陳偉東 溫東輝∗

（北京大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100871)

研究背景

縱觀人類歷史,水對(duì)文明的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。由于人口增長和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增加,全球用水量和排水量不斷增加。污水處理廠(wastewatertreatment plants, WWTPs) 成為現(xiàn)代城市中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施,一個(gè)多世紀(jì)以來,以活性污泥法為核心技術(shù)的生物處理法已成為處理城市污水和工業(yè)廢水最經(jīng)濟(jì)有效的方法。污水生物處理系統(tǒng)含有高度復(fù)雜的微生物群落,它們?cè)谖廴疚锓纸夂腿コ�中發(fā)揮著重要作用,利用分子生物學(xué)和微生物信息學(xué)技術(shù),已揭示其多樣性和結(jié)構(gòu)對(duì)污水處理性能(如營養(yǎng)物去除、污泥膨脹等)有直接影響。

探索微生物時(shí)空分布或生物地理分布規(guī)律一直是環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)研究的目標(biāo)和挑戰(zhàn)。微生物時(shí)空分布規(guī)律從最初在大型生物上的研究,擴(kuò)展到自然生態(tài)系統(tǒng)微生物群落,近年來在工程系統(tǒng)中逐漸得到應(yīng)用。其中,分類群-面積關(guān)系、分類群-時(shí)間關(guān)系和距離衰減效應(yīng)等已在污水處理系統(tǒng)的微生物群落分布中得到驗(yàn)證。隨著研究的發(fā)展,微生物時(shí)空分布研究已從分布規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和描述,逐漸拓展到微生物的群落構(gòu)建過程和共存網(wǎng)絡(luò)模式,以及微生物時(shí)空分布與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)聯(lián)。近百年來,生物群落構(gòu)建機(jī)制一直是生態(tài)學(xué)的核心問題之一,為解釋該機(jī)制,生態(tài)學(xué)家、地理學(xué)家提出了大量的理論、假說和模型。其中,最被人廣泛接受的是生態(tài)位理論和中性理論。經(jīng)過不斷爭論,現(xiàn)在普遍認(rèn)為群落構(gòu)建受到確定性過程和隨機(jī)過程的共同作用,生態(tài)位理論和中性理論的相對(duì)貢獻(xiàn)和融合發(fā)展已成為群落生態(tài)學(xué)的研究前沿?zé)狳c(diǎn)。

由于微生物培養(yǎng)方法的局限性,早期污水處理系統(tǒng)微生物多樣性和時(shí)空分布研究的發(fā)展十分緩慢。進(jìn)入21世紀(jì)以來,特別在 2010 年以后,隨著大規(guī)模高通量測序技術(shù)的迅速發(fā)展及其在生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用,以及土壤等自然生態(tài)系統(tǒng)微生物生物地理學(xué)的發(fā)展成熟,污水處理系統(tǒng)微生物群落多樣性和時(shí)空分布格局逐漸受到各國家特別是中國科學(xué)家的關(guān)注(圖 1)。如 Wu等揭示了全球污水處理廠細(xì)菌多樣性和生物地理分布規(guī)律,預(yù)測了全球活性污泥系統(tǒng)中細(xì)菌有(1.1±0.07)×109種,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群落遵循距離-衰減效應(yīng)、種-豐度分布等宏觀生態(tài)模式。Zhang 等分析了中國15個(gè)城市污水廠活性污泥細(xì)菌的生物地理和構(gòu)建模式,發(fā)現(xiàn)確定性過程對(duì)細(xì)菌群落構(gòu)建的貢獻(xiàn)大于隨機(jī)過程。這些研究從生態(tài)學(xué)角度更深入地了解活性污泥微生物群落。作為1個(gè)微生物發(fā)揮重要作用的功能系統(tǒng),科學(xué)家更多關(guān)注污水處理廠中的功能菌群,如厭氧氨氧化菌的群落結(jié)構(gòu)及多樣性。相對(duì)于自然生態(tài)系統(tǒng),污水處理系統(tǒng)微生物群落多樣性和時(shí)空分布的研究仍然有限(圖1a) 。作為典型的人工系統(tǒng),污水處理系統(tǒng)具有相對(duì)可控的設(shè)計(jì)和明確的運(yùn)行參數(shù),是研究微生物生態(tài)問題的理想環(huán)境。將微生物生態(tài)學(xué)理論融入污水處理廠的設(shè)計(jì)和管理中非常重要,這將有助于了解污染物處理的作用機(jī)理,優(yōu)化污水處理工藝性能和穩(wěn)定性,更好地預(yù)測活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)不同環(huán)境和空間的變化,為污水廠運(yùn)行提供預(yù)警,從而完善其管理措施。迄今為止,已有許多環(huán)境因素被認(rèn)為對(duì)污水處理性能和微生物群落結(jié)構(gòu)有重要影響,如處理工藝、環(huán)境參數(shù)、進(jìn)水廢水的特性和操作條件等。本文梳理了污水處理系統(tǒng)微生物時(shí)空分布規(guī)律和構(gòu)建機(jī)制的研究進(jìn)展以及國際研究前沿,強(qiáng)調(diào)了將微生物生態(tài)理論與污水處理工程實(shí)踐相結(jié)合的重要性,并展望了未來的發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)。

摘  要

探索微生物群落時(shí)空分布和構(gòu)建機(jī)制一直是環(huán)境微生物生態(tài)學(xué)研究的目標(biāo)和挑戰(zhàn)。近年來,微生物生態(tài)學(xué)規(guī)律和理論逐漸在工程系統(tǒng)中得到應(yīng)用,分類群-面積關(guān)系、分類群-時(shí)間關(guān)系和距離-衰減效應(yīng)等規(guī)律已在污水處理系統(tǒng)的微生物群落分布中得到驗(yàn)證。隨著研究的發(fā)展,微生物時(shí)空分布研究已從群落分布規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和描述,拓展到驅(qū)動(dòng)群落分布的因素,即群落構(gòu)建機(jī)制的探索。介紹了污水處理系統(tǒng)微生物群落時(shí)空分布規(guī)律和構(gòu)建機(jī)制的研究進(jìn)展,并對(duì)未來的方向進(jìn)行了展望,強(qiáng)調(diào)了將生態(tài)理論和工程實(shí)踐相結(jié)合的重要性。未來應(yīng)在污水處理系統(tǒng)核心微生物研究、微生物群落的生物多樣性、構(gòu)建機(jī)制與污水處理性能的關(guān)聯(lián)、多組學(xué)技術(shù)在微生物時(shí)空分布和構(gòu)建機(jī)制研究中的應(yīng)用等方面有所突破。

01

污水處理系統(tǒng)微生物群落時(shí)空分布規(guī)律

1. 種-豐度分布

種-豐度分布(species-abundance distribution, SAD)是對(duì)群落中不同物種豐度(觀察到的個(gè)體數(shù)量)的描述,是最古老和最普遍的生態(tài)規(guī)律之一,其特點(diǎn)是大部分物種豐度較低,只有少部分物種豐度較高,是研究群落優(yōu)勢種和稀有種的重要規(guī)律,SAD是生物多樣性理論和宏觀生態(tài)學(xué)的核心,旨在了解跨空間和時(shí)間尺度的豐度、分布和多樣性模式,近年來在微生物生態(tài)學(xué)中逐漸得到應(yīng)用。污水處理系統(tǒng)中微生物群落稀有種多樣性高,優(yōu)勢種多樣性低已經(jīng)在很多研究中得到證實(shí)了解微生物群落種-豐度分布規(guī)律有助于解析群落構(gòu)建機(jī)制和生態(tài)系統(tǒng)功能。Mcgill等將SAD模型總結(jié)劃分為5大類:purely statistical(純統(tǒng)計(jì)模型)、branching processes(分枝過程模型)、population dynamics(種群動(dòng)態(tài)模型)、niche partitioning(生態(tài)位分化模型)和spatial distribution(空間分布模型),包括了超過40個(gè)不同的小模型。模型分類上存在重疊,如中性模型(neutral model)屬于種群動(dòng)態(tài)模型,也屬于分枝過程模型。將研究數(shù)據(jù)和生態(tài)理論聯(lián)系在一起會(huì)產(chǎn)生各種各樣的統(tǒng)計(jì)學(xué)問題,將對(duì)觀察到SAD的形狀和結(jié)果產(chǎn)生影響。和宏觀生態(tài)學(xué)研究中所發(fā)現(xiàn)的一樣,微生態(tài)研究中采樣的樣本量、采樣的時(shí)間尺度、空間尺度等,都會(huì)影響SAD模式和過程。目前關(guān)于SAD模型的擬合效果仍然存在爭議,使用哪種模型最好取決于所研究的問題。另外,不同于宏觀生態(tài)學(xué)研究可以對(duì)生物個(gè)體進(jìn)行絕對(duì)定量,微生物的“種-豐度”分布格局研究主要依賴序列水平(如16S rRNA序列)的相對(duì)豐度分析,而相對(duì)豐度不等于樣本中的細(xì)胞數(shù)量,它和絕對(duì)量與物種的關(guān)系在特定條件下會(huì)有顯著差異。這2個(gè)方面是未來研究需要面對(duì)和改進(jìn)的問題。

目前對(duì)活性污泥微生物群落種-豐度分布曲線的研究極少。Wu等利用全球活性污泥細(xì)菌群落數(shù)據(jù)分析了常見的SAD模型曲線,包括Poisson lognormal(泊松對(duì)數(shù)正態(tài)模型)、log-series(對(duì)數(shù)系列模型)、Broken-stick(斷棒模型)和Zipf模型,發(fā)現(xiàn)泊松對(duì)數(shù)正態(tài)模型解釋了活性污泥細(xì)菌種-豐度分布99%的變化,能最好地解釋觀測到的SAD,這與之前全球范圍來自環(huán)境、工程和宿主相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)超過20000個(gè)樣本的研究一致。盡管可用的SAD模型很多,如Broken-stick(斷棒模型)預(yù)測了物種間豐度的高度相似性,因此是預(yù)測SAD最均勻的形式之一,Zipf分布是一種冪律模型,是預(yù)測SAD的最不均勻形式之一。但對(duì)數(shù)正態(tài)(lognormal)和對(duì)數(shù)系列(log[1]series)在預(yù)測SAD方面是最有效和成功的方法。雖然對(duì)數(shù)系列模型得到了宏觀生態(tài)學(xué)研究的充分支持,但泊松對(duì)數(shù)正態(tài)模型更適用于微生物研究。

2. 距離-衰減關(guān)系

距離-衰減關(guān)系(distance decay relationship, DDR)研究不同樣點(diǎn)的群落組成相似性隨樣點(diǎn)間地理距離的變化而變化的規(guī)律,是一種普遍存在的生物地理學(xué)模式。微生物分布是環(huán)境因素(光照、降水、溫度、pH等)和歷史進(jìn)化因素(距離分隔、物理屏障、擴(kuò)散限制和過去環(huán)境的異質(zhì)性等)綜合作用的結(jié)果。首先,環(huán)境條件可驅(qū)動(dòng)距離-衰減效應(yīng),環(huán)境因素是空間自相關(guān)的,會(huì)隨著距離的變化而變化,環(huán)境因素的差異會(huì)選擇具有不同生態(tài)位偏好的微生物,導(dǎo)致微生物群落組成的差異,這就是荷蘭微生物學(xué)家Baas-Becking提出的著名生物地理學(xué)假說“微生物可能無處不在,但環(huán)境會(huì)對(duì)它們進(jìn)行選擇(Everything is everywhere, but, the environment selects)”。其次,距離-衰減也會(huì)受到歷史進(jìn)化因素的影響,即使微生物群落不受環(huán)境條件的影響,也可以產(chǎn)生距離-衰減效應(yīng)。當(dāng)代環(huán)境條件與歷史進(jìn)化因素對(duì)于距離-衰減的相對(duì)貢獻(xiàn)仍存在爭議,主要與生態(tài)系統(tǒng)類型、研究尺度、微生物類群、個(gè)體大小以及研究技術(shù)手段等相關(guān)。

距離-衰減在自然生態(tài)系統(tǒng)中的動(dòng)植物和微生物群落分布中廣泛存在,與自然生態(tài)系統(tǒng)類似,污水處理系統(tǒng)的微生物群落分布也存在距離-衰減效應(yīng)。Wang等利用功能基因陣列(GeoChip 4.2)對(duì)中國10個(gè)城市26個(gè)污水處理廠功能微生物群落的研究發(fā)現(xiàn),不同微生物功能類群存在顯著但微弱的距離-衰減關(guān)系,且這種關(guān)系由環(huán)境異質(zhì)性和地理距離共同驅(qū)動(dòng),表明距離相近比相距較遠(yuǎn)的污水廠具有更相似的微生物功能基因群落組成。Wu等發(fā)現(xiàn)活性污泥細(xì)菌群落在局域、區(qū)域和全球空間尺度上都存在顯著的距離-衰減效應(yīng),且不同尺度的衰減程度不同,其中,洲際內(nèi)(區(qū)域尺度)>跨洲際(全球尺度)>城市內(nèi)(局域尺度),且活性污泥細(xì)菌群落和土壤、沉積物這類非流動(dòng)性的生境具有類似的空間周轉(zhuǎn)率。

3. 分類群-面積關(guān)系

分類群-面積關(guān)系(taxa-area relationship, TAR)描述了在一定地域內(nèi)物種多樣性與面積之間的函數(shù)關(guān)系,是群落生態(tài)學(xué)研究的1個(gè)基本問題。利用分類群-面積關(guān)系可估算區(qū)域的分類群數(shù)量、評(píng)價(jià)區(qū)域生物多樣性的喪失。由于構(gòu)建方式、尺度效應(yīng)以及區(qū)域差異,分類群-面積關(guān)系的具體形式及其普適性還存在爭議。分類群-面積關(guān)系可用公式S=cAz表示,式中,S為分類群數(shù)目,A為面積,c和z為常數(shù)。利用分類群-面積關(guān)系,可以預(yù)測微生物群落多樣性隨著反應(yīng)器面積的變化關(guān)系。一般來說,反應(yīng)器面積更大,能提供更豐富的營養(yǎng)物質(zhì),相應(yīng)的微生物多樣性也越高,系統(tǒng)功能更加穩(wěn)定。

目前針對(duì)污水處理系統(tǒng)微生物群落分類群-面積關(guān)系的研究有限。有研究發(fā)現(xiàn)膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactors, MBR)內(nèi)細(xì)菌群落分布呈現(xiàn)分類群-面積關(guān)系,隨著MBR體積增加,細(xì)菌個(gè)體數(shù)量和多樣性增加,群落結(jié)構(gòu)的均勻度成比例增加。這是因?yàn)镸BR體積越大,細(xì)菌具有更大的生存空間和更寬可利用的生態(tài)位;相反,MBR體積越小,會(huì)導(dǎo)致只有小部分占優(yōu)勢地位的細(xì)菌能夠定殖。另外,Valentín-Vargas等對(duì)不同尺寸生物反應(yīng)器中的微生物群落進(jìn)行1年的時(shí)間序列分析,發(fā)現(xiàn)大的生物反應(yīng)器中微生物群落變化最小,結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定,且效率更高,污水處理廠的平均運(yùn)營成本隨著反應(yīng)器面積的增加而降低。同時(shí),該研究認(rèn)為島嶼生物地理學(xué)模型背后的生態(tài)學(xué)理論和分類群-面積關(guān)系可用來預(yù)測反應(yīng)器細(xì)菌群落構(gòu)建。單個(gè)污水廠類似于1個(gè)“島嶼”,更大的污水廠具有更高的生物多樣性,性能也更穩(wěn)定。理論生態(tài)學(xué)研究在污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行中具有重要的指導(dǎo)作用,它可預(yù)測微生物群落組成及結(jié)構(gòu)的變化,為系統(tǒng)性能和運(yùn)行條件的聯(lián)系提供證據(jù),這對(duì)于環(huán)境工程師和微生物生態(tài)學(xué)家非常重要。有證據(jù)表明,污水處理廠的生物學(xué)行為就像復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),與水生生態(tài)系統(tǒng)一樣存在食物鏈,污水處理系統(tǒng)中的生物主要是由細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、病毒和原生動(dòng)物組成的多樣化群落。進(jìn)入的廢水污染物以溶解態(tài)和顆粒養(yǎng)分的形式為污水處理系統(tǒng)提供食物和資源,推動(dòng)微生物群落的生長和繁殖,然后受到原生動(dòng)物和其他消費(fèi)者的捕食,產(chǎn)生的生物固體通過沉降或過濾從系統(tǒng)中物理去除。因此,微生物群落的大小和物種組成同時(shí)受到廢水進(jìn)水的供應(yīng)速率和組成、捕食以及常駐生物之間復(fù)雜的相互作用的調(diào)節(jié)。另外,有研究正努力將生態(tài)理論納入其他工程環(huán)境,包括污染物生物降解。如Graham等和Röling等使用資源比率理論(resource-ratiotheory)作為理論框架,試圖預(yù)測資源供應(yīng)和供應(yīng)比率對(duì)碳?xì)浠�合物污染物降解率的影響。研究表�?資源比率理論有助于預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)功能,且明確定義的生態(tài)框架確實(shí)可應(yīng)用于工程實(shí)踐。

4. 分類群-時(shí)間關(guān)系

分類群-時(shí)間關(guān)系(taxa-time relationship, TTR)反映分類群多樣性隨時(shí)間的變化關(guān)系。從進(jìn)化的角度來看,群落發(fā)展的時(shí)間越長,累積的多樣性也會(huì)隨著調(diào)查時(shí)間(或進(jìn)化時(shí)間)不斷增加,這種時(shí)間累積對(duì)分類群多樣性的影響稱為分類群-時(shí)間關(guān)系。在污水處理系統(tǒng)中表現(xiàn)為:一定時(shí)間內(nèi)隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增加,微生物累積多樣性越高。借鑒分類群-面積關(guān)系,分類群-時(shí)間關(guān)系可用冪律公式S=cTw來表示,式中,S為分類群多樣性,c為常數(shù),T為時(shí)間,w為分類群-時(shí)間關(guān)系的冪律指數(shù),反映群落的周轉(zhuǎn)率。了解污水處理系統(tǒng)的分類群-時(shí)間關(guān)系,可預(yù)測微生物群落多樣性隨反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的變化情況。

已有許多研究顯示污水處理系統(tǒng)微生物群落存在分類群-時(shí)間關(guān)系。Van der Gast等使用16S rRNA gene和DGGE評(píng)估了添加不同工業(yè)廢水濃度的生物反應(yīng)器中細(xì)菌群落在時(shí)間上的變化,發(fā)現(xiàn)在154d內(nèi),隨著時(shí)間的推移,細(xì)菌群落累積豐富度不斷增加。同時(shí),隨著工業(yè)廢水濃度(選擇壓力)增加,細(xì)菌分類群-時(shí)間關(guān)系的變化率(斜率)和群落周轉(zhuǎn)率降低,環(huán)境選擇作用增強(qiáng),群落由受隨機(jī)過程影響逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭艽_定性過程影響。另外,Hai等使用16SrRNAgene測序技術(shù)對(duì)實(shí)際生物反應(yīng)器和實(shí)驗(yàn)室生物反應(yīng)器的活性污泥細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)進(jìn)行1年多的時(shí)間序列分析,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌累積的豐富度隨反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增加而增加。2種生物反應(yīng)器(實(shí)際活性污泥反應(yīng)器,冪律指數(shù)w=0.43;實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生物反應(yīng)器,w=0.55)及13個(gè)不同的細(xì)菌門(w=0.32~0.57)的冪律指數(shù)不同,且優(yōu)勢類群的冪律指數(shù)普遍高于稀有類群,表明不同的生物反應(yīng)器和不同豐度的細(xì)菌門具有不同的時(shí)間周轉(zhuǎn)率。Kim等采用454焦磷酸測序法對(duì)連續(xù)運(yùn)行2年內(nèi)每2個(gè)月采集的活性污泥樣品中的16S rRNA基因進(jìn)行時(shí)間序列分析,發(fā)現(xiàn)活性污泥生物反應(yīng)器中g(shù)eneral和rare細(xì)菌類群在時(shí)間動(dòng)態(tài)模式上差異明顯,rare細(xì)菌類群比general細(xì)菌類群表現(xiàn)出更高的多樣性和更劇烈的波動(dòng);在一定時(shí)間內(nèi),隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的延長,活性污泥累積的微生物多樣性越來越高。

02

污水處理系統(tǒng)微生物群落構(gòu)建機(jī)制及其影響因素

1. 污水處理系統(tǒng)微生物群落構(gòu)建機(jī)制

隨著研究的發(fā)展,微生物生物地理學(xué)已從微生物群落分布規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和描述,拓展到微生物群落的構(gòu)建機(jī)制、共存網(wǎng)絡(luò)及微生物地理分布與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)聯(lián)。生態(tài)位理論和中性理論是微生物群落構(gòu)建機(jī)制最被人廣泛接受的理論。生態(tài)位理論認(rèn)為:確定性因素(如物種性狀及競爭、捕食、互利共生等微生物間相互作用)和環(huán)境條件(如pH、溫度和營養(yǎng)鹽)控制著群落構(gòu)建,被稱為確定性過程(deterministic processes)。相反,中性理論則認(rèn)為隨機(jī)過程(stochastic processes),包括物種的出生、死亡、遷移、擴(kuò)散或歷史偶然性(如殖民順序)等過程塑造生物群落�，F(xiàn)在研究人員普遍認(rèn)為群落構(gòu)建受到確定性過程和隨機(jī)過程的共同作用,其作用的相對(duì)大小取決于多種因素。

分析方法在解析生物地理分布格局中有著決定性作用。目前,在污水處理系統(tǒng)中研究微生物群落構(gòu)建機(jī)制的分析方法主要有方差分解 ( variation partitioning analysis, VPA )、 中性群落模型(neutral community model)和零模型(null model)。同時(shí),隨著研究的發(fā)展,出現(xiàn)了新的定量評(píng)估生態(tài)隨機(jī)性的方法,如 Ning 等提出了標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)率(normalized stochasticity ratio, NST) 來定量評(píng)估不同情形下的生態(tài)隨機(jī)性。每種方法都有其適用性和優(yōu)缺點(diǎn),準(zhǔn)確區(qū)分生態(tài)隨機(jī)性和確定性環(huán)境因素引起的干擾十分困難,為避免研究結(jié)論的片面性,深入了解方法原理,用不同方法根據(jù)研究的特點(diǎn)綜合分析是必要的。

近年來,自然生態(tài)系統(tǒng)微生物群落多樣性和構(gòu)建機(jī)制已經(jīng)有大量研究,如土壤、海洋、河流、水庫、紅樹林沉積物,涉及微生物包括細(xì)菌、古菌、真核微生物、原生生物(硅藻、絲足蟲、纖毛蟲、有殼變形蟲)等。如Chen等利用中性群落模型揭示了隨機(jī)過程主導(dǎo)濕季和干季亞熱帶河流微型真核浮游生物群落構(gòu)建,且隨機(jī)過程對(duì)濕季微生物群落的相對(duì)貢獻(xiàn)更大。同時(shí),該研究發(fā)現(xiàn)干季微生物群落的距離-衰減效應(yīng)更強(qiáng),且稀有種和優(yōu)勢種具有相似的地理分布格局。Chen等利用中性模型、零模型和網(wǎng)絡(luò)分析方法揭示了紅樹林沉積物中細(xì)菌、古菌群落構(gòu)建和共存網(wǎng)絡(luò)模式,發(fā)現(xiàn)相對(duì)于古菌,細(xì)菌群落受隨機(jī)過程的影響更強(qiáng),且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

相對(duì)于自然生態(tài)系統(tǒng),污水處理系統(tǒng)微生物群落構(gòu)建機(jī)制研究還非常有限。Ofiţeru 等利用T-RFLP 技術(shù)和中性群落模型 (neutral communitymodel)解析了污水處理廠活性污泥厭氧氨氧化細(xì)菌的群落構(gòu)建,發(fā)現(xiàn)遷移、隨機(jī)繁殖等是決定微生物群落相對(duì)豐度的主要驅(qū)動(dòng)因素。Zhou 等以微生物電解槽反應(yīng)器作為模式系統(tǒng)證明隨機(jī)過程不僅決定功能微生物群落結(jié)構(gòu),而且在決定生態(tài)系統(tǒng)功能方面起主導(dǎo)作用。Sun 等使用新開發(fā)的工具iCAMP(infer community assembly mechanisms by phylogeneticbinbased null model) 研究了活性污泥中不同微生物群落的構(gòu)建機(jī)制,發(fā)現(xiàn)隨機(jī)過程主導(dǎo)活性污泥微生物群落,其中漂變(drift) 占最大比例(52.8%) ,而同質(zhì)選擇(homogeneous selection,18.2%)是最重要的確定性過程。但也有研究表明確定性過程主導(dǎo)著活性污泥微生物群落構(gòu)建。如 Yu 等選擇位于馬來西亞的紡織工業(yè)污水廠,對(duì) 410 份活性污泥樣品微生物群落進(jìn)行了群落構(gòu)建和功能的時(shí)間動(dòng)態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)確定性過程(占比56.1%~100%)主導(dǎo)微生物群落構(gòu)建。如廢水特性、操作參數(shù)和地理位置對(duì)活性污泥細(xì)菌群落變化也有影響, 另外, Wang等表明廢水特性(占比 25.7%) 、操作參數(shù)( 占比23.9% )和地理位置(占比 14.7%) 能同時(shí)影響活性污泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。因此,確定性過程和隨機(jī)過程哪方在生態(tài)系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用是飽受爭議的問題,其相對(duì)重要性受到如生物處理系統(tǒng)類型、 研究尺度、環(huán)境參數(shù)和操作條件等因素的影響。表1 總結(jié)了近年來污水處理系統(tǒng)微生物群落構(gòu)建機(jī)制的代表性研究。

2.  污水處理系統(tǒng)微生物群落構(gòu)建影響因素

1）時(shí)空尺度

尺度效應(yīng)在生態(tài)學(xué)理論和工程實(shí)踐上都相當(dāng)重要,是微生物生態(tài)學(xué)研究中必須考慮的關(guān)鍵問題。自然生態(tài)系統(tǒng)的所有格局與規(guī)律都具有尺度依賴性,這一規(guī)律在工程系統(tǒng)中同樣存在,研究人員觀察到的污水處理系統(tǒng)微生物時(shí)空分布規(guī)律均建立在特定的時(shí)間、空間尺度和分類尺度上。尺度研究具有復(fù)雜性、變異性特征,不同的研究尺度導(dǎo)致微生物群落構(gòu)建機(jī)制出現(xiàn)差異。時(shí)空尺度可分為時(shí)間尺度和空間尺度。空間尺度可以簡單區(qū)分為大尺度、中尺度和小尺度,也可以根據(jù)具體的研究范圍劃分為微小尺度、局域尺度、區(qū)域尺度、洲際尺度、全球尺度等。不同空間尺度下由于環(huán)境和地理因素的差異,微生物的分布特征可能不同。

與自然生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)律類似,空間尺度也會(huì)影響污水處理系統(tǒng)微生物群落構(gòu)建。全球尺度的研究表明,盡管活性污泥是人為控制的生態(tài)系統(tǒng),但它的細(xì)菌群落組成很可能是擴(kuò)散和漂變等隨機(jī)過程驅(qū)動(dòng)的。也有人發(fā)現(xiàn)了相反的現(xiàn)象,如Zhang等對(duì)中國北部、中部、東部和南部的60個(gè)污水廠進(jìn)行大尺度分析,發(fā)現(xiàn)確定性過程主導(dǎo)活性污泥細(xì)菌群落構(gòu)建,其中年平均溫度是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的最重要因素,空間尺度及采樣規(guī)模也會(huì)影響活性污泥微生物群落構(gòu)建。

時(shí)間尺度上的研究跨度可從小時(shí)、天、月到季節(jié)、年乃至更長時(shí)間。有研究采用功能基因芯片GeoChip和Illumina Miseq測序研究城市污水處理系統(tǒng)中微生物群落功能基因和分類學(xué)多樣性,分析了短期12d和中期12周內(nèi)平行運(yùn)行的膜生物反應(yīng)器(membrane bioreactors,MBR)和氧化溝(oxidation ditch,OD)系統(tǒng)的微生物時(shí)間動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,MBR和OD系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)呈天、周變化。2個(gè)系統(tǒng)的微生物群落功能基因天變化率高于周變化率,微生物群落在較短的時(shí)間尺度內(nèi)變化更快,可能原因是微生物群落在長時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出生態(tài)恢復(fù)力。在決定性影響因素中,短期內(nèi)操作參數(shù)——MLSS和DO濃度影響MBR和OD系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu);中期內(nèi)進(jìn)水基質(zhì)濃度(COD、TN和TP濃度)和溫度影響微生物群落結(jié)構(gòu)。另外,分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析顯示短期的核心碳、氮、磷循環(huán)功能基因與中期的核心微生物的分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)、節(jié)點(diǎn)組成和具有重要生態(tài)學(xué)意義的節(jié)點(diǎn)組成均有所不同。結(jié)果表明,時(shí)間尺度影響微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響其構(gòu)建機(jī)制。關(guān)于污水處理系統(tǒng)時(shí)間尺度的研究有限,未來應(yīng)加強(qiáng)這方面特別是長時(shí)間和多樣品數(shù)量的研究工作,更全面地認(rèn)識(shí)群落的動(dòng)態(tài)變化水平和生態(tài)學(xué)規(guī)律。

2）環(huán)境條件和運(yùn)行參數(shù)

環(huán)境參數(shù)可改變確定性和隨機(jī)性的相對(duì)重要性,從而改變?nèi)郝錁?gòu)建過程。Zhang等分析了中國15個(gè)城市的58個(gè)污水處理廠的活性污泥細(xì)菌群落,結(jié)果表明,污水的可生物降解性影響細(xì)菌群落構(gòu)建。進(jìn)水可生物降解性(生物需氧量BOD/化學(xué)需氧量COD,即B/C)影響微生物群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響污水處理性能。當(dāng)B/C過高或過低時(shí),會(huì)導(dǎo)致微生物多樣性低、隨機(jī)過程作用強(qiáng)、微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度高,導(dǎo)致污染物去除負(fù)荷低。當(dāng)B/C約為0.5時(shí),系統(tǒng)穩(wěn)定性和處理效率最佳。

運(yùn)行參數(shù)對(duì)微生物群落構(gòu)建有重要影響。曝氣池是污水廠的1個(gè)重要工藝段,利用活性污泥法進(jìn)行污水處理,池內(nèi)提供一定的污泥停留時(shí)間(sludge retention time,SRT),滿足好氧微生物所需的氧量以及使污水與活性污泥充分接觸的混合條件,使微生物可以最大效率地進(jìn)行有氧呼吸,降解污水中的有機(jī)物。Sun等對(duì)不同SRT條件下運(yùn)行的48個(gè)污水處理廠曝氣池中的144個(gè)活性污泥樣品進(jìn)行檢測,結(jié)果表明,SRT對(duì)曝氣池微生物群落的多樣性、組成、構(gòu)建機(jī)制和相互作用有顯著影響;當(dāng)SRT為10~20d時(shí),曝氣池中的微生物群落具有生物多樣性高、隨機(jī)過程影響低、共存網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、絲狀污泥膨脹風(fēng)險(xiǎn)低和脫氮潛力高的特點(diǎn)。在這種SRT條件下,曝氣池運(yùn)行時(shí)微生物群落更穩(wěn)定,對(duì)外界干擾的抵抗能力更強(qiáng)。Yuan等在8個(gè)不同的SRT(1~15d)下運(yùn)行反應(yīng)器,發(fā)現(xiàn)SRT為15d和

3）其他因素

除時(shí)空尺度、環(huán)境因素和運(yùn)行參數(shù)外,確定性和隨機(jī)性過程的相對(duì)重要性還受到物種的相對(duì)豐度和出現(xiàn)頻率、進(jìn)水、出水不同處理階段等因素的影響。

物種的相對(duì)豐度和出現(xiàn)頻率影響確定性和隨機(jī)性過程的相對(duì)重要性,主要原因在于不同的微生物類群對(duì)環(huán)境和空間因素的變化具有不同響應(yīng)。Jiang等揭示了石油化工活性污泥優(yōu)勢稀有微生物群落的構(gòu)建模式,將OTU的相對(duì)豐度>0.1%類群的菌種劃分為優(yōu)勢種,相對(duì)豐度

0.05%的類群,稀有種是平均相對(duì)豐度

如Hou等對(duì)位于重慶和廈門的13個(gè)污水廠進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)確定性過程塑造棲息地出現(xiàn)頻率較低的類群(Specialists),隨機(jī)性過程塑造棲息地出現(xiàn)頻率較高的類群(Generalists)。

Hou等發(fā)現(xiàn)污水廠進(jìn)水和出水中,微生物群落構(gòu)建機(jī)制的相對(duì)重要性也會(huì)發(fā)生變化。他們對(duì)中國5個(gè)污水廠進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)確定性過程(homogeneous selection)主導(dǎo)進(jìn)水到出水過程中的原核生物群落構(gòu)建,且確定性過程的相對(duì)重要性在不同優(yōu)勢類群之間存在差異,Bacteroidetes>Proteobacteria>Gammaproteobacteria>Firmicutes>Betaproteobacteria,而隨機(jī)過程(dispersal limitation)主導(dǎo)出水原核生物群落構(gòu)建。Niederdorfer等發(fā)現(xiàn)厭氧氨氧化生物膜發(fā)育的3個(gè)不同階段(定殖、演替和成熟階段),隨機(jī)和確定性過程在調(diào)節(jié)生物膜內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)的相對(duì)重要性發(fā)生變化。如在生物膜微生物定殖的最初階段,群落構(gòu)建由隨機(jī)過程驅(qū)動(dòng),并且定殖的類群成功地成為生物膜核心群落的一部分。在定殖的第2、3階段,由于競爭加劇,確定性過程的相對(duì)貢獻(xiàn)增加,同時(shí),群落遷移率下降,穩(wěn)定性增強(qiáng),群落組成中厚壁菌門(Firmicutes)多樣性減少,綠彎菌門多樣性(Chloroflexi)增加。研究表明:只改變反應(yīng)器條件難以加速或調(diào)節(jié)生物膜的形成,隨著時(shí)間推移,生物膜內(nèi)部的群落構(gòu)建機(jī)制在塑造微生物群落中起著關(guān)鍵作用。因此,深入解析厭氧氨氧化生物膜中的微生物群落構(gòu)建對(duì)于更好地理解和調(diào)控生物膜的發(fā)育和形成過程至關(guān)重要。

3.  微生物共存網(wǎng)絡(luò)

在環(huán)境中,微生物并不是以分離的個(gè)體形式存在,而是通過直接或間接的相互作用形成復(fù)雜的共存網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)分析能夠揭示微生物中非隨機(jī)的物種共存模式,提高對(duì)微生物群落的構(gòu)建機(jī)制的理解。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)分析提供了一種識(shí)別群落中關(guān)鍵類群(Keystone taxa)的方法。關(guān)鍵類群是一類在生態(tài)系統(tǒng)中高度關(guān)聯(lián)的,對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性起獨(dú)特而關(guān)鍵的作用(如參與廢水中污染物的分解),且不因時(shí)空變化而改變的類群。如Dai等利用網(wǎng)絡(luò)分析揭示了受人為影響的海灣中細(xì)菌群落的關(guān)鍵類群,發(fā)現(xiàn)這些類群受到N污染物的強(qiáng)烈影響。Chen等發(fā)現(xiàn)細(xì)菌和古菌群落中一些低豐度類群(條件稀有種)屬于關(guān)鍵種,表明低豐度類群對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有顯著貢獻(xiàn)。Tang等開發(fā)了一種三元微生物環(huán)境網(wǎng)絡(luò)(tripartite microbial-environment network,TMEN)分析方法,將微生物豐度、代謝功能和環(huán)境數(shù)據(jù)整合為1個(gè)三元網(wǎng)絡(luò)來研究微生物的綜合生態(tài)效應(yīng),并應(yīng)用TMEN分析了我國污染最嚴(yán)重的沿海地區(qū)之一——杭州灣沉積物中的微生物環(huán)境群落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)硝化螺旋菌目(Nitrospirales)細(xì)菌和Methanimicrococcus甲烷微生物屬于關(guān)鍵類群。關(guān)鍵類群或核心類群的定義有多種方法,網(wǎng)絡(luò)分析只是其中的一種。如Wu等根據(jù)OTU豐度和出現(xiàn)頻率對(duì)群落中的核心類群進(jìn)行了嚴(yán)格定義,約0.05%(28個(gè)OTUs)被定義為全球活性污泥核心OTUs,并發(fā)現(xiàn)這些OTUs在污水BOD、COD、TN等的去除中發(fā)揮重要作用。培養(yǎng)核心細(xì)菌對(duì)于了解它們的遺傳、生理、系統(tǒng)發(fā)育以及提高污水處理廠的性能至關(guān)重要。對(duì)這28個(gè)核心OTUs進(jìn)行深入分析,Song等成功分離出活性污泥核心菌株(Casimicrobium huifangae),并發(fā)現(xiàn)該菌具有礦化多種碳源(包括碳水化合物、芳香族化合物和短鏈脂肪酸),還原硝酸鹽和積累聚磷酸鹽的能力,是活性污泥微生物網(wǎng)絡(luò)中重要的模塊樞紐,具有重要的污水處理效能。盡管一些理論研究已經(jīng)探討了網(wǎng)絡(luò)屬性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,但仍缺少實(shí)驗(yàn)證據(jù),網(wǎng)絡(luò)推理算法能否正確識(shí)別關(guān)鍵物種,需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。另外,在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)間的相關(guān)性時(shí),有不同的統(tǒng)計(jì)方法,包括Spearman、Pearson相關(guān)系數(shù)網(wǎng)絡(luò)、SparCC、局部相似性分析(local similarity analysis,LSA)、隨機(jī)矩陣?yán)碚?Random Matrix Theory)等。不同方法會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響,應(yīng)該根據(jù)研究實(shí)際選擇合適的分析方法。

表2總結(jié)了近年來污水處理廠微生物群落相互作用關(guān)系的代表性研究。Zhang等指出,微生物共存網(wǎng)絡(luò)分析有助于揭示污水處理廠中微生物群落以及各種環(huán)境變量對(duì)微生物群落形成的貢獻(xiàn),有助于理解微生物參與的污染物去除規(guī)律。Ju等研究了全球污水處理廠活性污泥細(xì)菌群落分布,利用Spearman相關(guān)性的微生物共存網(wǎng)絡(luò)分析表明,活性污泥中細(xì)菌群落相互作用塑造群落結(jié)構(gòu)。同時(shí),Ju等對(duì)1個(gè)城市污水處理廠的活性污泥細(xì)菌群落進(jìn)行長時(shí)間觀測,發(fā)現(xiàn)5年內(nèi)細(xì)菌群落的動(dòng)態(tài)沒有明顯的季節(jié)性演替,基于Spearman相關(guān)性的網(wǎng)絡(luò)分析表明,微生物相互作用是決定細(xì)菌群落組成的主要驅(qū)動(dòng)因素。Jiang等利用網(wǎng)絡(luò)分析對(duì)活性污泥中的細(xì)菌群落進(jìn)行392d的時(shí)間動(dòng)態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)只有微弱的季節(jié)性變化。此外,在污泥膨脹和泡沫形成的開始、持續(xù)和消退過程中,發(fā)現(xiàn)了大量快速周轉(zhuǎn)的菌群。對(duì)這些特定的菌群及其相關(guān)的環(huán)境因素的認(rèn)知可能為處理污泥膨脹和泡沫等問題提供解決的線索。污水處理系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要驅(qū)動(dòng)因素,環(huán)境條件如COD濃度的變化,可促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。如Sun等比較了進(jìn)水和活性污泥的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)不同季節(jié)進(jìn)水微生物網(wǎng)絡(luò)比活性污泥微生物網(wǎng)絡(luò)變化更大,原因在于不同季節(jié)進(jìn)水COD濃度變化較大。隨著時(shí)間推移,活性污泥網(wǎng)絡(luò)比進(jìn)水網(wǎng)絡(luò)具有更穩(wěn)定的季節(jié)性拓?fù)鋮��?shù),這可能是由于活性污泥微生物群落具有穩(wěn)定的功能而導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)更為穩(wěn)定。需要指出的是,大多數(shù)用于推斷共存網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方法尚未使用實(shí)際的數(shù)據(jù)集進(jìn)行評(píng)估,這使得研究人員只能猜測網(wǎng)絡(luò)分析的重要特性,如敏感性、特異性、精確度等。因此該方法存在一定的局限性。目前相互作用和共存網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系仍然并不清楚,從網(wǎng)絡(luò)分析方法推斷生態(tài)相互作用存在一些技術(shù)和理論挑戰(zhàn)仍有待解決。如采樣的空間尺度和環(huán)境梯度對(duì)計(jì)算物種共存網(wǎng)絡(luò)結(jié)果具有影響,為了從共存網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確推斷生態(tài)相互作用,需要仔細(xì)考慮采樣的分辨率和環(huán)境梯度等。另外,實(shí)驗(yàn)是進(jìn)一步探索微生物相互作用的途徑,可增進(jìn)對(duì)生態(tài)相互作用的理解,在未來的共存網(wǎng)絡(luò)研究中,如果能結(jié)合微生物群落相互作用得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析方法的準(zhǔn)確性和可靠性評(píng)估將非常重要。

微生物間的共存網(wǎng)絡(luò)是群落構(gòu)建機(jī)制研究的重要組成部分,有研究利用網(wǎng)絡(luò)分析來揭示污水處理系統(tǒng)中確定性過程的重要性。如Xu等利用零模型和共存網(wǎng)絡(luò)揭示了MBR不同通量條件下生物濾池中細(xì)菌的群落構(gòu)建機(jī)制,發(fā)現(xiàn)低通量生物濾池網(wǎng)絡(luò)比高通量生物濾池網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)更多、平均度和平均聚集系數(shù)更高。通過降低通量,細(xì)菌間的相互作用增強(qiáng),環(huán)境過濾對(duì)低通量生物濾池群落作用更強(qiáng)。同時(shí),他們發(fā)現(xiàn)一些低豐度類群屬于關(guān)鍵類群,與污染物去除有顯著相關(guān)性,這表明低豐度/稀有類群在降解污染物方面起著重要的生態(tài)作用。Zhang等分析了進(jìn)水的生物降解性(B/C)對(duì)活性污泥微生物群落多樣性、構(gòu)建和共存網(wǎng)絡(luò)的影響,發(fā)現(xiàn)具有最佳生物降解性條件(B/C≈0.5)的微生物群落受益于充足的養(yǎng)分和理想的環(huán)境條件,表現(xiàn)出生物多樣性高,隨機(jī)過程影響低,網(wǎng)絡(luò)模塊多;而生物降解性較低(B/C

0.5)的微生物網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜,但模塊數(shù)量更少。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮��?shù)表明,具有最佳B/C的微生物群落功能更加多樣化,受隨機(jī)過程影響更小,從而可以更有效地去除污染物和維持系統(tǒng)性能。

和微生物多樣性一樣,污水處理系統(tǒng)處理工藝、環(huán)境條件和運(yùn)行參數(shù)等都會(huì)對(duì)微生物共存網(wǎng)絡(luò)有影響。如Xia等比較了奧貝爾型氧化溝(orbal oxidation ditch)和A2/O-MBR(MBR coupled with anaerobic-anoxic-oxicprocess)2種處理工藝下曝氣池微生物功能基因和共存網(wǎng)絡(luò)的差異,發(fā)現(xiàn)A2/O-MBR具有更復(fù)雜的微生物共存網(wǎng)絡(luò),且影響2種工藝微生物功能基因的環(huán)境條件不同。Ya等研究了污水處理系統(tǒng)中鹽度擾動(dòng)對(duì)厭氧氨氧化菌共存網(wǎng)絡(luò)和脫氮性能的影響,發(fā)現(xiàn)低鹽度條件下厭氧氨氧化菌群落具有更高的網(wǎng)絡(luò)連通性和復(fù)雜性,而隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的發(fā)展,所有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞫稼呌诮咏鼪]有鹽度擾動(dòng)的原始值,說明微生物間群落可以逐漸適應(yīng)高鹽度狀態(tài)。

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展 望

污水處理系統(tǒng)中的微生物群落研究,通常受到微生物學(xué)家和污水處理工程師的關(guān)注。兩類研究人員對(duì)生物群落的結(jié)構(gòu)和功能有著強(qiáng)烈的興趣,但由于背景的不同,他們的主要研究目的也不同。從事污水處理研究的微生物學(xué)家主要把污水處理廠作為微生物生態(tài)學(xué)研究的理想模型系統(tǒng),關(guān)注數(shù)據(jù)的收集和分析,以檢驗(yàn)特定的科學(xué)假設(shè);而工程師們主要關(guān)注污水處理廠工藝性能的優(yōu)化和穩(wěn)定性,采用的更多是經(jīng)驗(yàn)方法而非理論方法。整合微生物學(xué)家和環(huán)境工程等不同學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)、觀念和技術(shù),將污水處理的基礎(chǔ)研究與實(shí)踐相結(jié)合,有助于污水處理的研究,這需要微生物學(xué)家和環(huán)境工程師的積極參與與合作。污水處理工程師應(yīng)利用生態(tài)學(xué)理論來指導(dǎo)未來的系統(tǒng)設(shè)計(jì),微生物生態(tài)學(xué)家應(yīng)將工程生物系統(tǒng)視為生態(tài)學(xué)研究的新平臺(tái),這對(duì)應(yīng)對(duì)全球環(huán)境變化具有重要意義。同時(shí),這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),只有受過分子微生物學(xué)和工程學(xué)訓(xùn)練的科學(xué)家才能彌合這些領(lǐng)域之間的鴻溝。針對(duì)目前污水處理系統(tǒng)微生物群落時(shí)空分布和構(gòu)建模式研究現(xiàn)狀,未來還需要在污水處理系統(tǒng)核心微生物、微生物組-環(huán)境-系統(tǒng)效能關(guān)聯(lián),以及將多組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于微生物時(shí)空分布和構(gòu)建機(jī)制研究幾個(gè)方面開展工作。

1.  污水處理系統(tǒng)核心微生物

了解一個(gè)系統(tǒng)的微生物生態(tài)學(xué)需要將觀察到的種群動(dòng)態(tài)與其代謝功能相聯(lián)系。然而,功能表征是一項(xiàng)艱巨的工作,微生物功能研究的選擇應(yīng)優(yōu)先考慮核心類群,這些類群通常是豐度或出現(xiàn)頻率較高的物種,具有廣泛的底物利用范圍以代謝復(fù)雜和波動(dòng)的化學(xué)物質(zhì),并具有更強(qiáng)的抗干擾能力,以抵抗各種抑制微生物生長的因素,對(duì)系統(tǒng)性能(如污染物去除、碳轉(zhuǎn)化)的貢獻(xiàn)較大。核心類群在污水處理系統(tǒng)中可作為“most wanted taxa”(最想要的類群),培養(yǎng)和表征核心類群并研究其遺傳、生化、生理和生態(tài)特性對(duì)于提高污水處理廠的性能至關(guān)重要。已有許多研究關(guān)注污水廠的核心微生物的分布和功能。如對(duì)丹麥13個(gè)污水廠的調(diào)查發(fā)現(xiàn),63個(gè)高豐度的核心屬水平的OTUs占據(jù)序列數(shù)的68%,很多核心OTUs在亞洲和美國的活性污泥系統(tǒng)中也有檢出,表明這些核心類群分布廣泛。

值得注意的是,除了高豐度和高出現(xiàn)頻率的類群之外,稀有類群也可能在系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用,成為核心類群。稀有種是群落中的低豐度類群,傳統(tǒng)的技術(shù)方法很難觀測到。高通量測序的發(fā)展與成熟,逐步揭示出了稀有生物圈。稀有生物圈具有巨大的多樣性,幾乎是遺傳多樣性和功能多樣性的無限儲(chǔ)存庫,盡管如此,絕大多數(shù)稀有微生物的生態(tài)作用仍不清楚。目前僅有少數(shù)研究關(guān)注污水處理系統(tǒng)稀有類群的功能和生物地理分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)稀有類群可起到降解污水處理廠中內(nèi)分泌干擾物的作用;內(nèi)分泌干擾物可參與水生生物體內(nèi)雌激素的代謝,表明稀有類群在維持食物網(wǎng)的穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用。有研究者發(fā)現(xiàn):石油化工和厭氧氨氧化-反硝化系統(tǒng)中活性污泥優(yōu)勢和稀有微生物具有不同的群落構(gòu)建策略和共存網(wǎng)絡(luò)模式。稀有種在環(huán)境條件合適的情況下會(huì)轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢種。這種豐度的變化將導(dǎo)致污水處理系統(tǒng)微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,影響污水處理性能,這些類群屬于條件稀有種,雖然豐度小,卻對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有較高的貢獻(xiàn)度。深入了解核心微生物和稀有生物圈將改變我們對(duì)整體微生物群落介導(dǎo)的生態(tài)系統(tǒng)功能的認(rèn)識(shí),更重要的是其將提高對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性的理解。

2.  微生物群落時(shí)空分布、構(gòu)建機(jī)制與污水處理性能的關(guān)聯(lián)

污水處理系統(tǒng)時(shí)空分布和構(gòu)建機(jī)制研究是微生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境工程的交叉學(xué)科。如何將污水處理系統(tǒng)微生物群落時(shí)空分布規(guī)律包括種-豐度分布、距離-衰減關(guān)系、分類群-面積關(guān)系、分類群-時(shí)間關(guān)系及生態(tài)學(xué)理論(群落構(gòu)建理論)與系統(tǒng)功能聯(lián)系起來,解析微生物組-環(huán)境-系統(tǒng)效能關(guān)聯(lián),最終服務(wù)于污水廠的穩(wěn)定高效運(yùn)行,是污水處理系統(tǒng)微生物組研究的核心目標(biāo)及挑戰(zhàn)。微生物群落受環(huán)境和空間因素影響,因此可基于微生物群落的分布規(guī)律和相關(guān)的環(huán)境、空間因素來預(yù)測它們?cè)诳臻g和時(shí)間上的變化。如Ju等將網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性和拓?fù)湫苑治鰬?yīng)用于探索微生物、環(huán)境、污水廠性能之間的相互作用,通過微生物、水質(zhì)指標(biāo)、運(yùn)行環(huán)境參數(shù)在5年時(shí)間尺度上的共存網(wǎng)絡(luò)分析,提出適當(dāng)延長SRT和維持適宜污泥混合液濃度(mixed liquid suspended solids,MLSS)有利于提高硝化與反硝化菌和起泡菌間的底物競爭能力,進(jìn)而控制或減少污泥起泡現(xiàn)象。Yu等認(rèn)為微生物群落構(gòu)建理論和功能特性可用來診斷污水處理系統(tǒng)性能。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)活性污泥系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定時(shí),確定性過程尤其是同質(zhì)選擇驅(qū)動(dòng)群落演替,相反,當(dāng)發(fā)生干擾(如污泥膨脹和起泡)時(shí),隨機(jī)過程增加,一些功能類群很可能被抑制,并導(dǎo)致系統(tǒng)向群落多樣性減少、群落生態(tài)位寬度下降以及功能冗余的方向轉(zhuǎn)變。因此,隨機(jī)過程的出現(xiàn)可能表明性能惡化或系統(tǒng)故障,需要采取糾正措施,而確定性過程主導(dǎo)時(shí)表明系統(tǒng)具有相對(duì)穩(wěn)定和有效的性能。

大空間和時(shí)間尺度對(duì)于微生物群落多樣性和時(shí)空分布研究至關(guān)重要。為了準(zhǔn)確預(yù)測微生物群落的分布,必須盡可能多地收集污水處理廠樣本,更好地涵蓋污水環(huán)境條件和工藝操作條件等信息。環(huán)境微生物組中絕大多數(shù)微生物仍然難以培養(yǎng),但研究者們?nèi)灾铝τ讷@得純培養(yǎng)菌株的工作。獲取活性污泥微生物純培養(yǎng)物,對(duì)于改進(jìn)基因注釋、驗(yàn)證新基因序列功能、理解碳氮磷代謝機(jī)制及污染物降解具有重要意義。微生物群落個(gè)體數(shù)目巨大,因此,未來需開發(fā)和借助合理、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型與生物信息學(xué)工具來認(rèn)識(shí)和推測數(shù)量、信息巨大的微生物群落的特征。同時(shí),雖然微生物具有較高的多樣性,但DNA與微生物的代謝活性沒有直接關(guān)系,基于DNA豐度測序得到的信息不能直接反映微生物群落功能,其他生物分子(如RNA和蛋白質(zhì))可能比DNA與微生物活性的聯(lián)系更緊密。因此,提供微生物類群與功能關(guān)聯(lián)的實(shí)驗(yàn)觀測依據(jù),是證明微生物發(fā)揮分解污染物作用的有效方法。隨著測序和質(zhì)譜等技術(shù)的飛速發(fā)展,宏組學(xué)方法、高通量化學(xué)組成分析成為研究復(fù)雜微生物群體的有力技術(shù)之一。未來應(yīng)多開展污水處理系統(tǒng)微生物分離和培養(yǎng)工作,以達(dá)到通過實(shí)驗(yàn)方法和多組學(xué)測序等手段將特定功能與特定微生物類群相關(guān)聯(lián)的目的。

3. 多組學(xué)技術(shù)在微生物群落時(shí)空分布和構(gòu)建機(jī)制研究中的應(yīng)用

高通量測序技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了擴(kuò)增子測序技術(shù)、各類組學(xué)技術(shù)在活性污泥微生物群落研究領(lǐng)域的應(yīng)用。特異性標(biāo)記基因擴(kuò)增子測序技術(shù)在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用極大擴(kuò)展了研究者對(duì)活性污泥微生物群落組成、相互作用和時(shí)空分布的認(rèn)識(shí)。擴(kuò)增子測序難以獲得微生物發(fā)揮的具體功能,宏組學(xué)方法彌補(bǔ)了此缺陷。宏基因組學(xué)可在群落、種群和個(gè)體基因組水平全面解析微生物組驅(qū)動(dòng)的碳、氮、磷元素循環(huán)過程,以及有機(jī)污染物的生物降解和轉(zhuǎn)化機(jī)理,已被用于研究微生物分布與生態(tài)功能之間的聯(lián)系。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)以系統(tǒng)中總mRNA為研究對(duì)象,揭示生物處理系統(tǒng)中微生物群落的基因表達(dá)與調(diào)控,可同時(shí)解析微生物群落相關(guān)基因及其代謝活動(dòng)。宏蛋白質(zhì)組的研究可以進(jìn)行微生物群落的一致性、活性和功能分析,能夠提供宏基因組無法獲取的信息,在強(qiáng)化生物除磷的活性污泥、活性污泥胞外多聚物研究中起到重要作用。宏組學(xué)研究在解析污水處理系統(tǒng)微生物群落功能中發(fā)揮重要作用,利用該方法,未來可以更準(zhǔn)確地建立微生物時(shí)空分布、構(gòu)建機(jī)制與生態(tài)功能間的聯(lián)系,進(jìn)而精準(zhǔn)定向調(diào)控微生物組,最大限度地發(fā)掘其在污水處理與資源回收領(lǐng)域的工程學(xué)與生態(tài)學(xué)價(jià)值。

總之,從揭示微生物群落時(shí)空分布格局到調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)功能菌群以服務(wù)于污水處理,目前仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。但隨著技術(shù)手段和分析方法的不斷發(fā)展,未來有可能將復(fù)雜的微生物群落與其功能耦合,找到更豐富的核心微生物類群和環(huán)境及空間驅(qū)動(dòng)因子。