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环境变化是怎样影响微生物的种群结构和功能的呢？
宏观生物学的一个经典观点是认为群落受到扰动时，能有一定的适应力，但到达某个临界点之后，系统会进入新的平衡态，一些研究已经显示，虽然群落组成变了，但它们可以执行大部分相同的代谢路径，所以系统的功能没有受到太多影响。但这些不同的群落组合有多稳定，以及有什么原因会导致它们的转变呢？学界对这方面还知之甚少。污水厂依靠各种细菌来净化污水。污水厂的运行团队都希望有稳定的环境条件，这样能保证厂区运行和出水质量的稳定。2021年10月，学术期刊Microbiome发表香港大学张彤教授团队的相关研究成果，他们对香港的沙田污水处理厂进行了长达9年的跟踪研究，他们的研究成果进一步加深了我们对活性污泥微生物群落演变的认识。香港沙田污水厂航拍图 | 图源：香港渠务署


万变的菌群，不变的出水


在环境工程师眼中，活性污泥法是一个百年传奇，但该研究的都已经研究透了，没什么新鲜事可以挖掘的了。但对于微生物学家来的，这是一个刚发现的宝藏，一个未解之谜。
运营污水厂的人肯定希望有更快更好更便宜的方法来净化污水，而微生物生态学，也许就是帮助他们实现这个目标的关键。
只有了解更多，才能更好地设计和优化污水处理生物工艺。

香港大学张彤教授的团队在2007年6月到2015年 12月期间，每个月都会在香港沙田污水处理厂采集活性污泥的样本。他们想看看，复杂的活性污泥微生物群落，在这么长的时间跨度内，在经历各种环境条件的变动时，这个系统是怎么演变的。


沙田污水厂




他们的研究对象——沙田污水厂和其他污水厂有点不同。原因是香港有大约 80%的居民使用海水冲厕，因此沙田污水厂处理的污水属于含盐废水，海水含量约30%。这个污水处理厂当时受到季节性泡沫问题的困扰，从2009年12月下旬开始，当地的工程师团队进行试验，往污水里投加漂白剂溶液(次氯酸钠，浓度为1–3 g Cl2/kg MLSS/天)。试验结果显示漂白剂有效地缓解了生物泡沫的发生。沙田污水厂的泡沫问题 | 图源：香港大学张彤实验室

分析结果


他们的跟踪研究发现，这个污水厂的活性污泥工艺系统在前三年，微生物群落在一个稳定的平均值范围内变动，但漂白剂试验使微生物群落结构突然转入另一种稳定状态。

从920个宏基因组拼接基因组得到的种系演化图图源：biomedcentral.com
优势菌种变化过程 | 图源：biomedcentral.com
虽然分类组成在受到干扰后迅速转变为新状态，但群落的代谢特征和系统性能仍然非常稳定。
微生物多样性有助于系统的相对稳定 | 图源：biomedcentral.com
微生物群落的动态分析还揭示了在不同时期由不同菌群主导的微生物群落组合，研究团队还制作了下边这一系列的可视化图片帮助读者了解群落变化的过程。


研究的意义

看完上面的数据结果，大家可能会追问：那这些结果对污水厂有什么用呢？原文作者只表示他们的研究再次印证了，高度相似的环境条件可以支持不同的微生物群落，而这些微生物群落随着时间的推移保持相对稳定，并且在细胞层面执行相同的基本功能。另外他们也指出，这次研究考察的污水厂是一个很特别的咸水生态系统。在未来的研究里，他们想探究其他污水厂的情况会如何。而在小编看来，这个研究非常直观地让大家看到宏基因组学在污水处理领域的应用前景，它能帮助污水工程师从一个新的维度重新了解污水厂。可能未来的某年某月某日，工程师和微生物学家眼中的活性污泥法将是一个统一的画面。