《Journal of Environmental Management》：Linking fluorescence signatures of dissolved organic matter to fecal contamination dynamics: A rapid assessment strategy for urban river systems
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该研究整合荧光定量PCR、三维激发发射矩阵荧光光谱及平行因子分析，评估了庐溪河流域粪便污染及溶解有机质（DOM）的时空分布规律。结果显示：人类关联的Bacteroidales（BacHum）和病毒标志物（CPQ_064）在洪水季节下游浓度显著升高（p<0.001），且与色氨酸类似DOM组分高度相关（p<0.001）。微宇宙实验证实色氨酸类似DOM占粪源DOM的62.4%，验证了其作为粪便污染快速检测指标的有效性，检测成本和时间分别降低90%和96%。该成果为城市河流污染实时监测提供了技术框架。
Kai Jiang|Changdong Ke|Liping Wang|Penghui Li|Liping Xiao|Yongjie Wu|Yang Zhang|Yueqian Wu|Kaiming Li|Bixian Mai|Renren Wu
中华人民共和国生态环境部华南环境科学研究院生态环境部水环境模拟与污染控制重点实验室，中国广州，510535
摘要
传统的粪便污染评估方法速度较慢，无法实现快速响应。本研究结合了荧光定量聚合酶链反应（qPCR）、三维激发发射矩阵荧光光谱（3D-EEM）和并行因子分析（PARAFAC），对中国的流溪河流域的粪便污染和溶解有机物（DOM）进行了研究。结果表明，与人类相关的Bacteroidales标记物（BacHum）和噬菌体标记物（CPQ_064）在污染模式中占主导地位，表现出强烈的空间-季节性变化，在雨季下游浓度显著升高（p < 0.001）。值得注意的是，这些标记物与类色氨酸DOM成分之间存在显著的相关性（p < 0.001），表明类色氨酸成分与粪便污染标记物之间存在共现性和共同的环境行为。微宇宙实验进一步证实了类色氨酸成分与人类相关粪便标记物（BacHum和CPQ_064）之间的显著正相关性（p < 0.001），类色氨酸DOM成分占粪便来源DOM的62.40%。这验证了类色氨酸荧光作为粪便污染的经济有效指标的可行性，可将分析成本降低90%（从2.00美元/样本降至0.20美元/样本），时间缩短96%（从6小时降至15分钟/样本）。此外，一阶（BacHum）和双相（CPQ_064）衰减模型进一步阐明了这些标记物在水环境中的持久性。这些结果强化了DOM荧光特征作为粪便污染动态快速指标的地位，并有助于进一步推断水体中粪便污染的主要来源。本研究为实时污染监测提供了可现场应用的框架，从而为城市河流系统中的针对性治理策略提供了支持。
引言
粪便污染对全球公共卫生、生态环境和经济造成了严重负担，因为粪便中含有多种污染物，包括病原体、营养物质和抗生素。根据联合国的数据，全球至少有18亿人使用受粪便污染的饮用水源，这给饮用水安全带来了最大风险，导致腹泻、急性胃肠炎、痢疾和伤寒等肠道疾病（Hart等人，2023年）。粪便污染还会因贝类捕捞区和娱乐区的关闭而造成经济损失。据估计，美国因娱乐用水暴露引起的肠道疾病每年造成1220美元（USD）的损失，总计22-37亿美元（Hou等人，2024年）。此外，未经处理或处理不当的粪便富含氮和磷等营养物质，导致水体富营养化，危及生态系统和人类健康（Tyre等人，2023年）。因此，控制和管理粪便污染对于有效缓解水污染至关重要。
水中的粪便污染来源多种多样，包括污水处理系统不足、农业径流和畜牧业活动（Liu等人，2024年；Shanks等人，2024年）。传统上，通过使用替代指示生物来评估水中的粪便污染（Zhang等人，2020b）。监测粪便指示菌（FIB），尤其是大肠杆菌（E. coli）和粪便大肠菌群，已成为评估水中粪便污染的重要指标（Ahmed等人，2024年；Hou等人，2024年），但该过程耗时较长（>18小时）且劳动强度大，因为需要培养，这使得其在环境监测中的应用受到限制（Caruso等人，2016年；Savichtcheva和Okabe，2006年），而污染事件中的及时干预至关重要。近年来，粪便污染标记物受到了广泛关注，可用于评估水中的粪便污染，识别污染源并评估相关健康风险（Brown等人，2017年；Jiang等人，2025年），并已广泛应用于流域管理、水资源健康风险评估和废水监测（Ahmed等人，2024年；Brandt等人，2025年）。然而，粪便污染标记物的分析基于定量荧光聚合酶链反应（qPCR），需要受过良好培训的操作人员在无菌设备和试剂条件下进行实验，而这些条件并不总是容易获得，从而阻碍了粪便污染的快速评估（Liu等人，2024年）。因此，需要一种易于使用的技术来实现水中的粪便污染实时检测。
目前，三维激发发射矩阵荧光光谱（3D-EEM）因其高灵敏度和选择性而被视为一种潜在的替代方法，可用于追踪溶解有机物（DOM）的荧光特征（Liu等人，2024年）。这些观察结果基于类色氨酸荧光与易降解有机碳和微生物活动之间的正相关性（Ward等人，2021年）。类色氨酸荧光通常用于测量具有与氨基酸色氨酸相似荧光特性的芳香族和蛋白质化合物的丰度，长期以来一直被视为淡水环境中废水和生物活动的指标（Baker，2001年；Carstea等人，2016年）。例如，Sorensen等人（2018a，2015a）使用类色氨酸荧光作为耐热（粪便）大肠菌群的指示物来检测受粪便污染的饮用水。重要的是，针对类色氨酸荧光的便携式荧光仪在实地应用中显示出巨大潜力（Biggs等人，2025年；Harrison等人，2024年；Mladenov等人，2024年），可作为耐热（粪便）大肠菌群（Baker等人，2015年；Sorensen等人，2015a）和肠道病原体（Sorensen等人，2015b）的实时指示物。然而，现有研究基于检测环境样本中的类色氨酸成分，这些成分可能来自各种来源，包括外部和内部来源（Sorensen等人，2015a，2018a；Ward等人，2021年），因此需要进一步探索类色氨酸荧光作为粪便污染指示物的准确性。
流溪河被认为是中国广州的“母亲河”，全长157公里，流经从化、花都和白云三个区。流溪河位于广东省中南部，属于海洋性亚热带季风气候区。该地区的年平均降雨量超过1800毫米，降雨主要集中在4月至8月的雨季，占年降雨量的80%以上。每年11月至2月为旱季。流溪河是广州重要的备用水源和生态屏障。本研究使用qPCR和3D-EEM结合并行因子分析（PARAFAC），研究了雨季和旱季流溪河流域的粪便污染标记物和DOM，并进一步探讨了粪便污染标记物、DOM与水质参数之间的相关性。然后，通过模拟水体中的粪便污染，研究了粪便污染标记物和DOM的衰减率，并探讨了它们之间的相关性。本研究验证了使用类色氨酸荧光作为水中粪便污染预检测指标的可行性，为水污染控制和管理提供了理论指导。
研究地点和样本采集
根据流域的地理位置和土地利用类型，本研究设置了七个主要采样点（图1）。详细的纬度和经度数据见表S1。站点1、2和3受人为影响较小，被归类为上游地区，其余站点被归类为下游地区。由于粪便污染和DOM都受降雨量影响较大，因此在水流的两个不同阶段采集了水样
流溪河流域粪便污染的时空动态
与人类相关的标记物（?BacHum?和?CPQ_064?）的检测浓度分别为3.85 ± 0.60和2.74 ± 0.86 Log10基因拷贝（GC）/100毫升（图2），而非人类宿主标记物（Pig-1-Bac、Rum-2-Bac、GFD）未被检测到。这一未检测到信号的现象强烈表明，在本研究中，人类来源是流溪河粪便污染的主要贡献者，这与先前关于人为影响流域中人类粪便输入占主导地位的研究结果一致（Derx
结论
本研究证实了类色氨酸荧光作为河流系统中粪便污染的快速、可现场应用的替代指标的可行性，规避了传统基于指示物的方法的物流限制。通过将MST（BacHum和CPQ_064）与PARAFAC衍生的DOM成分相结合，我们证明了类色氨酸荧光与人类相关标记物之间存在强烈且一致的相关性（R2：0.84–0.93，p < 0.001），无论是在野外调查还是受控微宇宙实验中。
CRediT作者贡献声明
Kai Jiang：撰写——初稿，软件开发，概念构思。Changdong Ke：撰写——审稿与编辑，监督，资源提供，概念构思。Liping Wang：撰写——审稿与编辑，软件开发，概念构思。Penghui Li：数据可视化，验证。Liping Xiao：数据可视化，验证。Yongjie Wu：验证，数据分析。Yang Zhang：数据分析。Yueqian Wu：验证，数据分析。Kaiming Li：撰写——审稿与编辑。Bixian Mai：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42407366）、中国博士后科学基金（编号：2024M752163）以及中央公益性科研机构基础专项研究（编号：PM-zx703-202406-165、PM-zx703-202406-236、PM-zx097-202506-199）的支持。
