病原微生物能夠侵入人體，引發感染并導致傳染病[1]、[2]。世界衛生組織（WHO）估計，全球約有20億人依賴受病原體污染的水源，每年因此導致約50.5萬人死于腹瀉（WHO，2023年）。其他水傳播疾病每年還導致額外48.5萬人死亡[3]、[4]、[5]。在中國，所有七大河流系統都受到不同程度的病原體污染[6]。此外，由于水文和環境條件的差異，不同河流流域的病原體傳播模式和污染風險也存在顯著差異。例如，在渭河流域，降水量在季節間分布不均：7月至10月的高水位期占總流量的68%，而12月至4月的低水位期占比不到10%[7]。在低水位期，徑流減少和水體自凈能力下降，促進了病原體在水中的積累，這些病原體可能通過灌溉、接觸等途徑傳播，對區域生態安全和公共衛生構成潛在威脅。然而，現行的《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）僅以糞便大腸菌群作為微生物指標，這使得全面評估病原體污染風險變得困難，尤其是在復雜的水生環境中[8]。盡管污水處理廠在控制水污染方面發揮著關鍵作用，但其去除效率仍然有限，潛在的傳染性微生物（如人類腸道病毒，殘留率為20–80%）仍可在污水中檢測到[9]。這些病原體不斷排放到自然水體中，使其在環境中長期存在。因此，本研究旨在識別水體中的病原體特征，闡明其致病性和傳播機制，并揭示關鍵的環境驅動因素，為改進微生物水質評估系統和制定有效的風險預防策略提供科學依據。

病原體的多樣性、豐度和時空分布對于評估水生環境中的微生物污染風險以及理解其致病機制至關重要。傳統的檢測方法，如基于培養的檢測和定量PCR（qPCR）仍被廣泛使用[10]。然而，基于培養的方法依賴于微生物的可培養性，無法檢測難培養或不可培養的微生物類群，而qPCR的通量較低。因此，這兩種方法都無法全面反映病原體的情況。宏基因組測序技術的發展為復雜環境樣本中病原體豐度的全面檢測提供了技術支持[11]。與基于培養的方法不同，宏基因組學直接分析全基因組信息，實現了病原體的全面識別和定量[12]。該技術已廣泛應用于多種水生系統，例如在灤河[13]、海河[14]、北運河[15]、巢湖[2]和秦淮河[16]等自然河流、淡水湖泊和景觀水體中檢測到病原體。在珠江流域，Zhou等人[17]發現了58種潛在病原體，其中許多是非傳統類群（如醋酸桿菌、羅塞omonas和軍團菌），這些病原體與濕潤的亞熱帶氣候有關。類似地，Liu等人[18]在信豐江中報告了85種病原體，包括高致病性細菌（銅綠假單胞菌、嗜水氣單胞菌和支氣管敗血波氏桿菌），這些病原體也在多個河流系統中被檢測到，表明它們具有很強的環境適應性及潛在風險。這些發現表明，病原體群落組成在很大程度上受到人為因素的影響，如周邊城市化、生活污水排放和人口密度[19]。然而，大多數現有研究僅關注病原體的檢測和群落結構，對病原體的致病潛力和傳播機制的系統研究較少。以往的研究主要集中在單一時間和空間背景下檢測特定病原體或分析群落組成，往往忽視了時空動態和環境條件在不同水文時期的影響。許多研究集中在水質或特定污染物上，未探討病原體、毒力因子（VFs）和移動遺傳元件（MGEs）之間的復雜相互作用。相比之下，本研究不僅識別了渭河流域的病原體類型和豐度，還探討了不同水文周期中的環境因素如何影響病原體群落、毒力因子和MGEs。這種方法為病原體傳播機制和風險評估提供了新的視角。

毒力因子是決定病原體致病性的關鍵因素，而MGEs則介導了VFs的水平轉移，間接影響攜帶這些基因的病原體的進化和傳播潛力。先前的研究表明，MGEs可以在環境中介導抗生素抗性基因（ARGs）和毒力基因的水平轉移，從而加速病原體的適應性進化并促進其跨物種傳播。例如，Zhang等人[20]發現渭河流域的MGEs介導了ARGs向病原體的轉移，揭示了病原體、MGEs和ARGs之間的密切相互作用。然而，水文條件對病原體、VFs和MGEs之間相互作用的影響尚不明確。特別是，關于VFs和MGEs如何在不同水文條件下共同驅動病原體傳播并增強致病性的研究較少。因此，本研究通過整合網絡和路徑建模來填補這一空白，系統分析病原體、VFs和MGEs之間的相互作用及其環境驅動因素。了解VFs和MGEs的時空分布及其在不同水文時期與病原體的相互作用，對于評估水傳播病原體的生態風險和傳播動態至關重要。

渭河是黃河最大的支流，是中國北部干旱和半干旱地區的代表性河流[21]。它在區域供水、農業灌溉和生態穩定方面發揮著關鍵作用，其生態安全與黃河流域生態保護和高質量發展戰略的實施密切相關[22]。現有的關于渭河的研究主要集中在水質評估和建模[23]、有機污染物（如多環芳烴PAHs）[24]和抗生素抗性基因（ARGs）[25]上。然而，針對不同水文條件下病原體（特別是病原體、毒力因子（VFs）和移動遺傳元件（MGEs）之間相互作用的系統研究仍有限。為填補這一空白，本研究使用宏基因組測序技術重點研究了渭河主干道（陜西段）及其代表性支流。具體目標包括：（1）表征渭河流域病原體的組成和豐度，并分析其在高水位期、正常水位期和低水位期的時空分布模式；（2）研究VFs和MGEs的分布模式，并闡明它們與病原體的相互作用和傳播機制；（3）識別影響病原體群落結構的關鍵環境因素，并明確水文條件如何影響病原體、VFs和MGEs之間的關系。

研究結果為北方河流流域的微生物污染風險評估和管理提供了科學基礎，為提高微生物水質監測和加強公共衛生風險預防框架提供了寶貴見解。