循环式石油炼化废水生物处理系统中微生物生命策略与生态功能的基因组学解析

为解决石油炼化废水中有机污染物（如芳香烃、脂肪烃）和氮硫化合物的高效去除问题，研究人员通过宏基因组组装基因组（MAGs）技术，解析了20个微生物基因组的代谢潜力。研究发现Pseudomonadota和Bacteroidota门微生物主导碳氮循环，其中Meiothermus sp. bin.89兼具芳香烃降解与硝酸盐还原能力，但易受病毒侵扰。该研究为优化废水处理系统微生物群落稳定性提供了关键理论依据。

　　

石油炼化过程中产生的废水含有高浓度芳香烃、脂肪烃及氮硫化合物，传统处理方法依赖微生物降解，但微生物群落的功能机制尚不明确。随着全球能源转型，石油短期内仍是主要能源，其废水处理系统的碳氮循环效率直接影响环境安全。麦考瑞大学（Macquarie University）的研究团队通过宏基因组学技术，揭示了循环式炼化废水处理系统中微生物的生态策略，相关成果发表于《Microbiological Research》。

研究人员采集了中国南方某炼油厂废水处理系统三个串联反应池（厌氧-好氧-好氧）的活性污泥样本，合并9个宏基因组数据进行组装、分箱和注释，筛选出20个高质量MAGs（完整度>90%，污染<1%）。通过GTDB-tk和NCBI BLASTn进行物种注释，结合KEGG、dbCAN3和CRISPRCas++工具分析代谢通路、碳水化合物活性酶及病毒防御系统。

3.1 基因组特征与分类

20个MAGs主要属于Pseudomonadota（7个）和Bacteroidota（6个）门，唯一古菌MAG为Ca. Nitrosotenuis bin.319。基因组大小1.45-4.99 Mbp，GC含量33.3%-68.7%，均缺失16S rDNA序列。

3.3.1 碳氮硫代谢潜力

Meiothermus bin.89含完整烷烃β-氧化和硝酸盐异化还原途径；Bacteroidota bin.180具备苯甲酰-CoA途径降解单环芳烃；Defluviimonas bin.259含近完整SOX硫氧化系统。几乎所有MAGs均含硝酸盐/亚硝酸盐转化基因，但硫代谢通路较少见。

3.3.2 碳水化合物活性酶

Aggregatilinea bin.215含174个碳水化合物酶基因（GH23/GH31等），主要靶向几丁质和肽聚糖；Meiothermus bin.89含114个基因（GH13为主），偏好淀粉代谢。

3.3.3 病毒防御特征

Meiothermus bin.89含4个CRISPR序列（100个间隔子）和28个cas基因，显示高病毒侵染风险；Ca. Viadribacter manganicus bin.107等3个MAGs含少量CRISPR系统。

4.1 碳循环网络

系统存在五条碳获取路径：1）直接降解废水芳香烃（如bin.89/259）；2）生物质回收（bin.89/215通过GH23/CE4分解几丁质）；3）简单碳水化合物利用（bin.126/238的GH13）；4）细菌捕食（Bdellovibrio bin.119攻击革兰氏阴性菌）；5）自养固碳（Ca. Nitrosotenuis bin.319通过羟基丙酸途径）。

4.2 氮硫循环机制

Ca. Nitrosotenuis bin.319将进水氨氮氧化为硝酸盐，后者在厌氧微环境中被Bacteroidota bin.82等反硝化。硫酸盐积累（浓度增加3倍）可能与硝酸盐优先作为电子受体有关。

4.3 生态位分化

微生物形成三级生态位：1）浮游型（如Ca. Nitrosotenuis）；2）絮体表面附着型（Alphaproteobacteria的柄细胞阶段）；3）絮体内部缺氧型（Meiothermus bin.89）。Meiothermus和Defluviimonas表现出强应激耐受性，含大量ABC转运蛋白和群体感应基因。

该研究首次系统解析了炼化废水处理系统中微生物的基因组功能网络，揭示了碳氮循环的耦合机制与病毒-宿主互作的影响。Meiothermus bin.89的多功能代谢策略为工程菌构建提供模板，而CRISPR高丰度菌株的发现提示病毒防控对系统稳定的重要性。研究为定向调控微生物群落以提升污染物去除效率奠定了理论基础，对工业废水处理的精准优化具有重要指导价值。