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10亿种细菌 多国专家联合揭秘全球污水厂细菌群落

来源:环保技术国际智汇平台 作者: 人气: 发布时间:2019-09-10 12:01:37

污水处理和再利用对人类健康有着重要影响,活性污泥法是最常用的污水处理工艺。不断加深对活性污泥工艺的理解,对下一代污水处理和回用系统的优化意义重大。各组学研究是近年学术界对污水处理微生物的热门手段,一个由美国俄克拉荷马大学领导的跨学科项目就对活性污泥的微生物组进行了多年研究,近日《Nature Microbiology》刊登他们的部分研究成果。

俄克拉荷马州的Norman再生水厂 

全球污水厂细菌群落揭秘

“2014年5月,我们成立了GWMC全球水微生物群联盟(Global Water Microbiome Consortium),以此促进水环境微生物组的全球教育、研究和国际合作交流,”俄克拉荷马大学环境基因组研究所主任周集中教授说。

周教授是行内做geochip(功能基因芯片)的专家,据说有一次国际会议上有学者尊称他做Mr. Geochip。周教授在接受媒体采访时表示:“GWMC联盟的采样方式和其他自下而上式采集微生物样本的全球倡议不同,他们使用自上而下的采样策略,专门针对城市污水处理厂中活性污泥过程的微生物组。”目前这个项目有100多名调研人员的参与,他们在6大洲23个国家86个城市里,对269个污水处理厂进行了采样调查。这篇报告是他们对其中约1200个活性污泥16S rDNA的样本的分析结果。

收集样本数据的269座污水厂的全球分布

我们每分每秒都在产生污水,大部分污水经城市地下管网进入污水厂进行处理,经净化后又重新排入环境。活性污泥法是其中最常见的生物处理工艺,约有105年的历史,它对人类的环境健康做出了巨大的贡献。尽管已经有了一个多世纪的实践,但其实活性污泥法仍有许多提升空间,要想继续优化这项工艺技术,需要从根本上认识活性污泥微生物组的生物多样性与性能表现的关系。

虽然在此前有一些地区性的尝试,例如,但在过去100多年里,还没有人尝试对活性污泥微生物组的全球情况进行系统性的研究分析。研究污水厂的微生物群落的多样性和生物地理学是一个刚刚起步的领域,这正是这次研究的独特意义所在。

丹麦活性污泥污水厂微生物数据库截图

研究结果

在这次研究里,他们探讨了以下问题:

(1)活性污泥微生物群落的全球多样性程度如何?

(2)活性污泥法工艺是否存在跨洲的核心微生物群?

(3)这些群落是否具有纬度多样性梯度(LDG)?

(4)微生物多样性对工艺表现的影响是否显著?

(5)确定性与随机性的因素在调节群落组成、分布和功能方面有何相对重要性?

结果表明,全球活性污泥细菌群落中约有10亿个细菌种系型(phylotypes),且其多样性服从泊松对数正态分布(Poisson log-normal distribution)。尽管活性污泥具有高度的多样性,但存在一个全球核心细菌群落(28个OTUs),并与其性能密切相关。

Meta分析的结果显示,活性污泥微生物群落与淡水群落的关系最为密切,而与大型生物的多样性相比,活性污泥的微生物群落没有明显的纬向梯度(Latitudinal diversity pattern)。

尽管活性污泥算是有人为控制的生态系统,但它的细菌组成似乎很可能是通过随机过程驱动的,例如分散和漂移,这显然与我们过去的传统认知相矛盾。其空间周转率与群落规模有关,另外温度、SRT和有机碳输入也是重要的决定性因素。

基于尺度定律的全球污水厂活性污泥微生物丰度的估算

这个项目有不少业内大牛的参与,例如2018年斯德哥尔摩水奖的获奖人、美国亚利桑拿州立大学的Bruce Rittmann教授。Rittmann教授表示:“这次全球采样工作的规模前所未有,它为活性污泥工艺的微生物学提供了新的见解。尽管不同地区的污水厂存在巨大的地理差异,但该工艺的微生物群落具有28多种核心菌株,这反映了活性污泥工艺的强大且独特的生态选择性。”     

同济大学国家外专千人计划专家、美国工程院院士、加州大学伯克利分校的Lisa Alvarez-Cohen教授也是其中的参与者,他说:“这项项目具有很高的广度,它是对世界各地生活污水的生物处理工艺中的有益微生物群落进行的一次系统研究,这是全球第一次这样的尝试。它对我们理解和维护这些关键微生物群落有着重要意义。”

后续研究

Norman再生水厂沉淀池

总的来说,这个研究有五大创新点:

1. 这是第一次检查活性污泥微生物组的全球多样性和生物地理学的高度协调的综合性研究及报告;

2. 微生物组多样性高,包含超过10亿个生物类群,其中有许多新物种;

3. 识别出和活性污泥表现相关的核心微生物群;

4. 发现了活性污泥微生物组和其他生境中的微生物组;

5. 解释了驱动活性污泥群落组成和功能的机制。

这次研究也反映了我们对微生物的世界还知之甚少,即使是城市污水处理厂这样已经“很常见”而且“控制简单”的系统。据了解,这份报告是关于活性污泥微生物组地理分布的分析,后续应该还有一篇关于时间分布的文章,但具体时间就没法透露了,毕竟据说上述报告的发布就等了好长时间。

来源:奥尼卡水处理创新中心

(编辑:小虫)

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