“看不見的污染”——大腸桿菌如何揭示環(huán)境健康？

我們都知道水源是生命之源，但你有沒有想過，水里的微生物，特別是大腸桿菌，其實能告訴我們很多關(guān)于水質(zhì)和環(huán)境健康的信息？

最近有一項科學(xué)研究，仔細(xì)研究了不同土地利用方式（比如森林、農(nóng)田或濕地）和糞便污染（來自人類、牲畜或野生動物的糞便）對環(huán)境中大腸桿菌種群的影響。

這聽起來可能有點專業(yè)，但其實研究內(nèi)容和我們每個人的日常生活都息息相關(guān)，比如喝的水是否干凈，去河邊玩水會不會被污染影響等等。

保護(hù)環(huán)境和關(guān)注健康是當(dāng)今社會的重要課題，而微生物作為環(huán)境中的“隱形居民”，與我們的生活息息相關(guān)?！昂Ｑ笈c濕地”（OceanWetlands）小編注意到，2024年12月30日由新西蘭科學(xué)家發(fā)表在《科學(xué)報告》上的這個研究，它揭示了土地利用方式和糞便污染如何影響環(huán)境中大腸桿菌的種群分布和多樣性。這項研究不僅幫助我們更好地了解環(huán)境污染的成因，還為制定科學(xué)的土地管理措施提供了依據(jù)。

水質(zhì)污染監(jiān)測對于保障生態(tài)環(huán)境和人類健康具有重要意義。通過定期的水質(zhì)監(jiān)測，我們可以了解水體的污染狀況，及時發(fā)現(xiàn)并解決水質(zhì)問題，評估環(huán)境保護(hù)措施的效果，為水資源的合理利用和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。此外，水質(zhì)監(jiān)測還可以為環(huán)境管理、環(huán)境科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)和資料，幫助我們更好地理解水污染的來源、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，并預(yù)測水體污染的變化趨勢。攝影：Linda Wong?綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

大腸桿菌到底是什么？

大腸桿菌是一種我們腸道里常見的細(xì)菌，大部分是無害的，但有些特定的種類會引起腹瀉、感染甚至更嚴(yán)重的疾病。

大腸桿菌是一種常見于溫血動物腸道中的細(xì)菌，尤其是人類的大腸。雖然大多數(shù)的大腸桿菌對人體無害，甚至有助于消化，但有些菌株卻能產(chǎn)生毒素，導(dǎo)致嚴(yán)重的食源性疾病。這些致病菌株通常通過污染的食物或水傳播，引起腹瀉、嘔吐等癥狀。大腸桿菌是糞便污染的指示菌，常用于檢測水源和食品的衛(wèi)生狀況。由于生長迅速、易于培養(yǎng)，大腸桿菌被廣泛應(yīng)用于生物學(xué)研究，是遺傳學(xué)研究的模式生物。一些經(jīng)過改造的大腸桿菌菌株可以生產(chǎn)胰島素、生長激素等重要的生物制品。上圖是大腸桿菌的模型，Linda Wong攝于中國科技館。?綠會融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）

科學(xué)家們一直把大腸桿菌當(dāng)成一種**“指示細(xì)菌”**，也就是說，發(fā)現(xiàn)它的地方很可能有糞便污染。但問題是，大腸桿菌的來源可能很復(fù)雜，比如來自人類、家畜或者野生動物的糞便，這些不同來源會影響環(huán)境里的細(xì)菌種群和污染情況。

過去，科學(xué)家主要通過培養(yǎng)大腸桿菌的方式來研究它們，但這種方法既費時、又可能遺漏一些不容易培養(yǎng)的種類。

于是，這項新研究就采用了更先進(jìn)的“元條形碼技術(shù)”（Metabarcoding），用一種基因測序的方法來更全面地分析環(huán)境樣本中的細(xì)菌種群。

這項研究的主要目的，是為了了解環(huán)境中大腸桿菌的種類和數(shù)量是如何受到不同土地利用方式的影響，尤其是糞便污染對大腸桿菌的分布和變化有什么作用。

為了開展這項研究，科學(xué)家們選擇了幾個具有代表性的地點進(jìn)行采樣，收集了水、土壤、沉積物以及動物糞便等樣本。這些地點分為**“低影響區(qū)”和“高影響區(qū)”**兩類。

**“低影響區(qū)”指的是那些人類活動較少的區(qū)域，比如原始森林。而“高影響區(qū)”**則是那些人類活動頻繁的地方，比如農(nóng)田、牧場或者城市周圍的地區(qū)，這些地方經(jīng)常有牲畜糞便或者人類生活污水的排放。

這個研究的結(jié)果顯示，不同地點的大腸桿菌種類和數(shù)量有著顯著的差異。在像原始森林這樣的**“低影響區(qū)”**，水體和土壤中的大腸桿菌種類較少，且污染水平較低。大腸桿菌的主要來源是自然界中的野生動物。這里的環(huán)境相對安靜，細(xì)菌種群比較單一，污染源也比較單純。

與此相對，在農(nóng)田和牧場這些**“高影響區(qū)”**，大腸桿菌的種類要豐富得多，且來源復(fù)雜多樣。除了來自牲畜糞便的污染外，農(nóng)業(yè)用水的排放，甚至城市污水的流入，也讓這些區(qū)域的大腸桿菌種群變得更加復(fù)雜。例如，某個牧場里的牛群糞便可能只含有幾種大腸桿菌，但當(dāng)這些糞便通過水流進(jìn)入河流后，與其他農(nóng)場的污染混合，水中的細(xì)菌種群就會變得五花八門，十分復(fù)雜。

【研究方法】

這項研究的目的是深入了解不同環(huán)境樣本中大腸桿菌種群的多樣性，特別是在不同土地利用類型和污染源之間的變化。研究的采樣地點分布在新西蘭北島的五個不同位置，采樣時間跨度為2017年8月~2018年6月，共進(jìn)行五到六次采樣。實施過程及其方法是這樣的：

這個研究的采樣地點涵蓋了多種不同的環(huán)境背景，其中四個站點位于Manawatū河流域。第一個站點位于Pūkaha Mount Bruce原始森林中，森林的面積達(dá)到942公頃，是一個以原生生物多樣性為核心的保護(hù)區(qū)。這個區(qū)域內(nèi)沒有本地和引入的水鳥，但在一個臨近并且被圍欄圍住的牧場中，研究人員進(jìn)行過偶然的大腸桿菌采樣，主要來自牲畜糞便。第二個站點位于Mākākahi河（Tararua地區(qū)），距離第一個站點21.5公里，是一個受農(nóng)場影響較大的區(qū)域，周圍以羊、牛和奶牛養(yǎng)殖為主，土地利用強(qiáng)度較高。

第三和第四站點分別位于Mākirikiri河和Mangatera河，這兩個地點位于Dannevirke以南的地區(qū)，同樣為農(nóng)田和牧場影響下的環(huán)境，牧羊和牛養(yǎng)殖活動在這里非常普遍。第三站點位于Mākirikiri河附近，緊鄰一片小型的本地森林，并且距離Mangatera河的匯流點約30米；第四站點則位于Mangatera河，距離匯流點約50米。

最后，第五個站點位于Waikato地區(qū)，那里是新西蘭的一個重要奶牛養(yǎng)殖區(qū)域，擁有大約106萬頭奶牛，占全國奶牛數(shù)量的22.6%。該站點是一個人造濕地，旨在攔截和處理來自小范圍（2.6公頃）密集放牧的地下排水水流，研究人員在這里從濕地的進(jìn)水口、中部和出水口采集了大量環(huán)境樣本。

除了這些環(huán)境樣本，研究人員還從第二和第四站點采集了額外的水樣，這些樣本是由當(dāng)?shù)丨h(huán)境部門（地區(qū)委員會）工作人員在其常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測中收集的。此外，在第5站點，研究團(tuán)隊在六次訪問中采集了水、沉積物、土壤以及偶爾的糞便樣本。

為了分析這些樣本，研究人員使用了多種先進(jìn)的技術(shù)手段。首先是通過基因測序技術(shù)來分析水樣、沉積物、土壤和糞便中的大腸桿菌群落。具體來說，研究人員從環(huán)境樣本中提取DNA，采用了Illumina MiSeq平臺進(jìn)行高通量測序，以此獲得大腸桿菌基因組信息。研究人員使用了特定的PCR引物（gnd基因），這幫助他們高效地擴(kuò)增和鑒定大腸桿菌的基因片段，進(jìn)而建立每個樣本的微生物群落結(jié)構(gòu)。

接下來，研究人員利用生物信息學(xué)工具（如DADA2和Phyloseq包）對測序數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，構(gòu)建了微生物群落的分析表格。通過這些數(shù)據(jù)，研究人員可以清晰地看到大腸桿菌群落在不同站點的分布差異，并對其種類和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析。

數(shù)據(jù)分析的核心目標(biāo)之一是了解土地利用類型、環(huán)境條件以及污染源對大腸桿菌群落的影響。為了更好地理解不同站點之間的差異，研究人員使用了主成分分析（PCA）來簡化數(shù)據(jù)，并運用多重比較分析（PERMANOVA）評估不同站點間群落組成的差異。此外，研究還利用線性混合效應(yīng)模型探討了每個站點的大腸桿菌群落變化與土地利用、污染源以及其他環(huán)境變量之間的關(guān)系。

在研究過程中，科學(xué)家們還注意到濕地的獨特作用。濕地的污染源雖然主要來自一些特定地方，比如某個牧場的排水系統(tǒng)，但濕地獨特的環(huán)境條件卻使得細(xì)菌種群在這里變得更加復(fù)雜。濕地的水流比較緩慢，水中的細(xì)菌有更多的時間在這里繁殖和積累，這可能使得濕地中的細(xì)菌種群比其他地方更為多樣化。

此外，研究還揭示了一個有趣的現(xiàn)象：水中的大腸桿菌種類與動物糞便中的并不完全相同?？茖W(xué)家認(rèn)為，水流把來自不同地方的污染混合在一起，從而使水中的細(xì)菌種類變得更加多樣。而動物的腸道環(huán)境對細(xì)菌的生長也有限制，因此糞便中的大腸桿菌種類與水中的細(xì)菌種群相比，表現(xiàn)出一定的差異。

大腸桿菌的種類和分布，它為我們提供了許多寶貴的啟示，尤其是在保護(hù)環(huán)境和管理水資源方面?？茖W(xué)家通過分析大腸桿菌的基因特征，一是能夠準(zhǔn)確判斷污染源的來源，是來自人類的生活污水，還是來自牲畜的排泄物。這對政府和環(huán)保部門來說至關(guān)重要，因為它能幫助他們制定更加精準(zhǔn)的污染治理方案，確保采取最有效的措施應(yīng)對不同類型的污染。

二是，傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測方法通常只關(guān)注水中大腸桿菌的總數(shù)量，而忽略了****細(xì)菌種類和來源的重要性。通過這項研究，科學(xué)家們建議將基因分析方法納入水質(zhì)監(jiān)測中，以更全面地評估水中的污染風(fēng)險。這樣一來，我們就能夠更好地掌握水質(zhì)的安全性，及時發(fā)現(xiàn)潛在的健康隱患。

除此之外，這個研究還提醒說，土地利用方式對環(huán)境微生物種群有著深遠(yuǎn)的影響。比如，把原本是森林的地方轉(zhuǎn)變成農(nóng)田，可能會增加糞便污染的風(fēng)險。因此，如何合理規(guī)劃土地利用，保護(hù)自然環(huán)境，減少污染源的排放，是必須認(rèn)真考慮的問題?？茖W(xué)家們希望通過這項研究，能為土地規(guī)劃和環(huán)境保護(hù)提供更多的科學(xué)依據(jù)，幫助我們在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時，保持生態(tài)環(huán)境的平衡。

為了更加生動形象地說明問題，我們可以舉個例子來理解。

這就像是你去郊外的小河邊玩水，這條河流經(jīng)過一個小村莊和幾片農(nóng)田。如果污染得不到控制，村莊的生活污水可能把人類糞便中的大腸桿菌帶到水里，而農(nóng)田的雨水徑流又可能把牲畜糞便里的細(xì)菌帶入河流。結(jié)果就是，這條本來清澈的小河變得污染嚴(yán)重，水中的細(xì)菌種類變得復(fù)雜多樣，甚至可能有些細(xì)菌對人體有害。這項研究，讓我們能夠更加清晰地了解這些細(xì)菌的來源和分布，采取有效措施減少污染，保障水質(zhì)安全。

再說到這項研究中的一個重要技術(shù)——基因測序。

在過去，研究大腸桿菌主要依賴實驗室培養(yǎng)的方法，但這種方法存在一些缺點。最基本的是培養(yǎng)細(xì)菌，這就需要一定的時間，可能會錯過一些稀有的細(xì)菌種類。第二，并不是所有的細(xì)菌都能在實驗室中生長，這使得我們只能研究一部分細(xì)菌種類。不同種類的大腸桿菌在外觀上很相似，傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法很難準(zhǔn)確區(qū)分。而基因測序技術(shù)則不同，它可以直接從環(huán)境樣本中提取DNA，快速識別出不同細(xì)菌的種類和數(shù)量?？茖W(xué)家們通過這種方法，發(fā)現(xiàn)了一些之前沒有注意到的大腸桿菌種群，甚至還發(fā)現(xiàn)了與大腸桿菌相關(guān)的其他細(xì)菌，比如克雷伯菌和腸桿菌。

資訊源 | Scientific Reports
文 | 王海詩（Amphitrite Wong）編輯 | Linda
排版 | 綠葉
參考資料略