流动配置方式影响着全尺寸饮用水细菌过滤器（BAC filters）中微生物组的形成与功能

《Water Research X》：Flow configuration shapes microbiome assembly and function in full-scale drinking water BAC filters

微生物群落与功能差异及装配机制研究。

　　### 微生物在生物活性炭过滤器中的生态作用及其与流态配置的关系

在饮用水处理过程中，生物活性炭（BAC）技术被广泛用于去除天然有机物和微量污染物。这一技术的核心在于活性炭的吸附能力以及其表面和孔隙中微生物群落的生物降解作用。近年来，随着对饮用水处理系统中微生物功能认识的加深，研究者们开始关注不同流态配置对微生物群落结构和功能的影响。传统的BAC过滤器多采用下流式设计，而近年来，上流式BAC过滤器因其在某些方面的优势逐渐受到重视。本研究通过对18个全规模饮用水处理厂（DWTPs）中的上流式和下流式BAC过滤器进行系统比较，首次揭示了这两种流态配置在微生物群落、功能特性、生态互作及组装机制方面的差异。

#### 微生物群落的多样性与结构

研究结果表明，尽管这些BAC过滤器分布在不同的地理区域和操作条件下，上流式和下流式过滤器的微生物群落结构仍存在显著差异。通过ANOSIM分析，发现两种配置的微生物群落分离度在0.345-0.353之间，且P值均小于0.05，说明过滤器设计对微生物群落的形成具有重要影响。此外，通过对16S rRNA基因的Illumina测序，研究人员获得了52个BAC样本和68个水样（包括原水、BAC进水、BAC出水和成品水）的高质量序列数据，揭示了主要的细菌类群及其分布模式。例如，Proteobacteria（平均丰度42.5%±15.2%）是主要的细菌门类，其次是Actinobacteriota（12.2%±18.1%）和Acidobacteriota（11.3%±10.4%）。这些门类在不同处理厂中具有较高的相似性，说明它们在饮用水处理系统中具有普遍的功能意义。

相比之下，上流式BAC过滤器中细菌的OTU数量较少，而真核生物的α多样性则表现出更大的波动。这表明上流式过滤器可能在某些方面对微生物群落的稳定性产生影响。同时，通过18S rRNA基因的PacBio测序，研究人员发现了多种真核生物类群，包括Cercozoa、Nematozoa、Cryptomycota、Ciliophora和Arthropoda等，其中Cercozoa的相对丰度最高（24.3%±22.0%）。这些真核生物在BAC过滤器中扮演着重要角色，例如作为细菌的捕食者或共生者，影响微生物的结构和功能。

#### 微生物功能的差异

除了群落结构的差异，两种流态配置在微生物功能方面也表现出显著不同。通过宏基因组测序，研究人员发现了与碳、硫和氮代谢相关的高丰度基因途径，尤其是在上流式过滤器中。这些基因的富集表明，上流式BAC过滤器可能具有更高的生物地球化学活动。例如，硫代谢途径的基因丰度最高，这可能与过滤器中微生物对硫化合物的利用有关。同时，上流式过滤器中还发现了与氧化磷酸化和中心代谢相关的基因，进一步支持了其较高的代谢活性。

值得注意的是，尽管上流式和下流式过滤器在功能基因的分布上存在差异，但某些关键的代谢过程，如硝化作用和反硝化作用，仍然在两种配置中都具有重要地位。这些过程可能受到过滤器内部的微环境变化影响，例如在不同区域的氧化还原梯度。因此，研究还揭示了BAC过滤器中微生物功能的时空异质性，为理解其复杂的生态机制提供了新的视角。

#### 微生物间的生态互作

为了进一步探讨微生物之间的互作关系，研究人员采用了HAllA（Hierarchical All-against-All association testing）和网络分析方法。结果表明，上流式和下流式过滤器中的微生物互作模式存在显著差异。在下流式过滤器中，微生物网络表现出更高的模块化指数（0.479），表明其社区结构更加复杂和分隔。而上流式过滤器中的网络则呈现出不同的互作模式，某些真核生物类群，如Eutardigrada和Chromadorea（线虫），与细菌OTUs形成了更强的关联。这些互作关系可能对BAC过滤器的生态功能产生重要影响，例如通过捕食控制细菌密度，或通过环境修饰促进细菌活性。

#### 微生物群落的组装机制

微生物群落的组装机制是影响其结构和功能的重要因素。本研究通过β-NTI（Beta Nearest Taxon Index）分析，评估了上流式和下流式BAC过滤器中细菌和真核生物群落的组装过程。结果表明，两种配置中的微生物群落主要由确定性过程（如环境过滤）主导，但上流式过滤器中表现出更强的同质选择效应。这一现象可能与上流式过滤器中更稳定的生物膜结构和更均匀的水流分布有关，从而促进了特定微生物类群的生长和富集。

此外，研究还发现，水体的理化参数，如温度、硝酸盐和浊度，对微生物群落的结构有显著影响。温度的升高可能促进某些微生物的生长，而浊度则可能反映水体中颗粒物相关微生物的存在。这些参数的变化可能进一步影响微生物的代谢活动和功能多样性，从而影响BAC过滤器的整体性能。

#### 研究的意义与展望

本研究为BAC过滤器的微生物生态学提供了新的见解，并支持了上流式设计在饮用水处理中的应用。通过揭示流态配置对微生物群落结构和功能的影响，研究为优化BAC过滤器的设计和操作提供了理论依据。同时，研究也强调了在全规模系统中进行微生物生态研究的重要性，因为实验室规模的实验可能无法完全反映真实环境中的复杂性和稳定性。

尽管本研究取得了重要进展，但仍有一些局限性。例如，部分功能和互作关系是基于预测和推断得出的，缺乏直接的实验验证。因此，未来的研究可以结合转录组学、代谢组学和靶向实验，进一步确认这些结论。此外，不同地区的水化学特征和气候条件可能对微生物群落产生额外影响，因此，进一步的跨区域研究可能有助于更全面地理解BAC过滤器的生态行为。

总之，本研究通过系统分析上流式和下流式BAC过滤器的微生物群落及其功能，揭示了流态配置在塑造微生物生态方面的重要性。这些发现不仅有助于提高饮用水处理的效率和微生物稳定性，也为未来在不同环境条件下优化BAC技术提供了科学依据。