EI | 北大温东辉组发现确定性过程驱动工业废水处理系统细菌群落构建
确定性过程驱动工业废水处理系统细菌群落构建
Deterministic mechanisms drive bacterial communities assembly in industrial wastewater treatment system
Research Article，2022-8-23，Environment International， [IF 13.35]
DOI：https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.
第一作者：陈伟东
通讯作者：温东辉
主要单位：北京大学
- 摘要 -
纵观人类历史，水对文明的发展起着至关重要的作用。一个多世纪以来，污水处理厂（wastewater treatment plants, WWTPs）成为现代城市中不可缺少的基础设施，以活性污泥法为核心技术的生物处理法是处理工业废水最经济有效的方法。污水生物处理系统含有高度复杂的微生物群落，它们在污染物降解和去除中发挥重要作用，但我们对其多样性、构建机制和功能的了解仍然有限。本研究分析了11个工业废水处理厂（industrial wastewater treatment plants, IWWTPs）的细菌群落。研究发现不同废水类型和不同废水处理单元的细菌群落多样性和组成存在显著差异。IWWTPs细菌群落表现出明显的物种-丰度分布模式。同时，环境和运行条件是调节细菌群落结构和污染物去除的重要因素，表明细菌群落主要由确定性过程驱动。IWWTPs中的核心微生物群落组成与市政污水处理厂（municipal wastewater treatment plants, MWWTPs）中的不同，许多分类群在MWWTPs很少被检测到，表明IWWTPs具有独特的核心细菌群落。此外，我们发现细菌群落组成与活性污泥功能密切相关。本研究对微生物生态学家和环境工程师在了解IWWTPs微生物群落多样性及构建模式，共同优化污水厂运营策略，以促进IWWTPs更稳定运行方面具有重要意义。
摘要图：确定性过程驱动工业废水处理系统细菌群落构建
- 引言 -
污水处理厂主要采用活性污泥（activated sludge, AS）工艺，具有保护人类和环境健康，并回收资源和营养物质的作用。AS中的微生物群落，尤其是核心和丰富的类群，对污染物去除和污水处理厂的性能具有重要作用。作为典型的人工系统，污水处理系统具有相对可控的设计和明确的运行参数，是研究微生物生态问题的理想环境。迄今为止，研究人员针对污水厂中微生物的多样性、生理和生态已进行了大量研究，如丹麦奥尔堡大学Per Halkjær Nielsen教授团队建立的活性污泥微生物数据库（MiDAS, Microbial Database for Activated Sludge, https://www.midasfieldguide.org/guide）提供了一个活性污泥和厌氧消化微生物组的专用平台。探索微生物群落时空分布和构建机制一直是环境微生物生态学研究的目标和挑战。近年来，微生物生态学规律和理论逐渐在工程系统中得到应用，分类群-面积关系、分类群-时间关系和距离衰减效应等规律已经在污水处理系统的微生物群落分布中得到了验证。然而，微生物群落构建及其去除污染物的过程仍然被视为一个灰箱。
工业废水不同于市政生活污水。与市政污水相比，工业废水的污染物成分更为复杂，因此很难被微生物降解。此外，不同类型的工业废水（如石油化工、制药和染料废水）的成分和特征差异很大。污水厂可被视为一个开放的生态系统，进水的微生物群落单向连续流动到活性污泥池和二沉池出水等工艺单元，进而影响下游微生物群落。在流动过程中，微生物存在生长、存活或消失等不同的命运。从有限的文献来看，通过使用生物反应器，有研究观察到随着工业废水浓度的增加，微生物群落结构由随机性过程起主导作用逐渐转变为确定性过程驱动。然而与实验室反应器和实际污水厂的操作运行条件存在较大差异，实际污水厂研究可以为系统高效稳定运行提供更准确、更直接的理论指导。
基于此，我们从浙江上虞工业园区采集11个具有相同处理工艺（Anoxic-Oxic，AO工艺）、3种不同工业行业（染料、医药及农药废水）和4个沿程不同工艺单元（进水-缺氧池-好氧池-二沉池出水）的132个工业废水和活性污泥样本，旨在解析IWWTP细菌群落多样性及构建机制，并探索微生物群落与系统性能间的联系。
- 结果与讨论 -
（1）基于OTU和ASV的分析表明细菌群落组成和多样性随不同行业（染料、医药及农药废水）及沿程不同工艺单元（进水-缺氧池-好氧池-二沉池出水）发生变化（图1）。首先，活性污泥及出水细菌群落多样性显著高于进水群落。其次，韦恩图显示不同行业及工艺单元细菌群落特有OTUs比例高，共有OTUs比例低，表明不同行业及工艺单元具有独特的细菌群落组成。进水可以被视为微生物多样性的重要来源，这些独特的细菌群落组成可能是由于3个不同行业进水来源细菌群落的差异。沿程工艺单元可被视为不同的生境，只有少部分物种能同时在不同生境中被检测到，大多数物种因无法适应不同生境的环境压力在废水流动迁移的过程中消失了。NMDS分析表明行业和沿程细菌群落存在显著差异。这些Alpha和Beta多样性分析反映进水细菌群落迁移对下游活性污泥群落影响弱，而基于相似度矩阵的多元回归（Multiple regression on similarity matrices，MRM）分析表明环境条件在影响群落结构中起着重要作用。
图1：不同工业废水类型及不同工艺单元细菌群落变化
（2）我们观察到了不同行业和工艺单元中细菌群落存在物种-丰度分布模式（图2），即群落存在大量稀有物种，而只有少数丰富物种。站位数-频率及站位数-丰度之间存在明显的相关性，表明物种出现频率随着物种出现的站位数的增加而降低，而出现频率高的物种具有更高的相对丰度。这些结果表明丰富物种具有更高的扩散能力，导致出现更广泛的分布。一个可能的原因是相对稀有种，丰富种占据更宽的生态位，能够利用更大的生存空间和资源，导致它们能在更多行业及工艺单元中生存。在自然生态系统如海洋、市政活性污泥系统和厌氧消化系统的微生物群落中同样存在类似的物种-丰度分布，表明自然和人工工程生态系统的微生物群落存在相似的分布模式。
图2：细菌群落存在物种-丰度分布模式
（3）利用相对丰度和出现频率进行筛选，本研究在缺氧池检测到16个核心OTUs，在好氧池检测到20个核心OTUs。我们计算了有机物化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）和氨氮（NH4-N）的去除率来代表污水处理系统性能，Spearman相关性表明这些核心微生物与污水处理系统性能存在显著的相关性。但我们仍然缺乏对检测到的核心属，包括Thauera，Citreitalea，Pseudarcobacter，Trichococcus及Soehngenia等在废水处理中的代谢功能和生理作用的认知。我们发现工业废水系统存在独特的核心细菌群落，很多分类群与之前市政污水研究中的核心分类群存在差异。三元图显示，不同的核心OTUs在特定的废水类型中富集，表明它们的组成随不同的废水类型而改变（图3）。因此，在某种程度上，核心细菌群落组成具有“废水类型特异性”。我们同时利用网络拓扑特征分析了群落中的关键类群，其中，缺氧池和好氧池分别得到了14和32个关键OTUs，这些关键OTUs与核心OTUs存在一些重叠，包括Thauera，Citritalea，Actinomarinales，Soehngenia等。
图3：污水处理系统核心微生物分析
（3）群落构建机制研究是污水处理系统活性污泥群落调控的理论基础。中性群落模型（Neutral community model, NCM, https://github.com/Wei dong-Chen-Microbial-Ecology）和校正的随机性比率（modified stochasticity ratio, MST, https://ieg3.rccc.ou.edu:8080）分析显示确定性过程驱动工业废水处理系统细菌群落（图4）。主要原因有：第一、多样性分析表明进水微生物迁移扩散对下游微生物群落组成及多样性的影响弱；第二、Multiple regression on similarity matrices（MRM）和随机森林（Random forest）分析显示环境过滤对细菌群落具有强烈影响。这种强烈的确定性表明污水处理系统稳定运行，具有相对一致的进水特征和环境条件，理论上可以通过调节环境和运行参数定向调节微生物群落。而随机过程的出现往往与系统不稳定运行有关，比如在污泥膨胀或起泡期间会导致随机性的增加。
图4：确定性过程驱动工业废水处理系统细菌群落
微生物生态学的一个主要目标是解析微生物群落结构和生态系统功能之间的联系。由于WWTPs是一个工程系统，污染物通过微生物群落被去除，因此我们假设WWTPs中活性污泥细菌群落结构与其功能之间存在着强烈的联系。为了更深入地了解生物多样性在维持多系统性能和服务中的作用，我们同时使用Spearman和Pearson的相关性分析、偏最小二乘路径模型（PLS-PM）和随机森林模型（Random forest）来验证活性污泥细菌群落结构和功能之间的关系。所有多元统计分析结果表明，整体的活性污泥细菌群落，特别是核心和关键类群，对维持IWWTP功能至关重要（图5）。
图5：偏最小二乘路径分析和随机森林建立细菌群落和污水处理系统性能的联系
- 结论 -
该研究系统解析了工业废水厂（IWWTPs）细菌群落多样性、构建模式及其与系统性能的联系。首先，不同工业废水类型和污水处理厂沿程不同工艺单元特有OTU比例高，共有OTU比例低，群落组成差异显著，反映迁移扩散对群落组成影响弱。同时，环境因素（如TN、TP和盐度）在塑造AS细菌群落结构方面起着重要作用，确定性过程驱动IWWTPs中的细菌群落构建。其次，在我们的IWWTPs系统中观察到细菌群落的明显物种-丰度分布，表明它们的分布遵循宏观生态模式。工业废水厂存在与市政污水厂不同的独特核心微生物群落。最后，多元统计分析证实，活性污泥细菌群落结构，特别是核心类群与系统功能之间存在着强烈的相关性。未来可构建实验室反应器，进一步研究这些核心OTUs是否具有更优的处理性能，并揭示其调控机理。这些结果对于了解IWWTPs生物多样性的维持机制以促进系统高效稳定运行具有重要意义。
参考文献
Chen W, Wei J, Su Z, Wu L, Liu M, Huang X, Yao P, Wen D: Deterministic mechanisms drive bacterial communities assembly in industrial wastewater treatment system. Environment International. 2022, 168:.
- 作者简介 -
第一作者
北京大学
陈伟东
博士
陈伟东，北京大学环境科学与工程学院博士生。主要关注污水处理系统微生物生态，微生物群落构建机制。以第一作者在Microbiome，Environmental International等期刊上发表SCI论文4篇，中文综述一篇。包含一篇ESI高被引论文。
通讯作者
北京大学
温东辉
教授
温东辉，北京大学环境科学与工程学院教授。1991于清华大学获得环境工程学士学位，2002于北京大学获得环境科学博士学位。2009-2010年美国亚利桑那州立大学访问学者。长期从事工业废水处理技术、环境微生物学、流域与近海环境污染控制的研究。近 10 年来，主持完成 2 项 863 探索类课题、5 项国家自然科学基金面上项目、1 项北京市自然科学基金面上项目，作为中方合作人完成 1 项国家自然科学基金海外合作项目及 1 项海外合作延续项目；参与完成 1 项“十一五”水专项课题及多项地方委托科研课题。正在负责开展 1 项国家自然科学基金重点项目，1 项国家自然科学基金面上项目。研究成果以通讯作者发表于Nature Communications、Environmental Science & Technology、Environment International等期刊上。
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