《Water Research》：Assessing field-scale effects of treated wastewater on riverine biofilms: Community composition, functional genes, and micropollutant biotransformation
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污水处理厂（WWTPs）是淡水生态系统污染的主要来源，影响受纳水体的结构和功能完整性。尾水（即处理后的废水，WW）改变温度、营养负荷、有机物，并将污水来源的微生物引入受纳河流。尾水也是药物、杀生物剂和工业化学品等复杂微污染物（MPs）混合物进入地表水的主要途径
污水处理厂（WWTPs）是淡水生态系统污染的主要来源，影响受纳水体的结构和功能完整性。尾水（即处理后的废水，WW）改变温度、营养负荷、有机物，并将污水来源的微生物引入受纳河流。尾水也是药物、杀生物剂和工业化学品等复杂微污染物（MPs）混合物进入地表水的主要途径，因为许多微污染物在污水处理过程中去除不充分。这些微污染物可影响水生群落的结构和功能。河流生物膜（或周丛生物）是多样化的微生物集合体，对溪流中的初级生产和养分循环至关重要，其高多样性和对环境胁迫因子的敏感性使其成为评估微污染物影响的宝贵指标。大量研究表明，暴露于污水处理厂尾水可改变河流生物膜群落组成。然而，研究人员强调，建立污水处理厂尾水中特定化学输入与生态响应之间的因果联系仍具挑战性，因为这些影响难以孤立区分。除作为环境变化指标外，河流生物膜还通过吸附、生物累积和生物转化促进水生生态系统中微污染物的衰减。生物转化可通过分解代谢过程发生，即微生物利用微污染物作为碳和能量来源；或通过共代谢发生，即微污染物被用于代谢其他底物所产生的酶偶然转化，通常是酶混杂性的结果。由于污水处理厂尾水可同时改变化学环境和河流生物膜群落组成，其也可能影响这些群落生物转化微污染物的潜力。这引出了一个问题：污水处理厂尾水如何影响河流生物膜原核部分的微污染物生物转化，这可以在功能基因水平或通过直接观察微污染物生物转化速率来研究。很少有研究通过实验调查污水处理厂尾水如何影响河流生物膜的生物转化潜力，多数集中于单一微污染物，且由于尾水稀释水平不同、位点数量有限以及对污水处理厂和受纳系统表征不足，实地研究结果往往不一致。因此，污水处理厂尾水在何种环境和工艺条件下影响河流生物膜相关的微污染物生物转化仍不清楚。在一项更近期的研究中，研究人员研究了一组更大的微污染物（n = 63）的生物转化，并观察到所谓的下游效应，即在两条河流之一中，部分测试微污染物的生物转化在污水处理厂尾水下游定殖的生物膜中得到增强。研究人员假设这种模式源于下游微污染物浓度升高或来自污水处理厂高负荷活性污泥隔室的专业降解菌迁移进入河流生物膜。在后续受控水槽实验中，研究人员提供证据表明，通过未过滤的污水处理厂尾水进行的微生物迁移，而非单纯的微污染物暴露，是部分微污染物生物转化潜力增强的主要驱动因素。他们进一步证明，下游效应仅对污水处理厂进水浓度高于1 μg L?1的微污染物可观察到，这与先前研究一致，这些研究将类似浓度确定为活性污泥中分解代谢过程激活的阈值。此外，污水处理厂固体停留时间（SRT）增加时分解代谢微污染物生物降解潜力增强的证据，特别是对于移动床生物膜反应器（MBBR）等技术，表明污水处理厂技术可能是下游微污染物生物转化增强的另一个决定性因素。然而，污水处理厂下游微污染物生物转化增强在更广泛的微污染物、河流、季节和污水处理厂技术中的普适性尚未得到解决。此外，微生物生物转化潜力是否可从宏基因组数据推断仍是一个悬而未决的问题。虽然下一代测序极大地扩展了探索复杂微生物群落及其功能的能力，但根据微污染物生物转化来解释宏基因组数据仍具挑战性。先前研究已显示海洋中塑料降解基因丰度与塑料污染之间的相关性，以及基因丰度与塑料降解之间的相关性。建立基因丰度与微生物群落生物转化能力之间的关系依赖于对哪些生物转化反应发生以及所涉及酶的认识。迄今为止，仅有限数量的常见微污染物生物转化反应已基于实验证据被分配给特定酶。对于复杂环境群落，是否也能发现微生物群落微污染物生物转化潜力与其遗传内容之间的关系，仍有待观察。在此，研究人员旨在更好地理解先前报道的污水处理厂下游微污染物生物转化增强在更广泛的微污染物、环境条件和污水处理厂技术下、在现实田间条件下的环境相关性和普适性。为此，研究人员将微生物群落组成、功能基因谱、抗生素抗性基因（ARGs）丰度以及189种微污染物的生物转化数据相结合，开展了一项大规模田间研究，研究对象为暴露于覆盖不同生物处理技术、尾水稀释度和季节的污水处理厂尾水的河流生物膜。总体而言，这项研究提供了处理尾水对微生物群落结构和生态系统相关功能影响的综合评估。对于具有强烈下游效应证据的个别微污染物，研究人员进一步探讨这些差异在多大程度上反映在功能基因水平信息中。
一、研究背景与科学问题
污水处理厂（WWTPs）是淡水生态系统的重要污染源，其尾水排放会改变受纳河流的温度、营养负荷和有机物含量，同时引入污水来源的微生物，并对河流生物膜群落结构和功能产生潜在影响。尽管已有大量证据表明污水处理厂尾水会改变受纳水体的理化条件、微生物群落和微污染物（MPs）暴露水平，但这些多重胁迫因子如何共同影响河流微生物群落的关键生态系统功能，仍缺乏充分理解。河流生物膜作为高度多样且对环境胁迫因子敏感的微生物集合体，是评估微污染物影响的宝贵指标。微污染物的生物转化可通过分解代谢或共代谢途径发生，而污水处理厂尾水可能同时改变化学环境和生物膜群落组成，从而影响其生物转化潜力。然而，以往研究多集中于单一微污染物，且由于尾水稀释水平差异、位点数量有限及对污水处理厂和受纳系统表征不足，结果往往不一致。此前研究虽观察到污水处理厂下游部分微污染物生物转化增强的下游效应，并证实微生物迁移是主要驱动因素，但该效应在更广泛微污染物、河流、季节和污水处理厂技术中的普适性尚未得到验证。此外，微生物生物转化潜力能否从宏基因组数据推断仍是未解问题。该研究发表于《Water Research》。
二、研究设计与关键技术方法
研究人员在瑞士选择六条河流，在污水处理厂排放点上下游分别定殖生物膜，涵盖三种不同生物处理技术（碳消除型Celim、硝化反硝化型DeNit、移动床生物膜反应器MBBR）的六座污水处理厂，共获得60个不同的微生物生物膜群落（24个上游和36个下游）。研究结合16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组鸟枪法测序表征微生物群落组成与功能基因谱，通过被动采样器量化微污染物暴露水平，并开展批量生物转化实验，利用液相色谱-高分辨质谱联用技术测定189种微污染物的生物转化速率常数。生物膜悬浮液的光密度（OD685）调整为2以保证初始生物量浓度相近。
三、研究结果
3.1 污水处理厂尾水对生物膜群落组成和功能的影响
通过16S rRNA基因扩增子测序分析，共鉴定出656个扩增子序列变异（ASVs），归属于405属和30门。下游样本的α多样性（丰富度和Shannon多样性）显著高于上游样本（Wilcoxon秩和检验：p = 0.0104和p = 0.009）。基于加权UniFrac距离的主坐标分析（PCoA）显示，群落组成与田间战役（即季节和/或污水处理厂技术）显著相关（PERMANOVA R2 = 0.57，p < 0.01）和地点显著相关（R2 = 0.11，p < 0.01），但上下游之间的区分较弱且不显著（R2 = 0.02）。这表明污水处理厂尾水对河流生物膜整体群落组成的影响有限。
3.2 功能基因谱和ARGs丰度的变化
污水处理厂尾水的影响主要体现在特定功能基因谱和非优势类群水平上。下游样本中抗生素抗性基因（ARGs）丰度出现变化，但不同采样点的累积模式存在差异，沉积物、生物膜和水生动物肠道中ARGs的积累并不一致。
3.3 微污染物生物转化
对189种微污染物的生物转化实验表明，河流生物膜中的微污染物生物转化主要发生在经历共代谢的微污染物上。分解代谢生物降解仅在下游直接靠近污水处理厂排放点的少数微污染物中观察到。此前报道的下游效应在更广泛的微污染物、河流、季节和污水处理厂技术中并未普遍重现，仅在特定条件下对特定微污染物观察到增强的生物转化潜力。
四、讨论与结论
研究结果表明，污水处理厂尾水对河流生物膜整体群落组成和功能的影响有限，其影响主要体现在特定功能基因谱和非优势类群水平。微污染物的生物转化主要经由共代谢途径发生，分解代谢降解仅在下游直接排放点附近对少数微污染物观察到。此前报道的下游效应在更广泛条件下并不普遍，提示其依赖于特定环境条件、污水处理厂技术和微污染物特性。该研究为理解污水处理厂尾水对河流生态系统功能的影响提供了综合评估，并强调了在评估微污染物生物转化潜力时需考虑多重因素。对于具有强烈下游效应证据的个别微污染物，功能基因水平信息可在一定程度上反映生物转化潜力的差异，但宏基因组数据推断微污染物生物转化能力仍面临挑战。
