论文研究 | BatcoSense微生物分析仪助力水环境微生物波动研究

喀斯特地下水是全球重要的饮用水资源之一，约有10%的人口依赖喀斯特含水层供水。然而，由于岩溶地区天然过滤能力较弱，降雨后地表污染物能够快速进入地下水系统，从而引发水质波动和微生物污染风险。

目前，饮用水源地微生物监测仍主要依赖培养法，这类方法虽然成熟，但检测周期通常需要18～24小时甚至更长，难以捕捉降雨等短时事件引起的快速变化。

相比之下，流式细胞术能够直接检测水中微生物细胞数量，并快速获得总细胞数（TCC）和完整细胞数（ICC）等指标，为近实时水质监测提供了新的技术路径。

因此，本研究旨在使用自动在线流式细胞仪BactoSense 监测饮用水源地微生物波动情况，以及其评估在污染事件监测和预警中的应用价值。

[图1]研究在2012-2021年间基于低频监测（LTM），每月采样一次用于微生物分析。在2020年和2021年夏季开展了高频采样（HFS）。其中与2020年相比，在2021年识别出的降雨事件期间，将采样频率提高至每天4次。

研究地点位于奥地利北部石灰岩阿尔卑斯山区的一处典型喀斯特饮用水源地。研究团队采用“长期低频监测+短期高频监测"的嵌套研究设计，对水源地进行持续观测。

（一）长期低频监测

研究人员收集了2012年至2021年共10年的监测数据，包括：总细菌数（TCC）、高核酸菌群（HNA）、大肠杆菌（E. coli）、总大肠菌群（Total Coliforms）、多种微生物遗传标记、水文及理化参数等。通过长期数据分析，识别水源地污染高风险时期及微生物变化规律。

（二）高频事件监测

在2020年和2021年夏季，研究团队于泉水出口现场部署BactoSense自动在线流式细胞仪。其中：

• 2020年每2小时自动检测一次完整细胞数（ICC）

• 2021年每6小时自动检测一次总细胞数（TCC）和完整细胞数（ICC）

• 共完成超过1100次自动流式检测

同时配合采集水样进行了大肠杆菌检测、总大肠菌群检测、16S rRNA基因分析、粪便来源追踪标记物分析，以辅助分析该地区地下水中微生物的波动性。

[图2]长期低频监测结果。展示了2012年1月至2021年12月期间的水文与气象参数（A）、理化参数（B）以及微生物参数（C–E）的变化情况。

借助BactoSense全自动微生物在线分析仪的高频监测能力，研究团队以近实时方式系统观察了高山喀斯特饮用水源地在降雨事件中的微生物动态变化，并获得了以下重要发现。

（一）降雨是影响水源地微生物变化的关键因素

[图3]展示了2020年7月至9月及2021年5月至9月期间水文气象参数（A）、理化参数（B）以及微生物参数（C–F）的动态变化。研究以基流期（Baseflow）作为参考状态，将日降雨量超过40 mm定义为降雨事件，并识别出6次典型降雨事件。

研究发现，微生物指标在夏季降雨事件期间会出现快速且显著的升高。

在监测到的6次降雨事件中：

• 总细胞数（TCC）和完整细胞数（ICC）增加约50~100倍；

• 16S rRNA基因分析标记最高增加约800倍；

• 大肠杆菌由未检出升高至500 MPN/100mL以上；

• 粪便来源标记物BacR最高增加超过10000倍。

结果表明，强降雨会促进地表微生物向地下喀斯特含水层迁移，从而引发短时间内显著的微生物输入事件。

（二）微生物群落结构在污染事件期间发生明显变化

[图4]微生物群落指纹分析结果。 基于BactoSense指纹谱图数据的分析显示，降雨事件期间的微生物群落特征明显偏离基流期状态，表明地表微生物输入导致群落结构发生显著变化。[×]表示与基流期差异显著的样本，[·]表示与基流期相似的样本。

除了细胞数量增加外，研究还发现降雨事件会引起微生物群落组成的显著变化。

通过BactoSense的指纹图谱分析（Fingerprinting）和独立成分分析（ICA），研究人员观察到：

• 平稳时期的微生物群落结构较为稳定；

• 降雨事件期间形成明显不同的群落特征；

• 不同降雨事件对应不同程度的群落变化。

研究表明，这些变化反映了地表来源微生物与地下水原生微生物群落之间的混合作用，为理解喀斯特水源地微生物生态过程提供了新的研究视角。

（三）地表微生物输入与粪便污染具有明显关联性

[图5]基于流式细胞术与理化参数分析，评估地表输入及弥散性粪便污染。通过散点图及Spearman相关分析（ρ）比较微生物指标与理化参数同污染指示菌群的相关性。相关性显著性以星号表示（*p≤0.05；**p≤0.01；***p≤0.001）。

研究团队发现，细胞总数、完整细胞数以及流式细胞群落指纹变化与总大肠菌群、AllBac、大肠杆菌和BacR等指标均表现出较高相关性。

这一结果说明：在该喀斯特流域中，降雨不仅会将土壤和植被中的微生物带入地下水系统，同时也会携带来自放牧动物和野生动物的粪便污染物进入水源地。

研究进一步证实，地表微生物输入与弥散性粪便污染在该系统中往往同步发生。

本研究基于近实时流式细胞监测系统，系统揭示了高山喀斯特饮用水源地在降雨事件期间的微生物响应规律，证实降雨驱动的地表微生物输入是影响水质变化的重要因素，而细胞数量及微生物群落结构的动态变化均可作为污染事件的关键指示信号。

这些发现为喀斯特地区饮用水源保护、水安全计划制定及智慧水务管理提供了重要科学依据。

• 高灵敏度：可实现单个细胞级别的检测，并检测不可培养（VBNC）细菌，灵敏度可达传统培养法的500-1000倍以上。

• 检测速度快： 20分钟内完成检测，实现近实时监测。

• 趋势分析：提供连续监控数据，为微生物污染预警、工艺监控和流程优化提供数据支持。

• 易用性：自动化设计和即插即用的试剂盒系统，检测全程无需人工干预，可根据使用场景灵活选择在线、离线和产线旁检测方式。