《Water Research X》：Portable X-ray fluorescence spectrometry as a rapid, complementary approach for fecal pollution assessment in water
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本文推荐一篇发表于《Water Research X》的研究。针对传统水质微生物检测耗时耗力、资源有限的难题，研究人员探索了便携式X射线荧光光谱技术用于水体粪便污染快速评估。研究提出通过滤膜富集水样并结合pXRF分析，构建了与大肠杆菌污染显著相关的元素指纹图谱，实现了以磷、钙、铁等为关键指标的快速筛查，其分类验证准确率达80%。该研究为现场水质快速诊断和风险优先级排序提供了创新且实用的技术支持。
想象一下，在资源匮乏或偏远地区，饮用水安全面临严峻挑战。传统的微生物检测方法需要将水样送回实验室，耗时超过18小时，延误了关键的风险判断和公共卫生干预。全球仍有超过22亿人缺乏安全管理的饮用水，其中粪便污染是导致水源性疾病最主要的直接风险之一。因此，开发一种快速、廉价且可在现场部署的水质筛查工具，对于及时保障公共健康、实现联合国可持续发展目标（SDG 6：清洁饮水和卫生设施）至关重要。
一项最新发表在《Water Research X》上的先导研究，探索了一个看似跨界却颇具潜力的解决方案：将广泛应用于土壤和沉积物元素分析的便携式X射线荧光光谱技术应用于水质监测。这项技术的核心挑战在于，水作为一种低密度介质，会显著衰减X射线荧光的强度，尤其是对低原子序数的元素，导致直接检测液体样品时信号弱且不稳定。那么，研究人员是如何克服这一技术瓶颈，并将其转化为一种有效的粪便污染筛查工具的呢？
研究人员提出了一个巧妙思路：与其直接分析水中浓度极低的元素，不如利用滤膜将水中的溶解态和颗粒态物质富集起来，形成一个稳定的固体基质，再进行pXRF扫描。这样不仅能浓缩目标信号，还能规避液体基质的干扰。
为了验证这一设想的可行性，研究团队于2025年1月在巴西米纳斯吉拉斯州的拉夫拉斯地区，系统采集了15个不同来源的水样，包括湖泊、溪流、未经处理的市政入流水以及处理后的市政出水。他们不仅对水样进行了传统的大肠杆菌、总大肠菌群、pH值和浊度分析，还利用Bruker Tracer 5g便携式X射线荧光光谱仪，对四种不同形态的样品进行了元素分析：未过滤水、过滤水、湿滤膜和干滤膜。
微生物和物理化学特性
所有采样点的pH值在6.34至7.65之间，呈中性环境。浊度变化较大，处理后的出水浊度始终较低。微生物分析显示，多个地点的E. coli超过了103CFU/100 mL，其中未处理的原废水（P14点）的E. coli含量高达8.2 × 107CFU/100 mL。相比之下，处理后的出水（P10–P13）和饮用水（P15）均未检出E. coli。
未过滤水和过滤水中的元素浓度
液体样品的pXRF测量揭示了元素在不同相态（溶解态与颗粒态）中的分布差异。铁、铝和磷在未过滤样品中浓度极高，但在过滤后下降了超过一个数量级，表明这些元素主要与颗粒物结合。相反，镍、锰和钡的浓度在过滤前后相对稳定，表明它们主要以溶解态存在。钙则表现出混合行为。这些结果强调了在解读pXRF数据时考虑颗粒物部分的重要性。
湿滤膜和干滤膜上的元素浓度
滤膜基的pXRF扫描成功捕捉到了反映废水影响的元素指纹图谱。磷和钙在废水排放点（P14原废水，P15处理后出水）持续处于最高水平。铁也表现出显著的富集，尤其是在未处理废水中。铝、钾和硅则显示出与特定点位相关的富集模式，可能源于地质背景或人为输入。统计分析（Tukey事后检验）证实，原废水、处理后出水和环境水体之间存在显著分离。一个关键发现是，对于大多数元素而言，湿滤膜和干滤膜的分析结果在统计学上是等效的。
PLS-DA模型性能
偏最小二乘判别分析用于评估pXRF元素谱能否根据大肠杆菌风险阈值（≤100 CFU/100 mL为“满意”，>100 CFU/100 mL为“不满意”）对样本进行分类。结果显示，基于滤膜（无论湿态或干态）数据的模型表现良好，其验证总体准确率达到80%，卡帕系数为0.62。磷、钙和铁是最强的预测因子。相反，直接基于未过滤水或过滤水数据的模型则缺乏区分能力，准确率分别仅为60%和40%。
研究结论与重要意义
这项先导研究证实，便携式X射线荧光光谱技术结合滤膜富集的方法，能够生成与废水影响下微生物水质相关的元素指纹。研究发现，直接扫描液体样品因基质效应和溶质浓度低而不可靠，但基于滤膜的方法稳定了基质，富集了目标元素，产生了可重复的信号。磷、钙和铁被确定为最一致的预测指标，反映了与粪便污染共存的废水来源特征。该方法的一项关键操作进步在于，湿滤膜与干滤膜的分类效果在统计学上等效，这一发现省去了数天的干燥过程，使得在现场近乎实时部署成为可能。
虽然微生物检测对于确证性测试仍然不可或缺，但滤膜基pXRF技术提供了一种低成本、便携式的补充工具，可用于快速筛查和优先排序高风险地点，以便进行更深入的分析。在资源有限的地区，传统方法往往缓慢、昂贵且依赖实验室，这项技术为及时的水质决策和公共健康保护提供了一个极具前景的创新工具。据研究者所知，这是首次系统性地评估pXRF作为水体微生物污染代理指标的研究，突显了其新颖性和可扩展性。此外，该滤膜基pXRF方法对于监测全球受沉积物影响的河流和湖泊也具有巨大贡献潜力，可以实现污染评估和沉积物来源追溯的双重目标。
