将微生物来源追踪与粪便指示菌监测相结合，可提升热带岛屿流域的水质评估水平

《Water Research》：Integrating microbial source tracking with fecal indicator bacteria monitoring improves water quality assessment in tropical island watersheds

　　

摘要

本研究对美属萨摩亚五个流域的50份土壤样本和41份溪流水样本进行了检测，检测内容包括FIB（肠球菌、大肠杆菌、产气荚膜梭菌）以及四种MST标记物（人类CrAssphage和HF183、犬类BacCan-UCD以及猪类Pig-2-Bac）。在美属萨摩亚，80.48%的溪流样本未能达到针对肠球菌和大肠杆菌的微生物水质标准，65.9%的样本也未达标。那些未达标的样本中，有81.8%和77.8%没有检测到与人类或动物相关的标记物。尽管所有流域都检测到了较高的FIB水平，但与人类相关的标记物仅在中等污染程度和严重污染程度的流域中被发现。在土壤样本中，94%检测到了肠球菌，92.0%检测到了大肠杆菌，其浓度平均值分别为954 MPN/克和1375 MPN/克。土壤样本中未检测到与人类相关的标记物，但有4%的样本检测到了与动物相关的标记物。通过对37份动物粪便样本的分析，除犬类标记物的特异性较低（41%）外，其他所有MST标记物都具有较高的敏感性和特异性。土壤和溪流水样本中较高的FIB水平以及有限的MST标记物检测结果表明，自然形成的土壤群落很可能是美属萨摩亚溪流中FIB的主要来源。将FIB与MST标记物结合使用，可以为热带地区的水质评估提供更可靠的框架，帮助管理者区分自然存在的背景FIB与真正的粪便污染，从而让监管措施和基础设施管理更好地符合公共卫生风险状况。

引言

水和土壤的粪便污染是全球范围内普遍存在的问题，会对公共卫生、生态系统完整性以及环境健康造成直接影响（Holcomb & Stewart, 2020; Li et al., 2021）。人类和动物的粪便会带来多种微生物群，其中包括可能威胁人类和环境健康的病原体（Cabral, 2010; Lee et al., 2011; Delahoy, et al., 2018）。这类污染既来自基础设施损坏、污水系统故障、化粪池泄漏等点源，也来自农业径流、牲畜废物、雨水排放等非点源（Dila et al., 2018; Napier et al., 2018; Paruch et al., 2019）。这些粪便污染物不仅会降低饮用水和娱乐用水的质量，还会损害淡水及沿海生态系统的生态功能（Graciaa et al., 2018; Paruch et al., 2019; Shah et al., 2011, Viau et al., 2011）。虽然这是全球性问题，但在美属萨摩亚这类水资源处理手段和替代水源都很有限的小岛国家，粪便污染带来的挑战更为严峻。

粪便污染所带来的健康风险通常是通过检测粪便指示菌来评估的，这类细菌包括总大肠菌群、粪大肠菌群、大肠杆菌以及肠球菌（Edge & Boehm, 2010; Holcomb et al., 2020; Goshu et al., 2021）。在夏威夷，产气荚膜梭菌曾被用作污水追踪指标，用于评估娱乐用水质量，进而提升水质检测的准确性（Fujioka & Shizumura, 1985; HIDOH 2014; Miller-Pierce & Rhoads, 2019）。由于直接量化病原体存在时间和成本上的限制，FIB可作为肠道病原体的替代指标（Harwood et al., 2014; Holcomb et al., 2020; Li et al., 2021）。不过，理论上FIB浓度应当能够反映肠道病原体带来的健康风险（USEPA, 2012），但在热带地区这种关联性一直存在争议（Fujioka et al., 2015）。

在热带环境中，较高的温度、充足的湿度以及富含有机质的土壤，可能会促使FIB在宿主肠道外持续存活并重新生长（Hardina & Fujioka, 1991; Fujioka et al., 1988; Roll & Fujioka et al., 1997; WRRC, 2003; Wiegner et al., 2017），这就会削弱FIB与肠道病原体之间的关联，进而影响其作为健康风险指标的可靠性（Byappanahalli et al., 2012; Fujioka et al., 2015）。因此，在热带海滩地区，即便肠道病原体的风险并不高，也可能因为FIB浓度升高而发布警示或关闭水域。此外，如果土壤中本身就存在较高水平的天然FIB，也会妨碍污染治理工作的开展。

为了更好地管理热带环境中的水质，有必要采用诸如微生物来源追踪这样的辅助方法，以便准确识别污染源（Harwood et al., 2010; Fu et al., 2014; Harwood et al., 2014; Gitter et al., 2020）。微生物来源追踪是一组用于识别和区分环境中粪便污染来源的分子检测方法（Scott et al., 2002; Simpson et al., 2002; Ballesté et al., 2010）。虽然存在多种微生物来源追踪方法（Sinton et al., 1998; Santo Domingo et al., 2002; Scott et al., 2002），但人们通常会使用可通过qPCR检测和定量的与宿主相关的遗传标记物，来判断污染是来自人类、家畜、野生动物还是其他动物（Stoeckel et al., 2007; Hundesa et al., 2009; Harwood et al., 2014; Hill et al., 2023）。虽然微生物来源追踪无法直接确定土壤是否为包含FIB在内的微生物污染的来源，但它能在排除人类和动物污染源方面发挥重要作用。

将微生物来源追踪与传统的FIB监测相结合，能够带来双重优势（Harwood et al., 2010; Nguyen et al., 2018）。FIB可以判断粪便污染的程度以及可能带来的风险，而微生物来源追踪则能确定污染的来源是人类、家畜还是野生动物（Bradshaw et al., 2016; Devane et al., 2020）。这一综合框架有助于环境管理者和公共卫生部门制定更有针对性的治理措施，比如修复污水管道、改进化粪系统，或是更有效地管理动物废物（Kinzelman et al., 2011; Nguyen et al., 2018; Li et al., 2021）。从理论上讲，微生物来源追踪还可以根据污染来源对不同流域进行分类，从而制定与这些来源及其对应的健康风险相匹配的水质标准。

美属萨摩亚是美国在南太平洋的未建制领土，这里地形独特、陆地面积有限，年降水量高，陆地、淡水和海洋环境之间存在着紧密的水文联系（Comeros-Raynal et al., 2017）。大部分人口集中在图图伊拉岛上，那里84.3%的家庭依赖地下水，同时也有一些家庭使用未经处理或经过处理的溪流水以及雨水收集的水源（AS DOC, 2025）。当地的地理和气候条件有利于污染物在流域内快速传播，使得粪便物质更容易从陆地流入溪流、泻湖以及近海海洋生态系统，从而威胁公众健康、当地的文化传统，以及与清澈的溪流和沿海环境密切相关的旅游业和渔业等经济产业。

尽管人们越来越意识到FIB作为热带地区水质指标的局限性，但在水生和陆地环境中同时结合FIB检测与宿主相关微生物来源追踪标记物检测的工作仍然十分有限。为此，我们分析了美属萨摩亚不同类型流域的地表水及土壤样本中的FIB和微生物来源追踪标记物，试图填补这一研究空白。我们的假设是，美属萨摩亚溪流水中的高FIB浓度与粪便污染的关联较弱，其主要来源是环境中的非肠道因素。

章节节选

研究区域

美属萨摩亚共有41个流域，其中33个位于图图伊拉岛（DiDonato, 2004; Wallsgrove & Grecni, 2016; Tuitele et al., 2016）。由于地形较为陡峭，这些流域的规模大多较小（小于1.295平方公里，平均面积为4.144平方公里）。根据人口密度，这些流域被划分为原始型（人口密度≤38人/平方公里）、中等污染型（人口密度在38.61–289.58人/平方公里之间）和严重污染型（人口密度大于289.58人/平方公里）（Tuitele et al., 2016）。不过这种分类并未明确考虑土地用途因素

qPCR检测性能特征

所有的定量PCR检测都表现出稳定的分析性能。对于这四种检测而言，检测限定义为在≥95%的重复实验中能够检测到的最低浓度，均为35个基因拷贝/反应。而定量下限则是基于线性化的基因拷贝数计算得出的变异系数≤25%时的最低浓度，这一数值也与检测限相同，为35个基因拷贝/反应。通过标准方法得出的扩增效率为

美属萨摩亚的MST标记物检测表现

对CrAssPhage、HF183、BacCan-UCD以及Pig-2-Bac这几种MST标记物的验证结果表明，除了针对犬类的标记物外，其余所有标记物在所检测的动物样本中都具有较高的敏感性和特异性，可用来识别美属萨摩亚地区的污染来源。此处检测到的犬类标记物BacCan-UCD的特异性低于其他地区：在澳大利亚的特异性为87%（Gyawali et al., 2020），在加利福尼亚州的特异性为89%（Kildare et al., 2007），而在热带地区的新加坡，其特异性则超过80%

结论

据我们所知，这项研究是首次对美属萨摩亚流域中的传统FIB指标以及MST标记物进行全面评估。由于溪流水中的FIB浓度经常超过规定的标准值，且相邻土壤中也存在大量这类物质，而MST标记物的检测频率较低，且与FIB浓度超标的情况并无关联，同时这些标记物在土壤样本中几乎不存在，因此本研究认为土壤才是导致美属萨摩亚地区FIB浓度升高的主要来源

未引用参考文献

Ahmed et al., 2019, Ahmed et al., 2021, Paruch and Paruch, 2022, Schriewer et al., 2013

CRediT作者贡献说明

Nu Jahat Jabin：原文撰写——初稿撰写、可视化分析、方法设计、实验研究、正式分析、数据整理、概念构建。Tilali Scanlan：原文撰写——审稿与编辑、实验研究、正式分析。Penny Solaita：实验研究。Marek Kirs：原文撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理工作协调、资金筹集、正式分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们要感谢Mark Schmaedick博士以及美属萨摩亚社区学院为初始样本处理工作提供的后勤支持。该项目还得到了WRRI 104b年度资助计划（G20AS00025）以及美国地质调查局的支持。

Nu Jahat Jabin|Tilali Scanlan|Penny Solaita|Marek Kirs

夏威夷大学马诺阿分校水资源研究中心，美国夏威夷州檀香山多尔街2540号，邮编96822