pBI143的衰变动态与废水和河水中细菌及病毒粪便污染指标的比较

《Total Environment Microbiology》：Decay dynamics of pBI143 compared to bacterial and viral fecal contamination indicators in wastewater and river water

　　本研究评估了新型人类关联性微生物源追踪标记pBI143的环境稳定性，比较了PEG沉淀与电负性膜过滤法的性能，发现pBI143在污水及河流中表现出与HF183-TaqMan和gyrB相似的持久性，但intI1和sul1在下游河流水温15℃时出现浓度反弹，提示需加强监测。未来需探讨中温对MST和ARG持久性的影响。

　　
该研究由日本山梨大学工程学系的Yadpiroon Siri、Niva Sthapit、Bikash Malla和Eiji Haramoto团队完成，聚焦于新型人类关联性微生物来源追踪（MST）标记物pBI143的环境稳定性评估，并与传统MST标记物及抗生素耐药基因（ARG）标记物进行对比分析。研究选取日本某流域的污水厂排放口及上下游河段作为样本采集点，通过为期两周的温控实验和分子生物学检测，系统揭示了不同水体环境中各类微生物标记物的降解规律及影响因素。

研究首先通过文化法检测发现，下游河段总大肠菌群和E. coli浓度在采样后三天内即降至检测限以下，但基于qPCR检测的sfmD基因仍能检测到1.5 log10 copies/L的残留浓度，表明传统培养法可能低估微生物实际丰度。特别值得注意的是，pBI143作为新型Bacteroidales属特异性标记物，在污水处理厂排放口初始浓度高达8.8±0.1 log10 copies/L，显著高于HF183-TaqMan（8.1±0.2）和gyrB（7.0±0.1）等传统指标，这与其在粪便中拷贝数丰富（约10.2 log10 copies/L）的特性一致。

在环境稳定性测试中，pBI143表现出与HF183-TaqMan和gyrB相似的一阶衰减特征，但CrAssphage、intI1和sul1的衰减模式更为复杂。实验采用4℃、15℃和25℃三种温控条件进行对比，发现pBI143的半衰期（T90）在4℃时长达12天，而在25℃时缩短至1天，这种温度依赖性衰减规律与gyrB（T90=14.1-5.8天）和HF183-TaqMan（T90=10-0.9天）形成显著差异。特别在下游河段15℃条件下，intI1和sul1的衰减常数出现负值（-0.01 day-1），暗示存在某种促进基因复现的环境机制，可能涉及线虫等微食性生物对细菌的摄食作用导致的胞外DNA释放。

采样处理方法方面，研究创新性地采用PEG沉淀法（回收率6.8-8.8 log10 copies/L）与EMF过滤法（回收率5.2-6.8 log10 copies/L）进行样本浓缩对比。结果显示PEG法在河水中更适用于高丰度标记物的提取，而EMF法则对膜吸附型游离DNA捕获效果更优。值得注意的是，两种方法在pBI143检测中均能保持＞90%的效率，且经Shapiro-Wilk正态性检验后，采用非参数Wilcoxon检验发现两者间无显著差异（p>0.05），这为不同水体环境中的样本处理提供了方法选择依据。

在空间分布分析中，上游河段总大肠菌群浓度（1.1±0.6 log10 CFU/mL）显著低于下游（1.8±0.3 log10 CFU/mL），但pBI143浓度梯度较小（上游3.4-5.8 vs 下游4.4-7.0 log10 copies/L）。这种差异可能与河段中不同粒径颗粒物的吸附作用有关，而HAdVs在河水中完全消失的现象则证实其高度依赖污水系统中的宿主菌存在。

研究特别揭示了温度对ARG衰减的独特影响。在25℃条件下，intI1和sul1的T90分别达到8.5和19.6天，远超pBI143（T90=1天）。这种差异可能与热稳定性酶促反应有关，例如25℃时DNase活性提升导致游离DNA分解加速。然而在15℃温控组中，CrAssphage和sul1出现衰减常数负值（-0.01 day-1），作者推测可能与线虫等微食性生物的摄食活动引发胞内DNA释放有关，这为后续研究提供了新方向。

在统计模型构建方面，研究采用分段指数衰减模型处理非线性数据，通过Muggeo迭代线性化算法成功分离双相衰减过程。值得注意的是，pBI143在 wastewater中的衰减常数（0.19-2.55 day-1）显著低于传统标记物gyrB（0.16-0.29 day-1），这可能与pBI143作为环状质粒的稳定性优势有关。同时，HF183-TaqMan在25℃条件下的T90仅为0.9天，显示其极端温度敏感性。

研究结论部分强调，pBI143在4-25℃范围内均能保持＞90%的检测效率，其T90范围（1-12天）与HF183-TaqMan（0.9-10天）和gyrB（5.8-14.1天）具有良好可比性，证明该标记物可作为稳定替代指标。但需警惕 downstream河段中intI1和sul1的异常衰减曲线，作者建议在流域监测中增加微食物链生物相分析，以全面评估ARG的环境归宿。

未来研究方向包括：1）建立)pBI143与CrAssphage等病毒标记物的协同检测模型；2）开发基于光学捕捉的膜过滤技术提升游离DNA回收率；3）构建包含光降解、温度梯度和人类活动强度的三维衰减预测模型。这些研究将有助于完善基于分子标记的流域污染溯源体系，特别是在极端天气事件下的监测效能提升方面具有重要应用价值。