看不见的污染——大肠杆菌如何揭示环境健康？| 海洋与湿地·讯

摘要：这听起来可能有点专业，但其实研究内容和我们每个人的日常生活都息息相关，比如喝的水是否干净，去河边玩水会不会被污染影响等等。保护环境和关注健康是当今社会的重要课题，而微生物作为环境中的“隐形居民”，与我们的生活息息相关。“海洋与湿地”（OceanWetlands

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我们都知道水源是生命之源，但你有没有想过，水里的微生物，特别是大肠杆菌，其实能告诉我们很多关于水质和环境健康的信息？

最近有一项科学研究，仔细研究了不同土地利用方式（比如森林、农田或湿地）和粪便污染（来自人类、牲畜或野生动物的粪便）对环境中大肠杆菌种群的影响。

这听起来可能有点专业，但其实研究内容和我们每个人的日常生活都息息相关，比如喝的水是否干净，去河边玩水会不会被污染影响等等。

保护环境和关注健康是当今社会的重要课题，而微生物作为环境中的“隐形居民”，与我们的生活息息相关。“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，2024年12月30日由新西兰科学家发表在《科学报告》上的这个研究，它揭示了土地利用方式和粪便污染如何影响环境中大肠杆菌的种群分布和多样性。这项研究不仅帮助我们更好地了解环境污染的成因，还为制定科学的土地管理措施提供了依据。

水质污染监测对于保障生态环境和人类健康具有重要意义。通过定期的水质监测，我们可以了解水体的污染状况，及时发现并解决水质问题，评估环境保护措施的效果，为水资源的合理利用和保护提供科学依据。此外，水质监测还可以为环境管理、环境科学研究提供数据和资料，帮助我们更好地理解水污染的来源、迁移转化规律，并预测水体污染的变化趋势。摄影：Linda Wong©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

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大肠杆菌到底是什么？

大肠杆菌是一种我们肠道里常见的细菌，大部分是无害的，但有些特定的种类会引起腹泻、感染甚至更严重的疾病。

大肠杆菌是一种常见于温血动物肠道中的细菌，尤其是人类的大肠。虽然大多数的大肠杆菌对人体无害，甚至有助于消化，但有些菌株却能产生毒素，导致严重的食源性疾病。这些致病菌株通常通过污染的食物或水传播，引起腹泻、呕吐等症状。大肠杆菌是粪便污染的指示菌，常用于检测水源和食品的卫生状况。由于生长迅速、易于培养，大肠杆菌被广泛应用于生物学研究，是遗传学研究的模式生物。一些经过改造的大肠杆菌菌株可以生产胰岛素、生长激素等重要的生物制品。上图是大肠杆菌的模型，Linda Wong摄于中国科技馆。©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

科学家们一直把大肠杆菌当成一种“指示细菌”，也就是说，发现它的地方很可能有粪便污染。但问题是，大肠杆菌的来源可能很复杂，比如来自人类、家畜或者野生动物的粪便，这些不同来源会影响环境里的细菌种群和污染情况。

过去，科学家主要通过培养大肠杆菌的方式来研究它们，但这种方法既费时、又可能遗漏一些不容易培养的种类。

于是，这项新研究就采用了更先进的“元条形码技术”（Metabarcoding），用一种基因测序的方法来更全面地分析环境样本中的细菌种群。

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研究目的 & 方法

这项研究的主要目的，是为了了解环境中大肠杆菌的种类和数量是如何受到不同土地利用方式的影响，尤其是粪便污染对大肠杆菌的分布和变化有什么作用。

为了开展这项研究，科学家们选择了几个具有代表性的地点进行采样，收集了水、土壤、沉积物以及动物粪便等样本。这些地点分为“低影响区”和“高影响区”两类。

“低影响区”指的是那些人类活动较少的区域，比如原始森林。而“高影响区”则是那些人类活动频繁的地方，比如农田、牧场或者城市周围的地区，这些地方经常有牲畜粪便或者人类生活污水的排放。

这个研究的结果显示，不同地点的大肠杆菌种类和数量有着显著的差异。在像原始森林这样的“低影响区”，水体和土壤中的大肠杆菌种类较少，且污染水平较低。大肠杆菌的主要来源是自然界中的野生动物。这里的环境相对安静，细菌种群比较单一，污染源也比较单纯。

与此相对，在农田和牧场这些“高影响区”，大肠杆菌的种类要丰富得多，且来源复杂多样。除了来自牲畜粪便的污染外，农业用水的排放，甚至城市污水的流入，也让这些区域的大肠杆菌种群变得更加复杂。例如，某个牧场里的牛群粪便可能只含有几种大肠杆菌，但当这些粪便通过水流进入河流后，与其他农场的污染混合，水中的细菌种群就会变得五花八门，十分复杂。

【研究方法】

这项研究的目的是深入了解不同环境样本中大肠杆菌种群的多样性，特别是在不同土地利用类型和污染源之间的变化。研究的采样地点分布在新西兰北岛的五个不同位置，采样时间跨度为2017年8月~2018年6月，共进行五到六次采样。实施过程及其方法是这样的：

这个研究的采样地点涵盖了多种不同的环境背景，其中四个站点位于Manawatū河流域。第一个站点位于Pūkaha Mount Bruce原始森林中，森林的面积达到942公顷，是一个以原生生物多样性为核心的保护区。这个区域内没有本地和引入的水鸟，但在一个临近并且被围栏围住的牧场中，研究人员进行过偶然的大肠杆菌采样，主要来自牲畜粪便。第二个站点位于Mākākahi河（Tararua地区），距离第一个站点21.5公里，是一个受农场影响较大的区域，周围以羊、牛和奶牛养殖为主，土地利用强度较高。

第三和第四站点分别位于Mākirikiri河和Mangatera河，这两个地点位于Dannevirke以南的地区，同样为农田和牧场影响下的环境，牧羊和牛养殖活动在这里非常普遍。第三站点位于Mākirikiri河附近，紧邻一片小型的本地森林，并且距离Mangatera河的汇流点约30米；第四站点则位于Mangatera河，距离汇流点约50米。

最后，第五个站点位于Waikato地区，那里是新西兰的一个重要奶牛养殖区域，拥有大约106万头奶牛，占全国奶牛数量的22.6%。该站点是一个人造湿地，旨在拦截和处理来自小范围（2.6公顷）密集放牧的地下排水水流，研究人员在这里从湿地的进水口、中部和出水口采集了大量环境样本。

除了这些环境样本，研究人员还从第二和第四站点采集了额外的水样，这些样本是由当地环境部门（地区委员会）工作人员在其常规水质监测中收集的。此外，在第5站点，研究团队在六次访问中采集了水、沉积物、土壤以及偶尔的粪便样本。

为了分析这些样本，研究人员使用了多种先进的技术手段。首先是通过基因测序技术来分析水样、沉积物、土壤和粪便中的大肠杆菌群落。具体来说，研究人员从环境样本中提取DNA，采用了Illumina MiSeq平台进行高通量测序，以此获得大肠杆菌基因组信息。研究人员使用了特定的PCR引物（gnd基因），这帮助他们高效地扩增和鉴定大肠杆菌的基因片段，进而建立每个样本的微生物群落结构。

接下来，研究人员利用生物信息学工具（如DADA2和Phyloseq包）对测序数据进行了处理，构建了微生物群落的分析表格。通过这些数据，研究人员可以清晰地看到大肠杆菌群落在不同站点的分布差异，并对其种类和数量进行统计分析。

数据分析的核心目标之一是了解土地利用类型、环境条件以及污染源对大肠杆菌群落的影响。为了更好地理解不同站点之间的差异，研究人员使用了主成分分析（PCA）来简化数据，并运用多重比较分析（PERMANOVA）评估不同站点间群落组成的差异。此外，研究还利用线性混合效应模型探讨了每个站点的大肠杆菌群落变化与土地利用、污染源以及其他环境变量之间的关系。

在研究过程中，科学家们还注意到湿地的独特作用。湿地的污染源虽然主要来自一些特定地方，比如某个牧场的排水系统，但湿地独特的环境条件却使得细菌种群在这里变得更加复杂。湿地的水流比较缓慢，水中的细菌有更多的时间在这里繁殖和积累，这可能使得湿地中的细菌种群比其他地方更为多样化。

此外，研究还揭示了一个有趣的现象：水中的大肠杆菌种类与动物粪便中的并不完全相同。科学家认为，水流把来自不同地方的污染混合在一起，从而使水中的细菌种类变得更加多样。而动物的肠道环境对细菌的生长也有限制，因此粪便中的大肠杆菌种类与水中的细菌种群相比，表现出一定的差异。

一坨坨亚洲象象的粪便~ 感觉一下。Linda摄。©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）

这项研究的意义，远不止于了解大肠杆菌的种类和分布，它为我们提供了许多宝贵的启示，尤其是在保护环境和管理水资源方面。科学家通过分析大肠杆菌的基因特征，一是能够准确判断污染源的来源，是来自人类的生活污水，还是来自牲畜的排泄物。这对政府和环保部门来说至关重要，因为它能帮助他们制定更加精准的污染治理方案，确保采取最有效的措施应对不同类型的污染。

大肠杆菌是肠道中常见的细菌，不仅存在于人类的肠道中，也存在于许多动物的肠道中，包括鸡。鸡在摄入被粪便污染的食物或水时，就可能感染上大肠杆菌。因此，鸡的粪便中携带大肠杆菌也是常见的。上图为农户家散养的鸡。摄影：Linda Wong ©绿会融媒·“海洋与湿地”（图文无关）

二是，传统的水质监测方法通常只关注水中大肠杆菌的总数量，而忽略了细菌种类和来源的重要性。通过这项研究，科学家们建议将基因分析方法纳入水质监测中，以更全面地评估水中的污染风险。这样一来，我们就能够更好地掌握水质的安全性，及时发现潜在的健康隐患。

除此之外，这个研究还提醒说，土地利用方式对环境微生物种群有着深远的影响。比如，把原本是森林的地方转变成农田，可能会增加粪便污染的风险。因此，如何合理规划土地利用，保护自然环境，减少污染源的排放，是必须认真考虑的问题。科学家们希望通过这项研究，能为土地规划和环境保护提供更多的科学依据，帮助我们在发展经济的同时，保持生态环境的平衡。

湿地往往位于河流、湖泊的下游，容易成为周边地区生活污水、农业废水和工业废水的汇集地。城镇居民的生活污水未经处理或处理不达标直接排入湿地的话，那么大量粪便中的病原菌、寄生虫卵等进入湿地水体。农田施用化肥、农药，以及牲畜养殖产生的粪便，通过雨水冲刷或地表径流进入湿地，导致水体富营养化，并引入大量病原微生物。摄：Linda ©绿会融媒·“海洋与湿地”（图文无关）

为了更加生动形象地说明问题，我们可以举个例子来理解。

这就像是你去郊外的小河边玩水，这条河流经过一个小村庄和几片农田。如果污染得不到控制，村庄的生活污水可能把人类粪便中的大肠杆菌带到水里，而农田的雨水径流又可能把牲畜粪便里的细菌带入河流。结果就是，这条本来清澈的小河变得污染严重，水中的细菌种类变得复杂多样，甚至可能有些细菌对人体有害。这项研究，让我们能够更加清晰地了解这些细菌的来源和分布，采取有效措施减少污染，保障水质安全。

再说到这项研究中的一个重要技术——基因测序。

在过去，研究大肠杆菌主要依赖实验室培养的方法，但这种方法存在一些缺点。最基本的是培养细菌，这就需要一定的时间，可能会错过一些稀有的细菌种类。第二，并不是所有的细菌都能在实验室中生长，这使得我们只能研究一部分细菌种类。不同种类的大肠杆菌在外观上很相似，传统的培养方法很难准确区分。而基因测序技术则不同，它可以直接从环境样本中提取DNA，快速识别出不同细菌的种类和数量。科学家们通过这种方法，发现了一些之前没有注意到的大肠杆菌种群，甚至还发现了与大肠杆菌相关的其他细菌，比如克雷伯菌和肠杆菌。

【阅读原文】环境中的微生物看似微不足道，却在无形中深刻影响着我们的生活。了解它们的分布规律和多样性，能帮助我们更好地保护环境和生态平衡。这项研究不仅揭示了大肠杆菌的复杂生态，还提醒我们关注土地利用对环境健康的影响。感兴趣的“海洋与湿地”（OceanWetlands）读者可以参看全文：

Cookson, A.L., Marshall, J.C., Biggs, P.J. et al. Impact of land-use and fecal contamination on Escherichia populations in environmental samples. Sci Rep 14, 32099 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-83594-y

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资讯源 | Scientific Reports
文 | 王海诗（Amphitrite Wong）

编辑 | Linda

排版 | 绿叶