长期运行下全规模污水处理厂好氧颗粒污泥微生物组组成与功能潜能的季节性变化研究

本研究针对好氧颗粒污泥(AGS)技术在长期运行中微生物组动态数据缺乏的问题，通过1.5年追踪全规模污水处理厂(WWTP)，揭示了温度驱动的微生物群落演替规律。研究发现核心菌群保持稳定而外围菌群随温度波动，高温提升生物多样性并促进甲烷生成/硫酸盐异化还原等厌氧途径，同时鉴定出与处理效率正相关的Geobacter属和负相关的Rhodobacter sp.。该成果为优化AGS工艺参数提供了重要理论依据。

　　

在追求可持续水处理的浪潮中，好氧颗粒污泥(AGS)技术因其占地小、能耗低等优势成为行业焦点。然而这个"神奇小球"内部究竟藏着怎样的微生物奥秘？尤其在四季更替的温度波动下，这些微观居民如何维持污水处理的高效运转？这些问题长期困扰着工程界——毕竟实验室的恒温环境与真实污水处理厂(WWTP)的复杂工况相去甚远，而现有研究多聚焦短期实验或刚启动的设施。

来自波兰国家科学中心资助的研究团队决心揭开这个"黑箱"。他们在Orneta污水处理厂展开为期1.5年的追踪，采用高通量测序结合代谢通路分析等技术，首次系统描绘了全规模AGS系统在自然温度波动下的微生物生态图谱。论文发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》，为这个新兴领域提供了珍贵的长期观测数据。

研究主要运用了以下方法：(1)对连续18个月采集的AGS样本进行16S rRNA基因测序分析微生物组成；(2)通过PICRUSt2预测功能基因并关联KEGG通路；(3)结合污水处理效能参数进行统计学关联分析。所有样本均来自处理能力达25025人口当量的Orneta污水处理厂，该厂采用机械-生物联合工艺处理市政与工业混合废水。

WWTP in Orneta
该厂AGS系统在研究中保持稳定运行，在线监测显示溶解氧等参数无显著波动。进水污染物平均浓度为610±90 mg COD/L，总磷17.6±1.8 mg/L，为研究提供了标准化的环境背景。

Results and discussion
温度被证实是驱动微生物演替的关键因素：核心菌群如硝化菌全年稳定，而外围菌群丰度与温度显著相关。夏季高温使α多样性指数提升14%，同时促进甲烷生成(methanogenesis)和硫酸盐异化还原(dissimilatory sulfate reduction)等典型厌氧途径——这意外揭示了AGS内部存在氧梯度分层的微环境。染色质结构相关通路的活跃则暗示表观遗传调控可能是微生物适应温度变化的"秘密武器"。

研究者还建立了处理效率与特定菌属的关联模型：Geobacter和Haliangium属与污染物去除率呈正相关，而Rhodobacter sp.的增殖则预示着系统性能下降。值得注意的是，春季样本展现出跨年度的惊人相似性，证明AGS生态系统具备强大的自我恢复能力。

Conclusion
这项研究首次证实全规模AGS系统具有"双稳态"特征：核心菌群构成全年稳定的"骨架"，而外围菌群则灵活响应环境变化。温度升高通过促进生物多样性和厌氧代谢途径来提升系统效能，同时染色质重塑等分子机制为微生物适应提供了新解释。研究不仅为优化AGS工艺参数提供了理论依据，其发现的温度-菌群-效能的关联模型更可指导不同气候区的污水处理厂进行预测性调控。

该成果的特殊价值在于突破了实验室研究的局限性，通过真实场景的长期观测，证实了AGS技术在实际应用中的强大韧性。特别是发现的好氧颗粒内部存在厌氧微环境，为理解这种"矛盾统一体"的运作机制开辟了新视角。正如研究者强调的，这些发现对应对气候变化下的污水处理挑战具有前瞻性意义——当极端天气日益频繁，具备温度适应弹性的AGS技术或将成为水处理行业的战略选择。