科研 | Water Research：牧场流域，在混合利用的土壤中粪便污染、牛放牧、人类娱乐和微生物源跟踪标记之间的关系
编译：艾奥里亚，编辑：木木夕、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
美国国家森林是同时允许人类进行娱乐活动和放牧的综合用途土地，但人或牛的过度使用可能会导致当地水域的粪便污染，而科学家对于这些污染物的来源仍保持存疑态度。随着微生物溯源追踪的广泛应用，其被视为是一种具有识别污染源能力的有效方法。本研究旨在对爱达荷州东南部水貂溪流域的粪便污染量和污染源进行分析和建模。先前的研究表明，该地区内的一些地方的大肠菌群超过了美国环保局的标准。本研究于2019年，分别在开始放牧之前，放牧期间的整个春夏两季，以及在放牧结束之后进行水样采集。在放牧期间，我们在7个时间点对14个样点进行了采样，以便对水中的总大肠菌群和E. coli进行分析。基于已知生活在特定环境下的拟杆菌（Bacteroides）细菌的溯源追踪技术被用来在每个采样地点识别E. coli的来源。分析表明，E. coli数量超过州监管限值的比例为35%。这一超标现象与人类（58.8%）、牛（5.9%）或牛和人（5.9%）的DNA溯源追踪标记有关。基于微生物溯源跟踪技术的数据库，人和牛的存在与否，取样日期是否接近假期以及其他季节性因素，我们建立了一种新的统计模型来对E. coli进行评估。基于K-折交叉验证方案，所得到的模型在所有14个样点都显示出良好的性能指数（R2=0.83，NSE=0.69）。结果表明，E. coli的超标与人类娱乐和未知来源密切相关，并受溶解氧的负面影响。
论文ID
原名：Investigation ofrelationships between fecal contamination, cattle grazing, human recreation,and microbial source tracking markers in a mixed-land-use rangeland watershed
译名：牧场流域，在混合土地利用中粪便污染、牛放牧、人类娱乐和微生物源跟踪标记之间的关系
期刊：Water Research
IF：9.130
发表时间：2021.04
通讯作者：Alan S. Kolok
通讯作者单位：爱达荷大学（University of Idaho）
实验设计
结果
1 E. coli超标
图4正向Y轴显示了14个样点的E. coli含量，负向Y轴上显示了牛和人的DNA含量。在超过IDEQ标准临界值的34个点中，有20个样点（58.8%）检出人类DNA，2个样点（5.9%）检出牛DNA。此外，有2个样点（5.9%）同时检出人和牛的DNA。另外有10个位点（29.41%）未检测到人和牛的特异性DNA。而非特异性DNA可能主要来源于野生动物或家犬。人类DNA在9月5日时发现最多，包括9个样地。
图3 （A）代表14个样地的E. coli的箱线图，（B）代表按日期标注的E. coli的箱线图。
2 E. coli模型结果
图5显示了14个样点的模拟和观察到的E. coli含量。每个样点内的点代表该样点不同采样时间。通过对比可以发现，模型结果与大多数样点的观测数据都表现出较好的吻合，较好地估计了E. coli的低值和峰值。尽管如此，本研究中，我们略微低估了样点5、样点6、样点8、样点9以及样点13下E. coli的峰值。图6还显示了与观测到的E. coli计数相对应的模型。对于大多数观测数据，其结果与模型预测数据相一致。在此基础上，采用K-fold交叉验证方案，利用已有数据集对模型结果进行了验证（R2=0.83，NSE=0.69），这进一步支持了我们模型的可靠性。
讨论
这项研究的结果表明，E. coli的超标与人类娱乐活动的存在密切相关，其次是来源不明所引起的超标和放牧牛所引起的超标。在34个E. coli超标的样本中，我们在20个超标样本中检测到了人的DNA，2个超标样本中检测到了牛的DNA，2个超标样本同时检测到了牛和人的DNA，另外10个超标样本中检测到了未知来源的DNA。人来源、牛来源、不明来源以及溶解氧的贡献将分别在下面章节中依次阐述。
4.1 人类对E. coli的贡献情况
在34个样本中，有22个样本存在E. coli含量超标（>126 MPN/100 mL）现象，约占比65%。在这22个样本中，有20个样点的DNA仅与人DNA相符（20个样点），另外2个样点的DNA同时与人和牛DNA相符。E. coli超标最多的日期是7月8日和9月5日（各超标10个样本），我们分别在样点4和样点9中发现了人类DNA，而这些采样时期也恰恰处于暑假之后。相关矩阵显示，人类DNA与流域内E. coli有显著的统计学关系。此外，混合效应回归模型发现，假期对E. coli有正向影响（P <0.01）。这一结果进一步验证了先前的研究，即接触人类排泄物比其他来源构成更高的健康风险。
4.2 牛牧对E. coli的贡献情况
在E. coli数量超过126 MPN/100 mL的样本中，有12%的样本（34个样本中有4个）检出牛DNA，其中2个样本仅符合牛DNA，其余2个样本既符合牛DNA又符合人DNA。从牛身上携带E. coli的问题与环境空气温度升高的时期密切相关。与人类相似的是，在这种高温条件下，牛更喜欢靠近水的阴凉地带。当温湿度指数超过72时，人们认为牛处于轻度热负荷状态。对于爱达荷州，该地区温度在华氏79度到80度左右。牛所引起的E. coli超标多是发生在7月8日，该日期的所有样点E. coli含量都超过了二级监管限制（576 MPN/100 mL）。
4.3 不明来源对E. coli的贡献情况
DNA分析在29%的样本中（34例中的10例）既没有发现人的特异性DNA，同时也没有发现牛的特异性DNA。qPCR实验设计的目的是为了寻找牛或人特异性和普遍存在的Bacteroides；因此，我们确信这两个组别不构成污染源。其他可能的E. coli来源没有使用针对其他动物（例如狗）的来源追踪方法直接进行测试。但基于以前的研究我们认为，这种污染可能源于是狗、野生动物或土壤传播大肠杆菌类。
4.4 溶解氧对E. coli含量所起到的作用
当牛在溪流附近放牧或人类在溪流附近进行娱乐活动时，沉积物、营养物质和粪便细菌水平有可能增加。这将增加最终代谢有机物质所需的生物需氧量。在这样一个退化的环境中，微生物的新陈代谢活动将会增加，它们的耗氧量也会增加。因此，当在流域范围内发现大量有机物质时，溶解氧水平将会降低，这解释了本研究中发现的溶解氧与E. coli数量之间的负相关关系。在本研究中，DO与气温呈负相关关系（R = -0.63）。由于该流域内的水流主要由融雪以及春雨所提供，因此我们观测到溶解氧的下降与水流的减少同时发生这一现象。随着夏季水量的减少和水温的升高，这为E. coli的生长提供了最适宜的环境。
4.5 所涉管理问题
由于本研究中，大多数E. coli的环境质量超标都归因于人类，因此有必要提出公共教育和合作土地管理的新方法。美国林业局的员工应该考虑一项娱乐计划，以减缓假期和气温升高时粪便大肠菌群所产生的影响。由于美国西部的非大都市人口增长是全国其他地区的三倍，而且森林和牧场的增长却不成比例，因此提出上述娱乐计划是十分必要的。这需要土地管理者和放牧者共同努力，在不对自然资源造成不利影响的情况下开发放牧和娱乐活动。此外，还可以采取公共普查、教育讲习班、改进的现场标牌、更方便用户的最新网站和教育材料等教育以及管理方法。此外，保持厕所清洁，在河流上游的高使用区设置临时厕所和教育亭等方式，都应该是考虑的备选因素。
总结
4. 在所建立的模型中，人DNA、溶解氧、牛DNA和放牧是E. coli的最显著预测因子（P<0.01）。虽然人类和牛的存在推动了E. coli数量的增加，由于E. coli数量的增加和水流的减少造成的同样造成了水中DO的降低。E. coli对气温和降水量的剧烈变化并未表现出敏感性。
你可能还喜欢
微生太公司视频号上线啦，快来关注一波吧！