全球废水处理厂中Candidatus Accumulibacter的基因组多样性、代谢适应与生态分布研究

《The ISME Journal》：Metagenomic characterization of the metabolism, evolution, and global distribution of Candidatus Accumulibacter members in wastewater treatment plants

本研究针对传统分子技术对聚磷菌Candidatus Accumulibacter多样性认知存在偏差、代谢异质性机制不明的问题，通过整合全球828个废水处理厂的宏基因组数据，重建了136个高质量宏基因组组装基因组，发现新分支Clade IV，揭示了其地理异质性分布规律。研究通过比较基因组学、代谢模型构建及实验验证，阐明其氮代谢基因丢失、氨基酸营养缺陷及碳源利用策略的进化轨迹，并发现其富含抗病毒防御系统。该成果为理解工程环境中微生物适应性进化提供了理论框架，发表于《The ISME Journal》。

　　

在全球水资源短缺与富营养化问题日益严峻的背景下，生物除磷技术成为废水处理的关键环节。其中，Candidatus Accumulibacter（暂定名 Accumulibacter）作为强化生物除磷（EBPR）过程的核心功能菌群，通过聚磷酸盐（poly-P）的厌氧-好氧转化实现磷的高效去除。然而，传统研究依赖ppk1基因和16S rRNA基因的扩增子测序，存在引物偏好性导致的多样性低估问题，且其代谢异质性、生态适应机制与病毒防御策略尚未系统揭示。为此，研究团队通过全球尺度宏基因组分析，首次构建了覆盖六大洲废水处理厂（WWTPs）的Accumulibacter基因组资源库，旨在解析其进化轨迹与生态功能。

研究整合了来自全球828个活性污泥宏基因组数据（包括中国81个WWTPs样本），通过metaSPAdes组装、MetaBAT2分箱和CheckM质量评估，获得104个高质量Accumulibacter宏基因组组装基因组（MAGs），结合实验室培养数据，最终构建含136个非冗余基因组的集合。采用GTDB-Tk进行物种注释，Panaroo分析泛基因组，gapseq和METABOLIC重建代谢网络，DefenseFinder鉴定抗病毒防御系统，并通过动态通量平衡分析（FBA）模拟碳源利用潜力。实验验证包括序批式反应器（SBR）培养、底物利用批次测试及宏转录组分析。

Phylogenomic reconstruction and taxonomic refinement reveal hidden diversity

基于单拷贝核心基因的系统发育分析发现，33个MAGs形成独立分支Clade IV，其ppk1序列与已知Clades I-III相似度仅83.0%，远低于分支内部相似度（90.1%）。研究还填补了Clades ID和IF的基因组空白，并证实常用ppk1引物（254F/1376R）在Clades III和IV中存在广泛错配，导致扩增偏差。通过平均氨基酸一致性（AAI）分析，将Accumulibacter划分为40个物种级簇，其中21个为新物种，凸显其高度多样化的分类格局。

Global distribution of Ca. Accumulibacter highlights its central role

在340个代表性WWTPs中，Accumulibacter呈现核心菌属特征，其相对丰度在51.8%的EBPR设施中高于其他聚磷菌（如Ca. Phosphoribacter）。Clades II和IV为优势分支，而Clade I分布局限。地理分析显示欧洲群落结构均质，中国WWTPs则呈现高β多样性。物种Ca. Accumulibacter loosdrechtii和Ca. Accumulibacter mcmahonii为全球广布优势种，但其在既往扩增子研究中被系统性遗漏。

Divergent evolutionary strategies shape genomes of Ca. Accumulibacter

泛基因组分析揭示73,022个基因家族，其中49.2%为菌株特有基因，表明基因组处于开放状态。Clade III保留862个分支特异性基因，而Clade II通过基因大量获得与丢失（如IIH获得1,138个基因）实现适应性扩张。Clade IV基因组显著精简（最小仅2.83 Mb），GC含量低（59.1–66.5%），且密码子使用偏好保守（如Clade IV偏好CAA谷氨酰胺密码子），反映其在不同生态位中的进化策略。

Auxotrophy and community-level dependency in Ca. Accumulibacter

代谢模型预测显示60%菌株为氨基酸原养型，但苏氨酸（Thr）缺失导致生长速率显著下降（平均至1.54 h^?1）。40%菌株存在营养缺陷，且全职WWTPs来源菌株缺陷率更高。通过1,872个共现菌群MAGs分析，发现110个Accumulibacter菌株及13个属（如Zoogloea）可分泌亮氨酸、缬氨酸等，支持其群落互作。营养缺陷与基因组大小无相关性，表明其进化受“共生优化还原”驱动。

Broad carbon metabolic potential of Ca. Accumulibacter

所有菌株均保留乙酸、丙酸利用能力，但乳酸利用仅见于49个菌株（缺乏lldP/lctP转运基因）。实验验证中，Ca. Accumulibacter cognatus SCUT-2可通过actP基因介导乳酸转运（宏转录组显示actP表达达567.8 RPKM）。葡萄糖利用潜力普遍存在，但缺乏典型PTS转运系统ptsG，而manX基因可能替代功能。葡萄糖培养实验中，Accumulibacter通过共现发酵菌（如Arachnia）将葡萄糖转化为短链脂肪酸间接利用。

Nitrogen metabolism shaped by evolutionary gene loss

氮代谢途径呈现分支特异性：36个MAGs编码固氮基因（主要分布于Clade II），82个含同化硝酸盐还原基因，73个含异化途径基因。硝酸盐还原酶napAB（高氧耐受）在Clades I和II中主导，而narGHI（产ATP耦合）在Clades II和IV中富集。nirS（铁依赖亚硝酸盐还原酶）广泛存在，但norB和nosZ基因零星分布，仅一株菌（Ca. Accumulibacter houyii SCELSE-6）具备完整反硝化途径，表明基因丢失为主要进化机制。

Extensive and diverse antiviral defense repertoires in Ca. Accumulibacter

在136个MAGs中共鉴定2,028个完整抗病毒防御系统（DSs），平均每基因组14.9个，显著高于其他WWTPs微生物。限制性修饰系统（RM，28.4%）和CRISPR-Cas（16.8%）为主导类型，且DSs数量与基因组大小正相关（Spearman ρ=0.86）。病毒-宿主互作网络显示67%菌株被455个vOTUs感染，其中22个为广宿主噬菌体。实验室富集系统中，CRISPR缺陷菌株（如SCELSE-14）易导致系统崩溃，凸显DSs对生态稳定性的关键作用。

本研究通过全球尺度的基因组解析，重新定义了Accumulibacter作为微生物基因组可塑性、代谢适应与生态韧性的模型。其分支特异性基因获得与丢失、氨基酸营养缺陷的群落依赖、碳源利用的转运蛋白冗余及抗病毒防御系统的富集，共同揭示了工程环境中微生物功能分化的进化机制。该成果不仅为EBPR工艺优化提供了物种级调控靶点，更深化了人类干预环境下微生物群落组装规律的理论认知。