污水处理厂排放河流潜流带中溶解有机氮组分对微生物群落的差异化调控机制

本研究针对污水处理厂排放河流潜流带（HZ）中溶解有机氮（DON）转化机制不清的问题，通过光谱指纹-机器学习-PLS-PM多方法联用，揭示了氧化/亚氧化区微生物群落对蛋白类/腐殖化DON的差异化响应。研究发现Gamma-变形菌（Gamma-Proteobacteria）主导好氧区氮同化，疣微菌门（Verrucomicrobia）驱动厌氧区D-氨基酸代谢，为人工扰动水体氮循环预测提供了新见解。

　　

随着全球水资源短缺加剧，中国北方和南欧等干旱地区河流日益依赖污水处理厂（WWTP）出水维持生态基流。尽管达标排放，这些尾水仍是溶解有机氮（DON）的重要来源，可能改变受纳水体的微生物动态和生态系统功能。潜流带（Hyporheic Zone, HZ）作为河床沉积物与地表水交换的关键界面，其独特的氧化还原梯度使其成为DON转化的生物地球化学热点。然而，DON化学多样性如何调控微生物群落组装和代谢网络，仍是当前研究的空白领域。

针对这一科学问题，河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室联合南京环境科学研究所土壤环境管理与污染控制国家重点实验室的研究团队，选取西安临潼区两条污水处理厂出水占比超90%的典型河流（临河与三里河），通过季节性采样（2022年2月冬季和7月夏季）获取73个潜流带沉积物样本，结合光谱指纹、机器学习预测和微生物组学技术，系统解析了DON组分与微生物群落的互作机制。研究成果发表在《Microbial Ecology》期刊，为人工扰动水生态系统的氮污染治理提供了理论依据。

研究采用薄膜扩散梯度技术（DGT）划分氧化/亚氧化区，通过离心法提取孔隙水并测定DOC、氮形态及DOM光谱参数；利用16S rRNA测序分析微生物群落结构，PICRUSt2预测代谢功能；采用最大信息系数（MIC）构建ASV-DON关联网络，偏最小二乘路径模型（PLS-PM）量化DON-核心类群-氮代谢功能的因果关系。

微生物群落对DON组分的差异化响应
RDA分析显示冬季氧化区群落主要受蛋白类（C2/C3）和自生源DON（BIX）驱动，而亚氧化区群落与腐殖类DON（C1）显著相关。夏季氧化区微生物受芳香性DON（SUVA₂₈₀）调控，亚氧化区则响应DON腐殖化程度（HIX）。MIC网络进一步揭示变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）主导DON转化网络，其中鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas ASV_42）等好氧菌与蛋白类DON呈非线性关联，脱硫杆菌（Desulforhopalus）等厌氧菌与腐殖类DON呈线性正相关。

氮代谢功能的氧化还原分层
KEGG分析表明氧化区富集半胱氨酸/甲硫氨酸代谢（K02035）和酮体合成通路，与蛋白类DON利用相关；亚氧化区D-丙氨酸代谢（K03760）和甜菜红素合成通路显著活跃，反映其对腐殖化DON的应激适应。Spearman检验显示冬季氧化区D-丙氨酸代谢与C1/C3显著负相关，夏季亚氧化区该功能与荧光指数（FI）正相关，证实DON化学特性驱动代谢功能分异。

核心类群的调控机制
PLS-PM模型（夏季拟合优度GOF=0.66-0.67）显示：好氧区关键类群（如Gamma-变形菌）通过促进氨基酸代谢（|路径系数|>0.6）加速氮同化；厌氧区生物标志物（如疣微菌门）虽抑制核苷酸代谢，但通过肽聚糖修饰增强环境适应性。值得注意的是，生物标志物对氮代谢的控制力（|路径系数|>0.6）远超关键类群，说明HZ存在高度特化的功能菌群。

该研究首次系统阐明了污水处理厂排放河流潜流带中DON化学多样性驱动微生物群落组装和代谢网络重构的机制。创新性发现包括：（1）氧化区蛋白类DON促进甲硫氨酸循环，亚氧化区腐殖化DON诱导D-氨基酸代谢的生化权衡策略；（2）MIC-PLS-PM联合框架突破了传统相关性分析的局限，实现了从统计关联到因果推断的跨越；（3）为构建基于微生物调控的人工潜流带氮去除技术提供了分子靶点。研究结果对完善污水排放标准、预测人为扰动下的氮循环演变具有重要科学价值。