温度相位变化决定了在气候压力下的污水处理厂中微生物群落的演替和组装模式

《Bioresource Technology》：Temperature phase shift determines microbial community succession and assembly pattern in climate-stressed wastewater treatment plants

微生物群落季节演替的温度驱动机制及污水处理优化研究。温度变化过程而非极端温度是主导微生物群落演替和功能稳定性的关键因素，变暖阶段确定性选择过程达25.5%。温度相位转变触发群落对溶解氧、基质浓度等环境因子的差异化响应模式。研究揭示了温度动态作为核心生态过滤器的调控规律，为气候变迁下的污水资源化管理提供新理论依据。

　　

李朝阳|张亮

国家先进市政废水处理与回用技术工程实验室，北京水质科学与水环境修复工程重点实验室，北京工业大学，北京100124，中国

摘要

季节性温度变化对废水处理厂（WWTPs）中的微生物群落产生周期性干扰，但调控其季节性组装的机制尚不清楚。通过对一个全尺寸WWTP进行为期一年的跟踪研究，本研究表明，温度变化过程而非温度极端值是微生物群落演替和确定性组装的主要驱动因素。微生物群落结构和共现网络随温度阶段的不同而变化：在温度转换阶段（无论是升温还是降温阶段），网络复杂性下降；而在温度稳定阶段（无论是高温还是低温阶段），网络复杂性趋于稳定。在升温阶段，确定性选择比例飙升至25.5%，表明升温过程是微生物群落重组的关键因素。温度阶段的变化引发了微生物群落对其他环境因素的不同响应模式。本研究强调了温度动态作为关键的生态过滤器的作用，并为在季节性压力下优化WWTP管理提供了特定于温度阶段的见解。

引言

微生物群落驱动生态系统中的营养循环并调节气候变化（Cavicchioli等人，2019年）。了解它们的环境响应模式对于管理自然和人工生态系统至关重要（Fastovich等人，2025年；Hu等人，2022年；Tripathi等人，2018年；Wu等人，2025年；Yuan等人，2021年）。然而，由于存在重叠和周期性的变量（例如，连续流式废水处理厂（WWTPs）和自然水体中的溶解氧和底物浓度梯度，或人工湿地面临的昼夜变化），微生物群落对环境变化的响应模式仍大部分未知（Louca等人，2018年；Philippot等人，2021年；Xian等人，2024年），这些因素使得环境与微生物之间的相互作用变得复杂（Meng等人，2024年；Zhang等人，2020b年；Zheng等人，2024年）。

微生物群落在从海洋和土壤到像WWTP这样的工程系统中都表现出明显的季节性模式（Fang等人，2023年；Meng等人，2024年；Peces等人，2022年；Waldrop和Firestone，2006年）。特别是，季节性温度变化是这些微生物动态的关键驱动因素（Wang等人，2021a年；Wang等人，2021b年），但长期的环境压力往往掩盖了潜在的生态机制（Philippot等人，2021年；Yuan等人，2021年）。在这些复杂的生态系统中，WWTP是一个理想的模型生态系统，因为其可控制的营养和能量流动以及明确的性能指标使得能够在气候压力下严格分析微生物演替。

WWTP的性能波动与微生物群落的季节性更替相关，但目前的研究无法解释广泛观察到的微生物群落的季节性模式（Peces等人，2022年；Roothans等人，2025年；Sun等人，2021年；Wang等人，2021a年）。虽然一些研究将温度驱动的组装归因于确定性过程，但其他研究则强调随机过程的重要贡献（Wei等人，2024年；Wu等人，2025年；Wu等人，2019年）。此外，关于高温还是低温在群落组装中起主导作用也存在争议（Chen等人，2022a年）。关键的是，不应忽视持续的环境压力对群落结构的长期影响。然而，大多数研究都集中在静态温度极端值上，忽略了温度变化阶段（如升温或降温）及其对组装机制的不对称影响，从而限制了对季节性群落动态的深入了解（Chen等人，2022a年；Philippot等人，2021年；Potts等人，2022年；Yuan等人，2021年）。这种忽视，加上有限的时间研究范围（几天或几个月），限制了理论进展和实际管理。

在本研究中，我们假设温度阶段的变化，而非温度极端值，是调控WWTP中微生物演替和功能稳定性的关键生态过滤器。为此，我们对一个全尺寸WWTP进行了322天的跟踪研究，涵盖了四个温度阶段（升温、高温、降温和低温）。研究了微生物群落演替的温度阶段模式及其对不同温度阶段环境因素的响应。本研究的目标是确定季节性群落结构的关键环境驱动因素，解析不同阶段的组装机制，并将微生物群落动态与功能特征和WWTP性能联系起来。这项工作将微生物生态学理论与工程实践相结合，为应对气候变化的可持续废水管理提供了新的见解。

部分摘录

废水特性分析

除改造和调试期间外，每天从WWTP收集进水和出水样本。化学需氧量（COD）浓度采用重铬酸钾-硫酸消化法测定，随后进行紫外分光光度分析。总无机氮（TIN）定义为氨氮（NH₄⁺-N）、亚硝酸氮（NO₂^–-N）和硝酸氮（NO₃^–-N）的总和。具体来说，NH₄⁺-N浓度是通过...

WWTP性能和功能组的温度阶段动态

以一个具有广泛温度分布的典型市政WWTP作为模型生态系统，研究了不同温度阶段下的污染物去除动态。在322天的采样期间，WWTP的性能在不同温度阶段仍表现出显著差异（图1）。年度温度周期包括151天的升温阶段（第1天至第151天）和171天的降温阶段（第152天至第322天）。

结论

本研究系统地研究了市政WWTP中微生物群落的动态，揭示了温度驱动的生态过程如何调节污染物去除性能。在322天的时间里，温度阶段的变化被确定为WWTP中微生物群落动态的主要驱动因素。阶段变化对群落更替的影响比静态温度水平更大。最高的确定性过程仅发生在升温阶段。

未引用的参考文献

Chen等人，2022年；Chen等人，2022年；Wang等人，2021年；Wang等人，2021年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年。

CRediT作者贡献声明

李朝阳：撰写——初稿；软件开发；方法论；数据分析；数据整理。 张亮：撰写——审稿与编辑；监督；项目管理；概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（U23A20675）的财政支持。