《Environmental Research》：Metagenomic Surveillance of Temperature-Drived Bacterial Threats to Drinking Water Safety
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气候变化加剧水体致病菌及抗生素耐药基因风险，本研究通过现场多季节监测与实验室温度模拟实验，分析35-40℃水温对赣江饮用水源致病菌（军团菌、结核分枝杆菌、铜绿假单胞菌）及毒力因子（Hsp60、NuoG）的影响，发现水温升高显著增强病原菌毒力及致病风险，且传统氯消毒效率随温度升高而降低，为评估气候变化下饮用水安全提供依据。
欧阳二明|刘景贤|周正|杨宏伟|王伟|钱凯|朱明|魏子宇|孙向荣|陈占利
南昌大学资源与环境学院，中国南昌330031
摘要
气候变暖可能会加剧水环境中病原细菌和抗生素抗性基因（ARGs）的风险。然而，关于气候变暖对饮用水源中细菌病原风险和毒力因子（VFs）群落影响的研究仍然很少。本研究结合了野外多季节监测和受控实验室温度模拟实验。通过使用16S rRNA和宏基因组测序，我们研究了温度逐渐升高对赣江源地区病原细菌和VF群落的影响。在野外多季节监测中，观察到军团菌、分枝杆菌和铜绿假单胞菌的季节性变化与温度之间存在显著的正相关关系。我们的实验室温度模拟实验进一步说明了温度对机会性病原体及其VF的差异性调节作用。9种特定VF的丰度与温度显著相关。在高温范围（35–40°C）内，军团菌的数量及其VF（Hsp60）的丰度呈协同增加；分枝杆菌的VF（NuoG）丰度随温度升高而显著增加，而其数量保持稳定。此外，3种关键的细菌性传染病途径——细菌侵入上皮细胞、金黄色葡萄球菌感染和霍乱弧菌感染在温度升高时显著增加。此外，高温还可能降低传统氯消毒过程的微生物灭活效率，从而对饮用水安全构成潜在威胁。本研究阐明了温度升高如何通过VF的差异性调节来增强机会性病原体的致病潜力。这为评估气候变暖下的水生微生物风险提供了科学依据。
引言
根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告，2011–2020年的全球平均表面温度比1850–1900年的基准温度高出约1.1°C（Lee等人，2023年）。气候变暖是指由人类活动驱动的全球水温长期缓慢上升，而不是短期极端温度波动。研究表明，相对于21世纪初，全球水温已经上升了0.5–0.8°C，并且随着气候变化的持续，这一趋势将加剧。多模型预测显示，到21世纪末，全球年平均水温将上升1.3–4.1°C。研究表明，当水温超过19.2°C时，病原细菌繁殖更快且存活时间更长，导致感染率增加（El-Fadel等人，2012年）。在孟加拉国，每升高1°C（超过29°C），水传播的轮状病毒感染率增加40.2%（Hashizume等人，2008年），非霍乱性腹泻感染率增加5.6%（Hashizume等人，2007年）。在桑给巴尔，每升高1°C，霍乱病例数翻倍（Bekele等人，2025年）。
在水生和土壤环境中，温度升高还会直接改变微生物群落的组成，主要增加携带多种ARGs的变形菌门的丰度，同时减少对环境敏感的细菌（如酸杆菌门和放线菌门）的丰度（Lin等人，2025年；Yu等人，2023年）。此外，高温促进了饮用水生物膜中机会性病原体（如铜绿假单胞菌和堪萨斯分枝杆菌）的生长和繁殖（van der Wielen等人，2023年）。细菌的VF在决定其致病性方面起着重要作用。VF在细菌定植、侵入和损害宿主组织方面起着关键作用，是识别病原细菌的核心特征（Abdulateef等人，2023年）。在分子水平上，温度已被证明可以调节毒力基因的表达（例如，致病大肠杆菌和志贺菌中的III型分泌系统相关毒力蛋白，李斯特菌中的PrfA调控的VF家族，以及鼠疫耶尔森菌中的Caf1荚膜抗原），从而影响VF的丰度和功能（Roncarati等人，2025年）。
作为细菌自然携带的功能分子，VF在土壤和淡水等自然环境中广泛分布（S?borg等人，2013年）。然而，目前关于气候变暖对水生环境中VF群落影响的研究仍然有限。大多数研究集中在地表水系统上，对饮用水源的关注不足。因此，本研究选择了赣江的四个饮用水源站点，分析温度对病原细菌和VF群落分布特征的影响，从而评估气候变化下饮用水源的潜在健康风险。
在本研究中，采用了16S rRNA基因测序方法，在中国赣江段确定了四个采样点。从2024年10月到2025年6月，进行了秋季、冬季、春季和夏季的野外监测，以分析赣江源地区细菌群落的季节性变化。为了排除其他环境因素的干扰并直接研究温度的作用，我们进一步设计了实验室温度模拟实验。赣江的平均水温为19°C，夏季最高温度达到35°C（Gong等人，2010年）。基于这一基准，我们使用未经加热的原始水样作为对照，并设置了25°C、30°C、35°C和40°C的梯度升温处理。25–35°C的范围涵盖了赣江的自然温度变化，并反映了21世纪末的预测升温情景，而40°C则是为了模拟气候变暖下的极端热浪事件。通过宏基因组测序，本研究考察了温度升高如何影响病原细菌和毒力因子的群落结构，为评估和预测气候变暖下的饮用水源健康风险提供了科学依据。
章节片段
野外样本采集
我们在2024年10月至2025年6月期间，在赣江的四个站点进行了水样采集（详细采样位置见图1），涵盖了10月至11月的秋季、12月至2月的冬季、3月至4月的春季和6月的夏季。每个采样点采集了两个1升的混合水样，以确定水的理化性质。共采集了42个水样，并将其保存在低温条件下
环境因素的季节性变化
在野外采集期间，环境参数的季节性变化显著（P < 0.001）。夏季和秋季的水温较高，夏季温度显著高于春季（P < 0.01）。春季的温度变化较大，范围为13.2至23.4°C，而冬季的温度显著低于其他季节（P < 0.01）。其他环境因素的变化见图S1。这些环境波动提供了机会性病原体的季节性变化与温度显著相关
本研究确定了三种对人类健康构成严重威胁的机会性病原体：军团菌可通过气溶胶感染人类并在肺泡巨噬细胞内繁殖，导致严重的肺炎（Alarcon Falconi等人，2018年）；分枝杆菌是结核病和分枝杆菌病的致病菌，分枝杆菌病是全球第二大传染病（Bagcchi，2023年）；铜绿假单胞菌因其高致病性和广泛的适应性而被列为检测
结论
通过受控的野外多季节监测和实验室温度模拟实验，本研究调查了温度升高对赣江源地区病原细菌和VF群落的影响。结果表明，水温是驱动微生物和VF群落变化的关键环境因素。军团菌、分枝杆菌和铜绿假单胞菌等机会性病原体的季节性变化与温度之间存在显著的正相关关系
CRediT作者贡献声明
杨宏伟：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理、资金获取。王伟：撰写 – 审稿与编辑、软件。钱凯：撰写 – 审稿与编辑、软件。朱明：软件。魏子宇：可视化、软件。孙向荣：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源、项目管理、调查、资金获取。陈占利：撰写 – 审稿与编辑、验证、资源、项目管理、资金获取。欧阳二明：
未引用的参考文献
Eliette等人，2024年；Hardalo和Edberg，1997年；Hurst-Hess等人，2019年；Jones等人，2025年；Langmead和Salzberg，2012年；Li和Godzik，2006年；Organization，2017年；Schmieder和Edwards，2011年；Stokes和Redmond，1966年。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了2025年江西省自然科学基金（20252BAC240682）和大学生创新创业培训计划（S202510403015）的财政支持。
