《Journal of Environmental Management》：Metagenome-resolved evidence that soluble factors in granular activated carbon–amended reactor effluent reprogram propionate metabolism and methanogenic pathways
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摘要翻译（基于论文Highlights内容）：
• 添加颗粒活性炭（granular activated carbon, GAC）的反应器出水可将甲烷产率从64%提高至76%，且无需额外添加GAC。
• 基因组解析宏基因组学恢复了170个宏基因组组装基
摘要翻译（基于论文Highlights内容）：
• 添加颗粒活性炭（granular activated carbon, GAC）的反应器出水可将甲烷产率从64%提高至76%，且无需额外添加GAC。
• 基因组解析宏基因组学恢复了170个宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes, MAGs），并揭示了群落转变。
• 丙酸氧化的两条途径的基因组潜力均有所增加，其中甲基丙二酰辅酶A（methylmalonyl-CoA, MMC）途径的相对偏好增强。
• 电菌毛（e-pilin）相关载体减少，而多血红素细胞色素（multiheme cytochrome, MHC）支持的载体增加。
• 来自GAC生物膜的出水传播信号重编程了分散污泥群落。
论文解读文章：
厌氧消化（anaerobic digestion, AD）是处理高浓度废水和有机固废并回收甲烷能源的重要工艺，但仍面临难降解底物转化慢、高有机负荷下不稳定、氨/挥发性脂肪酸/硫化氢等抑制物积累，以及全规模系统中有机物转化为甲烷不完全等问题。添加导电材料（conductive materials, CMs）如颗粒活性炭（granular activated carbon, GAC）可通过促进直接种间电子传递（direct interspecies electron transfer, DIET）改善AD性能。然而，接触机制无法完全解释反应器尺度的增效现象：GAC在反应器中所占体积比例很小，且悬浮污泥的产甲烷活性同样显著提高。因此，研究人员提出假说：GAC生物膜会向液相释放可溶性生物活性因子，这些因子随出水传播，从而重编程未直接接触GAC的悬浮菌群。为验证该假说，研究人员采用排除颗粒接触的半连续批次实验，结合基因组解析宏基因组学（genome-resolved metagenomics）开展系统研究。
研究人员从两个中温上流式厌氧污泥床（up-flow anaerobic sludge blanket, UASB）反应器收集稳态出水，其中一个添加GAC、一个未添加，经离心和0.45 μm过滤后用于半连续批次实验，接种污泥来自非GAC反应器，以丙酸为唯一外加碳源，考察甲烷产量及微生物群落变化。结果表明，GAC反应器出水可将甲烷产率从64%±3%提高至76%±3%，且该差异无法用残留出水COD解释，提示出水中存在可传递的功能代谢物。通过对宏基因组测序数据进行组装、分箱和去冗余，共获得170个MAGs，随后从基因组水平系统解析丙酸氧化途径、电子传递架构、钴酰胺（cobamide）经济性、群体感应（quorum sensing, QS）与胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）相关功能潜力。
主要关键技术方法包括：样本来自实验室规模的中温UASB反应器（GAC改良与非GAC对照）的稳态出水；DNA经Illumina NovaSeq平台测序后，使用fastp质控、MEGAHIT进行单样本及共组装，MetaBAT2和MaxBin2分箱，DAS Tool整合，dRep去冗余获得非冗余MAG集；CheckM2评估质量和完整性，GTDB-Tk进行分类学注释，CoverM进行丰度定量，DRAM和METABOLIC-C进行功能注释。研究人员基于KEGG数据库和生化文献构建丙酸氧化途径（MMC途径和歧化途径）基因评分体系，并用Welch t检验比较处理组间差异。整个研究未涉及临床队列，仅使用实验室反应器样本。
研究结果如下：
3.1 反应器性能与半连续测试结果：通过对比非GAC与GAC反应器的稳定运行数据，GAC反应器化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）去除率（92%±3%）显著高于非GAC反应器（75%±5%）。半连续批次实验中，GAC出水组的甲烷产率（76%±3%）显著高于非GAC出水组（64%±3%），证明GAC出水本身即可刺激甲烷生成，且残余COD不能解释该效应。
3.2 MAG回收与质量概览：从4个宏基因组中共重建170个MAGs，其中138个细菌和32个古菌，覆盖32个门；50.0%的MAG达到高plus质量（完整度≥90%、污染≤5%），为后续途径评分提供了高质量基因组基础。
3.3 GAC出水诱导的群落转变：基于MAG丰度比较，GAC出水组中优势Methanobacterium MAG下降10.8倍，而多个氢营养型产甲烷菌（如Methanoregula、CAIYHQ01）显著上升；细菌群落中Syntrophomonadaceae的UBA5314 MAG增加54.7倍，Syntrophobacteraceae内部出现选择性富集。这表明GAC出水促使群落向更广泛的互养-产甲烷联合体转变。
3.4 丙酸代谢途径的差异：通过计算两类丙酸氧化途径的基因组潜力评分，GAC出水组中MMC途径和歧化途径的得分均高于非GAC组（分别提高28.9%和22.1%），MMC/歧化偏好比提高5.60%；单次扰动敏感性分析显示结果稳健，且贡献载体谱系更分散。
3.5 钴酰胺获取、重塑和利用潜力的重新分布：模块分析显示，没有单一MAG编码完整的从头合成途径；GAC出水组中从头合成潜力下降，而CbiZ介导的钴酰胺重塑和依赖钴酰胺的酶（甲基丙二酰辅酶A变位酶、甲硫氨酸合酶）潜力增加，表明群落更依赖回收或外部供应的钴酰胺。
3.6 候选电子传递架构的再平衡：通过分层筛选PilA和多血红素细胞色素（multiheme cytochrome, MHC）相关基因，发现PilA相关载体丰度降低，而MHC支持的载体群丰度升高；一个同时具备PilA和MHC双架构的MAG（JABUEY01 sp013314815）丰度增加4.9倍，但其绝对丰度较低，尚不能定为DIET活性种。
3.7 群体感应与EPS-基质重塑：QS相关基因呈途径特异性变化，N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl homoserine lactone, AHL）合成和感知潜力分别提高3.90倍和2.62倍，而淬灭潜力降低；EPS胞外多糖相关8个模块的丰度均增加，其中Wza/Wzb/Wzc模块最高，由一个Syntrophobacteraceae MAG贡献34.4%。该结果提示GAC出水可能通过信号分子和基质形成促进群落空间组织和代谢耦合。
讨论部分指出，GAC生物膜可能释放可扩散的信号分子和可溶性因子，通过液相传播至悬浮污泥，选择信号响应和基质形成种群，从而在无颗粒接触条件下重塑群落功能。0.45 μm过滤会截留较大的细胞外囊泡、膜碎片等高分子复合物，因此观察到的效应可能低估了实际生物活性。未来需通过尺寸排阻色谱、分级超滤、靶向信号和类咕啉谱系分析、EPS表征及囊泡分析等手段，进一步区分低分子量代谢物与囊泡/膜/基质相关的信号载体。
研究结论部分可翻译为：本研究证明，来自GAC改良UASB反应器的0.45 μm过滤液可增强丙酸转化，将甲烷产率从64%±3%提高至76%±3%。这种过程增强伴随着无GAC颗粒条件下非GAC污泥群落的重组。该响应涉及更广泛的互养-产甲烷联合体、丙酸氧化两条途径基因组潜力的增加，以及向MMC途径的相对转变。这种代谢重组伴随着更偏向消费者导向的钴酰胺配置，即更多利用/重塑钴酰胺而非从头合成。候选电子传递能力也发生再平衡：PilA相关载体减少，MHC支持的载体群扩大，而H
2/甲酸潜力仍普遍存在。群体感应潜力的途径特异性变化和胞外多糖模块的协同增加表明，过滤性生物活性组分可能促进信号响应和基质形成的群落组织。这些发现将GAC的作用扩展到需要直接颗粒接触的机制之外，并表明GAC相关生物膜可能通过液相影响反应器范围内的微生物功能。
