污水處理和再利用對人類健康有著重要影響，活性污泥法是最常用的污水處理工藝。不斷加深對活性污泥工藝的理解，對下一代污水處理和回用系統的優化意義重大。各組學研究是近年學術界對污水處理微生物的熱門手段，一個由美國俄克拉荷馬大學領導的跨學科項目就對活性污泥的微生物組進行了多年研究，近日《Nature Microbiology》刊登他們的部分研究成果。我們在本期的學術星期四專欄里對此作簡介。

全球污水廠細菌群落揭秘

“2014年5月，我們成立了GWMC全球水微生物群聯盟（Global Water Microbiome Consortium），以此促進水環境微生物組的全球教育、研究和國際合作交流，”俄克拉荷馬大學環境基因組研究所主任周集中教授說。

周教授是行內做geochip（功能基因芯片）的專家，據說有一次國際會議上有學者尊稱他做Mr. Geochip。周教授在接受媒體采訪時表示：“GWMC聯盟的采樣方式和其他自下而上式采集微生物樣本的全球倡議不同，他們使用自上而下的采樣策略，專門針對城市污水處理廠中活性污泥過程的微生物組。”目前這個項目有100多名調研人員的參與，他們在6大洲23個國家86個城市里，對269個污水處理廠進行了采樣調查。這篇報告是他們對其中約1200個活性污泥16SrDNA的樣本的分析結果。

我們每分每秒都在產生污水，大部分污水經城市地下管網進入污水廠進行處理，經凈化后又重新排入環境。活性污泥法是其中最常見的生物處理工藝，約有105年的歷史，它對人類的環境健康做出了巨大的貢獻。盡管已經有了一個多世紀的實踐，但其實活性污泥法仍有許多提升空間，要想繼續優化這項工藝技術，需要從根本上認識活性污泥微生物組的生物多樣性與性能表現的關系。

雖然在此前有一些地區性的嘗試，例如丹麥的MIDAS項目，但在過去100多年里，還沒有人嘗試對活性污泥微生物組的全球情況進行系統性的研究分析。研究污水廠的微生物群落的多樣性和生物地理學是一個剛剛起步的領域，這正是這次研究的獨特意義所在。

研究結果

在這次研究里，他們探討了以下問題：

(1)活性污泥微生物群落的全球多樣性程度如何?

(2)活性污泥法工藝是否存在跨洲的核心微生物群?

(3)這些群落是否具有緯度多樣性梯度(LDG)?

(4)微生物多樣性對工藝表現的影響是否顯著?

(5)確定性與隨機性的因素在調節群落組成、分布和功能方面有何相對重要性?

結果表明，全球活性污泥細菌群落中約有10億個細菌種系型(phylotypes)，且其多樣性服從泊松對數正態分布(Poisson log-normal distribution)。盡管活性污泥具有高度的多樣性，但存在一個全球核心細菌群落(28個OTUs)，并與其性能密切相關。

Meta分析的結果顯示，活性污泥微生物群落與淡水群落的關系最為密切，而與大型生物的多樣性相比，活性污泥的微生物群落沒有明顯的緯向梯度(Latitudinal diversity pattern)。

盡管活性污泥算是有人為控制的生態系統，但它的細菌組成似乎很可能是通過隨機過程驅動的，例如分散和漂移，這顯然與我們過去的傳統認知相矛盾。其空間周轉率與群落規模有關，另外溫度、SRT和有機碳輸入也是重要的決定性因素。

這個項目有不少業內大牛的參與，例如2018年斯德哥爾摩水獎的獲獎人、美國亞利桑拿州立大學的Bruce Rittmann教授。Rittmann教授表示：“這次全球采樣工作的規模前所未有，它為活性污泥工藝的微生物學提供了新的見解。盡管不同地區的污水廠存在巨大的地理差異，但該工藝的微生物群落具有28多種核心菌株，這反映了活性污泥工藝的強大且獨特的生態選擇性。”

同濟大學國家外專千人計劃專家、美國工程院院士、加州大學伯克利分校的LisaAlvarez-Cohen教授也是其中的參與者，他說：“這項項目具有很高的廣度，它是對世界各地生活污水的生物處理工藝中的有益微生物群落進行的一次系統研究，這是全球第一次這樣的嘗試。它對我們理解和維護這些關鍵微生物群落有著重要意義。”

后續研究

總的來說，這個研究有五大創新點：

1. 這是第一次檢查活性污泥微生物組的全球多樣性和生物地理學的高度協調的綜合性研究及報告；

2. 微生物組多樣性高，包含超過10億個生物類群，其中有許多新物種；

3. 識別出和活性污泥表現相關的核心微生物群；

4. 發現了活性污泥微生物組和其他生境中的微生物組；

5. 解釋了驅動活性污泥群落組成和功能的機制。

這次研究也反映了我們對微生物的世界還知之甚少，即使是城市污水處理廠這樣已經“很常見”而且“控制簡單”的系統。據了解，這份報告是關于活性污泥微生物組地理分布的分析，后續應該還有一篇關于時間分布的文章，但具體時間就沒法透露了，畢竟據說上述報告的發布就等了好長時間。

若想查看原文的朋友可以在Nature Microbiology網頁搜索“Global Diversity and Biogeography of the Bacterial Communities in Wastewater Treatment Plants”。