磁铁矿有助于噬菌体与细菌之间的相互作用，以及在氨胁迫条件下噬菌体参与的代谢协调，从而实现中链脂肪酸的生物合成

《Water Research》：Magnetite facilitates phage-bacteria interactions and phage-associated metabolic coordination for medium-chain fatty acid biosynthesis under ammonia stress

　　摘要
从中链脂肪酸（MCFA）的生产来看，废物活性污泥（WAS）中的生产依赖于不同功能微生物之间的共生相互作用。噬菌体是否是参与MCFA生物合成过程中被忽视的生态组成部分，目前尚不清楚。高总氨氮（TAN）通常会抑制MCFA的生产。导电材料已被提出作为在TAN压力下增强或恢复MCFA生产的有效策略。因此，这种抑制-恢复系统可以为研究病毒生态反应是否与MCFA相关的代谢过程相关提供有用的框架。在本研究中，选择了磁铁矿（Fe3O4）作为在TAN压力下恢复MCFA生产的策略。结果表明，从三种条件下运行的厌氧生物反应器中恢复了3,915个vOTU和118个宏基因组组装的基因组：对照组（无TAN压力）、TAN压力组以及添加Fe3O4的TAN压力组。在高TAN环境（约5 g/L）下，MCFA的生产量减少了49%（1.3 g COD/L）。温和噬菌体与MCFA相关细菌宿主之间的生态耦合减弱，同时与MCFA合成相关的辅助代谢基因（AMGs，例如脂肪酸生物合成、酰基链代谢）的丰度和转录丰度也显著下降。在添加Fe3O4（即10 g/L）的情况下，MCFA的生产量分别比高TAN压力组和无TAN压力组高出四倍和两倍。除了增强噬菌体-细菌的生态耦合和增加与MCFA形成相关的AMGs的丰度和转录外，Fe3O4还增加了与电子转移相关的AMGs（如cbb3型细胞色素c氧化酶、IV型菌毛组装基因）以及QS相关的LuxR家族和HTH型调节因子的丰度和表达，这表明在MCFA合成过程中这种间接途径可能被大大忽视了。这也是首次报道噬菌体可能响应氧化铁的生态层。对从以MCFA为导向的厌氧系统中收集的公开可用宏基因组的分析进一步证实，噬菌体可能与参与MCFA生物合成的代谢过程有广泛关联。总之，这项研究揭示了噬菌体可以作为与MCFA代谢相关的被忽视的生态层，并为理解TAN抑制和氧化铁介导的WAS到MCFA生物转化过程提供了病毒-生态学的视角。

引言
厌氧消化（AD）是一种可持续的生物技术，用于处理和利用废物活性污泥（WAS），能够将复杂的有机物转化为增值产品，包括甲烷、短链脂肪酸（SCFAs）和中链脂肪酸（MCFAs）（Li等人，2025；Wang和Yin，2022a；Zhang等人，2021）。有效的AD过程需要不同微生物群的协调活动，它们形成复杂的代谢网络（如溶解、水解、产酸、产甲烷或链延长）。这些网络通过介导发酵中间产物（如有机酸和H2）的产生、转移和消耗，以及生长支持营养素（包括氨基酸和维生素）的交换，支持不同功能群落之间的共生互惠。据我们所知，AD微生物组在功能层面仅部分被解析，仍有大量的功能“暗物质”尚未得到充分表征（Pavlopoulos等人，2023；Zhang等人，2023）。因此，解决这些被忽视的成分对于理解微生物调控和提高工艺稳定性非常重要。

病毒越来越被认为是AD系统中原核生物群落中具有生态相关性的组成部分，它们可以通过感染、细胞裂解和辅助代谢基因（AMG）介导的代谢重编程来影响宿主种群动态和代谢功能（Zhang等人，2017）。在AD系统中，已经确定了病毒与参与将有机物质转化为甲烷的关键微生物种群之间的联系（Rossi等人，2022）。病毒还被证明可以通过编码与长链脂肪酸转化和产甲烷相关途径相关的AMGs来影响有机物的转化和能量转化，从而重塑宿主相关的代谢功能（Fan等人，2023）。与甲烷和SCFAs相比，MCFAs由于其更高的经济价值、更广泛的应用潜力以及从发酵液中更容易回收而受到越来越多的关注（Agler等人，2012）。在以MCFA为导向的厌氧系统中，链延长（CE）细菌利用SCFAs作为电子受体，乙醇和/或乳酸作为电子供体来合成MCFAs（Zhang等人，2023）。相比之下，产甲烷的厌氧系统主要通过水解菌、产酸菌和产甲烷菌之间的协调代谢相互作用将终端碳流导向产甲烷（Zhang等人，2022）。因此，尽管产甲烷和以MCFA为导向的厌氧生物过程可能具有相似的上游水解和产酸过程，但它们在终端碳流方向和主导的下游功能细菌方面存在显著差异。由于噬菌体复制、感染动态和噬菌体相关基因表达与宿主身份和生理状态密切相关（Howard-Varona等人，2018），在产甲烷的厌氧系统中观察到的病毒生态模式可能不直接适用于以MCFA为导向的发酵。因此，需要针对特定系统进行研究，以表征以MCFA生产的厌氧系统中的噬菌体-宿主关联和噬菌体相关的代谢潜力。

来自厌氧肠道发酵的证据进一步表明，与产生SCFAs的细菌相关的噬菌体可以编码与丙酮酸代谢相关的AMGs（Wang等人，2026）。我们假设噬菌体可能是MCFA生产中一个活跃但尚未充分解析的生态调控层。噬菌体可能与上游的底物转化过程（包括水解和产酸）以及下游的链延长过程有关。由于MCFA的生产依赖于不同功能微生物群落之间的协调相互作用，目前尚不清楚噬菌体是否与发酵微生物组内不同功能微生物群落之间的相互作用有关。因此，系统地研究病毒群落动态、病毒-宿主关联和噬菌体相关的代谢功能确实是必要的。病毒复制、生活方式转变、宿主感染模式和AMG表达与宿主生理和环境条件密切相关，表明病毒介导的调控可能在不同环境扰动下存在显著差异（Rossi等人，2022）。高总氨氮（TAN）是厌氧发酵过程中常见的化学压力源，它可以抑制水解、产酸和链延长，从而破坏MCFA生产所需的底物供应和代谢耦合（Wang等人，2024）。导电材料（如水碳、生物炭、磁铁矿（Fe3O4）被发现能够通过改善功能细菌之间的共生相互作用有效地缓解TAN抑制并恢复MCFA生产（Cai等人，2022；Shi等人，2021；Wang等人，2020；Zhang等人，2026）。实际上，TAN抑制和添加导电材料的条件分别代表了与MCFA合成功能抑制和恢复相关的两种不同生态状态，在这两种状态下，病毒群落可能表现出不同的生态反应。因此，使用TAN抑制和添加导电材料的系统提供了一个有用的抑制-恢复框架，用于研究病毒生态反应是否与MCFA相关的代谢过程相关。

我们在无TAN压力、TAN抑制和基于铁的材料介导的恢复条件下，表征了病毒群落、病毒生活方式、病毒-宿主关联以及AMGs的转录丰度，以研究病毒对WAS到MCFA转化的影响，其中选择了Fe3O4作为代表性的导电材料，因为它成本低廉、可回收，并且广泛用于厌氧消化系统中以提高系统性能（Luo等人，2022；Wang等人，2022；Zhu等人，2025）。本研究旨在：（a）表征在以MCFA合成为导向的厌氧WAS发酵过程中的病毒群落和生活方式；（b）评估噬菌体-细菌相互作用和噬菌体相关代谢功能对MCFA合成的影响。此外，为了评估本研究中观察到的噬菌体相关代谢功能是否在以MCFA为导向的厌氧发酵系统中普遍存在，我们重新分析了之前从具有不同原料（如WAS、食物废物、天然湿地土壤、动物粪便来源的底物、植物来源的底物）的MCFA生产生物系统中收集的宏基因组数据集。本研究的结果可能为理解氨压力下厌氧发酵过程中噬菌体-细菌相互作用、代谢协调和MCFA生物合成的潜在机制提供新的见解。本研究还将首次证明Fe3O4是否以及如何介导噬菌体-细菌相互作用，从而在TAN压力下促进MCFA合成的恢复。

部分实验内容
从当地污水处理厂的二次澄清池收集了WAS。接种物是从一个实验室规模的半连续厌氧生物反应器中获得的厌氧污泥，该生物反应器在35 ± 1 °C下运行，污泥停留时间为30天，使用乙醇和WAS作为底物。接种物和WAS的体积比为1:1（v/v）。为了研究在TAN压力和添加Fe3O4条件下噬菌体在WAS到MCFA转化中的生态作用，进行了厌氧发酵实验。

**TAN抑制和Fe3O4介导的恢复对MCFA生产的影响**
在未添加外部TAN的对照组中（背景TAN浓度：127.3 mg N/L），WAS发酵在发酵结束时积累了明显的MCFA（2.5 ± 0.5 g COD/L），其中己酸是唯一的MCFAs种类（图S1）。高TAN压力（5 g N/L）显著抑制了WAS到MCFA的转化，表现为己酸的积累量有限（1.3 ± 0.5 g COD/L）。添加10 g/L Fe3O4后，在TAN压力下恢复了对MCFA的生产（5.6 ± 0.5 g COD/L）。

**环境影响**
高TAN压力仍然是限制以MCFA为导向的厌氧发酵的主要瓶颈，尤其是在使用富含蛋白质的有机废物或预处理衍生成本时（Chen等人，2016；Liu等人，2020）。基于铁和其他导电材料的主要研究是它们能够增强细菌的共生合作，从而缓解厌氧系统中的TAN抑制（Chen等人，2022，2024；Wang等人，2018；Wu等人，2024）。这项研究扩展了病毒在...

**结论**
本研究表明，在TAN压力和Fe3O4介导的恢复过程中，病毒群落在调节WAS到MCFA转化中发挥了重要的生态作用。主要发现如下：
? 在厌氧WAS发酵过程中生产MCFAs时，噬菌体宿主不仅与CE相关细菌相关，还与水解/产酸细菌相关，这表明病毒的水解活性可以增强MCFA合成所需的电子受体的供应。
? TAN抑制...

**未引用的参考文献**
Joshi等人，2021

**作者贡献声明**
Mengzhu Zhang：撰写 - 原始草稿、可视化、验证、方法论、研究、数据管理。
Ziyi Wang：可视化、方法论、正式分析、数据管理。
Juntao Xia：撰写 - 审阅与编辑、方法论、研究、数据管理。
Yuming Zhen：撰写 - 审阅与编辑、方法论、数据管理。
Feng Jiang：撰写 - 审阅与编辑、验证、监督、研究、概念化。
Liang Zhang：撰写 - 审阅与编辑、验证、监督。

【作者列表】
Mengzhu Zhang | Ziyi Wang | Juntao Xia | Yuming Zhen | Feng Jiang | Liang Zhang

【机构名称】
广东省环境污染控制与修复技术重点实验室，中山大学环境科学与工程学院，广州，中国