下水道微生物组塑造污水处理厂群落结构与动态：揭示微生物迁移对活性污泥系统的关键影响

本研究针对污水处理厂（WWTPs）中活性污泥（AS）微生物群落组装机制不明确的问题，通过系统分析下水道重力管、压力管中的生物膜、沉积物及污水微生物组成，结合下游污水处理厂进水（IWW）和活性污泥样本的物种级追踪，首次证实下水道微生物组是AS过程关键菌（如硝化菌、反硝化菌、聚磷菌）的主要来源。研究发现雨水事件会显著改变微生物迁移模式，强化下水道生物膜菌群向污水处理厂的输入。该成果发表于《The ISME Journal》，为理解区域间AS群落差异提供了生态学基础，对优化污水处理工艺具有重要指导意义。

　　

在城市地下纵横交错的管道网络中，每天都有大量污水携带着五花八门的微生物奔向污水处理厂。这些微生物究竟从哪里来？它们如何影响污水处理系统中核心环节——活性污泥（Activated Sludge, AS）的群落结构和功能？长期以来，尽管微生物迁移（microbial immigration）已被认为是AS群落组装的关键因素，但关于这些微生物的具体来源及其在污水处理系统中的命运，仍是一个未被充分探索的“黑箱”。尤其是直接与污水处理厂相连的下水道系统，其内部生长着丰富生物膜和沉积物的微生物组（sewer microbiome），是否正是AS中那些负责脱氮除磷的功能菌群的“故乡”？这个问题不仅关乎基础微生物生态学认知，更对优化污水处理工艺、提升处理稳定性具有直接指导意义。

来自丹麦奥尔堡大学（Aalborg University）微生物群落研究中心的Marie Riisgaard-Jensen等研究人员在《The ISME Journal》上发表了他们的最新研究成果。他们通过对丹麦奥尔堡市下水道系统（包括重力管和压力管）中的生物膜、沉积物、污水以及下游两个污水处理厂的进水（Influent Wastewater, IWW）和AS样品进行系统采样和物种级微生物分析，首次全面揭示了下水道微生物组作为AS过程关键细菌主要来源的核心作用。研究还发现，雨水事件会显著改变下水道中的菌群组成，从而影响输入到污水处理厂的微生物群落结构。

为开展本研究，作者团队应用了几项关键技术方法：首先，他们在丹麦奥尔堡市下水道网络的9个不同点位（包括重力管和压力管末端）进行了为期一年的多时间点采样，收集了生物膜、沉积物和下水道污水（Sewer Wastewater, SWW）样本，同时获取了下游两个污水处理厂（Aalborg East和Aalborg West）的进水（IWW）及AS样本（样本来源明确）。其次，通过16S rRNA基因V1-V3区扩增子测序（amplicon sequencing）技术对所有样本进行微生物群落分析，并采用AmpProc流程处理序列数据，生成扩增子序列变体（Amplicon Sequence Variants, ASVs）。第三，利用MiDAS 5.3参考数据库进行物种分类，并以>98.7%相似度阈值识别人类肠道细菌。最后，基于质量平衡模型计算细菌在AS中的生长命运（生长、消失、存活或变化），并采用Bray-Curtis距离矩阵和PERMANOVA分析进行β多样性比较。

微生物群落因栖息地类型呈现高度分化

通过对不同栖息地（生物膜、沉积物、污水、AS）的群落分析，发现各栖息地拥有独特的微生物群落结构（R²=0.67, P<0.001）。下水道相关栖息地（生物膜和沉积物）的物种多样性低于污水和AS，且以少数高丰度类群（如Acidovorax和Trichococcus）为主导。进水（IWW）与下水道污水（SWW）的群落相似性较高，但均与生物膜和沉积物群落明显不同。

进水微生物的主要来源是人类肠道和下水道微生物组

人类肠道细菌在靠近住宅区的重力下水道污水中占比高达49%，但随着污水输送至污水处理厂，该比例降至35%，部分原因是肠道细菌在输送过程中衰减，同时下水道生物膜和沉积物中的微生物脱落并进入水相。下水道微生物组（定义为生物膜和沉积物中生长的细菌）的核心类群（统一核心）在IWW中占显著比例，且其丰度在雨水事件后明显上升。

下水道细菌在AS中的生长命运决定其生态功能

通过追踪不同来源细菌在AS中的生长命运，发现人类肠道细菌大多在AS中消失（decay），而下水道微生物组的统一核心类群既包含消失的类群（如Trichococcus和Acidovorax），也包含生长的类群（process-critical taxa）。这些生长类群在下水道中丰度虽低（1.2–6.2%），但包含58–90个物种，在AS中占总丰度的27.8%，其中包括硝化菌、反硝化菌、聚磷菌（PAOs）和糖原积累菌（GAOs）等重要功能菌。

下水道微生物组栖息地拥有特化的功能群落

重力管生物膜、压力管末端生物膜和沉积物分别拥有独特的核心菌属（共79个），其中22个属为三者共有。这些菌属的代谢功能与其所处环境的氧化还原条件一致：好氧异养菌和发酵菌在生物膜中占主导，而沉积物中以严格厌氧菌为主。此外，所有核心属均为快速生长的化学异养菌，适合营养丰富的下水道环境。AS中的重要功能类群（如PAOs、GAOs、丝状菌）均在下水道微生物组的核心属中被发现。

降雨通过改变微生物迁移显著影响进水群落

雨水事件导致下水道生物膜和沉积物中的细菌大量脱落并进入污水，使得SWW的群落更接近于下水道微生物组（Bray-Curtis距离减小）。研究提出“距上次降雨时间”（Time Since Rain, TSR）的概念，发现TSR越长，雨水事件后进水（IWW）与下水道微生物组的群落相似性越高（BC距离减小），证明干旱期有利于下水道微生物生长，而降雨则将其冲刷至污水处理厂。

研究结论与讨论部分强调，下水道系统不仅是污水的输送通道，更是一个重要的微生物“环境过滤器”和AS功能菌的源群落。每天输入AS的生物量约占AS总生物量的5%，其中下水道微生物组贡献了大部分过程关键细菌。雨水事件通过改变菌群迁移模式，进一步调节输入菌群的结构。地理差异导致的AS群落变化可能源于下水道微生物组的组成差异，而非仅由污水处理厂操作参数不同引起。该研究首次将下水道微生物组与AS微生物生态学直接关联，为理解区域间AS群落差异提供了新视角，对预测污水处理厂菌群动态、优化工艺控制具有重要实践意义。