畜禽粪便与市政污水处理厂微生物动力学的定量评估及病原菌 persistence 研究

《Applied Biological Chemistry》：Quantitative assessment of microbial dynamics in livestock manure and municipal wastewater treatment plants

本研究针对污水处理过程中微生物群落动态和病原菌残留风险难以准确评估的问题，采用定量微生物组分析（QMP）技术，结合16S rRNA基因扩增子测序、qPCR绝对定量及16S rRNA基因拷贝数（16S GCN）校正，系统比较了畜禽粪便处理厂（LMTP）与市政污水处理厂（WWTP）各处理阶段的微生物绝对丰度。研究发现，LMTP进水以发酵和产甲烷类群为主，而WWTP进水富含肠道相关细菌；尽管最终出水中总微生物负荷显著降低，但Moraxella、Acinetobacter和Mycobacterium等潜在病原菌仍可被检出。该研究为基于风险的污水处理工艺优化提供了定量依据。

　　

随着全球城市化进程加速，污水处理厂成为维护水环境安全的关键设施。然而，传统污水处理工艺对微生物群落动态和病原菌残留的评估多依赖相对丰度分析，难以反映微生物的真实数量变化。例如，当总菌量骤降时，某些病原菌的相对丰度可能“虚高”，误导风险判断。这一问题在成分复杂的畜禽粪便废水和高人类活动强度的市政污水中尤为突出。为此，Choi Geon等人在《Applied Biological Chemistry》发表研究，通过定量微生物组分析（QMP）技术，首次对韩国清州市的畜禽粪便处理厂（LMTP）和市政污水处理厂（WWTP）进行全流程微生物绝对定量比较，揭示了传统方法难以捕捉的微生物动态规律与病原菌残留风险。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先，在LMTP和WWTP的各处理阶段采集水样和污泥样本（样本来源为韩国清州地区）；通过16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序分析微生物组成，并利用定量PCR（qPCR）测定总16S rRNA基因拷贝数以计算总微生物负荷；进一步结合RasperGade16S预测的16S rRNA基因拷贝数（16S GCN）对物种丰度进行校正，获得绝对细胞数量；最后通过FAPROTAX对微生物功能进行预测，并基于绝对丰度数据识别潜在病原菌。

样本特征与16S rRNA基因拷贝数

qPCR结果显示，LMTP进水（LM_IN1）的16S rRNA基因拷贝数最高，随处理进程逐步下降；而WWTP的污泥脱水（WW_DH1）和厌氧消化（WW_NE1）阶段拷贝数显著上升，最终出水（WW_EF1）降至最低。这表明两类设施均能有效削减微生物总量，但污泥处理单元会暂时富集微生物。

多样性分析

基于绝对丰度的Alpha多样性分析显示，LMTP的微生物多样性随处理进程降低，而WWTP的多样性从进水到出水总体升高。非度量多维尺度分析（NMDS）进一步表明，两类设施的微生物群落结构显著分离，且绝对丰度数据比相对丰度更能清晰区分出水阶段的群落差异。

分类学谱与病原菌残留

绝对丰度热图显示，LMTP进水以Candidatus Cloacamonas和Methanobrevibacter等发酵及产甲烷菌为主，而WWTP进水中Lactococcus、Segatella等肠道相关细菌占优。在污泥厌氧消化阶段（WW_NE1），Thermophilic菌如Methanothermobacter显著富集。值得注意的是，尽管最终出水中总微生物负荷下降显著，潜在病原菌Acinetobacter、Moraxella和Mycobacterium仍以低水平持续存在，提示常规消毒工艺可能无法完全清除生物膜保护或具固有抗性的病原菌。

功能预测分析

FAPROTAX预测表明，LMTP进水以产甲烷和发酵功能为主，而WWTP进水则显着富集与人类活动相关的功能类别。在WWTP的污泥处理阶段，木质纤维素降解（xylanolysis）功能增强，厌氧消化单元（WW_NE1）则出现高强度产甲烷活动。最终出水中，两类均以厌氧化学异养（anaerobic chemoheterotrophy）为主要功能。

本研究通过QMP技术实现了污水处理过程中微生物群落的绝对定量分析，揭示了传统相对丰度方法无法捕捉的类群动态变化（如Acetomicrobium和Defluviitoga在厌氧消化阶段的真实富集）。研究发现，尽管污水处理工艺显著降低了总微生物负荷，但部分潜在病原菌仍可残留，这可能与其抗消毒特性或生物膜保护机制有关。该研究为污水处理工艺的微生物风险监控提供了更准确的定量依据，建议未来可结合活性检测与抗性基因分析，进一步评估残留病原菌的实际健康风险。