从南非约翰内斯堡的一条城市河流中收集的大肠杆菌的分子特征分析

《Environmental Microbiology Reports》：Molecular Characterisation of Escherichia coli Collected From an Urban River in Johannesburg, South Africa

　　腹泻相关大肠杆菌在Jukskei河的环境分布及基因特征分析。使用全基因组测序（WGS）分析27株大肠杆菌，发现44%为腹泻病原体（ETEC/aEPEC/混合型），主要血清型为O16:H48，携带fimH27等致病基因，11%菌株存在喹诺酮类及大环内酯类抗生素耐药性。分子流行病学分析显示河源菌株与人类、牲畜菌株存在交叉传播关系，提示河流作为病原体潜在传播载体。

　　### 解读：对乔伯斯堡朱克斯凯河中大肠杆菌的遗传多样性及其公共卫生意义

大肠杆菌（*Escherichia coli*）是一种广泛存在于人类肠道中的细菌，通常是无害的共生微生物。然而，在某些情况下，它可能携带致病因子，从而成为引发多种疾病的重要病原体。在发展中国家，特别是儿童群体中，由大肠杆菌引起的腹泻仍然是一个严重的公共卫生问题。本研究聚焦于南非乔伯斯堡朱克斯凯河中的大肠杆菌，利用全基因组测序（WGS）对其进行了系统分析，揭示了该河流中大肠杆菌的遗传多样性及其在人类和动物之间的传播潜力。

#### 大肠杆菌的多样性与致病性

研究共从朱克斯凯河中分离出27株大肠杆菌，其中44%（12株）被鉴定为腹泻相关型大肠杆菌（DEC），包括肠毒素型（ETEC）、非典型肠致病性（aEPEC）以及一种混合型的肠毒素-肠侵袭性大肠杆菌（ETEC/EIEC）。这一发现表明，该河流中存在多种致病性大肠杆菌，可能成为人类疾病传播的潜在媒介。此外，这些菌株中大多数（63%）属于O16:H48血清型，这是该研究中最为常见的类型，而纤毛类型（Fimtypes）则表现出更大的多样性，其中*fimH27*最为常见，占56%。

#### 抗药性与潜在威胁

尽管大部分菌株未表现出明显的抗药性，但仍有3株（11%）对多种抗生素表现出耐药性，包括喹诺酮类（如环丙沙星和萘啶酸）、磺胺类药物（如磺胺甲噁唑）和大环内酯类药物（如阿奇霉素）。这些耐药性特征提示我们，某些致病性大肠杆菌可能已经具备对抗生素的抵抗能力，这在公共卫生防控中是一个值得关注的问题。特别是，在发展中国家，抗生素滥用和不规范使用使得耐药性大肠杆菌的出现更加频繁，这可能进一步加剧疾病传播的难度。

#### 病原性基因的分布

通过分子方法检测，研究人员发现这些大肠杆菌菌株中存在多种与致病性相关的基因。其中，*fimH*、*csgA*、*gad*、*terC*、*ompT*、*iss*以及*yehA-D*基因在超过90%的菌株中被检测到，它们分别与细菌的黏附、侵袭和应激反应等关键功能有关。此外，一些菌株还携带了与毒素合成相关的基因，如*usp*、*hlyE*、*ipaH*、*ipaH9.8*、*pic*、*shiA*和*sigA*，这些基因可能在不同环境中促进细菌的致病能力。值得注意的是，有一株菌株（ECMA0423）不仅携带了与肠侵袭性相关的基因，还表现出对阿奇霉素的耐药性，这表明它可能是一种混合型的致病性菌株，具有更复杂的传播机制。

#### 基因型与环境来源的关联

研究通过构建系统发育树，分析了这些菌株的基因型与其可能的来源之间的关系。结果显示，大多数菌株属于系统发育群A，而少数菌株则属于B1和B2群。系统发育群A通常与人类共生菌株相关，但也可能进化为致病性菌株，如肠侵袭性或肠毒素型大肠杆菌。系统发育群B1则通常被认为与环境来源有关，尤其是在牲畜中较为常见，但也有报道指出它可能引发人类的非肠道感染。系统发育群B2则更常与临床环境中出现的致病菌株相关。这种多样化的系统发育分布提示我们，朱克斯凯河中的大肠杆菌可能来源于多种途径，包括人类排泄物、牲畜粪便以及环境中的其他污染源，如雨水径流或污水处理厂的排放。

#### 菌株间的遗传联系

研究发现，某些来自朱克斯凯河的菌株与人类或牲畜来源的菌株存在遗传上的联系。例如，五株河水中分离的大肠杆菌与一株牲畜菌株形成单系群（monophyletic group），表明它们可能来自共同的祖先。此外，还有六株河水中菌株与两株人类菌株形成单系群，这进一步支持了大肠杆菌在不同环境之间传播的可能性。这种跨环境传播的现象表明，河流不仅是病原体的储存场所，还可能成为人类和动物之间传播的桥梁。

#### 公共卫生意义与未来方向

朱克斯凯河中的大肠杆菌多样性不仅反映了其复杂的污染来源，还提示了潜在的公共卫生风险。由于该河流被广泛用于饮用、农业和休闲活动，其污染可能直接影响到当地居民的健康。特别是，研究发现该河流中存在多种与严重腹泻相关的致病性大肠杆菌，这可能增加疾病的传播风险。因此，建立跨环境、人类和动物的综合监测体系显得尤为重要，以更好地追踪致病菌株的传播路径并采取有效的防控措施。

本研究的一个重要发现是，虽然在过去的某些研究中，朱克斯凯河中分离的大肠杆菌以肠致病性型为主，但本研究中肠毒素型大肠杆菌更为常见，这可能意味着该河流的微生物组成正在发生变化。这种变化可能与周围社区的人口结构、移民情况以及农业活动有关。此外，研究还指出，由于样本数量有限，可能无法完全反映该河流中所有大肠杆菌的遗传多样性。因此，未来的研究需要扩大样本规模，并结合更广泛的环境和人群调查，以获得更全面的数据。

#### 研究方法与技术应用

本研究采用了一种结合分子生物学和基因组学的方法来分析朱克斯凯河中的大肠杆菌。首先，通过PCR技术对菌株进行了初步鉴定，确认其为大肠杆菌，并进一步检测了其是否携带特定的病原性基因。随后，利用全基因组测序技术获取了这些菌株的完整基因组信息，从而能够更深入地研究其遗传特征和致病机制。通过构建系统发育树，研究人员不仅揭示了这些菌株的进化关系，还发现了它们与不同环境来源之间的潜在联系。

#### 对未来研究的启示

本研究的结果为未来的大肠杆菌监测和防控工作提供了重要的参考。首先，它强调了环境样本在病原体研究中的重要性，尤其是在传统的临床样本之外，河流等水体可能成为致病菌株的重要来源。其次，研究揭示了耐药性和病原性基因在环境中的共存，这提示我们需要加强对这些菌株的监控，特别是在抗生素使用和环境污染控制方面。此外，系统发育分析表明，某些菌株可能在不同环境中共享基因组特征，这种现象可能为跨物种传播的机制研究提供新的思路。

总之，本研究通过全面的基因组分析，揭示了朱克斯凯河中大肠杆菌的遗传多样性及其潜在的致病性和传播能力。这些发现不仅有助于我们更好地理解该河流在公共卫生中的作用，也为未来的环境和公共卫生政策制定提供了科学依据。