南非城市河流危机：水质恶化、微生物污染负荷与公众健康风险的量化评估

本综述深入探讨了南非约翰内斯堡朱克斯凯河（Jukskei River）的水质状况与微生物污染对公众健康的潜在威胁。研究通过系统监测理化参数（pH、温度、总溶解固体TDS）及微生物指标（总大肠菌群TC、大肠杆菌E. coli），并采用培养法与实时荧光定量PCR（靶向invA、ipaH、toxR基因）定量检测沙门氏菌（Salmonella）、志贺氏菌（Shigella）和霍乱弧菌（Vibrio cholerae）。进一步通过β-Poisson剂量反应模型评估了宗教洗礼（摄入1 mL）、成人游泳（16 mL）及非成人游泳（37 mL）场景下的感染概率（Pi），揭示出高达25%的单次暴露感染风险，且非正规聚居区旁站点风险显著升高。研究强调需采取一体化健康（One Health）策略加强肠道病原体监测，改善水质管理并保护脆弱人群。

　　

研究背景与意义

河流在全球社会经济发展和生态平衡中扮演着关键角色，是饮用水源、农业灌溉、渔业及休闲活动的重要基础。然而，随着工业化、农业污染、气候变化及快速城市化的推进，全球水体质量面临严峻挑战，尤其在中低收入国家，城市河流常因未经处理的污水排放、化学废料泄漏及农业径流而严重退化。被污染的水体成为水性病原微生物的储存库和传播媒介，直接威胁公众健康。腹泻性疾病作为最常见的水源性相关疾病，每年导致数十万死亡，其中五岁以下儿童尤为脆弱。南非作为发展中国家，其城市河流污染问题突出，但现有病原体监测多集中于临床样本，对环境介质（如河水）的关注不足，难以全面评估和阻断传播链。

研究区域与方法

本研究以南非约翰内斯堡的朱克斯凯河为研究对象，该河流经布鲁玛湖、休闲公园、正规与非正规居住区及高尔夫庄园，最终汇入鳄鱼河并注入哈特比斯普特水库。为全面捕捉环境差异，研究在五个具有不同人口密度、开发程度和工业活动背景的站点（A-E）每月采集水样，持续12个月。站点C位于人口密集的城市非正规定居点，缺乏基础卫生设施；站点D为其下游约2公里处的郊区住宅区；站点E则位于15公里外的高尔夫庄园旁，资源及基础设施相对完善。

水样采集后，立即测定温度，并送至实验室分析pH和总溶解固体（TDS）。采用酶底物法（Quanti-Tray/2000系统）计数总大肠菌群（TC）和大肠杆菌（E. coli）。针对沙门氏菌、志贺氏菌和霍乱弧菌，通过膜过滤（0.45 μm）、选择性培养基（Brilliance Salmonella Agar、XLD、TCBS）分离培养，并基于典型菌落形态进行初步计数。为确认病原体，随机挑取 presumptive 菌落，通过煮沸法提取DNA，利用实时荧光定量PCR（real-time PCR）扩增沙门氏菌invA基因、志贺氏菌ipaH基因和霍乱弧菌toxR基因，以菌株ATCC 14028、ATCC 12022和NCTC 8021作为阳性对照。

健康风险评估模型

研究采用β-Poisson剂量反应模型评估三种暴露情景下因意外摄入河水导致的感染概率（Pi）：宗教全身浸礼洗礼中摄入1 mL、成人游泳（45分钟）摄入16 mL、非成人游泳摄入37 mL。剂量计算公式为：N = 摄入体积（mL） × 平均细菌计数（CFU/100 mL）/100。Pi计算基于公式：Pi = 1 – (1 + N/β)^–α，其中α和β为病原体特定参数（沙门氏菌：α=0.21，β=49.78；志贺氏菌：α=0.265，β=1480；霍乱弧菌：α=0.250，β=243）。年度累积感染风险则按每周暴露（n=52）计算：Pi_annual = 1 – (1 – Pi)ⁿ。

水质与微生物污染状况

河流整体pH介于7.02–7.56（均值7.29），温度在干季14–17°C、雨季19–22°C之间波动，TDS平均值为160 mg/L，各理化参数均符合南非水质指南（SAWQ） domestic use标准。然而，微生物污染极为严重：总大肠菌群数普遍超过2,000 CFU/100 mL，大肠杆菌数也远超400 CFU/100 mL，最高值出现在站点C和D（E. coli >1,700 CFU/100 mL），站点E因周边环境较好，污染水平相对较低。

所有站点均检出目标病原体，PCR确认阳性率为100%。沙门氏菌平均浓度为3.22–3.28 log CFU/100 mL，志贺氏菌为4.45–4.61 log CFU/100 mL，霍乱弧菌为0.73–3.27 log CFU/100 mL。志贺氏菌计数显著高于沙门氏菌，霍乱弧菌在雨季计数较高（3.44±1.92），干季较低（1.27±1.50），且季节间差异具有统计学意义（P=0.0001）。站点间比较显示，站点C和D的病原体浓度最高，站点E最低；统计差异显著（P<0.05），如沙门氏菌在站点C和E、B和C之间均存在显著不同。

感染风险估计

单次暴露于1 mL河水，感染概率（Pi）范围分别为：沙门氏菌2.57%–24.73%、志贺氏菌4.91%–15.99%、霍乱弧菌1.44%–19.50%。站点C风险最高，沙门氏菌Pi达24.73%。当摄入体积增加至16 mL（成人游泳）和37 mL（非成人游泳），多数站点Pi仍低于50%，但站点C的沙门氏菌和志贺氏菌Pi均超50%（成人：50.78%与51.33%；非成人：57.89%与60.58%）。

多次暴露（假设每年52周）显著抬升风险。即便只摄入1 mL，沙门氏菌年感染风险在站点C高达94%，志贺氏菌达100%；摄入37 mL时，多数站点Pi接近100%。霍乱弧菌的风险相对较低，但单次1 mL暴露Pi仍远超世界卫生组织（WHO）可接受风险阈值（0.01%），多次暴露后站点C的成人及非成人游泳者Pi升至79%–82%。

讨论与启示

朱克斯凯河的水质理化指标虽符合指南，但微生物污染程度极高，尤其是大肠杆菌和病原菌的检出，充分说明污水和粪便污染的严重性。这种污染主要源于老化基础设施导致的未经处理 sewage 排放、非正规定居点缺乏 sanitation 设施以及雨季洪水引发的溢流。与历史数据比较，该河pH呈现下降趋势（从2010年的8.30至本研究的7.29），温度则有所上升，反映气候变化及人为压力的叠加效应。

大肠杆菌作为粪便污染指示菌，其与病原菌的共存关系已被多项研究证实。本研究中站点C和D的高污染水平与人口密集、经济落后区域高度相关，站点E的较低污染则体现社会经济因素对环境质量的直接影响。志贺氏菌的高浓度（高于沙门氏菌）与其低感染剂量（10–100细胞）结合，尤其令人担忧，可能引发痢疾暴发。霍乱弧菌虽在南非非常见，但该河检出为其潜在传播提供条件，事实上2023年豪登省霍乱疫情中该河曾被疑为传播源之一。

量化微生物风险评估（QMRA）结果明确显示，当前河水使用方式（宗教洗礼、休闲游泳）均存在显著健康风险，且风险随暴露频率和摄入体积增加而加剧。这凸显出基础设施改进、水质管理优化和公共卫生干预的紧迫性，特别是在脆弱社区。研究局限性包括未开展流行病学调查 linking 环境病原体和临床病例，且培养法可能低估 viable but non-culturable（VBNC）病原体；未来需结合分子生物学技术（如viability PCR）和One Health框架，整合环境、临床及流行病学数据，实现更精准的风险评估和疾病防控。

结论

该研究首次系统量化了朱克斯凯河的微生物污染及其公众健康风险。河流虽理化指标达标，但微生物污染严重，特别是非正规定居点周边，感染风险极高。结果强调社会经济不平等、基础设施缺失对环境健康的影响，呼吁采取 targeted 干预措施改善水质，并推行一体化健康（One Health）监测策略，以预防水源性病原体传播，保障弱势群体健康。