全球废水微生物组揭示核心细菌群落与病毒多样性及区域抗生素耐药性模式

本研究通过宏基因组学分析全球74个城市575个采样点的废水处理厂（WWTP）样本，重建了12,758个非冗余细菌宏基因组组装基因组（MAGs）和170万个人类病毒基因组，首次系统揭示了废水微生物组的全球分布规律和功能特征。研究发现了以变形菌门（Proteobacteria）为核心、跨70%样本稳定存在的核心微生物群，揭示了运输蛋白在维持WWTP功能韧性中的关键作用，并利用机器学习实现了基于微生物特征的洲际来源预测。研究还发现非洲和亚洲地区抗生素耐药基因（ARGs）丰度显著高于欧美，强调了废水微生物组作为人类活动指示器及公共卫生监测工具（如废水流行病学）的重要价值。

　　

全球废水微生物组的多样性与功能特征

样本来源与地理分布

本研究分析了来自全球60个国家、74个城市共575个采样点的废水样本，覆盖了寒冷、温带、湿润及干旱等多种气候环境，并涵盖了从工业化地区到新兴经济体的不同经济社会发展阶段。样本采集自污水处理厂（WWTPs），这些设施通过物理、化学及生物处理过程将废水污染物转化为符合排放标准的气态、液态及固态物质，在水资源保护和公共卫生保障中发挥着不可替代的作用。

细菌基因组的重建与多样性

研究团队处理了约6.85 TB的宏基因组测序数据，最终获得12,758个非冗余的宏基因组组装基因组（MEGAHIT组装，CheckM评估质量），其中2,556个为高质量MAGs（完整度＞90%，污染率＜5%）。这些MAGs涵盖了70个门、121个纲和288个目，其中4,499个MAGs代表新物种，显示出废水环境中微生物物种的高度新颖性和多样性。

在门水平上，变形菌门（Proteobacteria）占比最高（33.9%），其在全球碳、氮、磷及硫循环中具有重要作用；拟杆菌门（Bacteroidota, 13.89%）擅长降解蛋白质、脂质等大分子，对挥发性脂肪酸的生产贡献显著；而Patescibacteria（5.49%）常见于地下水和地表水，并参与反硝化过程。

核心微生物群的存在与分布

尽管不同地理区域的微生物群落存在显著异质性，研究发现在全球70%的样本中存在一个稳定的核心微生物群落，其中Hydrogenophaga pseudoflava（一种氢营养型反硝化菌）几乎存在于所有样本。此外，双歧杆菌属（Bifidobacterium）的菌株如B. pseudocatenulatum和B. breve也被广泛检出，这些菌株通常被视为人和动物粪便污染的生物标志物。

非核心微生物则表现出更高的变异性。例如，溶血不动杆菌（Acinetobacter haemolyticus）在肯尼亚样本中呈现较高流行度，而最初在香港发现的新兴病原体香港海藻菌（Laribacter hongkongensis）亦显示出向全球扩散的趋势。

环境与社会经济因素对微生物群落的影响

通过Mantel检验分析微生物群落结构功能与多种环境及社会经济因子的关系，发现纬度是影响微生物分布的主要因素，而社区功能则受到多种环境和社会经济变量的共同影响。尽管微生物分类组成存在差异，功能通路在不同大洲间仍保持保守，表明核心微生物功能具有地理普遍性。

研究进一步采用LightGBM机器学习模型，通过五折交叉验证成功实现了基于功能与分类特征对废水样本洲际来源的预测（ROC曲线下面积显著），但整体上微生物群落变异更多由适应特定地球化学条件的核心代谢途径所驱动。

功能网络与运输蛋白的关键作用

研究构建了基于10,596个KEGG Orthology基因的WWTP微生物组功能网络，包含8,638个功能节点和251,682个连接。通过模拟节点失效实验发现，高度连接的节点（多位于簇1中）对网络功能稳定性具有重要影响。其中，运输蛋白在营养摄取和能量代谢中发挥关键作用：氨基酸运输蛋白参与氨去除和硝化过程，碳水化合物运输蛋白促进微生物碳代谢，金属运输蛋白（如铁、锌、锰）参与反硝化并助微生物适应重金属污染，而多药耐药运输蛋白则通过外排抗生素增强微生物对环境胁迫的抵抗能力。

抗生素耐药基因的全球分布

研究共识别出11,919个基因组的超过70,000个抗生素耐药基因（ARGs），涵盖715种亚型和28种药物类别。ARGs的数量和丰度在不同城市间差异显著，呈现高度多样化和不均匀的全球分布模式。宏量数据表明，多药耐药基因的标准偏差高达810.81，而乙胺丁醇（标准偏差=3.57）和硝基咪唑（标准偏差=1.19）抗性基因的丰度在不同国家间相对稳定。

ARGs高丰度国家多分布于非洲（如多哥、加纳）和亚洲（如柬埔寨），而低丰度地区主要集中在欧洲（如瑞士、德国、匈牙利）和北美（如加拿大）。这种地理差异反映了抗生素使用模式、医疗卫生基础设施和农业实践之间的复杂相互作用。

病毒组的多样性与功能

研究通过VirSorter和CheckV分析了废水中的病毒序列，共得到1,732,482个完整度超过50%的病毒基因组，进一步聚类为1,502,284个物种水平的病毒操作分类单元（vOTUs，按95%平均核苷酸一致性和85%序列比对比例界定）。vOTUs的平均基因组长度为2,363 bp，进一步按氨基酸一致性和基因共享度归类到属和种水平，显示出废水病毒具有极高的多样性。

功能注释显示，约20%的预测开放阅读框（ORFs）在现有数据库中无类似序列，说明这些病毒携带大量未知或独特蛋白。病毒携带的辅助代谢基因（AMGs）较为罕见（占总功能基因的3.2%），主要参与辅酶和维生素代谢（如硫胺素、生物素、核黄素、维生素B6和钴胺素生物合成），提示病毒可能通过调控宿主代谢影响废水微生物群的稳定性和多样性。

病毒与宿主互作

通过CRISPR spacer匹配分析，研究发现18.94%的 spacer 与病毒基因组显著相关。携带复杂MCoV-AMGs的病毒表现出更高的宿主特异性，特别是在常见的废水处理设施微生物中。这表明病毒不仅通过裂解宿主或改变宿主基因表达直接影响微生物群落，还通过AMGs整合进宿主的代谢网络，扮演“代谢调节者”的角色，从底层调控群落功能。

讨论与展望

废水微生物组作为人类肠道微生物群在外部环境的生态延伸，其组成和功能受到人类活动的深刻影响。本研究揭示的微生物地理变异、核心功能保守性以及ARGs的全球传播趋势，为设计更有针对性的废水处理策略、抑制抗微生物药物耐药性和病毒病原体传播提供了重要依据。

病毒作为废水生态系统中长期被忽视的组成部分，其多样性和功能复杂性在此研究中得到充分展现。它们不仅是微生物群落结构的关键决定因素，还通过基因水平转移和代谢调控影响生态系统功能。废水监测因此成为一种有价值的早期预警系统，可实时反映公共卫生趋势，并为可持续城市发展和公共卫生韧性提供数据基础。

该研究建立了废水微生物组作为人类活动重要指标的地位，为推进环境监测、抗菌药物耐药性监测和废水流行病学提供了关键见解。面对抗菌药物耐药性和新发病原体等全球性挑战的加剧，亟需更加严格的抗生素使用监管和更有效的微生物监测以减轻公共卫生风险。