DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-025-00536-5
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Lena Campostrini وآخرون
الموضوع الرئيسي: التلوث البرازي وجودة المياه
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تقييمًا شاملاً لتقنية قياس التدفق الخلوي في الوقت القريب (FCM) لمراقبة تلقائية في نموذج لنبع كارس جبلي، والذي يعمل كمصدر لمياه الشرب. استخدمت الأبحاث تصميم دراسة متداخلة على مدى 10 سنوات دمجت بين المراقبة منخفضة التردد مع أخذ عينات عالية التردد لتقييم فعالية FCM في اكتشاف مدخلات الخلايا الميكروبية من سطح الحوض (SRI) والإشارة بشكل غير مباشر إلى التلوث البرازي المنتشر (DFC). أظهرت الأدوات أداءً موثوقًا تحت ظروف ميدانية صعبة، حيث قامت بتحديد عدد الخلايا الميكروبية بدقة والتحقق من نتائجها مقابل الطرق المعتمدة. وجدت الدراسة أن معلمات FCM اكتشفت بفعالية SRI وDFC في حوض به تلوث برازي حيواني منتشر، وأن الجمع بين المؤشرات البيولوجية (الخلايا الميكروبية) والمؤشرات غير البيولوجية (UV254 والعكارة) قدم قدرات تحذير مبكر متفوقة لتخطيط سلامة المياه.
تسلط الأبحاث الضوء على ضعف المياه الجوفية الكارستية، التي تعتبر حيوية لتوفير مياه الشرب لحوالي 10% من سكان العالم، بسبب قدرتها المحدودة على الترشيح ومسارات إعادة الشحن السريعة التي يمكن أن تؤدي إلى تقلبات كبيرة في جودة المياه. هذه الأنظمة معرضة بشكل خاص للتلوث من مصادر مختلفة، بما في ذلك المدخلات البرازية من الحيوانات وأنظمة الصرف الصحي الفاشلة، مما يشكل مخاطر صحية مرتبطة بالعوامل الممرضة المعوية. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من التقدم الفني في FCM التلقائي لتعزيز حساسيته وخصوصيته في اكتشاف التلوث البرازي، بما يتماشى مع إطار تخطيط سلامة المياه لمنظمة الصحة العالمية الذي يدعو إلى حماية الموارد للتخفيف من المخاطر الميكروبيولوجية.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون دقة القياس وقابلية المقارنة لطرق قياس التدفق الخلوي (FCM) المستخدمة في دراستهم. يذكرون معامل التباين (CV) بنسبة 6.71% لـ FCM_b_TCC و7.19% لـ FCM_b_ICC، مما يشير إلى تكرارية جيدة. كانت قابلية إعادة إنتاج FCM_b أيضًا قوية، مع اختلافات تُعزى إلى الديناميات في المياه المأخوذة. بالمقابل، أظهرت قياسات التدفق البيئي (EFM) معامل تباين يتجاوز 30%، مما يبرز انحياز المستخدم الكبير. كشفت تحليلات الارتباط عن علاقات قوية بين FCM_b_TCC وEFM_TCC (r = 0.79، p ≤ 0.001)، وكذلك مع طرق أخرى، مما يشير إلى أن FCM_b_TCC هو بديل موثوق لعد الخلايا.
فحص المؤلفون أيضًا الاتفاق بين FCM_b_TCC وEFM_TCC باستخدام اختبار t لعينة مزدوجة، والذي أشار إلى فرق متوسط كبير (t = -3.8، df=68، p < 0.001). أظهر رسم بياني لباند-ألتمن أن قيم FCM_b_TCC كانت، في المتوسط، أقل بـ 107,000 خلية mL$^{-1}$ من EFM_TCC، مع حد الاتفاق يتراوح من -563,000 إلى 349,000 خلية mL$^{-1}$. من الجدير بالذكر أن الفروق أصبحت أكثر وضوحًا عند ارتفاع عدد الخلايا. يتميز موقع الدراسة، LKAS8، بأنه نبع كارس من الحجر الجيري مع نظام هيدرولوجي ديناميكي، يتأثر بشكل رئيسي بمصادر الحيوانات المجترة من E. coli، بينما يظل التلوث البشري ضئيلًا بسبب إدارة فعالة لمياه الصرف الصحي.
نتائج
تحققت الدراسة من الديناميات الهيدرولوجية والميكروبيولوجية لنبع LKAS8، الذي يتميز بنظام تصريف متغير للغاية يتأثر بالذوبان الموسمي للثلوج وأحداث الهطول. تم استخدام تصميم أخذ عينات متداخل على مدى عقد (2012-2021) لمراقبة جودة المياه، باستخدام مراقبة طويلة الأجل منخفضة التردد (LTM) جنبًا إلى جنب مع أخذ عينات عالية التردد (HFS) خلال أحداث هطول الأمطار الكبيرة. شمل برنامج LTM قياسات لعدد الخلايا الكلي (TCC)، E. coli، الكوليفورمات الكلية، وعلامات ميكروبية جينية، كاشفًا عن أنماط موسمية مميزة في تباين الميكروبات، مع ملاحظات لتركيزات أعلى في أشهر الصيف. من الجدير بالذكر أن TCC تراوحت من $0.8 \times 10^4$ إلى $31.8 \times 10^4$ خلية mL⁻¹، مع وسائط صيفية أعلى بـ 2.1 مرة من الشتاء.
سمحت حملات HFS التي أجريت في 2020 و2021 بمراقبة ديناميات الميكروبات في الوقت القريب، حيث تم التقاط الزيادات السريعة في عدد الخلايا البكتيرية ومؤشرات البراز بعد أحداث الهطول. على سبيل المثال، ارتفعت تركيزات E. coli من مستويات غير قابلة للاكتشاف إلى أكثر من 500 MPN 100 mL⁻¹ خلال هذه الأحداث، مما يبرز حساسية النبع للتلوث المشتق من السطح. خلصت الدراسة إلى أن استراتيجية أخذ العينات المتداخلة قد وصفت بفعالية كل من التغيرات الموسمية في جودة المياه والاستجابات القصيرة الأجل لهطول الأمطار، مما يظهر فائدة قياس التدفق الخلوي (FCM) كأداة فعالة من حيث الموارد لمراقبة ديناميات الميكروبات في أنظمة الينابيع الكارستية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم قدرة قياس التدفق الخلوي (FCM) والمعلمات الفيزيائية والكيميائية للإشارة إلى المدخلات المرتبطة بالسطح، وخاصة التلوث البرازي، في مياه الينابيع الكارستية الجبلية. استخدم التحليل معلمات عدد الخلايا في الوقت القريب (عدد الخلايا الكلي (TCC)، عدد الخلايا السليمة (ICC)، خلايا تحتوي على أحماض نووية عالية (HNAP)، ودرجات عدم التشابه) جنبًا إلى جنب مع مؤشرات ميكروبيولوجية تقليدية مثل الكوليفورمات الكلية وE. coli. أشارت النتائج إلى أن المعلمات المستمدة من FCM أظهرت ارتباطات قوية مع كل من مدخلات الخلايا المرتبطة بالسطح (SRI) ومؤشرات التلوث البرازي المنتشر (DFC)، خاصة خلال أحداث هطول الأمطار الصيفية. من الجدير بالذكر أن درجة عدم التشابه أظهرت أعلى ارتباط مع الكوليفورمات الكلية وE. coli، مما يشير إلى فائدتها في اكتشاف أحداث التلوث.
سلطت الدراسة أيضًا الضوء على مزايا FCM التلقائي في توفير بيانات في الوقت القريب، وهو أمر حاسم لأنظمة الإنذار المبكر في إدارة سلامة المياه. بينما أظهرت معلمات FCM أداءً قويًا، فإن المعلمات الفيزيائية والكيميائية التقليدية مثل UV254 والعكارة ارتبطت أيضًا جيدًا بمؤشرات البراز لكنها أظهرت نطاقات ديناميكية أقل. تؤكد النتائج على إمكانية دمج المراقبة الميكروبيولوجية التلقائية مع أجهزة الاستشعار الفيزيائية والكيميائية لتعزيز اكتشاف وإدارة التلوث الميكروبي في أنظمة المياه. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين هذه الطرق للكشف المحدد عن التلوث البرازي واستكشاف قابليتها للتطبيق عبر سياقات هيدروجيولوجية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41545-025-00536-5
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Lena Campostrini et al.
Primary Topic: Fecal contamination and water quality
Overview
This study provides a comprehensive evaluation of near-real-time flow cytometry (FCM) for automated monitoring at a model alpine karst spring, which serves as a drinking water source. The research employed a nested 10-year study design that integrated low-frequency monitoring with high-frequency event sampling to assess FCM’s effectiveness in detecting microbial cell inputs from the catchment surface (SRI) and indirectly indicating diffuse faecal contamination (DFC). The instruments demonstrated reliable performance under challenging field conditions, accurately quantifying microbial cells and validating their findings against established methods. The study found that FCM parameters effectively detected SRI and DFC in a catchment with diffuse animal faecal contamination, and the combination of biotic indicators (microbial cells) and abiotic indicators (UV254 and turbidity) provided superior early warning capabilities for water safety planning.
The research highlights the vulnerability of karst aquifers, which are crucial for drinking water supply for approximately 10% of the global population, due to their limited filtration capacities and rapid recharge pathways that can lead to significant water quality fluctuations. These systems are particularly susceptible to contamination from various sources, including faecal inputs from animals and failing sanitation systems, which pose health risks associated with enteric pathogens. The study emphasizes the need for further technical advancements in automated FCM to enhance its sensitivity and specificity in detecting faecal contamination, aligning with the World Health Organization’s water safety planning framework that advocates for resource protection to mitigate microbiological risks.
Methods
In this section, the authors detail the measurement precision and comparability of flow cytometry methods (FCM) used in their study. They report a coefficient of variation (CV) of 6.71% for FCM_b_TCC and 7.19% for FCM_b_ICC, indicating good repeatability. The reproducibility of FCM_b was also robust, with variations attributed to dynamics in the sampled water. In contrast, the environmental flow measurement (EFM) exhibited a CV exceeding 30%, highlighting significant user bias. Correlation analyses revealed strong relationships between FCM_b_TCC and EFM_TCC (r = 0.79, p ≤ 0.001), as well as with other methods, suggesting that FCM_b_TCC is a reliable alternative for cell counting.
The authors further examined the agreement between FCM_b_TCC and EFM_TCC using a paired samples t-test, which indicated a significant mean difference (t = -3.8, df=68, p < 0.001). A Bland-Altman plot illustrated that FCM_b_TCC values were, on average, 107,000 cells mL$^{-1}$ lower than EFM_TCC, with a limit of agreement ranging from -563,000 to 349,000 cells mL$^{-1}$. Notably, the differences became more pronounced at higher cell counts. The study site, LKAS8, is characterized as a limestone karst spring with a dynamic hydrological regime, primarily influenced by ruminant sources of E. coli, while human pollution remains minimal due to effective wastewater management.
Results
The study investigated the hydrological and microbiological dynamics of the LKAS8 spring, characterized by a highly variable discharge regime influenced by seasonal snowmelt and precipitation events. A nested sampling design was employed over a decade (2012-2021) to monitor water quality, utilizing long-term low-frequency monitoring (LTM) alongside high-frequency sampling (HFS) during significant rainfall events. The LTM program included measurements of total cell counts (TCC), E. coli, total coliforms, and genetic microbial markers, revealing distinct seasonal patterns in microbial variability, with higher concentrations observed in summer months. Notably, TCC ranged from $0.8 \times 10^4$ to $31.8 \times 10^4$ cells mL⁻¹, with summer medians 2.1 times higher than winter.
The HFS campaigns conducted in 2020 and 2021 allowed for near-real-time monitoring of microbial dynamics, capturing rapid increases in bacterial cell counts and faecal indicators following precipitation events. For instance, E. coli concentrations surged from non-detectable levels to over 500 MPN 100 mL⁻¹ during these events, highlighting the spring’s sensitivity to surface-derived contamination. The study concluded that the nested sampling strategy effectively characterized both seasonal water quality changes and short-term responses to rainfall, demonstrating the utility of flow cytometry (FCM) as a resource-efficient tool for monitoring microbial dynamics in karst spring systems.
Discussion
In this study, the capacity of flow cytometry (FCM) and physico-chemical parameters to indicate surface-related inputs, particularly faecal contamination, was evaluated in alpine karst spring water. The analysis utilized near-real-time cell count parameters (Total Cell Counts (TCC), Intact Cell Counts (ICC), High Nucleic Acid-Containing Cells (HNAP), and dissimilarity scores) alongside traditional microbiological indicators such as total coliforms and E. coli. The results indicated that FCM-derived parameters exhibited strong correlations with both surface-related cell input (SRI) and diffuse faecal contamination (DFC) indicators, particularly during summer precipitation events. Notably, the dissimilarity score showed the highest correlation with total coliforms and E. coli, suggesting its utility in detecting contamination events.
The study also highlighted the advantages of automated FCM in providing near-real-time data, which is crucial for early warning systems in water safety management. While FCM parameters demonstrated robust performance, traditional physico-chemical parameters like UV254 and turbidity also correlated well with faecal indicators but exhibited lower dynamic ranges. The findings underscore the potential of integrating automated microbiological monitoring with physico-chemical sensors to enhance the detection and management of microbial contamination in water systems. Future research should focus on refining these methods for specific detection of faecal pollution and exploring their applicability across various hydrogeological contexts.