科研 | 清华大学ES&T：中国污水处理厂微生物群落的生物地理学
编译：A国民少女，编辑：小菌菌、江舜尧。
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尽管大多数研究认为污水处理厂（WWTP）中微生物群落的多样性直接影响系统性能，但对于活性污泥微生物群落仍缺乏对微生物生物地理学和组装的科学理解。本研究利用从中国15个城市收集的211个活性污泥样品中产生的大规模16S rRNA基因数据，研究显示了活性污泥微生物，其生长和代谢可以遵循生态代谢理论进行调节，具有明显的Ea值（表观活化能）为0.08 eV。较低纬度的污水处理厂倾向于藏有更多种类的微生物。与一般理解一致，活性污泥微生物的组成主要由确定性过程驱动，并且年平均温度被确定为影响微生物群落结构的最重要因素。只有当污水处理厂彼此靠近并收集相似的进水时，具有相似的微生物生长类型和功能的处理过程类型才对活性污泥微生物群落结构产生明显的影响。总体而言，这些发现使我们从生态角度更深入地了解活性污泥微生物群落。此外，这些发现表明对于给定的一组性能特征（例如，硝化，反硝化和除磷相结合），由于自然环境因素的影响，可能难以采用通用的工程手段来控制群落结构的其他方面
论文ID
原名：Biogeography and Assembly of Microbial Communities in Wastewater Treatment Plants in China
译名：中国污水处理厂微生物群落的生物地理学
期刊：Environmental Science& Technology
IF：7.149
发表时间：2020.04.07
通信作者：文湘华
通信作者单位：清华大学
实验设计
采样：整个采样任务是在2014年夏季使用统一的采样协议实施的。通常，每个城市收集了4个污水处理厂的曝气池中的12个活性污泥样品。但是，采样过程中有一些例外。例如，由于一个污水处理厂（例如CNBJ，CNSZ和CNWX）具有多种处理工艺类型，因此获得了12个以上的样品。相反，总共仅从SY收集了9个样品。此外，仅2个污水处理厂被允许在DL（CNDL1和CNDL2）中进行采样。因此，我们从CNDL1和CNDL2中的不同并行处采样了两次，以保持最少的样本量。结果，从位于中国15个城市的60个大型污水处理厂的曝气池中获得了211个活性污泥样品。对于每个曝气池，均在入口附近，中间位置和出口附近取样。
这60个污水处理厂采用不同的处理工艺运行，包括：氧化沟（OD），厌氧/缺氧/有氧（A2O），倒置A2O，厌氧/缺氧/有氧/缺氧/有氧（AAOAO），缺氧/有氧（AO），膜生物反应器（MBR），吸收生物降解（AB），改良的开普敦大学（MUCT），序批式反应器（SBR），改良续批式反应器（MSBR），生物滤池，循环活性污泥系统（CASS）和循环活性污泥技术。在这些污水处理厂中，有5个采用相同进水（CNBJ1，CNSZ3，CNSZ4，CNWX1和CNWX3）进行了两个或更多个处理过程。测量常见的化学参数，包括氨，亚硝酸盐，硝酸盐，总氮（TN），总磷（TP）和化学需氧量（COD）。污水和污水的污染物浓度，包括氨，亚硝酸盐，硝酸盐，总氮，总磷，生物需氧量（BOD）和化学需氧量，原位测量温度，pH，溶解氧（DO）和活性污泥的电导率。有关污水处理厂的其他信息，包括地理位置，工厂的年龄，水力停留时间（HRT），污泥停留时间（SRT），曝气池的体积，工业废水的比例以及回收率。对样品进行DNA提取，纯化和定量，测序。
结果
1 多样性分布模式
根据稀疏度曲线重新采样后，从211个样本中总共回收了33849个OTU。单个样本包含1286至3464个OTU。在中国观察到的活性污泥微生物群落的丰富度处于全球活性污泥丰富度的范围内，但远低于许多其他生态系统中的微生物丰富度。例如，土壤中微生物群落的丰富度为5000至11000 OTU，根际中为3500至6000 OTU。淡水，潮间带湿地和海洋沉积物中细菌的丰富度分别为8331 OTU，6761 OTU和6059 OTU。为了合理地估计城市一级的池丰富度，每个城市每次随机抽取9个样本来计算Chao2指数，最终的Chao2指数是1000次随机抽样的平均值。在城市级别，Chao2指数从10642 OTU到18219 OTU。尽管在全球范围内未观察到纬度多样性梯度模式，但结果表明，城市一级的估计丰富度与纬度呈显着负相关（r = -0.56，P <0.05）。为了排除过程类型的层次结构对纬度多样性梯度模式的影响，选择了AAO过程样本以验证纬度梯度模式是否仍然存在。在单一类型的处理过程中观察到显着的纬度多样性梯度模式（r = -0.42，P <0.05），表明处理过程类型对纬度梯度模式影响很小。这些结果表明，中国的活性污泥微生物支持纬度多样性梯度模式，低纬度的污水处理厂倾向于包含更多种类的微生物。还研究了活性污泥中的微生物是否遵循MTE，并且我们的统计分析确定了城市水平上各个样本的对数转换后的估计分类群丰富度（Chao2）与污水处理厂微生物的倒数（1 / kT）之间的强线性关系，表明温度在污水处理厂的纬度多样性梯度中起主要作用（图1）。活性污泥群落的表观活化能（Ea）为0.08 eV。
图1.活性污泥丰富度与年平均温度之间的关系
Beta多样性对于理解造成生物多样性的规模和可变性的力量至关重要，而多样性分布模式可以为分散限制，环境异质性以及环境和进化变化在塑造生态群落结构方面的相对影响提供有价值的线索。考虑到纬度观测到的α多样性明显为负梯度可能会对β多样性梯度造成影响，因此采用了空模型方法来将群落多样性的变化与α多样性的变化区分开。事实证明，这种方法可以有效地识别出社区差异的变化是否更多是由于社区基础结构的变化所致，还是仅由于地区之间的阿尔法多样性差异而导致的。研究结果表明，城市内成对活性污泥微生物群落之间的差异性（βRC）与纬度有很强的负相关（图2a），与年平均温度有正相关（图2b）。这表明温度可能通过代谢过程影响污水处理厂中的微生物群落结构，而纬度较低和年平均气温较高的城市中的活性污泥微生物群落往往更加不同。
由于纬度与年平均温度之间存在很强的相关性（r = 0.96，P <0.01），因此进行了部分Mantel检验，以确定纬度的影响是否由温度引起。 Mantel的部分结果表明，在不考虑温度影响之后，纬度对微生物群落结构具有显着影响，这表明纬度对群落结构的影响并非完全由气温的共同变化引起。然后，研究了成对污泥在中国成对地理距离之间的组成相似性变化，以揭示污水处理厂中的距离-衰减关系。
2 污水处理厂中的微生物组成
只有极少的研究做出了明确的尝试来研究污水处理厂中微生物组成的确定性和随机机制，而对这两种机制的相对贡献仍然知之甚少。在这项研究中，使用空模型来理解构造活性污泥群落的理解力。总体而言，与典型的理解一致，与环境选择有关的确定性过程对活性污泥微生物组装的贡献大于随机过程。在随机过程中，扩散限制是主要的。使用主坐标分析（PCoA）和聚类分析了处理工艺类型对微生物结构的影响。 PCoA显示，除了AO和生物膜外，大多数样品无法根据处理过程类型进行分离，这与聚类结果一致（图3a）。为了更深入地了解治疗过程对微生物群落的影响，使用了更多分析，包括冗余分析（RDA），相异性测试，规范对应分析（CCA）和线性判别分析。 RDA结果表明，所有处理过程类型的整体影响远小于纬度和废水特征（例如进水的污染物浓度）。此外，CCA模型显示处理过程类型只能解释总方差的13.77％，表明处理过程类型对微生物成分的影响较弱。特别是，在这些处理过程类型中，AO和生物膜对微生物结构的影响最大。差异测试（ANOSIM）显示，来自SBR，AO和生物膜的样品与其他样品显着不同。这些结果表明，只有具有不同微生物生长类型（例如悬浮生长类型和附着生长类型）和目标功能（例如硝化作用和反硝化作用等）的微生物群落在大规模上才显着不同。结果表明，具有相似的微生物生长类型和目标功能的处理过程类型的影响可能被地理位置和废水特征的巨大变化所覆盖。因此，选择具有相同废水特性和地理位置的不同处理工艺类型（例如AAO，MBR，OD）的样品进行进一步分析。结果表明，根据采样城市的不同，活性污泥群落分三类（图3b）。然后进行了MRM，以揭示变量对微生物分类结构的相对重要性。带有所有选定变量的总体MRM模型很显着（P <0.01），可解释部分（R2）为0.748。年平均温度对单个因素的回归系数最大，比其他变量高约一个数量级。地理距离系数也相对较高，表明年平均温度和地理距离是影响微生物群落组成的两个主要驱动因素（表1）。其他重要变量包括HRT，活性污泥的电导率，SRT，进水的生物降解能力，活性污泥的pH值，进水的总氮和活性污泥的温度（根据系数从高到低排序）。
图3.基于（a）处理过程类型和（b）来自相同污水处理厂的处理过程类型的主坐标分析（PCoA）。
讨论
根据研究的结果，中国污水处理厂中的活性污泥微生物群落（如自然生态系统中的生物）表现出纬度多样性梯度模式，并遵循MTE。但是，这些发现与对活性污泥微生物群落的全球研究得出的结论相反，该研究表明，在全球范围内没有纬度梯度。这不足为奇，因为亚洲的活性污泥微生物群落与其他大陆的微生物群落有很大不同，特别是在系统发育水平上。造成这种情况的可能原因是，中国大多数污水处理厂都采用了改进的废水处理系统，而收集到的样本中有86.7％来自污水处理厂，其中考虑了硝化和反硝化作用。相反，在其他国家，从污水处理厂收集的样本中只有41.4％进行了反硝化处理。此外，纬度多样性梯度格局受许多因素影响，例如抽样规模，栖息地和经度。当调查规模是全球性的时，这些因素可能相互影响，总的影响可能涵盖纬度多样性梯度模式。尽管污水处理厂中的微生物遵循MTE，但与自然生态系统中的群落相比，表观Ea值仍然很低。例如，基于空间尺度，中国的树木具有从0.93 eV到1.02 eV的表观Ea值。在土壤中使用16S rRNA基因，使用ITS基因的真菌和使用nifH基因的固氮菌的表观Ea值分别为0.184 eV，0.169 eV和0.467 eV。浮游动物的表观Ea值为0.26 eV62，浮游植物的表观Ea值为1.0 eV63（表2）。污水处理厂中细菌的表观Ea值较低，这表明污水处理厂中的微生物与自然系统相比，对高度工程化和控制的系统的温度依赖性较小，温度的影响较小。
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