活性污泥系统中溶原性噬菌体与宿主互作的普遍性及功能影响：基于大规模宏基因组学与实验证据的解析

为解决活性污泥(AS)系统中溶原性噬菌体(prophage)与宿主互作机制不明的问题，研究人员通过43个污水处理厂(WWTPs)的宏基因组组装基因组(MAGs)分析结合实验验证，揭示55%的MAGs携带溶原性噬菌体，其诱导显著影响有机质氧化及脱氮除磷功能微生物的裂解。该研究为AS系统稳定性调控提供了新视角。

　　

在污水处理领域，活性污泥(Activated Sludge, AS)系统是去除有机污染物和营养盐的核心工艺，其效能高度依赖复杂的微生物群落动态。然而，这个微观世界中隐藏着一位长期被忽视的"幕后操纵者"——溶原性噬菌体(lysogenic phage)。这些潜伏在细菌基因组中的"分子定时炸弹"，既能与宿主和平共处，又能在特定条件下启动裂解程序，可能对污水处理的关键微生物功能造成致命打击。尽管此前研究多聚焦于烈性噬菌体(lytic phage)的影响，但关于溶原性噬菌体在AS系统中的普遍性及其生态功能，仍存在巨大的认知空白。

针对这一科学盲区，南京大学环境学院的研究团队在《Water Research》发表了一项突破性研究。通过整合5个国家43个污水处理厂的211个AS样本，构建了1,825个宏基因组组装基因组(Metagenome-Assembled Genomes, MAGs)，结合生物信息学预测和实验室诱导实验，首次在全球尺度上揭示了溶原性噬菌体与宿主互作的生态规律。研究发现，超过55%的MAGs携带溶原性噬菌体，这些"潜伏者"通过复杂的噬菌体-宿主网络(phage-host network)影响着有机质降解和脱氮除磷功能菌群的命运。

研究采用三大关键技术路线：1)跨国AS样本宏基因组测序与MAGs重建；2)基于CRISPR间隔序列和 tRNA基因的噬菌体-宿主关联预测；3)丝裂霉素C(mitomycin C)诱导实验验证前噬菌体(prophage)活性。其中样本覆盖中国、美国、阿根廷等典型气候带污水处理系统，确保了结论的普适性。

【Lysogenic MAGs are prevalent in AS】

通过分析1,825个质量合格的MAGs（平均完整度75.1%），发现1,003个(55%)携带前噬菌体片段。从相对丰度看，溶原菌占AS微生物群落的59%，证实溶原现象在污水处理系统中的广泛性。值得注意的是，变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)是溶原性噬菌体的主要宿主。

【Conclusions】

研究证实前噬菌体诱导会显著裂解参与有机质好氧氧化的微生物，以及脱氮除磷功能菌群，这种"定时炸弹"效应可能影响污水处理效能。更引人深思的是，溶原性噬菌体携带的砷抗性基因等有益基因，可能通过水平转移帮助宿主适应环境压力，展现了病毒介导的微生物进化新维度。

这项研究的意义在于：首次通过基因组中心(genome-centric)宏基因组学揭示了AS系统中噬菌体-宿主互作的全局图景，将溶原性噬菌体提升为影响污水处理稳定性的关键因素。其提出的"前噬菌体诱导-功能菌裂解-工艺效能波动"理论框架，为解释污水处理厂的异常波动提供了新思路。未来，针对特定功能菌群的噬菌体调控策略，或将成为优化污水处理工艺的新靶点。