研究背景

水体粪便污染是全球公共卫生重大隐患，传统粪便指示菌如大肠菌群、大肠杆菌等无法区分污染来源，且部分指示菌易在环境中增殖，干扰污染判定。微生物源追踪技术可精准识别污染宿主来源，但现有人类源标记存在环境持久性差、检测流程繁琐等短板，难以适配长期、远距离污染溯源。

产气荚膜梭菌作为革兰氏阳性产芽孢厌氧菌，芽孢耐紫外线、温度波动等极端环境，可在水体中存活数月，且厌氧特性使其难以在有氧水体中再生，是理想的粪便污染指示菌。同时，该菌已被多国纳入水质常规监测指标，基于其开发的溯源标记可快速融入现有监测体系。此前，产气荚膜梭菌的人类特异性遗传标记尚未被系统开发，限制其在微生物源追踪领域的应用。

研究内容

研究团队整合公共数据库与新测序数据，构建262 株粪便源产气荚膜梭菌基因组数据集，通过泛基因组全基因组关联分析筛选人类源富集基因；经独立基因组数据集验证特异性与灵敏度，确定 3 个核心标记；设计特异性引物，建立单菌落多重 PCR 检测方法，优化 qPCR 定量体系；采集日本京都、滋贺地区污水处理厂、不同污染程度河流及溪流样本，开展体外验证与实地应用评估，对比传统 cpe 基因标记性能。

图1. 本研究方法的示意图。

图2. 62个MST候选基因在blastn分析中的表现（使用数据集B）及特异性>95%的基因放大图。

图 3. 不同水类型中 HumCp1 浓度。星号 (*) 和 (**) 分别表示 Holm 校正后的 p 值 < 0.05 和 p 值 < 0.01 的统计显著性。箱形图显示四分位数范围（第 25 百分位至第 75 百分位），须延伸至第 5 百分位和第 95 百分位。未检测到的样品显示为 0 log 10 拷贝/L，可检测但不可定量的样品替代为检出限的一半；两者均以空心点表示。百分比表示检测率。样本量显示在括号中。

研究结果

1.标记筛选与性能：泛基因组关联分析锁定62 个人类源特异性超 95% 的候选基因，经独立数据集验证，最终确定 HumCp1、HumCp2、HumCp3 为新型标记。其中 HumCp2、HumCp3 特异性达100%，HumCp1 特异性 96.0%；单一标记灵敏度 10.4%-36.5%，三者联合灵敏度提升至53.0%，覆盖更多人类源菌株。

2.体外验证表现：49 株反刍动物粪便菌株中，仅 2 株检出 HumCp1，HumCp2、HumCp3 均未检出，特异性优异；85 株污水处理厂菌株中，HumCp1、HumCp2 检出率分别为 41.2%、36.5%，联合检出率达61.2%，远高于传统 cpe 基因（14.1%）。

3.环境应用效果：无污染溪流样本中标记检出率为 0；受污水处理厂轻度影响河流上游标记检出率 30.8%，重度影响下游检出率59.5%，与污染程度正相关。HumCp1-qPCR 定量显示，污水处理厂出水、河流下游、上游、溪流的标记浓度依次递减，可精准区分污染等级。

4.标记功能注释：HumCp1 为 DNA 甲基化酶相关基因，HumCp2 编码细菌素相关 UviB 蛋白，HumCp3 与盘状结构域蛋白相关，均与产气荚膜梭菌在人类肠道适应定植相关。

技术优势

1.环境持久性强：依托产气荚膜梭菌芽孢特性，可追踪数月前的陈旧性、远距离人类粪便污染，弥补现有标记易降解缺陷。

2.检测便捷高效：多重 PCR 可单菌落同步检测 3 个标记，qPCR 直接定量环境 DNA，无需复杂前处理，适配批量样本监测。

3.特异性与适用性：标记特异性超 96%，交叉反应极低；基于全球 15 个国家菌株开发，地理适用范围广，可融入现有水质监测流程。

4.灵敏度优化：单一标记灵敏度适中，联合检测大幅提升检出能力，平衡特异性与实用性，降低漏检风险。

结论与展望

本研究首次通过泛基因组关联分析，成功创制 3 种高特异性人类源产气荚膜梭菌微生物源追踪标记，构建完整检测技术体系，突破传统指示菌无法溯源、现有标记持久性不足的瓶颈。实地验证表明，该标记可精准反映水体人类粪便污染程度，为水环境健康风险评估、污染源头管控提供新型技术支撑。

研究存在一定局限：验证动物样本仅覆盖反刍类，数据库中致病菌株占比偏高可能影响性能评估。未来需扩大动物宿主验证范围，补充健康人群与环境菌株基因组数据，进一步优化标记稳定性；同时推进标记标准化与现场快速检测技术研发，推动其在全球水环境监测、饮用水安全保障等场景的规模化应用，完善微生物源追踪技术体系，助力水体污染精准防控。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125814