喀斯特地下水是全球重要的飲用水資源之一，約有10%的人口依賴喀斯特含水層供水。然而，由于巖溶地區天然過濾能力較弱，降雨后地表污染物能夠快速進入地下水系統，從而引發水質波動和微生物污染風險。

目前，飲用水源地微生物監測仍主要依賴培養法，這類方法雖然成熟，但檢測周期通常需要18～24小時甚至更長，難以捕捉降雨等短時事件引起的快速變化。

相比之下，流式細胞術能夠直接檢測水中微生物細胞數量，并快速獲得總細胞數（TCC）和完整細胞數（ICC）等指標，為近實時水質監測提供了新的技術路徑。

因此，本研究旨在使用自動在線流式細胞儀BactoSense 監測飲用水源地微生物波動情況，以及其評估在污染事件監測和預警中的應用價值。

[圖1]研究在2012-2021年間基于低頻監測（LTM），每月采樣一次用于微生物分析。在2020年和2021年夏季開展了高頻采樣（HFS）。其中與2020年相比，在2021年識別出的降雨事件期間，將采樣頻率提高至每天4次。

研究地點位于奧地利北部石灰巖阿爾卑斯山區的一處典型喀斯特飲用水源地。研究團隊采用“長期低頻監測+短期高頻監測”的嵌套研究設計，對水源地進行持續觀測。

（一）長期低頻監測

研究人員收集了2012年至2021年共10年的監測數據，包括：總細菌數（TCC）、高核酸菌群（HNA）、大腸桿菌（E. coli）、總大腸菌群（Total Coliforms）、多種微生物遺傳標記、水文及理化參數等。通過長期數據分析，識別水源地污染高風險時期及微生物變化規律。

（二）高頻事件監測

在2020年和2021年夏季，研究團隊于泉水出口現場部署BactoSense自動在線流式細胞儀。其中：

• 2020年每2小時自動檢測一次完整細胞數（ICC）

• 2021年每6小時自動檢測一次總細胞數（TCC）和完整細胞數（ICC）

• 共完成超過1100次自動流式檢測

同時配合采集水樣進行了大腸桿菌檢測、總大腸菌群檢測、16S rRNA基因分析、糞便來源追蹤標記物分析，以輔助分析該地區地下水中微生物的波動性。

[圖2]長期低頻監測結果。展示了2012年1月至2021年12月期間的水文與氣象參數（A）、理化參數（B）以及微生物參數（C–E）的變化情況。

借助BactoSense全自動微生物在線分析儀的高頻監測能力，研究團隊以近實時方式系統觀察了高山喀斯特飲用水源地在降雨事件中的微生物動態變化，并獲得了以下重要發現。

（一）降雨是影響水源地微生物變化的關鍵因素

[圖3]展示了2020年7月至9月及2021年5月至9月期間水文氣象參數（A）、理化參數（B）以及微生物參數（C–F）的動態變化。研究以基流期（Baseflow）作為參考狀態，將日降雨量超過40 mm定義為降雨事件，并識別出6次典型降雨事件。

研究發現，微生物指標在夏季降雨事件期間會出現快速且顯著的升高。

在監測到的6次降雨事件中：

• 總細胞數（TCC）和完整細胞數（ICC）增加約50~100倍；

• 16S rRNA基因分析標記最高增加約800倍；

• 大腸桿菌由未檢出升高至500 MPN/100mL以上；

• 糞便來源標記物BacR最高增加超過10000倍。

結果表明，強降雨會促進地表微生物向地下喀斯特含水層遷移，從而引發短時間內顯著的微生物輸入事件。

（二）微生物群落結構在污染事件期間發生明顯變化

[圖4]微生物群落指紋分析結果。 基于BactoSense指紋譜圖數據的分析顯示，降雨事件期間的微生物群落特征明顯偏離基流期狀態，表明地表微生物輸入導致群落結構發生顯著變化。[×]表示與基流期差異顯著的樣本，[·]表示與基流期相似的樣本。

除了細胞數量增加外，研究還發現降雨事件會引起微生物群落組成的顯著變化。

通過BactoSense的指紋圖譜分析（Fingerprinting）和獨立成分分析（ICA），研究人員觀察到：

• 平穩時期的微生物群落結構較為穩定；

• 降雨事件期間形成明顯不同的群落特征；

• 不同降雨事件對應不同程度的群落變化。

研究表明，這些變化反映了地表來源微生物與地下水原生微生物群落之間的混合作用，為理解喀斯特水源地微生物生態過程提供了新的研究視角。

（三）地表微生物輸入與糞便污染具有明顯關聯性

[圖5]基于流式細胞術與理化參數分析，評估地表輸入及彌散性糞便污染。通過散點圖及Spearman相關分析（ρ）比較微生物指標與理化參數同污染指示菌群的相關性。相關性顯著性以星號表示（*p≤0.05；**p≤0.01；***p≤0.001）。

研究團隊發現，細胞總數、完整細胞數以及流式細胞群落指紋變化與總大腸菌群、AllBac、大腸桿菌和BacR等指標均表現出較高相關性。

這一結果說明：在該喀斯特流域中，降雨不僅會將土壤和植被中的微生物帶入地下水系統，同時也會攜帶來自放牧動物和野生動物的糞便污染物進入水源地。

研究進一步證實，地表微生物輸入與彌散性糞便污染在該系統中往往同步發生。

本研究基于近實時流式細胞監測系統，系統揭示了高山喀斯特飲用水源地在降雨事件期間的微生物響應規律，證實降雨驅動的地表微生物輸入是影響水質變化的重要因素，而細胞數量及微生物群落結構的動態變化均可作為污染事件的關鍵指示信號。

這些發現為喀斯特地區飲用水源保護、水安全計劃制定及智慧水務管理提供了重要科學依據。

• 高靈敏度：可實現單個細胞級別的檢測，并檢測不可培養（VBNC）細菌，靈敏度可達傳統培養法的500-1000倍以上。

• 檢測速度快： 20分鐘內完成檢測，實現近實時監測。

• 趨勢分析：提供連續監控數據，為微生物污染預警、工藝監控和流程優化提供數據支持。

• 易用性：自動化設計和即插即用的試劑盒系統，檢測全程無需人工干預，可根據使用場景靈活選擇在線、離線和產線旁檢測方式。