评估和建模影响土壤中肠道微生物存活的环境压力因素：对废水再利用和风险管理的启示

《Environmental Research》：Evaluation and modeling of environmental stressors affecting enteric microbial survival in soil: Implications for wastewater reuse and risk management

农业回用水利用中的微生物存活动力学与环境因子影响研究。

　　

苏达贝·戈德西（Soudabeh Ghodsi）| 曼纳兹·尼卡恩（Mahnaz Nikaeen）| 法尔扎内·穆罕默迪（Farzaneh Mohammadi）| 萨姆西·纳德里（Shamsi Naderi）| 哈米德·雷扎·拉赫马尼（Hamid Reza Rahmani）| 霍里耶·萨德里（Horieh Saderi）| 莫尔特扎·阿巴斯扎德甘（Morteza Abbaszadegan）

伊朗伊斯法罕医科大学健康学院环境卫生工程系

摘要

农业废水的再利用是解决水资源短缺问题的关键方法，尤其是在干旱和半干旱地区。然而，微生物污染带来了严重的健康风险，因此需要更好地了解病原体在自然环境条件下的存活情况。本研究旨在探讨在两种不同季节的半干旱条件下，关键肠道细菌（大肠杆菌、肠炎沙门氏菌、粪肠球菌）以及病毒颗粒（包括人腺病毒HAdV和双链DNA噬菌体）在土壤中的存活动态。研究还分析了温度、相对湿度和紫外线（UV）辐射强度等关键环境变量对微生物存活的影响。通过计算死亡速率常数（k）来量化微生物的灭活情况，并利用自适应神经模糊推理系统（ANFIS）开发了预测模型。大肠杆菌和肠炎沙门氏菌表现出最快的死亡速率，而粪肠球菌的存活能力与病毒相当。噬菌体的T90值最高，接近HAdV，这支持了其作为腺病毒可靠替代物的使用。紫外线辐射、高温和低湿度显著加速了微生物的死亡。ANFIS模型在根据环境变量预测死亡速率方面表现出较高的准确性。这些发现强调了半干旱气候条件对土壤中微生物快速死亡的重要性。然而，微生物在冬季的长期存活需要更多关注，以减轻与农业废水再利用相关的潜在公共卫生风险。总体而言，研究结果强调了环境背景在确保农业废水安全再利用和完善微生物风险评估框架中的重要性。

引言

灌溉农业在保障全球粮食安全方面发挥着重要作用，占全球粮食产量的近40%。农业是淡水资源的最大消耗者，占全球淡水取水量的约70%（Christou等人，2024年；Perez等人，2024年）。然而，气候变化被认为是全球粮食安全的主要挑战，尤其是随着对粮食需求的增加，依赖雨水灌溉的农业变得越来越不可靠。此外，地表水和地下水的减少威胁到了灌溉实践的可持续性。

为应对这些挑战，处理后的废水被视为一种有价值的替代水源，特别是在面临严重水资源短缺的地区（Ingrao等人，2023年；Perez等人，2024年）。农业废水的再利用越来越被视为减少该行业对传统淡水来源依赖的有效策略，有助于缓解水资源短缺问题，并减轻干旱和半干旱地区的影响（Al-Hazmi等人，2023年）。废水再利用不仅减轻了对淡水资源的压力，还有助于水资源的可持续管理，从而确保长期的粮食和水安全（Christou等人，2024年；Kesari等人，2021年）。

然而，将处理后的废水用于灌溉存在某些挑战和潜在的健康风险，必须仔细评估和管理。即使经过二次处理，废水中仍可能含有各种病原性和机会性微生物，包括病毒、细菌和原生动物。这些污染物不仅对用废水灌溉的作物消费者构成健康风险，也对可能直接或间接接触再生废水的农民和其他人构成风险（Farhadkhani等人，2022年，2020年；Gholipour等人，2022年；Moazeni等人，2017年）。此外，需要注意的是，粪便指示菌（如大肠杆菌）无法准确预测其他特定病原体（如病毒）的存在。因此，基于粪便指示菌的标准可能无法可靠地衡量使用处理后废水所带来的实际健康风险，尤其是关于人类暴露的风险（EPA，2025年）。

在这种情况下，评估与废水再利用相关的潜在微生物风险被认为是估算人类暴露实际风险的关键策略。此类评估对于制定有效的病原体去除和最小化污染的废水处理标准至关重要（EPA，2025年）。然而，进行全面的微生物风险评估需要深入了解与健康相关的病原体在农业环境中的行为和存活特性，包括在土壤和作物表面的情况。特别是当病原体能够在土壤中存活较长时间时，人类暴露的风险和病原体从土壤传播到作物的可能性会增加（Alegbeleye和Sant’Ana，2022年）。

多项研究已经考察了各种肠道微生物在土壤中的存活特性，尤其是在添加了动物粪便或生物固体等改良剂的情况下。然而，大多数这些研究是在受控实验室条件下进行的，通常使用黑暗环境或人工照明，并将土壤培养在特定的、受控的温度下（Alegbeleye和Sant’Ana，2022年；Davidson等人，2013年；Erickson等人，2014年；Lang和Smith，2007年；Lee等人，2019年；Phan-Thien等人，2020年；Roberts等人，2016年；Rogers等人，2011年；Wang等人，2014年；Zhang等人，2013年）。此外，在自然环境条件下进行的野外研究通常在温带地区进行，这些地区的气候特征是相对湿度较高和温度较低（Carlon等人，2023年；Hruby等人，2018年；Nyberg等人，2014年；Russell等人，2022年；Schwarz等人，2014a；Schwarz等人，2014b）。因此，关于中东等干旱和半干旱地区肠道微生物的存活行为存在显著的知识空白。换句话说，这些地区常见的关键因素（如强烈的紫外线辐射、低相对湿度和高环境温度）在病原体在土壤和作物上的存活方面的影响尚未得到充分研究。此外，尽管有几项研究记录了各种肠道病原体（包括RNA病毒）在土壤环境中的持久性，但很少有研究专门关注腺病毒的存活情况（Schwarz等人，2014b）。同样，尽管有少数研究分析了作为腺病毒命运和传输模型的体细胞噬菌体?X174的存活率，但缺乏研究结构类似的替代噬菌体。这是一个值得注意的空白，因为美国环境保护署（EPA）最近将人腺病毒确定为与废水再利用相关的微生物风险评估的参考病原体（EPA，2025年）。腺病毒具有双链DNA基因组，比许多其他病毒病原体更具抵抗力。此外，与其他人类病毒（如肠道病毒）不同，腺病毒在一年中的出现和浓度变化不大（EPA，2025年；Gholipour等人，2022年；Moazeni等人，2017年）。这种时间上的稳定性使它们成为公共卫生监测中的可靠指标，并突显了需要更全面地研究它们在土壤中的行为以及其他肠道微生物，特别是在干旱和半干旱地区的极端环境条件下。

因此，本研究旨在评估在半干旱地区的自然气候条件下，包括大肠杆菌、沙门氏菌、粪肠球菌、人腺病毒（HAdV）和噬菌体在内的关键肠道微生物的存活动态。研究旨在全面评估温度、相对湿度和紫外线辐射强度等关键环境因素对土壤中微生物持久性的影响。研究还考虑了阳光照射的直接影响以及模拟植物遮荫提供的条件，以更好地了解这些变量如何影响与健康相关的微生物在土壤中的持久性。为了支持预测能力，开发了自适应神经模糊推理系统（ANFIS）模型，使用户能够根据不同的环境情景估计微生物的死亡速率。

材料与方法

本研究在夏季和冬季两种不同季节的自然环境条件下，调查了选定肠道微生物或其替代物在土壤中的存活特性。目标微生物包括三种细菌（大肠杆菌和粪肠球菌），作为常用的粪便指示菌，以及肠炎沙门氏菌，一种代表性的肠道病原体。此外，研究还纳入了两种病毒：HAdV和一种体细胞噬菌体。

结果与讨论

尽管气候因素（如温度、相对湿度和阳光照射）被认为是影响环境中微生物存活和持久性的关键决定因素，但这些影响在干旱和半干旱地区对肠道微生物在土壤中的存活特性的影响尚未得到充分研究。该实验设置旨在全面了解极端环境条件的影响。

结论

本研究调查了半干旱地区自然气候条件下肠道细菌和病毒颗粒的存活行为。结果表明，微生物的死亡速率受到微生物类型的强烈影响。我们的发现还强调了半干旱地区典型的环境压力因素对土壤中肠道微生物快速灭活的显著影响。根据研究结果，大肠杆菌表现出最高的k值（1.88 ±

作者贡献声明

法尔扎内·穆罕默迪（Farzaneh Mohammadi）：软件、方法论、数据管理。曼纳兹·尼卡恩（Mahnaz Nikaeen）：写作——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。苏达贝·戈德西（Soudabeh Ghodsi）：写作——初稿、方法论、调查。莫尔特扎·阿巴斯扎德甘（Morteza Abbaszadegan）：概念化。霍里耶·萨德里（Horieh Saderi）：资源、方法论。哈米德·雷扎·拉赫马尼（Hamid Reza Rahmani）：验证、方法论。萨姆西·纳德里（Shamsi Naderi）：资源、方法论

未引用参考文献

Schwarz等人，2007年。

数据可用性

数据可应要求提供。

生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本手稿期间，作者使用了GhatGPT4进行英文编辑。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

资助

本工作得到了伊斯法罕医科大学（Isfahan University of Medical Sciences）的支持，资助编号为3401799；作者对此表示衷心的感谢。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。