污水處理和再利用對人類健康有著重要影響，活性污泥法是最常用的污水處理工藝。不斷加深對活性污泥工藝的理解，對下一代污水處理和回用系統(tǒng)的優(yōu)化意義重大。各組學(xué)研究是近年學(xué)術(shù)界對污水處理微生物的熱門手段，一個(gè)由美國俄克拉荷馬大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科項(xiàng)目就對活性污泥的微生物組進(jìn)行了多年研究，近日《Nature Microbiology》刊登他們的部分研究成果。我們在本期的學(xué)術(shù)星期四專欄里對此作簡介。

全球污水廠細(xì)菌群落揭秘

“2014年5月，我們成立了GWMC全球水微生物群聯(lián)盟（Global Water Microbiome Consortium），以此促進(jìn)水環(huán)境微生物組的全球教育、研究和國際合作交流，”俄克拉荷馬大學(xué)環(huán)境基因組研究所主任周集中教授說。

周教授是行內(nèi)做geochip（功能基因芯片）的專家，據(jù)說有一次國際會議上有學(xué)者尊稱他做Mr. Geochip。周教授在接受媒體采訪時(shí)表示：“GWMC聯(lián)盟的采樣方式和其他自下而上式采集微生物樣本的全球倡議不同，他們使用自上而下的采樣策略，專門針對城市污水處理廠中活性污泥過程的微生物組?！蹦壳斑@個(gè)項(xiàng)目有100多名調(diào)研人員的參與，他們在6大洲23個(gè)國家86個(gè)城市里，對269個(gè)污水處理廠進(jìn)行了采樣調(diào)查。這篇報(bào)告是他們對其中約1200個(gè)活性污泥16SrDNA的樣本的分析結(jié)果。

我們每分每秒都在產(chǎn)生污水，大部分污水經(jīng)城市地下管網(wǎng)進(jìn)入污水廠進(jìn)行處理，經(jīng)凈化后又重新排入環(huán)境?；钚晕勰喾ㄊ瞧渲凶畛Ｒ姷纳锾幚砉に?，約有105年的歷史，它對人類的環(huán)境健康做出了巨大的貢獻(xiàn)。盡管已經(jīng)有了一個(gè)多世紀(jì)的實(shí)踐，但其實(shí)活性污泥法仍有許多提升空間，要想繼續(xù)優(yōu)化這項(xiàng)工藝技術(shù)，需要從根本上認(rèn)識活性污泥微生物組的生物多樣性與性能表現(xiàn)的關(guān)系。

雖然在此前有一些地區(qū)性的嘗試，例如丹麥的MIDAS項(xiàng)目，但在過去100多年里，還沒有人嘗試對活性污泥微生物組的全球情況進(jìn)行系統(tǒng)性的研究分析。研究污水廠的微生物群落的多樣性和生物地理學(xué)是一個(gè)剛剛起步的領(lǐng)域，這正是這次研究的獨(dú)特意義所在。

研究結(jié)果

在這次研究里，他們探討了以下問題：

(1)活性污泥微生物群落的全球多樣性程度如何?

(2)活性污泥法工藝是否存在跨洲的核心微生物群?

(3)這些群落是否具有緯度多樣性梯度(LDG)?

(4)微生物多樣性對工藝表現(xiàn)的影響是否顯著?

(5)確定性與隨機(jī)性的因素在調(diào)節(jié)群落組成、分布和功能方面有何相對重要性?

結(jié)果表明，全球活性污泥細(xì)菌群落中約有10億個(gè)細(xì)菌種系型(phylotypes)，且其多樣性服從泊松對數(shù)正態(tài)分布(Poisson log-normal distribution)。盡管活性污泥具有高度的多樣性，但存在一個(gè)全球核心細(xì)菌群落(28個(gè)OTUs)，并與其性能密切相關(guān)。

Meta分析的結(jié)果顯示，活性污泥微生物群落與淡水群落的關(guān)系最為密切，而與大型生物的多樣性相比，活性污泥的微生物群落沒有明顯的緯向梯度(Latitudinal diversity pattern)。

盡管活性污泥算是有人為控制的生態(tài)系統(tǒng)，但它的細(xì)菌組成似乎很可能是通過隨機(jī)過程驅(qū)動(dòng)的，例如分散和漂移，這顯然與我們過去的傳統(tǒng)認(rèn)知相矛盾。其空間周轉(zhuǎn)率與群落規(guī)模有關(guān)，另外溫度、SRT和有機(jī)碳輸入也是重要的決定性因素。

這個(gè)項(xiàng)目有不少業(yè)內(nèi)大牛的參與，例如2018年斯德哥爾摩水獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)人、美國亞利桑拿州立大學(xué)的Bruce Rittmann教授。Rittmann教授表示：“這次全球采樣工作的規(guī)模前所未有，它為活性污泥工藝的微生物學(xué)提供了新的見解。盡管不同地區(qū)的污水廠存在巨大的地理差異，但該工藝的微生物群落具有28多種核心菌株，這反映了活性污泥工藝的強(qiáng)大且獨(dú)特的生態(tài)選擇性?！?br />
同濟(jì)大學(xué)國家外專千人計(jì)劃專家、美國工程院院士、加州大學(xué)伯克利分校的LisaAlvarez-Cohen教授也是其中的參與者，他說：“這項(xiàng)項(xiàng)目具有很高的廣度，它是對世界各地生活污水的生物處理工藝中的有益微生物群落進(jìn)行的一次系統(tǒng)研究，這是全球第一次這樣的嘗試。它對我們理解和維護(hù)這些關(guān)鍵微生物群落有著重要意義?！?br />
后續(xù)研究

總的來說，這個(gè)研究有五大創(chuàng)新點(diǎn)：

1. 這是第一次檢查活性污泥微生物組的全球多樣性和生物地理學(xué)的高度協(xié)調(diào)的綜合性研究及報(bào)告；

2. 微生物組多樣性高，包含超過10億個(gè)生物類群，其中有許多新物種；

3. 識別出和活性污泥表現(xiàn)相關(guān)的核心微生物群；

4. 發(fā)現(xiàn)了活性污泥微生物組和其他生境中的微生物組；

5. 解釋了驅(qū)動(dòng)活性污泥群落組成和功能的機(jī)制。

這次研究也反映了我們對微生物的世界還知之甚少，即使是城市污水處理廠這樣已經(jīng)“很常見”而且“控制簡單”的系統(tǒng)。據(jù)了解，這份報(bào)告是關(guān)于活性污泥微生物組地理分布的分析，后續(xù)應(yīng)該還有一篇關(guān)于時(shí)間分布的文章，但具體時(shí)間就沒法透露了，畢竟據(jù)說上述報(bào)告的發(fā)布就等了好長時(shí)間。

若想查看原文的朋友可以在Nature Microbiology網(wǎng)頁搜索“Global Diversity and Biogeography of the Bacterial Communities in Wastewater Treatment Plants”。