哥伦比亚安第斯高地地表水与废水宏基因组分析：解锁水质与健康风险密码

研究针对哥伦比亚安第斯高地 Pasto 河，分析其地表水和废水微生物多样性，发现多种病原体及耐药标记，为水质监测提供依据。

　　# 哥伦比亚安第斯高地地表水与废水宏基因组分析：守护水资源，洞察健康风险
水，作为生命之源，覆盖了地球约 71% 的表面，然而其中淡水仅占 2.5%。地表水作为淡水的重要组成部分，对人类发展和城市成长意义重大。但随着城市化、工业化以及农业活动的加剧，水污染问题愈发严峻。在许多发展中国家，有限的资源使得水源保护和处理面临重重困难，污水的肆意排放不仅破坏了生态环境，还导致了水源性疾病的传播，威胁着人类和动物的健康。

在哥伦比亚的纳里尼奥省，Pasto 河是当地的主要水源，为城市提供约 85% 的饮用水。然而，该地区被评估为水质风险中等，约 90% 的城市生活污水未经处理直接排入河中。此前，针对 Pasto 河的健康危害评估仅依赖传统微生物方法，难以全面揭示其微生物群落的真实面貌。为了填补这一空白，来自哥伦比亚多个研究机构以及美国西奈山伊坎医学院的研究人员开展了一项宏基因组分析研究，相关成果发表在《Current Microbiology》上。

研究人员运用了多种技术方法来深入探究 Pasto 河的水质状况。在样本采集方面，从 2022 年 8 月至 2023 年 3 月（排除 1 月），研究人员在 Pasto 河的上、中、下游三个位置（S1、S2、S3）采集了 50 份地表水样本，同时从 Juan XXIII 废水收集器（R4）采集了 50 份废水样本，共计 102 份样本。在样本处理和分析过程中，先对样本进行理化分析，检测包括 pH、温度、电导率、溶解氧等参数；接着通过实时聚合酶链式反应（PCR）检测水样中的贾第虫属（Giardia spp.）和隐孢子虫属（Cryptosporidium spp.）等原生动物病原体；然后对符合质量标准的样本进行宏基因组测序，通过生物信息学分析，鉴定微生物群落的分类和功能特征，包括识别致病和有益物种、抗生素耐药标记以及致病因子等。

研究结果

1. 理化参数监测：对地表水和废水样本的理化参数分析显示，仅电导率、溶解氧百分比、pH 和水温呈正态分布。废水的平均水温、环境温度、磷酸盐、悬浮固体、生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）均高于地表水，而亚硝酸盐在地表水中的平均含量更高。虽然部分参数在不同月份间无显著差异，但 pH 值在 3 月和 11 月存在明显变化。
2. 病原体检测：利用实时 PCR 技术，研究人员发现 75%（76/102）的样本中检测到 Giardia spp. 的 DNA，94%（96/102）的样本中检测到 Cryptosporidium spp. 的 DNA。不过，在特定月份，如 11 月、2 月和 3 月，部分样本未检测到 Giardia spp. 的 DNA 。
3. 水生微生物群落描述：通过宏基因组分析，在 74 份通过测序质量控制的样本中，超过 98% 的序列为细菌。在地表水样本中，主要的古菌物种为史氏甲烷短杆菌（Methanobrevibacter smithii）和海沼甲烷球菌（Methanococcus maripaludis），而废水样本中则以巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）为主。此外，样本中还检测到气单胞菌病毒 phiO18P 和多食棘阿米巴拟菌病毒，但未检测到原生动物和真菌相关序列。
4. 细菌家族动态的时间分析：研究人员对不同采样点的优势细菌家族进行分析发现，S3 和 R4 采样点的细菌家族组成在不同月份存在显著差异。例如，在 S3 点，拟杆菌科（Bacteroidaceae）、红环菌科（Rhodocyclaceae）和假单胞菌科（Pseudomonadaceae）等家族在不同月份的丰度变化明显；在 R4 点，多个细菌家族，如 Bacteroidaceae、伯克霍尔德菌科（Burkholderiaceae）、弯曲菌科（Campylobacteraceae）等，在不同月份的丰度也呈现出显著变化。
5. 具有致病和有益特征的丰富细菌物种：研究鉴定出了多种具有潜在致病性的细菌物种，如解纤维素拟杆菌（Bacteroides cellulosilyticus）、鸟氨酸拉乌尔菌（Raoultella ornithinolytica）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）等，其中嗜水气单胞菌（Aeromonas media）最为丰富。同时，也发现了一些有益细菌，如 Thauera sp. MZ1T 和反硝化 Alicycliphilus denitrificans 等。
6. 宏基因组组装和分类学鉴定：通过宏基因组组装，研究人员获得了 270 个高质量的宏基因组组装基因组（MAGs），其中 175 个在物种水平上进行了分类学鉴定，涉及 16 种细菌，包括约翰逊不动杆菌（Acinetobacter johnsonii）、纺锤形巨单胞菌（Megamonas funiformis）和普通拟杆菌（Phocaeicola vulgatus）等。
7. 与健康相关的分子标记的相对丰度：通过与相关数据库比对，研究人员发现废水中与四环素、氨基糖苷类和大环内酯类抗生素耐药相关的分子标记最为常见；地表水中则以氨基糖苷类和四环素耐药标记为主，同时在 S1 和 S3 点还频繁检测到磺胺类耐药标记。此外，研究还鉴定出了一些与致病因子相关的分子标记，在废水和地表水中的分布有所不同。

研究结论与讨论

该研究通过对 Pasto 河地表水和废水的综合分析，揭示了其中复杂的微生物群落结构和功能特征。理化分析结果表明，地表水受到农业污染的影响，而废水则受到生活、医院和雨水等多种污染源的污染。原生动物病原体的广泛存在，凸显了地表水再利用的潜在风险。优势细菌家族在不同采样点和月份的动态变化，反映了环境因素对微生物群落的影响。

研究中鉴定出的多种致病和有益细菌，以及丰富的抗生素耐药标记和致病因子，为评估水质和潜在健康风险提供了重要依据。例如，一些具有潜在致病性的细菌，可能会引发人类和动物的疾病；而抗生素耐药标记的存在，暗示了抗生素在环境中的滥用和耐药基因的传播风险。

此外，宏基因组组装技术的应用，使得研究人员能够发现一些之前未知的微生物物种，进一步丰富了对水生微生物群落的认识。然而，研究也存在一定的局限性，如对真核生物群落的研究相对较少，需要进一步提高测序数据量以深入了解其组成和功能。

总体而言，这项研究为 Pasto 河的水质监测和管理提供了重要的数据支持，强调了持续监测这一重要水资源的必要性。同时，也为其他地区的类似研究提供了参考，有助于推动全球水资源保护和公共健康事业的发展。未来研究可以进一步结合多种技术手段，深入探究微生物群落的动态变化及其与环境因素的相互作用，为制定更加有效的水资源管理策略提供科学依据。