微生物多样性支持硝化作用：来自全尺度缺氧/好氧废水处理工艺的启示

《Applied and Environmental Microbiology》：Microbial diversity supports nitrification: insights from a full-scale anoxic/oxic wastewater treatment process

本研究发现，在真实废水处理厂（WWTP）中，与硝化菌相关的微生物类群多样性（而非总微生物群落或硝化菌本身的多样性）对硝化速率（nitrification rate）变化的解释力最强。通过构建硝化菌相关亚群落（nitrifier-associated subcommunity），研究揭示了更广泛的微生物多样性（biodiversity）对于支持“窄过程”（"narrow" process）如硝化作用（nitrification）的重要性，为通过管理微生物群落（microbial community）以优化废水脱氮（nitrogen removal）提供了新视角。

　　

硝化性能与微生物群落划分

研究在一个全尺度的石油化工废水处理厂（WWTP）进行，该厂采用缺氧/好氧（anoxic/oxic, AO）活性污泥工艺处理丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）树脂生产废水。尽管进水特性在两个采样期间（Period 1 和 Period 2）存在显著差异，但AO工艺表现出强劲的性能，化学需氧量（COD）去除效率超过95%，氮去除率约为90%，硝化效率始终维持在95%以上，硝化速率在8至36 mg-N/L/天之间波动。这凸显了微生物群落在氮负荷和组成波动下维持有效硝化的显著韧性和适应性。

为了探究微生物多样性与硝化性能的关系，研究将微生物群落划分为三种类型：总群落（total community）、硝化菌亚群落（nitrifier subcommunity）和硝化菌相关亚群落（nitrifier-associated subcommunity）。总群落包含所有检测到的分类单元（KTUs）。硝化菌亚群落由通过PICRUSt2预测含有硝化相关基因（如amo或nxr）且系统发育归类于已知硝化菌的KTUs组成。硝化菌相关亚群落则是通过SparCC方法构建微生物共现网络，筛选出与硝化菌显著相关的KTUs而形成。研究假设：（i）硝化菌相关亚群落的多样性比总群落的多样性更能解释硝化性能的变化；（ii）更强的关联性（通过提高SparCC分析的相关系数阈值）会增强硝化菌相关亚群落多样性对硝化性能的预测能力。

硝化菌相关亚群落的关键作用

通过多重线性回归分析评估微生物群落与硝化性能的关系，结果支持了研究假设。在群落组成变化方面，硝化菌相关亚群落在特定相关系数阈值下（Period 1为0.7，Period 2为0.6）对硝化速率变化的解释力（调整后R²分别为0.32和0.23）超过了总群落和硝化菌亚群落。特别值得注意的是，在两个时期都持续与硝化菌相关的核心硝化菌相关亚群落（core nitrifier-associated subcommunity），在相关系数阈值为0.6时（仅包含13个KTUs），其组成变化解释了高达33.3%的硝化速率变化。相比之下，总群落和硝化菌亚群落的解释力均较低。

在群落多样性（alpha多样性）方面，硝化菌相关亚群落的多样性也表现出稳定且优于其他群落的预测能力。而硝化菌亚群落的多样性则未能有效解释硝化速率的变化。随机森林回归（random forest regression）进一步将核心硝化菌相关亚群落的动态列为30个环境和微生物因子中最重要的前3位变量之一，这些变量共同解释了82%的硝化速率变异。这些发现强调了特定的、与硝化菌持续相关的微生物类群其种群动态在影响全尺度AO工艺硝化速率中的关键作用。

核心硝化菌相关微生物的特征与潜在功能

对13个核心KTUs的分析表明，它们主要属于Bacteroidia纲和Saprospiraceae科等类群，相对丰度在1.3%至9.4%之间。BLASTn比对显示，大多数核心KTUs与其最接近的参考基因组序列相似性低于属级阈值（94.5%），提示它们可能是新类群。

利用PICRUSt2对这些核心KTUs进行功能预测，揭示了它们可能通过多种方式与硝化菌相互作用并影响硝化作用。在氮循环方面，部分KTUs被预测具有反硝化（denitrification）、异化/同化硝酸盐还原（dissimilatory/assimilatory nitrate reduction）以及有机氮降解（如腈类化合物通过腈水合酶和酰胺酶降解释放氨）的基因，暗示可能存在硝化循环（nitrite loop）或代谢互养（cross-feeding）。在碳循环方面，这些KTUs普遍携带中心碳代谢途径、糖原（glycogen）和聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成等相关基因，表明其具有碳储存和降解复杂有机物的潜力，可能为硝化菌提供碳源或清除有毒物质（如ABS废水中的芳香族化合物）。此外，两个核心KTUs属于候选辐射门（CPR，或称Patescibacteria），通常以寄生或共生生活方式存在，但其与硝化菌的具体互作关系尚待阐明。

环境驱动与群落组装

距离基于冗余分析（db-RDA）表明，环境过滤（environmental filtering）是影响微生物群落组装的主要驱动力。最佳db-RDA模型解释了总群落、硝化菌亚群落和核心硝化菌相关亚群落组成变异的55.4%、61.7%和54.1%。无机碳（IC）浓度、铵盐（NH₄⁺）浓度、pH值和亚硝酸盐（NO₂^-）浓度是主要的环境驱动因子。值得注意的是，IC浓度对总群落和核心硝化菌相关亚群落的影响远大于对硝化菌亚群落的影响。

在Period 2，氨氧化细菌（AOB）和完全氨氧化（comammox）Nitrospira的丰度动态与进水铵盐浓度和盐度显著相关。高铵盐和高盐度条件有利于AOB的生长，而comammox Nitrospira对其更敏感，这导致了它们在Period 2早期的交替优势。这种功能菌群的动态变化进一步体现了环境条件对特定功能类群的筛选作用。

讨论与启示

本研究通过将微生物群落划分为硝化菌相关亚群落，显著提升了对硝化性能的预测能力，深化了对“窄过程”中生物多样性-生态系统功能关系的理解。结果表明，超越功能菌群（functional guild）本身的、更广泛的微生物多样性，特别是那些与功能菌群密切相关的类群，对于维持生态系统功能的稳定性和效率至关重要。这符合“保险假说”（insurance hypothesis），即更高的生物多样性通过增加在变化条件下某些类群维持功能的可能性来增强生态系统的恢复力。

在受环境过滤强烈影响的确定性组装（deterministic assembly）过程中，群落组成的动态变化通过选择具有更高环境适应性的类群，放大了其对生态系统功能的影响。在研究的WWTP中，尽管硝化菌亚群落的多样性和动态相对稳定，但硝化菌相关亚群落的多样性和动态却表现出更强的可塑性，并能更好地响应环境变化，从而为硝化作用提供了功能保险。

这项研究强调了在管理WWTP硝化过程时，不应只关注硝化菌本身，还需考虑其相互作用的微生物伙伴。对于处理成分复杂、波动大的工业废水而言，维持总微生物群落的高多样性，以确保拥有一个多样化的硝化菌相关类群库，对于实现稳定高效的硝化性能具有重要意义。尽管本研究基于特定的WWTP，但硝化菌与共存微生物类群间的关联在其他WWTP和环境中也有报道，表明这一发现可能具有更广泛的生态学意义。未来的研究可借助宏基因组学（metagenomics）和先进的网络推断方法（如多视图距离正则化S-map）进一步阐明这些关联的具体机制。