美国俄亥俄州西南部污水处理厂DNA病毒多样性研究揭示新型ssDNA病毒群落及其跨处理阶段持久性

《Total Environment Microbiology》：DNA viruses from different stages of a wastewater treatment plant in southwest Ohio

本研究通过多重置换扩增(MDA)和宏基因组测序技术，系统分析了俄亥俄州污水处理厂(WWTP)三个处理阶段(进水、活性污泥、出水)的DNA病毒群落，首次揭示了以ssDNA病毒(如Microviridae和Inoviridae)为主的新型病毒种群及其跨阶段持久性特征，为污水处理系统中病毒生态功能研究提供了重要数据支撑。

　　

在微生物群落研究领域，污水处理厂(WWTP)长期以来被视为探索微生物相互作用的天然实验室。然而与细菌研究相比，病毒尤其是非致病性病毒的研究存在显著空白。尽管已知病毒在海洋、土壤和肠道生态系统中扮演关键角色，但它们在污水处理系统中的多样性、动态变化和功能仍属未知领域。这种认知差距主要源于技术限制——传统病毒富集方法偏好双链DNA(dsDNA)病毒，而单链DNA(ssDNA)病毒往往被漏检。此外，现有研究多聚焦单个处理阶段，缺乏对病毒跨处理阶段命运的系统追踪。

为填补这些空白，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的Nelson Ruth团队在《Total Environment Microbiology》发表研究，创新性地结合多重置换扩增(MDA)和宏基因组测序技术，对俄亥俄州西南部某污水处理厂的进水、活性污泥和出水三个阶段进行系统采样。研究通过化学解吸附和超滤浓缩等前处理方法，结合VIBRANT病毒鉴定、CheckV质量评估、iPHoP宿主预测等生物信息学流程，构建了包含1003个病毒基因组的数据集，其中293个为完整基因组。

研究结果揭示四大关键发现：

1. 1.

   新型病毒群落特征：73.9%的病毒属于ssDNA病毒，显著高于传统方法检测比例。这些病毒形成193个家族级新簇，84%为首次报道，包括40.6%的Microviridae和14.2%的Inoviridae。

2. 2.

   方法学突破：MDA技术使ssDNA病毒检出率提升3.8-6.2倍，证实该方法可有效克服传统宏基因组测序对ssDNA病毒的检测偏差。

3. 3.

   跨阶段持久性：46.6%的病毒基因组在所有处理阶段均被检出，21.4%存在于进水和出水但缺失于活性污泥阶段，提示部分病毒可能绕过生物处理环节。

4. 4.

   宿主关联性：通过iPHoP预测的117个宿主主要属于Proteobacteria(85个)和Bacteroidota(35个)，包括人类肠道相关菌种如Phocaeicola vulgatus，暗示病毒-宿主互作可能影响处理效率。

系统发育分析显示，回收的Microviridae主要聚集于Gokushovirinae亚科，而Inoviridae呈现高度发散进化特征。值得注意的是，仅0.51%的测序reads与人类肠道病毒数据库匹配，且未检测到粪便指示病毒CrAssphage的完整基因组，这可能反映当地人群病毒组特征或方法学局限。

该研究首次系统描绘了污水处理系统中DNA病毒的全流程动态，其创新性体现在三方面：技术层面证实MDA-宏基因组联用策略的优越性；生态学层面揭示ssDNA病毒在污水处理系统中的主导地位；应用层面为评估病毒跨阶段传播风险提供基线数据。研究者建议未来应结合培养实验验证病毒活性，并扩大采样规模以区分真实持久性与持续输入效应。这些发现不仅拓展了对病毒环境行为的认知，也为优化污水处理工艺、评估再生水安全提供了科学依据。