哈工大任南琪院士团队贺诗欣课题组WR：揭示中试藻-菌共生系统中微藻对细菌群落季节性动态影响

图文摘要

成果简介

近日，哈尔滨工业大学贺诗欣教授课题组在著名学术期刊 Water Research 上发表了题为 “Revealing real impact of microalgae on seasonal dynamics of bacterial community in a pilot-scale microalgal-bacterial consortium system” 的研究型论文。该团队在武汉市江夏污水处理厂建立并开展藻 - 菌共生污水处理系统中试示范工程，首次证明了藻 - 菌共生系统处理实际生活污水的应用潜力，实现了污水中氮磷系污染物的高效脱除。该工作以季节节律周期下 MBC 系统运行效能及细菌群落组成为切入点，解析了微藻对原生细菌季节性演替和生态位分化的规律，揭示了微藻对核心微生物基团季节性组装的机制，提出了基于微藻调控原生细菌季节性生态行为的新策略。这项工作首次证明了实际应用中微藻对塑造核心细菌群落的动态演替和生态位分化中的重要性，为藻 - 菌共生系统在废水处理中的工程应用和生物学机制解析提供了新的视角 。

图：团队在武汉市江夏污水处理厂建立的中试规模的藻 - 菌共生污水处理系统，总日污水处理量可达 300-350 m ³。

摘要

藻 - 菌共生系统（ MBC ）被认为是一种可实现高效脱氮除磷的污水厂处理技术。然而，微藻在不同季节节律下对细菌群落演替及生态位分化的影响仍缺乏深入研究。本研究首次构建了中试规模的连续流 MBC 系统，并通过完整的年度时序采样，系统解析了微藻对细菌群落季节性演替的影响。研究发现，在活性污泥系统（ AS ）和 MBC 系统中均鉴定出一个由 528 个 ASV 组成的核心微生物组，并呈现出显著的季节性节律。然而，与 AS 系统中受随机漂移驱动的核心微生物基团组装模式不同， MBC 系统中的核心微生物基团主要通过异质性选择进行组装，通过微藻主动招募对环境波动具备响应能力的优势菌群，形成更加稳定的核心微生物组。此外，微藻促进了核心微生物组内部的生态位分化，推动了物种由泛化转向特化的演替过程，进一步增强了细菌群落内的协同作用，进而强化了硝化与反硝化效能。同时，微藻强化了核心微生物组中功能性物种与光照、温度等季节性变化因子的相关性，并通过调控这些功能性物种的丰度，有效提高了系统对氮、磷的去除效率。本研究深化了对基于微藻调控的细菌生态学的理解，并为 MBC 系统的群落调控策略提供了重要理论基础。

图文导读

Figure 1 Continuous performance of both AS and MBC systems during different seasons. (a) - (d) Concentration of NH ₄ ⁺ -N and NO ₃ ^- -N in effluent. (e) - (h) Concentration of COD and TP in effluent.

通过 1 年的连续运行， MBC 系统在脱氮除磷效能方面始终优于 AS 系统。与 AS 系统相比， MBC 系统对 NH ₄ ⁺ -N 、 NO ₃ ^- -N 和 TN 的平均去除率分别提高 8.67% 、 24.26% 和 9.97% ；对 TP 的去除效率提高了 18.09% 。同时， AS 和 MBC 系统的脱氮除磷效能均展现季节性变化：夏季，对 NH ₄ ⁺ -N 和 TP 的去除效能全年最高，冬季去处效能最低。但 MBC 系统在冬季仍优于 AS 系统， NH ₄ ⁺ -N 和 TP 的去除率分别高出 9.51% 和 39.58% ，表明 MBC 系统可以跨季节提高污水脱氮除磷效能 。

Figure 2 Community structure in the AS and MBC systems. (a) Distribution of the different ASV types ， categorized as broad (red) ， narrow (green) ， and intermediate (blue). The X axis indicatesmean relative abundance (%) and Y axis represents the occurrence (% of samples) throughout the time series. Different distribution types connect to a box that indicates the total number of ASVs for each distribution ， accompanied by a bar plot colored according to taxonomy at the class rank. (b) Alluvial plot showing the total relative abundance distribution of taxa across different taxonomic ranks ， including phylum ， class ， order ， family ， and genus. The height of each section reflects the relative abundance (the total is 100%).

对 AS 和 MBC 系统进行时间序列采样，共检测了 7455 个 ASV （ AS 系统检测出 4322 个， MBC 系统检测出 4550 个），其中大多数 ASV 出现频率分布较窄。广泛分布的 ASV 在 AS 和 MBC 系统中分别仅占 0.64% 和 0.11% ，占据 9 个不同的纲。 MBC 系统中 Bacilli ， Campylobacteria ， Desulfobulbia 和 Thermoplasmata 的出现频率降低，而蓝藻和 Bacteroidia 在微藻的作用下增加。与大部分先前的研究结果一致，即微藻促进了自然或共生系统中微生物群落中蓝藻和 Bacteroidia 的出现频率。根据细菌丰度所示， AS 系统中 Pseudomonas 、 Flavobacterium 、 Acinetobacter 和 Comamonas 是的优势属，其中 Pseudomonas 在四季中都保持较高的丰度，而 MBC 系统的细菌群落以蓝藻为主，春夏季丰度均高于 Pseudomonas 。

Fig. 3. Variations of ecological processes of the seasonal core microbiomes. (a) Phylogenetic tree was displayed at the center, showcasing 528 seasonal ASVs categorized into 10 distinct bins. The stacked bars in the first and the third annulus (from inside out) represent the relative importance of different ecological processes within each bin in AS and MBC system, respectively , including heterogeneous selection (HeS), homogeneous selection (HoS), dispersal limitation (DL), homogenizing dispersal (HD), and drift (DR). The second and fourth annulus represent the relative abundance of each ASV in AS and MBC system, respectively. (b) The β-diversity (β _sor ) of core microbiomes communities in both AS and MBC systems. (c) Average variation degree (AVD) of core microbiomes communities in both AS and MBC systems.

Fig. 4. (a) Niche breadth of the primary classes within the core microbiomes. (b) Co-occurrence patterns of the entire core microbial community in both AS and MBC systems. (c) Seasonal succession of core microorganisms in AS and MBC systems. The nodes represent species, and the links indicate significant correlation ( P > 0.8).

Fig. 5. Seasonal responses of the corresponding gene abundance associated with nitrogen-transforming process within the core microbiomes in the AS and MBC systems.

通过对 MBC 系统中核心微生物的功能分析发现，参与的氮循环途径包括硝化、反硝化和异化硝酸盐还原为铵（ DNRA ）过程。其中，微藻在夏季显著增强了 MBC 系统核心微生物的硝化功能。同时， MBC 系统中与反硝化过程相关的 3 个关键基因（硝酸盐还原酶（ nar ）、亚硝酸盐还原酶（ nir ）和一氧化氮还原酶（ nor ））展现出高丰度，证明了缺氧菌与微藻共存的可能性。相比之下， AS 系统中质周硝酸盐还原酶（ nap ）和亚硝酸盐还原酶（ nrf ）的相对丰度均高于 MBC 系统；同时， MBC 系统中核心微生物参与 DNRA 过程的 Desulfovibrio 和 Clostridium 丰度较低，表明微藻抑制了 DNRA 过程。因此，硝化和反硝化过程是 MBC 系统中主要的脱氮途径。

Fig. 6. Driven forces of microbial community structure and functional diversity. (a) Effect of environmental factors (intercepted solar radiation (ISR), day light (dl), and temperature(T)) and wastewater properties ( NO ₃ ^- -N, NH ₄ ⁺ -N, TN, TP, and COD ) in relation to taxonomic and community compositions. S.CM represent seasonal core microbiomes, S.NCM represent seasonal non-core microbiomes, NS represent non-seasonal microbiome. (b) Structural equation model (SEM) evaluating the effects of different interactions among environmental factors, functional species in core microbiomes and function bacterial genes in AS and MBC systems.

通过分析环境影响因子和水质特征进一步确定微藻驱动季节性群落演替的决定因素。结果表明太阳辐射和温度是核心微生物组的演替关键环境因素，而污水质变化与核心微生物群落结构之间缺乏显著的相关性，表明微藻增强了核心微生物群落的鲁棒性，使其能够在水质波动的情况下保持结构稳定。此外，根据 SEM 模型所示， AS 系统中功能核心微生物的丰度与功能基因的相对丰度之间没有显著的相关性；而在 MBC 系统中表现出相反的结果，即微藻不仅可以增强核心微生物组内功能物种的丰度，还可以推动系统内功能基因的相对丰度增加，特别是与氮和磷循环相关的基因。

基于上述研究成果，作者开发了一种以微藻管理为基础的本土微生物季节性演替和生态位分化的新策略。该策略通过三个关键过程实现： (1) 微藻可以招募季节性物种以建立具有弹性的核心微生物组； (2) 微藻稳定核心微生物组结构，确保持续的系统稳健运行； (3) 微藻增强核心微生物群的功能，优化整体系统运行性能。该策略证明了微藻在塑造污水处理中核心微生物的动态演替和生态位分化中的重要性，并为 MBC 系统在污水处理工程应用和生物学机制提供了新的视角。

‘’

MBC 系统常被认为是传统生物脱氮除磷工艺的一个替代方案。之前的大部分研究仍然局限于实验室规模，阻碍了其更广泛的应用，使其备受质疑。本研究建立并稳定运行了一个 MBC 中试系统，发现其双重优势：强化氮磷去除效能和稳定微生物群落。微藻可以波动环境条件下维持微生物功能进而增强了系统的适应性。与传统 AS 系统中随机过程驱动群落组装不同，微藻在构建和稳定核心微生物组方面的作用可以提高微生物过程在季节波动中的可预测性和一致性。而核心微生物组所赋予的稳定性和弹性对未来废水处理中 MBC 系统的设计和运行具有重要意义。微藻对核心微生物的招募和优势有助于确保全年基本代谢功能的持续存在。本工作展示了 MBC 系统在面对动态环境挑战时作为一种可行的污水处理方案的潜力，并提供了强化 MBC 系统运行效能和弹性的策略信息 。