清华大学环境学院文湘华团队WR: 污水可生物降解性决定了污水厂微生物的构建机制

编译：Frank，编辑：小菌菌、江舜尧。

导读

污水处理厂（WWTP）对于维持现代社会的可持续发展至关重要，其中定植在活性污泥（AS）中的微生物种群负责去除污水中的污染物。用来衡量AS中微生物的可用能量和对微生物的毒性程度的进水可生物降解性（生物需氧量/化学需氧量），被推测可以驱动AS微生物群落的构建。但是，该假设的有效性尚未在污水处理厂中得到验证。

在本研究中，作者通过分析195个包含近5 000 000个16S rRNA序列的AS样品，检测了污染物去除负荷、微生物群落多样性、确定性和随机性构建过程的相对重要性以及群落中的生物相互作用。

结果表明: B/C比对污染物去除负荷的影响可以通过生物学特性完美地反映出来，这意味着B/C比通过影响微生物群落来决定污水处理厂的性能。极低和/或极高的B/C比导致微生物多样性低、随机过程强、网络复杂庞大，导致污染物去除负荷低。约为0.5的B/C比对于系统稳定性和效率而言是最佳的。

基于本研究结果，作者建议使用B/C比作为必不可少的指标，以评估系统性能并在功能显着恶化之前对即将发生的不正常现象提出指示。本研究提供了一种可用于评估污水处理厂流程优化和运营策略的特定措施。

论文ID

原名：Biodegradability of wastewater determines microbial assembly mechanisms in full-scale wastewater treatment plants

译名：污水的可生物降解性决定了污水处理厂微生物的构建机制

期刊：Water Research

IF：7.913

发表时间：2019.11

通讯作者：文湘华

作者单位：清华大学环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室

实验设计

1 采样

从位于中国15个城市的58个污水处理厂收集了195个AS样本。AS样本分别取自每个污水处理厂曝气池的入口，中间和出口，这三个样本大多相距约5 m 。所有AS样品均在现场短暂沉降，然后立即在冰上运送到实验室。将2 ml活性污泥样品等分试样以15000× g离心沉淀10分钟，将沉淀物储存在-80℃下直到提取DNA。将另一份100毫升的AS离心，并使用上清液测量常见的化学参数，包括氨、亚硝酸盐、硝酸盐、总氮、总磷和COD。原位测量温度、pH、溶解氧和活性污泥的电导率。

2 数据分析

香农指数、均匀度和丰富度用于评估微生物分类学多样性。使用零模型来研究确定性过程和随机性过程对微生物构建的相对影响。以标准差为单位检测观察到的群落之间的β均值分类单元距离与零位均值之间的差异，以估算选择的影响。将Bray-Curtis距离与Bray-Curtis值的零分布之间的偏差标准化，以估算漂移和极限的影响。使用MENAP基于随机矩阵理论构建微生物关联网络，以揭示微生物之间可能存在的相互作用。Z检验用于检验构造网络和随机网络之间的索引差异。模块化值被用来衡量一个网络可以被分离成模块的程度，这是生物网络的基本特征。平均聚类系数和平均连通性可于反映网络的复杂性，平均测地距离/效率用于衡量网络内信息或质量传输效率。

结果

1 进水可生物降解性及其对系统性能的影响

从位于15个城市的58个污水处理厂收集了195个样本，计算每个污水处理厂的进水B/C比和污染物去除负荷。总体而言，当B/C比在0.4-0.6之间时，具有较高的污染物去除负荷。当B/C比为0.55和0.49时，具有最高的BOD和TP去除负荷（图1a）。同样，COD、NH 4⁺和TN的去除负荷与B/C比的关系也显示出明显的抛物线分布，并且当B/C比率在0.4-0.6之间时，这些污染物的去除负荷很高。去除COD、NH 4 ⁺和TN 的最佳B/C比在0.48至0.53之间。相比之下，当B/C比低于0.3或高于0.6时，污染物去除负荷非常低（图1a）。这些结果表明，污水的可生物降解性对污水处理厂的性能有很强的影响。

污水处理厂根据其B/C比分为5组：低于0.3（A组，18个样本）、在0.3-0.4之间（B组，24个样本）、在0.4-0.5之间（C组，65个样本）、在 0.5-0.6之间（D组，61个样本）、大于0.6（E组，27个样本）。Fisher-LSD结果表明， A组的去除负荷最低，而D组的去除负荷最高。超过三分之二的样品（总共126个）的B/C比在0.4-0.6之间（图 1b），表明该B/C比是污染物的有效去除条件。

图1.（a）污水处理厂的污染物去除负荷与B/C比之间的关系；（b）各组污水处理厂的进水可生物降解性分布和平均B/C比。

2 B/C比对微生物群落多样性和组成的影响

鉴于污水处理厂的效率和稳定性在很大程度上取决于AS微生物群落，因此研究不同B/C比下生物特性的差异非常重要。研究表明，系统的稳定性和功能不仅取决于物种的丰富性，还取决于微生物群落的均匀性或组成。本研究结果表明，B/C比组之间的所有三个指标均存在显着差异（P <0.001）。进水的可生物降解性与香农多样性指数（H）呈曲线关系，而不是简单的线性关系（图2）。最初，H指数随B/C比的增加而逐渐增加，当平均B/C比为0.53时， H指数达到最大。但是，当B/C比超过0.6时，H指数下降。B/C比与丰富度和均匀度之间的关系也得到相同的趋势，这表明AS中B/C比与生物多样性之间存在关系。差异性检验表明，各组之间的微生物群落组成具有显着差异。与其他组相比，D组中放线菌的种群比例最大，放线菌是重要的除磷细菌，它可以在B/C比率约为0.5的情况下提高生物除磷能力，本研究中检测到的TP去除效率与此结果一致。

图2. 污水处理厂中每个B/C比组的Alpha多样性。

3 B/C比对确定性和随机性过程的相对重要性的影响

由于B/C比对微生物多样性和组成有显着影响，因此使用零模型研究确定微生物群落组成和结构的作用力。假设A组包含来自6个污水处理厂的18个样本，每次从B-E组随机抽取来自6个污水处理厂的18个样品，以计算不同构建过程的相对贡献。B组和E组的结果是从所有可能的排列组合产生的，而C组和D组的结果是从1000个排列中得出的。结果表明，这两个构建过程同时发生，并且它们的相对影响在不同的操作条件下发生了变化（图3）。随着B/C比的增加，确定性过程逐渐占主导地位，当B/C比超过0.6时开始下降（图3），确定性过程的这种趋势与alpha多样性高度一致。当B/C比率低于0.3时，随机过程可以解释构建过程的60％。与活性污泥微生物数据库进行比较，结果表明，外来迁入的生物分类可能成为AS微生物群落的重要成员。据报道P. simplicispira在进水（而不是在活性污泥）中更占优势，它是A组中最丰富的菌属。

图3. 污水处理厂中微生物群落构建过程的相对贡献。

4 B/C比对细菌相互作用的影响

生物相互作用被认为是微生物构建过程中的主要驱动力。作者通MENA网络分析检测了微生物之间的相互作用，观察到这五个网络与其对应的随机网络之间具有显着差异，这表明网络结构是非随机的。然而， B/C比似乎在微生物相互作用中起着决定性的作用，因为五组之间的网络在网络组成方面大不相同。

具体而言，B/C比约为0.5的微生物组（D组）形成众多但很小的模块（图4），这些模块具有较大的模块性、较小的聚集系数和较短的平均测地距离。相比之下，A组和E组中的微生物相互作用倾向于形成几个大的、复杂的模块，这表明与D组中的群落相比，这些组中的微生物群落包含的官能团更少。而且，D组中模块之间的联系较少。但是，与在A组中模块之间的紧密联系相比，E组中模块之间的联系更宽松（图4）。所有组中的大多数链接都是正向的，范围从69.12％到80.94％（图5），表明大多数物种倾向于共生而不是排斥。当B/C比约为0.5时，物种之间的正向联系比例达到最大值，表明B/C比率为0.5可以促进微生物共生。此外，在高B/C比条件下产生负向相互作用，发生竞争关系，最终造成多样性的降低。

为了确定对维持群落结构和功能至关重要的关键分类群，根据节点的模块内连接度和模块间连接度将网络中所有节点归为四类：外围节点、连接节点、模块中心点和网路中心点（图6中）。每个网络中的大多数节点都是外围节点，它们的大部分链接都位于各自的模块中（图6）。并未在所有组中都识别出网路中心点。A组和E组中多个节点被分类为模块中心点，但D组中仅检测到一个模块中心点（图6）。表明A和E组中的群落“采用”了活跃而重要的关键物种，这些物种传递信息或产生中间代谢物，以维持如此庞大而复杂的模块结构。相反，D组中的模块结构并没有过分依赖特定物种，各物种组具有相似的作用和重要性。此外， D组中所有节点的Pi值为零，表明该组中不同模块的节点根本没有连通性。仅在E组的网络中检测到连接节点。与A组的网络相比，这些连接节点可能在模块之间的通信中起作用。

表1. 每组中微生物群落经验的pMEN及其相关的随机pMEN的拓扑特性。

图4. 基于pMEN，以不同的B/C比在活性污泥中形成网络，其中节点表示OTU，节点之间的链接表示显着相关。

图5. 每组中负（红色）和正（蓝色）相互作用的比例。

图6. 以识别网络中假定的关键物种的节点分类。模块中心点：Zi  > 2.5但Pi  <0.62，连接节点：Pi  > 0.62但Zi  <2.5；网路中心点：Pi  > 0.62和Zi  > 2.5，外围节点：Pi  <0.62和Zi  <2.5 。

结论

污水处理厂中与AS相关的微生物群落，在污染物去除负荷和功能稳定性方面的重要性早已得到公认，但微生物特性与系统性能之间的联系尚未广为人知。在本研究中发现进水可生物降解性显著影响系统性能和AS微生物群落的多种特性。

① 微生物群落构建中涉及的确定性过程的α多样性和比例均与B/C比呈曲线相关，且与生物学特性相关的指标在B/C比为0.5时达到最大值。

② 较高的α多样性、进水中微生物较小的影响力以及微生物群落构建更多的涉及确定性过程而导致群落功能冗余，有利于系统功能的稳定性。

③ 在不同的B/C比组别中观察到网络的拓扑特性明显不同。具有最佳可生物降解性条件的样品网络简单但具有更多的模块，物种之间正向联系，关键物种更少，有利于系统效率和稳定性。相比之下，B/C比高于或低于最佳比率的样本网络具有更复杂的模块，更少的正向联系和更多的关键物种，从而导致系统不稳定。

④ 当B / C比约为0.5时，观察到最高的污染物去除负荷。因此，建议将B/C比用作评估系统性能必不可少的指标，并用作在功能显着下降之前运行过程中即将发生异常的指标。

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