编译：微科盟清韵，编辑：微科盟汤貝、江舜尧。
废水污染是威胁全球河流可持续管理的最大挑战之一。了解微生物对环境压力源（如废水污染）梯度的反应对于确定群落变化的阈值和制定保护生态系统完整性的管理策略至关重要。这项研究使用了多种经验证据，包括实验室和现场微生物生态毒理学方法的新组合，以将压力-压力源-反应关系联系起来。具体而言，整合了基于群落的整体污水毒性（WET）测试和环境基因组学，以确定响应废水污染的真实群落相互作用、变化和功能变化。本研究结果表明，中等以上（>10%）浓度的废水会导致细菌群落结构和功能发生持续的显著变化。这些群落变化的阈值也与接收水域营养浓度方面的营养状态变化有关。沿污水浓度梯度的群落响应差异主要由两个全球相关的细菌指示类群驱动，即Malikia spp.（Burkholderiales）和hgcI_clade（Frankiales）。物种替换发生在中等污水浓度以上，并且Malikia spp.的丰度增加，而hgcI_clade的丰度减少。Malikia spp.和hgcI_clade与全球重要的氮循环途径相关的基因模式相匹配，如反硝化和固氮。将核心个体分类群与推定的功能和生态系统过程联系起来，在以前的研究中很少实现。这项研究确定了营养状态变化的潜在指标和废水污染的功能后果。这些发现对环境压力源的管理和水生生态系统的保护都具有直接意义。
原名：Wastewater effluents cause microbial community shifts and change trophic status
译名：废水排放引起微生物群落转变并改变营养状态
期刊：Water Research
IF：11.236
发表时间：2021.5.10
通讯作者：J.E. Ruprecht ＆ S.C. Birrer
通讯作者单位：澳大利亚新南威尔士大学土木与环境工程学院；新南威尔士大学悉尼分校生物、地球和环境科学学院
群落WET试验确定了引起河流细菌群落明显变化的污水浓度，揭示了与废水污染相关的营养变化的潜在阈值（图1b，表S7）。具体来说，细菌群落在nMDS轴1上从高（即50%和90%）到中等（即10%）和低（即0%对照、0.1%和1%）污水浓度的梯度上有所不同（图1b）。营养物浓度（即TN、TKN、NH3、NOx、TP）和BOD在很大程度上与污水浓度呈协变关系（图1c，表S5和6），并与细菌群落的变化显示出强烈的正相关关系（图1d）。细菌群落结构的最大变化发生在中等（>10%）的污水浓度以上，表明有可能从中营养状态过渡到富营养状态。此外，细菌群落沿着污水浓度的梯度变化与参与硝酸盐还原的基因（napA/narG）呈正相关（图1e）。相反，与反硝化作用（nirS）和硫酸盐还原作用（dsrA和phsA）相关的基因与nMDS轴2呈正相关，表明与不同的污水类型有关，而不是污水浓度。现实世界的污水排放也发生了类似的细菌群落变化（图2a）。在群落水平WET测试中，观察到现场采样的群落结构在代表~1%（WWTP 3）、~10%（WWTP 1）、~50%（WWTP 4）和~90%（WWTP 2）污水浓度的污水类型中明显分离（图2b）。具体来说，TN、NOx和TKN在不同的采样点之间具有高度的异质性，在两个采样时间内显示出从高（即WWTP 2）到中等（即WWTP 1和4）和低（即WWTP 3）污水浓度的一致梯度。尽管TN和TKN有一些局部的变化，但与上游背景值相比，排污口下游的营养物浓度（特别是氮氧化物）普遍增加（图2b）。
图1. 群落WET测试-(a)整个研究河口的污水处理厂位置；(b)细菌群落的nMDS排序；(c)环境变量，(d)营养物质，和(e)基因驱动群落转变。
图2. 微生物实地调查-(a)细菌群落的nMDS排序；(b)污水处理厂排放污水中主要营养物质的平均浓度；(c)在(a)中推动群落转变的环境变量。
在群落WET测试中观察到群落优势的变化与污水浓度有关（图3）。在所有样品中，Burkholderiales（Betaproteobacteria）是最丰富的细菌目，约占序列的20%以上，而Frankiales（Actinobacteria）在丰富的细菌目中占前10%，约占序列的3%。一般而言，Burkholderiales的丰度随着污水浓度的增加而增加，而Frankiales则相反。这些差异可以用两个潜在的关键类群来解释：Malikia spp.（占7.5%；36%的OTUs属于Burkholderiales）和hgcI_clade（占2.7%；98%的OTUs属于Frankiales）。Malikia spp.受中等污水浓度（1-10%）刺激，生长稳定在较高浓度（10-90%），表明其与中营养和富营养化条件的潜在亲和力（图4，图S5a）。相比之下，hgcI_clade丰度在贫营养条件下（低污水浓度）稳定，在污水浓度高于1%时被抑制。网络分析确定了Malikia spp.和hgcI_clade、功能基因丰度和群落WET测试中环境条件之间的统计联系（图5a、b）。Malikia spp.与BOD、narG基因（硝酸盐减少）以及营养浓度（包括TN和NOx）呈强正相关，与TKN和TN:TP呈弱正相关。相比之下，hgcI_clade与营养浓度（包括TN、TKN和NOx）、TN:TP、narG和napA基因（硝酸盐减少）呈强负相关，并与phoD基因（产生生物可利用磷）、nirS基因（反硝化）和dsrA基因（硫酸盐还原）呈弱正相关。此外，Malikia spp.和hgcI_clade与Burkholderiales、Rhodobacterales、Pseudomonadales和Sphingobacteriales的其他不太丰富的属有密切的联系，这为微生物组内的潜在相互作用提供了一些额外的见解。
图3. 来自(a)WWTP 1、(b)WWTP 2、(c)WWTP 3和(d)WWTP 4群落WET测试中的细菌群落结构。
图4. 群落WET测试中Malikia spp.和hgcI_clade的丰度。
图5. 关键分类群(a) Malikia spp.和(b) hgcI_clade的网络分析，显示与群落WET测试中功能基因丰度、环境条件和其他属的相关性。
来自群落WET测试和现场调查的基因模式表明，污水排放改变了细菌群落的功能多样性，其变化方向（即刺激或生长抑制）与污水浓度和接收水的营养状态有关。为了更深入地了解潜在关键类群的功能模式，将参与氮循环的基因作为目标。与氮减少相关的基因模式与Malikia spp.的响应相匹配，在群落WET测试中，该物种刺激与较高污水浓度有关（图4）。在群落WET测试中，硝酸盐还原基因（narG/napA）在高于50%的污水浓度时受到刺激，并且在微生物实地调查期间随着整个河口的污水排放而增加。使用Tax4Fun进行的基于16S的功能基因分析支持了这一观察，其中主要的硝酸盐还原基因（narG）的丰度随着污水浓度的增加而增加。此外，在群落WET测试中，亚硝酸盐还原酶的基因（nirS；反硝化步骤2）丰度在1%的污水浓度下增加，在50%的污水浓度下下降。虽然亚硝酸盐还原酶基因（nirK）的丰度显示出一些时空变异性，但有证据表明，其在较低浓度的污水中受到刺激，而在较高浓度的污水中受到抑制。为了完成反硝化（4步）途径，Tax4Fun预测一氧化氮还原酶（norBC；反硝化步骤3）随着污水浓度的增加而增加，而一氧化二氮还原酶（nosZ；反硝化步骤4）减少。与固氮相关的基因模式与hgcI_clade的响应相匹配，在群落WET测试中抑制了暴露于较高污水浓度的物种。在微生物现场调查期间，固氮基因（nifD、nifH）在污水排放下游趋于减少。Tax4Fun预测表明固氮酶铁蛋白nifH基因的假定丰度在污水浓度达到1%时增加，在污水浓度达到或超过10%时下降。在群落WET测试中，其他氮循环基因，包括氨氧化古菌（AOA）和细菌（AOB），以及硝酸盐还原基因（nrfA；硝酸盐还原成氨），在1%的污水浓度下都会增加，在50%的污水浓度下普遍减少。Tax4Fun还预测，在较高的污水浓度下，谷氨酸合成酶的活性会降低，几个谷氨酸脱氢酶会增加。了解微生物对现实环境压力源（如废水污染）梯度的反应，对于确定群落阈值和潜在的变化临界点以及保护生态系统完整性至关重要。本研究使用了多种经验证据，包括群落
WET测试和现场重复调查的新组合，以及16S扩增子测序、MFQPCR和功能基因分析，将河流微生物群落中的压力-压力源-响应关系与废水影响联系起来。结果发现废水排放导致细菌群落结构和功能在中等（>10%）排放浓度以上发生持续变化。这些群落变化的阈值也与接收水域营养浓度方面的营养状况变化有关。废水排放中这些中等浓度的TN和TP可以改变水生环境中的微生物组组成和功能。在高污水（>50%）排放的情况下，沉积物细菌群落结构发生了明显变化，这与营养水平有关，并且与本研究在群落WET测试中50-90%的处理相一致。沿本研究中污水浓度梯度，河流群落可能比沉积物群落更敏感。本研究表明，沿着污水浓度梯度的群落响应差异可以通过污水污染的营养状态变化的核心指标和功能结果来解释，可以挖掘出潜在的全球相关淡水水生污染河流的关键细菌分类群。物种转变发生在中等污水浓度以上，Malikia spp.（Burkholderiales）丰度增加，而hgcI_clade（Frankiales）的丰度减少。通过网络评分和共现模式确定了核心物种优势度的变化对微生物组组成和功能的潜在影响。Malikia spp.和hgcI_clade的响应与全球重要的氮循环途径相关的基因模式相匹配，包括反硝化和固氮，将这些核心分类群与环境变量、假定的功能和生态系统过程联系起来，这在以前的研究中很少实现。最近在中国重度污染的河流中进行的几项实地研究也检测到群落组成和功能的耦合，以及Malikia spp.和hgcI_clade作为主要细菌属，在所研究的淡水水生生态系统的共生网络中具有核心作用。本研究表明，氮循环的大多数步骤在添加废水时被激活，而废水中高水平的营养物质（特别是NOx）驱动了群落转变并抑制具有潜在重要群落功能（如硝化作用）的特定细菌类群的生长。Frankiales与全球淡水生态系统中常见的固氮寡营养生物相关，之前被推断为河流群落中的关键类群。当暴露于中等和高浓度的污水时，群落WET测试显示出生长抑制反应，在高达1%的污水浓度下有适度的刺激反应。此外，hgcI_clade与NOx和氮还原基因呈强负相关，并与固氮相关功能有关。hgcI_clade丰度的下降与含有高TN浓度的污水有关，特别是那些由高NOx水平组成的污水，表明物种对NOx毒性的敏感性很强。Frankiales被确定为主要的细菌目，占微生物现场调查中所有样品序列的12.4%。在属的层面上，hgcI_clade在所有河口样品中占主导地位（12.1%）。hgcI_clade被确定为一个潜在的新的关键分类群，可能是全球范围内低营养水生生态系统中核心微生物组的一部分。相比之下，Burkholderiales的各个成员一直作为关键类群存在于不同的生态系统中，但大多数Burkholderiales的发现都是基于计算推理，很少或没有经验证据，而且没有一个与生态系统过程相联系。在Burkholderiales中，自然界中有两个已知的Malikia spp.物种—Malikia granosa（通常在活性污泥）和Malikia spinosa（通常在河水）。之前的研究发现Malikia spp.喜欢富营养条件，进行硝酸盐还原，并能够储存磷酸盐。在群落WET试验开始时，Malikia spp.的相对丰度在所有的污水浓度中都是相似的，并随着时间的推移显示出相对的增加或减少，表明不是污水的引入驱动了观察到的序列模式。在群落WET试验中，Malikia spp.是整个污水浓度梯度的主要分类群，在中等污水浓度以上表现出持续的强烈刺激反应，对磷的可用性和氮氧化物的毒性有一定的敏感性。Malikia spp.有好氧性反硝化作用，在群落WET试验中与BOD、NOx和氮还原基因存在强正相关关系。在这项研究中，Malikia spp.预测了与营养状态变化相关的群落转变，并捕捉到了现实世界的反硝化动态。因此，
Malikia
spp.是与人类影响的水生环境和富营养化条件有关的全球淡水指示物种。需要进一步的实地和实验室调查和详细分析，以确认Malikia spp.作为受废水排放影响的水生生态系统中的潜在关键物种的作用。本研究揭示的
群落转变的阈值突出
了对受废水污染的水生环境进行改善管理的紧迫性和必要性。本研究强调了
水生微生物组对中等（
>10%
）浓度以上的废水高度敏感
，并揭示了
核心个体物种
可以作为营养状态变化的哨兵，可用于监测废水的影响。这项研究对试图了解污水排放对重要生态系统功能（如营养循环）的影响的废水管理者具有启示意义。本研究预计这些发现可以为全球综合流域规划和管理提供信息，重点是
最大限度地减少环境压力源和维持水生生态系统的自然生产力
。预计这项研究将推动改进数据收集工作，这些工作可用于模拟废水排放和管理实践的变化。
京公网安备 11010802020745号
工商备案公示信息
互联网药品信息服务资格证书((京)-非经营性-2020-0015)
010-82736610
股票代码: 872612
