《Cell Reports Sustainability》：Revealing archaeal contributions to nitrogen cycling in large-scale swine wastewater treatment across China
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猪场养殖产生大量富氮废水，若未经妥善处理将对环境造成严重威胁。作为全球最大猪肉生产国，中国的猪场废水处理厂（WWTPs）高度依赖微生物去除污染物。尽管细菌长期被视为废水脱氮的关键参与者，但另一类微生物——古菌（Archaea，与细菌、真核生物并列的生命三域之一
猪场养殖产生大量富氮废水，若未经妥善处理将对环境造成严重威胁。作为全球最大猪肉生产国，中国的猪场废水处理厂（WWTPs）高度依赖微生物去除污染物。尽管细菌长期被视为废水脱氮的关键参与者，但另一类微生物——古菌（Archaea，与细菌、真核生物并列的生命三域之一）——虽常见于温泉、深海热液等极端环境，也存在于废水、土壤及动物肠道中，但其在废水处理系统氮循环中的作用仍不明确。研究人员利用先进基因组与转录组工具，对中国34座大规模猪场WWTPs中的古菌展开调查，发现古菌携带多样的氮循环基因且活性较高，尤其参与含氮化合物的分解；重要的是，与被调查细菌不同，所识别古菌极少携带抗生素抗性基因（ARGs）或毒力因子（VFs），提示其传播抗性引发疾病的风险较低。研究人员进一步发现古菌与细菌协同驱动氮循环：古菌不仅直接转化氮化合物，还与细菌交换氮相关基因，共同促进脱氮。上述结果表明古菌是可持续废水处理中安全且高效的功能微生物伙伴。未来古菌在废水脱氮、土壤固氮及减排有害排放等生物技术领域前景广阔，但培养困难与自然丰度低仍是挑战，克服这些障碍有望为氮污染管理与水资源保护提供新型绿色方案。
研究背景方面，猪场WWTPs主要通过功能微生物降解有机污染物，传统研究聚焦硝化、反硝化及厌氧氨氧化细菌，而古菌作为生命三域之一长期被忽视。现有研究对古菌在废水氮循环中的具体角色及其是否携带生物风险（如ARGs、毒力因子）存在知识空白。此外，随着中国畜禽排放标准趋严，功能细菌作为ARGs主要宿主的问题凸显，亟需寻找高效低风险功能微生物。为此，研究人员依托《Cell Reports Sustainability》，基于全国尺度样本开展多组学整合分析。
关键技术方法上，研究人员采集中国34座大规模猪场WWTPs的进水与出水样本，并涵盖厌氧消化、兼性塘、初沉池及缺氧/好氧（A/O）等工艺段；联合应用宏基因组测序（metagenomics）与宏转录组测序（metatranscriptomics），通过元基因组分箱（metagenomic binning）重构近完整元基因组组装基因组（MAGs），并将转录本映射至MAGs以评估基因表达；辅以方差分解分析（VPA）、结构方程模型（SEM）及水平基因转移（HGT）推断分析。
研究结果部分，首先于“Distribution characteristics of archaea in swine WWTPs”小节指出，进出水微生物α多样性与β多样性差异显著，但古菌/细菌比值无显著变化；优势门级为广古菌门（Euryarchaeota）、奇古菌门（Thaumarchaeota）与泉古菌门（Crenarchaeota），属级以甲烷丝菌属（Methanothrix）、甲烷八叠球菌属（Methanosarcina）、甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter）为主，其中甲烷丝菌属在出水富集，多数古菌属与污染物浓度呈负相关。
于“Relationship between archaea and nitrogen-related genes and ARGs”小节，废水中氮相关基因丰度高达约4.33拷贝/细胞，以有机降解合成为主；ARGs在出水显著降低，毒力因子无显著变化；共现网络显示氮相关基因与多类古菌共现，而ARGs/VFs仅与少数古菌共现，提示古菌可能为氮基因宿主且本底风险低。
于“Identification of nitrogen cycling functional archaea using metagenomic binning”小节，从2728个高质量MAGs（178个古菌MAGs）中鉴定出卤古菌门（Halobacteriota）、热变形菌门（Thermoproteota）、甲烷杆菌门（Methanobacteriota）为氮基因主要载体，分别携25、18、10个氮相关基因，且完整基因组中ARGs/VFs极少。
于“Contribution of archaea to the nitrogen cycle in swine WWTPs”小节，转录组证实古菌特异性氮基因在缺氧/好氧池高表达（如bin.62达7087~7630 TPM）；VPA显示古菌单独解释氮基因变异2.0%，与细菌共同解释34.3%；SEM表明古菌直接影响氨氮浓度并通过调节细菌间接作用。
于“Changes in nitrogen cycling functional archaea in swine WWTPs”小节，不同工艺段古菌群落演替明显，卤古菌门在A/O段占优；细菌MAGs以厚壁菌门_Firmicutes_A为主；检测到古菌-细菌及古菌间HGT，实例包括bin_19（卤古菌门）的hcp转移至bin_1371（拟杆菌门），bin_1070（Patescibacteria）的ureA转移至bin_1691（卤古菌门）。
讨论与结论部分总结，该研究首次在全国尺度揭示猪场WWTPs古菌分布与氮代谢活跃性，明确卤古菌门、甲烷杆菌门、热变形菌门为核心功能类群；古菌虽单独贡献有限，但通过直接转化与和细菌的基因交流协同驱动氮循环，且ARGs/VFs负荷低，生物安全风险小。研究人员指出当前NCBI完整古菌基因组仅667个，反映培养瓶颈与数据库偏见；未来需长读长测序等技术突破。结论强调古菌是具低生物安全风险的 key functional microorganisms，为可持续废水处理提供独特价值，在脱氮、固氮及减排中具应用潜力，但需克服严格厌氧、丰度低与定殖稳定性等挑战。
论文结论原文翻译：古菌是重要的但常被忽视的微生物，其在废水氮循环中的作用仍不清楚。此处研究人员通过分析基于中国34座大规模猪场废水处理厂（WWTPs）样本的宏基因组与宏转录组方法，分析古菌的分布与氮循环活性。研究发现古菌携带多样的氮循环基因，包括若干高表达的古菌特异性基因。此外，它们携带相对少的抗生素抗性基因与毒力因子。研究人员还观察到古菌内部及古菌与细菌间涉及氮相关基因的基因交换。古菌单独解释氮循环基因变异的2.0%，而与细菌的共同贡献达34.3%，表明古菌不仅直接参与氮转化，还与细菌协同互作。这些发现将古菌确定为具有低生物安全风险潜力的关键功能微生物，凸显其为可持续废水处理的独特价值。
