一项泛欧洲废水进水全微生物组研究：原核生物、原生生物、真菌和后生动物

《Journal of Eukaryotic Microbiology》：A Pan-European Whole-Microbiome Study of Wastewater Influent: Prokaryotes, Protists, Fungi, and Metazoa

　　

通过未经处理的生活污水进入污水处理厂（WWTPs）的微生物群落代表了人类、环境与处理相关微生物组之间的重要界面，然而研究人员对其生物地理学的理解仍不清晰，特别是对微生物真核生物而言。利用来自跨越欧洲纬度梯度的七个污水处理厂进水样本的鸟枪法宏基因组时间序列数据，研究人员分析了细菌、原生生物、真菌和微型后生动物的分类组成及动态。进水群落组成随地理位置和季节而变化，呈现出由优势类群驱动的显著南北分化，并在高纬度地区观察到更强的季节变化。跨域关联普遍存在，表明共变的细菌和真核生物组分构建了进入的微生物库。研究结果为全微生物组废水监测提供了泛欧洲基线，并强调进水群落在区域和季节上存在差异。这些模式可能与下游处理阶段的微生物组相关，但对反应器群落组装和处理性能的直接影响需要跨处理阶段的针对性采样。

论文解读：欧洲废水进水全微生物组研究

废水处理是维持环境可持续性的关键环节，大量来自家庭、工业和农业的废水每日进入处理系统。在进入污水处理厂（WWTPs）之前，未经处理的生活污水中已整合了来自人类、动物、家庭、工业和环境来源的微生物，形成了所谓的“进水微生物群落”。这一群落不仅是废水生物反应器群落组装的生物输入源，也是开展微生物生物地理学、时间动态及废水监测研究的重要基质。然而，此前对废水微生物群落的研究多聚焦于原核生物和病毒，对真核微生物（如真菌、原生生物和微型后生动物）的关注相对不足。尽管已有证据表明真核微生物在有机物降解、通过捕食细菌和竞争营养塑造原核群落结构方面发挥重要作用，但影响废水处理厂中微真核生物群落的环境因子，以及进水群落如何参与反应器群落组装，仍缺乏系统认识。此外，早期研究主要依赖16S/18S rRNA标记基因方法，该方法存在rRNA拷贝数差异、PCR扩增偏差、引物错配等问题，可能导致群落组成的扭曲。相比之下，鸟枪法宏基因组学可避免引物和扩增偏差，提供更真实的群落组成视角。因此，研究人员利用已发表的宏基因组数据，对跨越欧洲纬度梯度的七个废水处理厂进水中的细菌、原生生物、真菌和微型后生动物进行了全面的全微生物组分析，旨在揭示其生物地理格局和季节动态，为未来废水监测和跨处理阶段研究提供基线。

研究人员重新分析了Becsei等人（2024）公开的欧洲核苷酸档案（ENA）PRJEB68319数据，该数据来源于丹麦哥本哈根（三个厂）、荷兰鹿特丹、匈牙利布达佩斯、意大利博洛尼亚和罗马共七个废水处理厂的进水样本，覆盖不同纬度。原始测序在Illumina NovaSeq6000平台完成，产生双端150 bp读长。数据处理流程包括：使用FastQC进行质量检查，排除一个低质量样本；利用Mothur组装重叠群，并将未组装的前向读段合并以增加序列保留；通过SortMeRNA筛选核糖体RNA（rRNA）序列；分别使用PR2 v4.13.0和SILVA 138数据库对真核和原核序列进行BLASTN+分类分配，并设置严格阈值（仅保留最佳命中，期望值<1e-30）；仅保留微型后生动物（线虫、轮虫、缓步动物），排除大型后生动物和植物。后续基于属水平相对丰度进行α多样性（Shannon-Wiener指数）、β多样性（Bray-Curtis距离、主坐标分析PCoA）和PERMANOVA统计检验。

研究结果分为七个部分。在“Bacteria Dominate Read Abundance, While Eukaryotes Show Higher Genus-Level Richness”中，研究人员发现细菌在序列读数和属水平丰富度上均占绝对优势（分别占98.01%和93.46%），但真核生物（真菌、微型后生动物、原生生物）尽管读丰度较低，却贡献了较高的属级多样性，且不同厂站存在特定门类偏差。在“Geographic North–South Divergence in Bacterial Communities Is Driven by Streptococcus and Pseudomonas”中，细菌群落在α多样性上呈现北高南低的格局，北部厂站（哥本哈根、鹿特丹）以Streptococcus持续主导，南部厂站（布达佩斯、博洛尼亚、罗马）则易发生Pseudomonas大量繁殖（相对丰度可超50%），PCoA显示南北明显分离，PERMANOVA确认纬度（R²=20.75%，p=0.001）和厂址（R²=16.48%，p=0.001）是显著驱动因素。在“Dominant Nematode Taxa Drive Regional Divergence in Metazoan Communities Between Northern and Southern WWTPs”中，北方后生动物群落以Pellioditis（哥本哈根）或Acrostichus与Diploscapter（鹿特丹）为主，南方则以Chromadorea_XX和Pelodera为主，且该差异同样由纬度和厂址显著解释。在“Rhogostoma and Giardia Drive North–South Structuring of Protist Communities”中，原生生物群落的南北结构主要由Rhogostoma（北方优势，哥本哈根平均相对丰度53%–62%）和Giardia（南方优势，博洛尼亚达38%±34%）驱动。在“Bipolaris-Dominated Fungal Communities Display Low Diversity Across WWTPs”中，真菌群落多样性在所有微生物中最低（Shannon指数常≤1.5），近乎所有样本均由Bipolaris主导，仅少数厂站出现Candida、Nosema等类群的短暂替代。在“Plant-Specific Seasonal Effects Reveal Stronger Community Shifts in Northern WWTPs”中，厂站特异性PERMANOVA表明，季节对细菌和后生动物群落的显著影响主要出现在北方厂站（R²>10%），而南方大多数厂站无显著季节效应，显示高纬度地区季节波动更强。在“Cross-Community Associations Explain Additional Variation in Influent Microbial Composition”中，跨群落相互作用显著：细菌显著影响真菌、原生生物和后生动物；原生生物影响所有其他类群；真菌显著影响细菌、后生动物和原生生物；后生动物仅显著影响原生生物。这些结果共同表明，地理纬度、季节和跨域生物互作共同塑造了废水进水微生物群落的结构。

讨论部分指出，进水群落的生物地理分化和季节动态可能源于源输入差异、管网内选择性条件及随机过程。北方地区季节驱动更强，可能与温度和光照的极端年波动有关。跨域关联表明细菌和真核生物并非独立，而是通过自上而下（捕食）和自下而上（资源供给）机制相互依存。研究还发现，Trichococcus（一种与污泥膨胀相关的丝状菌）在北方进水中的丰度显著高于南方，且与纬度呈负相关（R²=25%，p<0.001）；而潜在有益类群如Pellioditis和Pelodera虽属不同属，但均属色矛目，可能发挥相似的生态功能，暗示不同地区功能趋同。致病性原生生物Giardia在南欧丰度较高，与既往意大利废水厂报道一致。研究结论强调，每个处理厂都是一个由当地环境条件塑造的独特微生物生态系统；进水监测可为区域定制化处理和公共健康监测提供早期预警，但需进一步跨越处理阶段（进水、活性污泥、出水）的针对性采样，以明确进水群落对反应器组装和处理性能的直接效应。