《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Contrasting environmental drivers of Shiga toxin-producing
Escherichia coli (STEC) O157 and O26 serogroups in surface water and private groundwater supplies of a karst agricultural catchment in western Ireland
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研究区域：本研究在爱尔兰西部喀斯特黑河子集水区进行，该区域土壤排水良好且地下水补给迅速，促进了地表水与地下水之间的强连通性，并增加了地下水供应对微生物污染的脆弱性。研究焦点：这项为期一年的研究评估了产志贺毒素大肠杆菌（STEC）O157和O26血清群在地表水和
研究区域：本研究在爱尔兰西部喀斯特黑河子集水区进行，该区域土壤排水良好且地下水补给迅速，促进了地表水与地下水之间的强连通性，并增加了地下水供应对微生物污染的脆弱性。研究焦点：这项为期一年的研究评估了产志贺毒素大肠杆菌（STEC）O157和O26血清群在地表水和地下水井中的流行率及环境驱动因素，时间跨度为2023年5月至2024年5月。研究人员对19个站点（5个河流站点、14个地下水井）进行了每两周一次的采样。采用无富集低体积过滤结合定量聚合酶链反应（qPCR）检测O157和O26相关基因。通过逻辑回归识别气候和人为因素对STEC存在的预测作用。该区域的新水文见解：O157在58%的样品中被检出（地表水44%，地下水63%），而O26在27%的样品中被检出（地表水29%，地下水26%）。地下水中O157的存在与牛密度和降雨量呈正相关，与井深呈负相关，表明降水后病原体被动员并快速运输。相比之下，O26的存在与生活污水处理系统（DWWTS）密度呈正相关，与降雨量呈负相关，表明不同的污染途径。在地表水中，O157与牛密度增加和低流量相关，而O26与低降雨量相关。这些发现揭示了两种主要STEC血清群的不同驱动因素和运输途径，并为爱尔兰地表水和地下水系统中临床重要STEC污染的动态提供了新见解。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
产志贺毒素大肠杆菌（STEC）是一种重要的人畜共患病原体，可引起从轻度胃肠炎到溶血性尿毒综合征（HUS）等严重疾病。爱尔兰是欧洲STEC感染率最高的国家之一，2023年粗发病率为每10万人17.7例，远高于欧洲平均水平（3.2例/10万人）。其中O157和O26血清群是最常见的临床分离株，且具有不同的季节性高峰。爱尔兰农村地区约18.2万户家庭依赖未经监管的私用地下水井，这些水井多位于喀斯特含水层中。喀斯特地质具有薄土壤、裂隙和管道发育、快速补给等特点，导致地表水-地下水强连通性，微生物污染物可快速迁移且自然衰减有限。然而，目前对STEC血清群在地表水与地下水中的分布差异及其环境驱动因素的认识仍存在空白，尤其是针对不同血清群（O157与O26）的污染途径和风险因子缺乏系统比较。因此，研究人员开展了一项纵向集水区实地研究，旨在揭示O157和O26血清群相关基因在喀斯特农业集水区地表水和地下水中的出现规律，并评估水文气象、土地利用和基础设施因素对它们的影响。
**研究内容与结论**
研究人员在爱尔兰西部黑河子集水区（面积约200.82 km2）的19个站点（5个河流点、14个私用地下水井）进行了为期一年（2023年5月至2024年5月）的每两周一次采样，共收集471份水样。采用无富集低体积过滤和快速裂解方法（ELR）结合定量聚合酶链反应（qPCR）检测STEC O157（rfbE基因）和O26（wzx基因）血清群相关基因。通过Spearman等级相关分析、Mann-Whitney U检验和二元逻辑回归模型，识别与血清群存在相关的环境、水文气象和基础设施预测因子。研究得出以下主要结论：O157在58%的样品中被检出（地表水44%，地下水63%），而O26在27%的样品中被检出（地表水29%，地下水26%）。地下水中O157与牛密度和月降雨量呈正相关，与井深呈负相关；O26则与生活污水处理系统（DWWTS）密度呈正相关，与月降雨量呈负相关。地表水中O157与牛密度正相关、与河流流量负相关，O26与7天前期降雨量负相关。这些发现揭示了两种血清群截然不同的污染途径和驱动因素，为喀斯特地区水安全规划和公共卫生保护提供了重要依据。该论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》。
**主要关键技术方法**
本研究采用的关键技术方法包括：①无富集低体积过滤和快速裂解方法（ELR）结合定量聚合酶链反应（qPCR），用于直接检测水样中STEC O157（rfbE）和O26（wzx）血清群相关基因，无需富集培养；②Spearman等级相关分析，用于评估连续变量间的关联；③Mann-Whitney U检验和卡方检验，用于双变量假设检验，并采用Benjamini-Hochberg程序进行假发现率（FDR）校正；④二元逻辑回归模型，用于识别环境和水文气象因素对血清群检测的预测作用，变量选择基于内在敏感性指数（ISI）框架，并通过后向逐步排除法确定最终模型。样本队列来源为爱尔兰西部黑河子集水区的19个站点（5个河流点、14个私用地下水井），共471份样品。
**研究结果**
**3.1 井特征总结**
通过对14口地下水井的注册信息和现场检查，研究人员发现93%为钻孔井，仅一口为挖井。井深范围为6.9 m至250 m，43%的井口密封完好。多数井距离生活污水处理系统（DWWTS）超过15 m，但所有井均位于潜在污染源（如DWWTS或放牧牧场）50 m范围内，增加了污染风险。
**3.2 河流和地下水井中O157血清群基因的检测**
O157基因在58%的样品中检出，其中河流样品检出率为44%，地下水样品为63%。河流中O157基因拷贝数在7月下旬至8月初达到峰值（9.8×10?拷贝/反应），与创纪录的7月降雨（173 mm）相关。地下水中O157拷贝数在8月下旬开始上升，9月初达到峰值（7.64×10?拷贝/反应），比河流峰值晚约5周，且2月再次出现峰值，表明季节性降水事件驱动。
**3.3 河流和地下水井中O26血清群基因的检测**
O26基因在27%的样品中检出，河流样品检出率为29%，地下水样品为26%。河流中O26拷贝数在7月中旬达到峰值（3.58×10?拷贝/反应），并在2023年5月底至6月初的18天“绝对干旱”期间出现显著升高。地下水中O26拷贝数在研究初期（干旱期）较高，7月初达到峰值（7.72×10?拷贝/反应），此后在2024年1月至4月再次上升，表明干旱条件有利于O26的出现。
**3.4 与地表水STEC血清群检测相关的环境因素**
通过Spearman相关分析和Mann-Whitney U检验，研究人员发现地表水中O157和O26的存在与较高气温呈正相关，与降雨量、河流水位和流量呈负相关。O26与7天前期降雨量的负相关最为显著（U = -3.940, p = 0.003），表明低降雨条件有利于O26检测。
**3.5 地表水STEC血清群检测的回归模型**
二元逻辑回归模型显示，O157的存在与牛密度（OR = 1.001, p = 0.026）正相关，与平均河流流量（OR = 0.862, p = 0.013）负相关。O26的存在仅与7天前期降雨量（OR = 0.952, p < 0.001）负相关，模型分类准确率70.8%。
**3.6 与地下水STEC血清群检测相关的环境因素**
地下水中，O157与月降雨量（U = 3.165, p = 0.012）、牛密度（U = 4.096, p = 0.008）和羊密度（U = 2.465, p = 0.049）正相关，与人口密度（U = -4.342, p = 0.008）和井深（U = -4.169, p = 0.008）负相关。O26则与月降雨量（U = -3.781, p = 0.015）和7天前期降雨量（U = -2.574, p = 0.043）负相关，与DWWTS密度（U = 1.987, p = 0.088）和距化粪池距离（U = 4.316, p = 0.015）正相关。
**3.7 地下水STEC血清群检测的回归模型**
对于O157，最终模型包含牛密度（OR = 1.001, p = 0.001）、月降雨量（OR = 1.010, p = 0.019）和井深（OR = 0.973, p = 0.001），解释24.1%–33%的方差，分类准确率73.5%。对于O26，最终模型包含月降雨量（OR = 0.990, p = 0.023）、DWWTS数量（OR = 1.022, p = 0.042）和距化粪池距离（OR = 1.018, p < 0.001），解释8.8%–12.6%的方差，分类准确率75.4%，但对O26阳性样品的敏感性较低（24.6%）。
**讨论与结论**
讨论部分指出，地下水污染率（O157 73%，O26 26%）高于地表水（O157 44%，O26 29%），强调了饮用未经处理地下水的公共卫生风险。O157在地下水中的高检出率与牛密度和降雨正相关，与井深负相关，表明降水驱动的快速补给是喀斯特环境中O157迁移的主要途径；而O26与降雨负相关且与DWWTS密度正相关，提示干旱期优先流途径和人类污水来源是其主要驱动因素。这些发现与爱尔兰国家流行病学证据一致：O157感染与牛密度相关，O26感染与DWWTS密度相关。研究结果强调了在喀斯特地区加强井深设计、源头保护和针对不同血清群进行差异化监测的重要性。结论部分翻译如下：本研究提供了对爱尔兰西部集水区地下水和地表水中STEC O157和O26血清群时空动态的综合分析。结果表明，喀斯特地下水系统对微生物污染具有广泛脆弱性，且每个血清群具有不同的驱动因素：O157的出现与牛密度、前期降雨量和井深相关，而O26的出现主要与生活污水处理系统密度和低降雨条件下的优先流路径相关。这些发现强调了针对性监测、井设计和源头管理对于减轻私用水供应感染风险的重要性。通过阐明环境、气候和人为因素如何相互作用影响病原体存在，本研究为水安全规划、公共卫生保护以及开发预测框架以管理土地利用和气候条件变化下的污染风险提供了可操作见解。
