒發(fā)酵罐總?cè)莘e為30 m3（長(zhǎng)9.80 m，內(nèi)徑2.00 m），罐體內(nèi)的物料量為滾筒容積的50%～70%，在進(jìn)料端、罐體中心、出料端分別安裝溫度傳感器對(duì)發(fā)酵過(guò)程堆體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。固液分離設(shè)備和發(fā)酵罐采用如圖1所示的上、下箱體進(jìn)行保溫隔熱，以減少外環(huán)境對(duì)其溫度的影響。

1.儲(chǔ)糞池 2.進(jìn)料管道 3.一次分離回流 4.二次分離回流 5.滾筒進(jìn)料口 6.一次分離機(jī) 7.二次分離機(jī) 8.上箱體 9.監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng) 10.滾筒發(fā)酵罐 11.溫度傳感器 12.下箱體 13.滾筒出料端 14.傳送裝置 15.墊料成品

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分別于夏季（2019年6—2019年8月）和冬季（2019年11月—2020年1月）進(jìn)行。滾筒發(fā)酵罐的轉(zhuǎn)速為0.33 r/min，排風(fēng)量為600 m3/h，出料速度為1.25 m3/h，發(fā)酵時(shí)間為12～18 h。在上述條件下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，對(duì)滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程中不同位置（進(jìn)料端、滾筒1/3處、滾筒2/3處和出料端）進(jìn)行取樣，每個(gè)位置連續(xù)取樣3次作為重復(fù)（約1 000 g），每個(gè)季節(jié)試驗(yàn)重復(fù)3次，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。樣品分別被分為2份，1份用于分析物料特性（含水率、pH值、灰分、總碳、總氮、粒徑），1份用于分析奶牛乳房炎主要致病菌（大腸桿菌、鏈球菌、金黃色葡萄球菌和克雷伯氏菌）。

1.4 數(shù)據(jù)采集及指標(biāo)測(cè)定

根據(jù)土壤取樣器原理自制物料取樣器，長(zhǎng)10 m，并在3.3和6.6 m處用電焊槍做好標(biāo)記，依次對(duì)滾筒進(jìn)料端、1/3處（取樣器由進(jìn)料端伸入滾筒，留在滾筒外的長(zhǎng)度為6.6 m）、2/3處（取樣器由進(jìn)料端伸入滾筒，留在滾筒外的長(zhǎng)度為3.3 m）和出料端取樣。樣品采集后立即放入裝有冰袋的保溫箱并送至實(shí)驗(yàn)室待測(cè)。

含水率采用鹵素水分測(cè)定儀（型號(hào)：XY-110MW，銷(xiāo)售廠(chǎng)家：常州幸運(yùn)電子設(shè)備有限公司，測(cè)量范圍：0.00%～100.00%，精度：0.01%）進(jìn)行測(cè)定；pH值采用將樣品與去離子水按1∶10質(zhì)量比進(jìn)行混合，然后使用pH計(jì)（型號(hào)：FE28-Standard，銷(xiāo)售廠(chǎng)家：北京海天友誠(chéng)科技有限公司，pH值測(cè)量范圍：-2.00～16.00，精度：0.01）測(cè)定其懸濁液的pH值；灰分(Ash)采用馬弗爐灼燒法進(jìn)行測(cè)定；總碳(Total Carbon, TC)、總氮(Total Nitrogen, TN)采用元素分析儀（型號(hào)：vario PYRO cube，生產(chǎn)商：艾力蒙塔貿(mào)易（上海）有限公司）進(jìn)行測(cè)定；粒徑分布采用孔徑為0.5、2.0 mm的篩網(wǎng)（紹興市上虞華豐五金儀器有限公司）進(jìn)行逐級(jí)篩分，得到的物料粒徑范圍為<0.5 mm、0.5～2.0 mm、>2.0 mm。

奶牛乳房炎主要致病菌的檢測(cè)采用平板計(jì)數(shù)法[8,15-16]。大腸桿菌采用麥康凱瓊脂培養(yǎng)基在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h，生長(zhǎng)粉紅色菌落；鏈球菌采用改良愛(ài)德華培養(yǎng)基在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h，生長(zhǎng)白色菌落；金黃色葡萄球菌采用Baird-Parker瓊脂培養(yǎng)基在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)48 h，生長(zhǎng)黑色菌落；克雷伯氏菌采用麥康凱肌醇阿東醇羧芐青霉素瓊脂MIAC在37 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h，生長(zhǎng)紫紅色菌落。菌落計(jì)數(shù)結(jié)果以每克墊料干物質(zhì)的菌落數(shù)的對(duì)數(shù)表示，即lgcfu/g干物質(zhì)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 25.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、方差、相關(guān)性分析，繪圖采用Graphpad Prism 8.0。

2 結(jié)果與討論

2.1 滾筒內(nèi)堆體溫度變化

溫度是滾筒發(fā)酵過(guò)程的重要參數(shù)。由表1可知夏季和冬季牛糞再生墊料生產(chǎn)過(guò)程中滾筒不同位置堆體溫度從小到大均表現(xiàn)為進(jìn)料端、出料端、中心，且三者差異顯著（<0.05）。同時(shí)滾筒溫度在不同季節(jié)存在顯著差異（<0.05），其中夏季滾筒進(jìn)料端的平均溫度為(65.52±0.79)℃，比冬季高9.80 ℃，夏季滾筒出料端和中心處溫度基本保持在70 ℃以上，平均溫度分別為(70.94±1.39)和(73.00±0.69)℃，比冬季滾筒出料端、中心處溫度分別高5.10和3.35 ℃。夏季滾筒溫度高于冬季，分析其原因可能是由于受外環(huán)境溫度的影響，冬季溫度較低，受環(huán)境溫度影響微生物活性較弱。

由表1知，冬季滾筒內(nèi)平均溫度（63.74±6.06）℃顯著低于夏季（69.82±3.33）℃，但夏、冬2季滾筒發(fā)酵過(guò)程中溫度均在65 ℃以上，這可能是由于墊料生產(chǎn)過(guò)程為連續(xù)進(jìn)出料，好氧微生物在滾筒內(nèi)富集，同時(shí)滾筒出料端的引風(fēng)機(jī)與出料口將發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的水蒸氣、CO2等排出罐體形成負(fù)壓，讓氧氣從進(jìn)料端進(jìn)入罐體的方式補(bǔ)充氧氣，保證了發(fā)酵罐內(nèi)物料的有氧環(huán)境和好氧微生物活性，促進(jìn)有機(jī)物分解產(chǎn)生熱量，從而維持發(fā)酵溫度的穩(wěn)定。前人研究表明溫度高于55 ℃可對(duì)乳房炎致病菌有很好的抑制作用[6]。因此，滾筒發(fā)酵過(guò)程中筒內(nèi)溫度滿(mǎn)足高溫殺菌條件。另外Fournel等[7]在實(shí)驗(yàn)室條件下，控制環(huán)境溫濕度進(jìn)行滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞墊料，結(jié)果表明滾筒上、下層物料間溫差較小，上層溫度基本維持在60 ℃左右，也驗(yàn)證了滾筒發(fā)酵可保證穩(wěn)定的高溫發(fā)酵環(huán)境。

表1 夏季和冬季滾筒不同位置溫度差異性

注：a~c指滾筒不同位置間溫度差異性，m~n指不同季節(jié)間滾筒內(nèi)溫度間差異顯著（<0.05）。

Note: a-c means temperature difference in different drum position, m-n means temperature difference in different season (<0.05).

2.2 生產(chǎn)過(guò)程牛糞再生墊料物料特性變化

在滾筒生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程中，牛糞原料的含水率是微生物好氧發(fā)酵的重要因素，發(fā)酵過(guò)程需要水分參與有機(jī)物的溶解和微生物的新陳代謝，同時(shí)高溫發(fā)酵過(guò)程水分蒸發(fā)可帶走部分熱量，調(diào)節(jié)發(fā)酵溫度[17]。發(fā)酵物料含水率過(guò)低會(huì)抑制微生物的活性，過(guò)高則會(huì)造成厭氧環(huán)境，因此，發(fā)酵含水率應(yīng)控制在40%～65%[18]。由表2可知，夏季和冬季滾筒進(jìn)料端物料含水率分別為43.12%和55.10%，滿(mǎn)足好氧發(fā)酵對(duì)含水率的要求。發(fā)酵過(guò)程中物料含水率均逐漸降低，滾筒不同位置處物料的含水率在夏季差異不顯著（>0.05），而在冬季存在顯著差異（<0.05），這與田雪力等[19]的研究一致，冬季滾筒內(nèi)不同位置處物料含水率均高于夏季。墊料成品含水率是衡量墊料安全性與舒適性的重要指標(biāo)，含水率過(guò)高會(huì)影響奶牛躺臥的舒適度[20]，且易滋生致病菌；含水率過(guò)低，鋪設(shè)和使用過(guò)程易產(chǎn)生粉塵，影響奶牛呼吸道健康[21]。施正香等[3,22]提出墊料成品的含水率應(yīng)小于50%。由此表明，夏、冬季出料端牛糞再生墊料的含水率均符合要求。

由表2可知，夏、冬季發(fā)酵過(guò)程中pH值變化范圍為8.43～9.04。Bernal等[23]提出適宜微生物生長(zhǎng)的pH值范圍是6.7～9.0，因此該發(fā)酵過(guò)程基本滿(mǎn)足微生物對(duì)環(huán)境酸堿性的要求。夏季和冬季生產(chǎn)過(guò)程物料pH值變化趨勢(shì)一致，先降低，后小幅增長(zhǎng)，這是由于發(fā)酵初期牛糞中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足，牛糞中的有機(jī)物被微生物分解產(chǎn)生有機(jī)酸使pH值下降，伴隨高溫發(fā)酵過(guò)程，小分子有機(jī)酸和含氮有機(jī)物被分解產(chǎn)生氨態(tài)氮（NH4+-N）又使pH值升高[24-25]。

牛糞再生墊料在生產(chǎn)過(guò)程中，總碳含量隨發(fā)酵時(shí)間增加而逐漸減少，灰分和總氮含量逐漸增加。這可能是因?yàn)榕＜S中含大量未消化的有機(jī)物如纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪等，其中的碳源和氮源被好氧微生物分解利用[26]，有機(jī)物逐漸減少，灰分含量增加，總碳含量減少。而總氮含量增加，其原因可能是發(fā)酵過(guò)程中物料的質(zhì)量和體積不斷減少，氮素被濃縮，導(dǎo)致總氮濃度增加[27]。由表2知不同季節(jié)的灰分含量無(wú)顯著差異（>0.05），而夏、冬季總碳和總氮含量存在顯著差異（<0.05），夏季總碳、總氮含量整體上低于冬季。

表2 夏季和冬季墊料生產(chǎn)過(guò)程物料特性變化

注：同列數(shù)字肩頭不同字母表示差異顯著（<0.05），灰分、總碳、總氮（%）是基于干質(zhì)量。

Note: Different letters on the shoulder of the same column indicate significant difference (<0.05), Ash, Total Carbon TC, and Total Nitrogen TN (%) are based on dry weight.

發(fā)酵過(guò)程物料的粒徑大小對(duì)微生物生長(zhǎng)有重要影響。物料粒徑過(guò)大，則固體顆粒比表面積較小，不利于微生物對(duì)其進(jìn)行充分分解；粒徑過(guò)小，則會(huì)降低物料間的空隙率，造成局部厭氧，降低微生物活性[23]。此外，墊料成品對(duì)粒徑大小也有要求，墊料顆粒粒徑較小時(shí)，易沾染在奶牛乳房皮膚表面，附著在奶牛體表的細(xì)小顆粒會(huì)攜帶致病菌在奶牛乳孔開(kāi)張時(shí)進(jìn)入其乳房?jī)?nèi)部，進(jìn)而感染奶牛乳房，增加奶牛罹患乳房炎的風(fēng)險(xiǎn)。Statz等[28]對(duì)回收利用的沙子墊料進(jìn)行粒徑篩分時(shí)，將<0.6 mm的沙子定義為小粒徑，0.6～2.0 mm定義為中粒徑，>2.0 mm定義為大粒徑。本研究將<0.5 mm定義為小粒徑，0.5～2.0 mm定義為中粒徑，>2.0 mm定義為大粒徑。

由圖2可知，在滾筒進(jìn)料端，夏季和冬季固體牛糞粒徑主要分布在0.5～2.0 mm，二者占比分別為69.05%和54.91%，粒徑<0.5 mm的占比最少。發(fā)酵過(guò)程中，夏季和冬季>2.0 mm的粒徑均逐漸減少，并向小粒徑和中粒徑轉(zhuǎn)化，分析其原因可能是由于大顆粒有機(jī)物被微生物分解，從而形成小顆粒物質(zhì)。在滾筒出料端，夏季和冬季<2.0 mm粒徑的顆粒占比分別約為94.25%和89.17%，而康奈爾廢棄物研究所[4]滾筒發(fā)酵24 h生產(chǎn)的墊料粒徑<2.0 mm的顆粒質(zhì)量占比為74.3%，本試驗(yàn)比其高約15%～20%，分析其原因可能是由于出料端牛糞再生墊料的含水率不同，康奈爾生產(chǎn)的墊料成品含水率為63.7%，本試驗(yàn)成品含水率<45%，含水率高的墊料顆粒易粘連在一起，因此篩分時(shí)大顆粒的物料占比較高，造成二者粒徑分布的差異。由圖2可觀察到冬季生產(chǎn)的墊料粒徑要大于夏季，這與上述原因一致，也是由于含水率差異導(dǎo)致。因此，固液分離后的固體牛糞初始含水率控制在50%～65%即可，含水率過(guò)高會(huì)影響微生物發(fā)酵活性，含水率過(guò)低會(huì)造成小粒徑顆粒占比增多，且固液分離過(guò)程能耗較大。

圖2 夏季和冬季墊料生產(chǎn)過(guò)程粒徑分布情況

2.3 牛糞再生墊料中奶牛乳房炎主要致病菌的變化

根據(jù)奶牛乳房炎致病菌的來(lái)源和傳播途徑的不同，可將其分為環(huán)境性乳房炎致病菌和傳染性乳房炎致病菌。奶牛環(huán)境性乳房炎致病菌主要包括大腸桿菌、鏈球菌和克雷伯氏菌，它們來(lái)源分布廣泛、較難控制；而傳染性乳房炎致病菌主要為金黃色葡萄球菌。因此，本試驗(yàn)重點(diǎn)檢測(cè)了以上4種奶牛乳房炎主要致病菌的變化規(guī)律。

由圖3可知夏季和冬季4種奶牛乳房炎致病菌數(shù)量均在滾筒進(jìn)料端最高，夏季進(jìn)料端牛糞中金黃色葡萄球菌、鏈球菌、大腸桿菌和克雷伯氏菌數(shù)量分別為6.95、6.07、5.33和4.59 lg cfu/g，冬季與夏季數(shù)量相差不大。由圖3a可知，夏季成品墊料中（出料端樣品）只有大腸桿菌和金黃色葡萄球菌可檢出，其數(shù)量分別為4.12和5.00 lgcfu/g，鏈球菌和克雷伯氏菌在成品墊料中均未檢出。冬季成品墊料（出料端樣品）中鏈球菌和克雷伯氏菌均未檢出，與夏季一致，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的檢出數(shù)量分別1.23和1.30 lgcfu/g（見(jiàn)圖3b）。與夏季相比，冬季墊料生產(chǎn)過(guò)程大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺滅效果存在較大差異，分析可能與滾筒進(jìn)料端物料的含水率有關(guān)。

分析夏、冬季滾筒發(fā)酵過(guò)程奶牛乳房炎主要致病菌數(shù)量變化情況可知，滾筒發(fā)酵過(guò)程對(duì)鏈球菌和克雷伯氏菌具有較好的殺菌效果，而對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌殺菌效果較差。夏、冬季滾筒發(fā)酵過(guò)程大腸桿菌和金黃色葡萄球菌數(shù)量均先減少，后有所增加（見(jiàn)圖3），分析其原因可能與滾筒出料端外環(huán)境污染有關(guān)。

圖3 夏季和冬季墊料生產(chǎn)過(guò)程乳房炎主要致病菌數(shù)量變化

2.4 奶牛乳房炎主要致病菌影響因素分析

利用Pearson相關(guān)分析法對(duì)滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程堆體溫度及牛糞理化特性與4種奶牛乳房炎主要致病菌的相關(guān)性進(jìn)行分析。結(jié)果如圖4所示，夏、冬季墊料生產(chǎn)過(guò)程，固體牛糞的含水率、pH值、總碳與4種致病菌均呈正相關(guān)關(guān)系，而灰分、總氮、滾筒溫度與其均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且滾筒溫度與4種致病菌均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.01），總碳與4種致病菌（除夏季大腸桿菌外）均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01）。由此可知，在牛糞墊料生產(chǎn)過(guò)程（不局限于滾筒生產(chǎn)方式），降低牛糞的含水率、pH值及總碳含量，或提高牛糞的灰分、總氮含量及滾筒溫度，可有效抑制奶牛乳房炎主要致病菌數(shù)量的增長(zhǎng)。

由以上分析可知，影響奶牛乳房炎致病菌的主要因素為滾筒溫度，即隨溫度的升高，奶牛乳房炎主要致病菌的數(shù)量將逐漸減少，體現(xiàn)在滾筒不同位置處溫度的差異帶來(lái)致病菌數(shù)量上的變化。相關(guān)研究表明，大腸桿菌和克雷伯氏菌增殖的最適溫度為15～45 ℃，當(dāng)溫度高于45 ℃開(kāi)始死亡；鏈球菌生長(zhǎng)的最佳溫度為25～42 ℃，高于42 ℃開(kāi)始死亡；金黃色葡萄球菌能在6～48 ℃存活[29-30]。本試驗(yàn)夏季和冬季滾筒內(nèi)溫度均在55 ℃以上，可有效殺滅奶牛乳房炎主要致病菌。試驗(yàn)中，鏈球菌和克雷伯氏菌未檢出，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌滿(mǎn)足安全性要求，但未被完全殺滅。說(shuō)明溫度是影響奶牛乳房炎主要致病菌的關(guān)鍵因素，但可能還受其他因素的影響，須進(jìn)一步探究。

總碳對(duì)奶牛乳房炎致病菌的影響僅次于滾筒溫度?？偺寂c奶牛乳房炎主要致病菌呈顯著正相關(guān)，即總碳含量高時(shí)，奶牛乳房炎主要致病菌的數(shù)量也會(huì)增長(zhǎng)。分析其原因?yàn)?，牛糞中的含碳有機(jī)物為奶牛乳房炎致病菌的生長(zhǎng)繁殖提供了營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，可滿(mǎn)足其生長(zhǎng)代謝對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求。

注：*代表P<0.05，**代表P<0.01，r值為相關(guān)系數(shù)，取值范圍在-1到1之間，在圖中以不同顏色展示，其中紅色代表正相關(guān)，綠色代表負(fù)相關(guān)，熱圖下方色卡是r值不同顏色分區(qū)。

在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中，對(duì)滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程奶牛乳房炎致病菌的影響因素研究較少，但對(duì)于牛糞再生墊料使用過(guò)程，Godden等[31]認(rèn)為墊料中細(xì)菌的繁殖能力與墊料的物理、生化或營(yíng)養(yǎng)特性及臥床管理有關(guān)，Narula等[32]認(rèn)為墊料的含水率與致病菌數(shù)量有關(guān)，含水率越低，致病菌數(shù)量越小。因此，牛糞再生墊料的生產(chǎn)及使用過(guò)程，應(yīng)對(duì)其理化特性進(jìn)行嚴(yán)格控制，以避免致病菌的孳生，影響奶牛及工作人員的健康。

3 結(jié)論

1）滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程，可保證穩(wěn)定的殺菌溫度（>55 ℃），且成品墊料含水率低于45%，符合牛糞再生墊料水分的控制要求。

2）滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料的季節(jié)性差異較明顯，夏季滾筒內(nèi)溫度較高，固體牛糞含水率較低，但成品墊料中大腸桿菌和金黃色葡萄球菌數(shù)量較多。建議對(duì)牛糞中大腸桿菌和金黃色葡萄球菌數(shù)量反復(fù)增長(zhǎng)的原因作進(jìn)一步探究。

3）根據(jù)Pearson相關(guān)性分析可知，滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞再生墊料過(guò)程影響奶牛乳房炎致病菌（大腸桿菌、鏈球菌、金黃色葡萄球菌和克雷伯氏菌）的主要因素為滾筒溫度，其次為總碳含量。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)滾筒內(nèi)溫度的控制，保證滾筒內(nèi)部高溫條件，從而達(dá)到殺滅奶牛乳房炎致病菌的目的。

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Changes of material characteristics and pathogens in producing process of recycled manure solids

Du Yun1, Wang Panliu1, Wang Binsheng1, Duan Na1,2※, Shi Zhengxiang1,2, Zhang Yuanhui1,3, Song Jiaxi4

(1.,,,,100083,; 2.,100083,; 3.,,IL 61801,; 4.,,150000,)

The use of Recycled Manure Solids (RMS) as dairy bedding material has become a promising technology with the merits of sustainable manure management and cost saving for purchasing traditional bedding. However, cow dung contains certain amounts of pathogenic bacteria, thus the use of RMS would increase the risk of direct contact of pathogens with cows’ udder. Such serious problem has undermined the use of RMS as dairy bedding material. Drum fermentation for the bedding production has many advantages (i.e. high temperature, short time), thereby it is getting more and more attention. The objective of this study was to investigate the stability and biological safety of RMS production process using drum fermentation in different seasons, and to clarify the factors affecting the growth of pathogenic bacteria in the dairy cows’mastitis. The drum-type RMS producing system employed was composed of a two-stage solid-liquid separator, a horizontal-rotation drum fermentation tank, as well as feeding and discharging components. The automatic control system monitored equipment operation and temperature changes in real time. The drum temperature was obtained by the temperature sensors installed on the inner wall of the drum including inlet, center, and outlet. Samplings were performed from the inlet, 1/3, 2/3, and outlet of the drum. The plate culture method was used to detect the main mastitis pathogenic bacteria (i.e.,,,, and) at different positions within the drum during the summer and winter. At the same time, the physical and chemical properties (water content, pH, total carbon, total nitrogen, ash, particle size distribution, roller temperature) of RMS were also tested. Additionally, the main factors affecting the growth of mastitis pathogens was investigated via Pearson correlation analysis.The results indicated that the fermentation temperature during the production process was stable and maintained above 55oC both in summer and winter, and the final moisture content at the drum outlet was less than 45%. In both seasons, the particle size distribution at different positions of the roller was mainly concentrated at 0.5 to 2.0 mm. With the fermentation process, the large particle size gradually converted to small and medium particle size. The number of mastitis pathogens in summer and winter was highest at the drum inlet, and gradually decreased at higher fermentation temperature. At 1/3 of the drum, the number of major mastitis pathogens was significantly reduced.. and. were not detected at the drum outlet in both seasons. However, the number ofandat the outlet of the drum in summer was higher than that in winter. It may be related to the moisture content of the cow dung at the inlet of the drum. Therefore, the moisture content of the inlet of the drum should be strictly controlled between 50% and 65%. Using the Pearson correlation analysis, it was found that the major factor affecting main mastitis pathogenwas drum temperature, followed by total carbon. From the security point of view, RMS should be used immediately after production to avoid environmental impacts. The results found in this study can provide deep insight for the application of drum fermentation technology to produce safer RMS.

producing; fermentation; Recycled Manure Solids (RMS); material characteristics; mastitis pathogens; Pearson correlation analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.024

S2；S18

A

1002-6819(2020)-18-0197-07

杜云，王盼柳，王斌圣，等. 牛糞再生墊料生產(chǎn)過(guò)程中物料特性及致病菌變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(18)：197-203.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.024 http://www.tcsae.org

Du Yun, Wang Panliu, Wang Binsheng, et al. Changes of material characteristics and pathogens in producing process of recycled manure solids[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 197-203. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.024 http://www.tcsae.org

2020-05-19

2020-08-29

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（奶牛）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-36）

杜云，研究方向?yàn)槟膛?chǎng)廢棄物資源化利用。Email：duyun18838918884@163.com

段娜，高級(jí)工程師，研究方向農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)。Email：duanna@cau.edu.cn

農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：段娜（E041200617S）