《Water》：Seasonal Variations in Microbial Community Structure and Functional Potential in a High-Altitude Membrane Bioreactor System
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本研究采用鸟枪法宏基因组测序技术，考察了全尺寸高海拔（3650 m）膜生物反应器（MBR）污水处理厂中处理性能、胞外聚合物（EPS）、微生物群落结构及功能潜力的季节性变化。水温范围为冬季9.9 °C至夏季16.8 °C，pH值保持中性（7.1–7.6）。系统全
本研究采用鸟枪法宏基因组测序技术，考察了全尺寸高海拔（3650 m）膜生物反应器（MBR）污水处理厂中处理性能、胞外聚合物（EPS）、微生物群落结构及功能潜力的季节性变化。水温范围为冬季9.9 °C至夏季16.8 °C，pH值保持中性（7.1–7.6）。系统全年维持稳定的悬浮固体去除率（>93%）、化学需氧量（COD）去除（出水13–21 mg/L）和5日生化需氧量（BOD5）去除（出水< 2.8 mg/L），氨氮（NH4+-N）去除率全年保持较高水平（出水< 0.2 mg/L）。值得注意的是，总氮（TN）去除效率在冬季显著下降，而总磷（TP）去除对季节变化的敏感性较低。EPS在冬季达到峰值（蛋白质49.8 mg/L，多糖9.2 mg/L），主要由蛋白质组分驱动，表明其对低温胁迫的适应性响应。微生物丰富度和多样性在春季和夏季最高，秋季急剧下降，冬季通过冷适应类群部分恢复。优势门（Chloroflexota、Pseudomonadota）和属（Candidatus Villigracilis、Nitrospira）通过季节性功能互补维持营养物去除。宏基因组分析显示，春季和夏季碳代谢、硝化和反硝化基因丰度较高，而nirK和nosZ的相对丰度在秋季和冬季发生偏移。磷代谢基因保持高丰度，pstS在秋季达到峰值。总体而言，该高海拔MBR通过EPS、微生物群落和代谢功能的季节性调控表现出较强的适应性，确保了系统稳定高效运行。
研究背景方面，高原地区城镇化与旅游活动加剧了污水处理需求，膜生物反应器（MBR）因出水水质优良、生物量截留能力强、占地紧凑和运行稳定等优势成为有效处理技术。然而高海拔地区持久低温、低气压导致的氧限制及显著季节温度波动，可能通过抑制酶促过程、抑制功能微生物和改变群落结构影响生物反应动力学和微生物代谢活性，进而威胁有机物和营养物去除效率。以往研究多聚焦实验室规模反应器或低海拔地区污水处理厂，全尺寸高海拔MBR系统中微生物群落的季节性动态尚不清楚。为此，研究人员在海拔3650 m的全尺寸市政MBR系统中开展研究，综合表征污染物去除性能、微生物群落结构和功能潜力的季节性变化。研究得出，系统通过EPS分泌调控、微生物群落季节性演替和代谢功能重塑维持了稳定高效运行，为高原地区MBR系统优化运行和长期稳定性提供了科学依据。
关键技术方法方面，研究人员在中国高海拔地区全尺寸MBR污水处理厂（海拔3650 m）按春夏秋冬四季采集好氧池混合液和膜丝生物膜样品，测定SS、COD、BOD5、TN、NH4+-N、TP等水质指标及温度、pH；采用超声-碱解-离心法提取膜生物膜EPS，以Lowry法和苯酚-硫酸法分别测定蛋白质和多糖；对生物膜样品提取基因组DNA后经Illumina NovaSeq平台PE150测序，使用FastQC、SortMeRNA、MEGAHIT、MMseqs2、MetaGeneMark等工具进行质控、组装、聚类和基因预测，基于NCBI nr数据库和KEGG数据库完成分类与功能注释；采用Shannon、Simpson、ACE、Chao1指数及PCoA、Venn图进行多样性和群落结构分析，并以Spearman秩相关分析环境因子、EPS、优势类群与功能基因的共变关系。
研究结果方面，理化特征章节通过四季水质监测得出：水温9.9–16.8 °C，pH 7.1–7.6，出水SS 1.0–3.3 mg/L且去除率>93%，出水COD 13–21 mg/L、BOD5<2.8 mg/L、NH4+-N<0.2 mg/L全年稳定，TN去除冬季显著下降而TP去除季节性敏感性较低，表明硝化过程不受冬季低温限制而反硝化受抑制。EPS季节变化章节通过对膜生物膜EPS提取测定得出：多糖全年相对稳定而蛋白质波动显著，冬季EPS最高（蛋白质49.8 mg/L、多糖9.2 mg/L），反映低温胁迫下微生物分泌EPS形成保护性基质，夏季EPS升高则可能与微生物活性增强和生物量周转加快有关。微生物群落α多样性章节通过ACE、Chao1、Shannon、Simpson指数分析得出：春季和夏季丰富度较高（ACE和Chao1分别达27,934和27,437），秋季显著降至最低（26,161；Shannon 5.83632；Simpson 0.01984），冬季部分恢复（27,363；Shannon 6.39478），表明秋季快速降温对群落形成强烈选择性过滤而冷适应类群在冬季增殖。β多样性章节通过PCoA和Venn图得出：四季样品整体重叠较高，秋季样品离散度最大且特有类群比例最高（夏季和秋季0.66–1.26%，春季和冬季0.13–0.26%），表明系统维持相对稳定的核心群落同时发生显著季节性重构。门水平组成章节得出：Chloroflexota、Pseudomonadota、Bacteroidota、Actinomycetota和Nitrospirota为优势门（合计58.75–76.16%），Chloroflexota在秋季富集（29.93–45.86%）而Pseudomonadota降至10.09–15.58%，Actinomycetota在夏季最高（17.39–30.37%）冬季最低（3.57–4.60%），Nitrospirota春季最高（7.39–10.00%）秋季最低（0.88–2.26%），表明功能各异的门类季节交替维持代谢稳态。属水平组成章节得出：Candidatus Villigracilis在秋季富集至15.32–24.13%，Candidatus Defluviilinea秋季升至6.10–9.11%，Nitrospira春季最高（7.35–9.96%）秋季最低（0.85–2.22%），Dechloromonas在春夏秋较高而春季较低，尽管Nitrospira丰度波动但铵去除稳定，提示硝化群落存在功能冗余。代谢通路分析章节通过功能基因注释得出：碳代谢基因（pk、pgd、cs、idh）春夏较高、秋季最低；氮代谢中nifD/nifH/nifK春季较高而秋冬下降，narG/narH春夏较高，nirK秋季升高，nosZ冬季升高，nasA夏季最高，nrfA/nrfH春夏较高，hao春夏较高秋冬下降；磷代谢中ppk、ppx、pstS全年丰度较高且pstS秋季达峰，与Candidatus Defluviilinea富集共现。相关性分析章节通过Spearman秩相关得出：nosZ、idh、pk之间强正相关（r = 1.0）并与pstS完全负相关（r = ?1.0），pstS与Nitrospira强负相关（r = ?1.0），Nitrospira与Dechloromonas完全正相关（r = 1.0），温度与Dechloromonas及pk、idh、nosZ正相关（r = 0.5），EPS蛋白质与pstS负相关（r = ?0.5）与nirK正相关（r = 0.5），为温度驱动群落组成、代谢基因谱与EPS特性协同变化并共同塑造污染物去除性能提供了定量支持。
讨论部分指出，冬季NH4+-N去除良好而TN去除恶化，可能源于低温抑制反硝化菌活性、易利用碳源有限及海拔相关氧传递效率低改变氧化还原条件，但现场DO和内回流数据未记录，需受控试验定量各因素贡献；冬季EPS升高也可能部分归因于MLSS浓度较高；秋季特有类群多为低丰度种群，其实际功能贡献尚不能确定；nosZ冬季丰度升高而TN去除下降，说明功能基因丰度反映代谢潜力而非实际酶活性；pstS与除磷性能的关系不能仅由功能基因谱确定。局限性方面，研究仅覆盖单年每季一次采样，无法完全区分季节效应与年际变异，需多年长期监测验证。结论部分译为：本研究考察了海拔3650 m全尺寸MBR中污染物去除性能、EPS特性、微生物群落结构和功能潜力的季节性变化。尽管存在季节性温度波动（9.9–16.8 °C），系统仍维持对SS（>93%）、COD、BOD5和NH4+-N的高去除效率，而TN去除在冬季下降。EPS积累在冬季最为显著且以蛋白质为主。鸟枪法宏基因组揭示以Candidatus Villigracilis、Nitrospira和Dechloromonas为主导的细菌群落存在明显季节性演替。碳代谢、硝化和反硝化相关功能基因的相对丰度随季节偏移，反映代谢潜力的改变。磷相关基因保持高丰度，pstS在秋季达到峰值。这些发现凸显了高海拔MBR系统中微生物群落及其功能潜力的季节性动态，为高原地区污水处理管理提供了参考。未来研究应纳入高海拔与低海拔MBR系统在可比运行条件下的长期平行监测，以区分海拔相关效应与微生物群落结构、功能潜力和处理性能的季节性变化。
