论文标题：High density sampling reveals the spatiotemporal characteristics of microbial communities in a full-scale municipal wastewater treatment plant

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Zhaoyang Li, Liang Zhang , Jinghan Li, Da Kang , Jialin Li , Shujun Zhang, Xiaoyu Han , Bin Ma , Yongzhen Peng

发表时间：15 Feb 2025

DOI：10.1007/s11783-025-1943-5

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近日，北京工业大学的张亮教授课题组在Frontiers of Environmental Science & Engineering期刊第19卷第2期上发表了题为“High density sampling reveals the spatiotemporal characteristics of microbial communities in a full-scale municipal wastewater treatment plant”的研究型论文。

城市污水处理厂在维系城市水环境质量方面发挥着不可或缺的作用。在污水处理厂中，微生物群落承担碳和营养物质的去除以及资源回收等核心作用，其特征与污水处理厂的运行稳定性和污染物去除性能存在紧密联系。然而，目前对于污水处理厂中微生物群落的时空特征的认知仍存在局限。

本研究针对一座典型的城市污水处理厂，选取了四个独立且运行条件完全一致的廊道作为研究对象，以每两周一次的频率采集活性污泥样本。在2022年1月至2023年1月，累计采集样本数量264个。随后，对采集的样本依次进行DNA提取、扩增和宏基因组基因测序，并进行生物信息学以及数理统计分析。

图1 污水处理厂时空采样策略示意图

研究结果表明，四条廊道中的微生物群落在操作分类单元（OTU）水平上呈现出高度相似性。研究共检测到821个细菌OTU，仅廊道3中未检出OTU763。在全年运行过程中，四条廊道的微生物群落丰富度指数处于355-681内，各廊道间的Richness指数以及其他α多样性指数经统计分析无显著差异。OTU丰度、丰富度指数、均匀度指数等相关系数的分析结果均表明四条独立廊道的微生物群落组成和结构在时间维度上的相似性显著。

图2 污水处理厂不同廊道微生物群落之间的空间相似性

微生物群落演替方面，研究发现在369天采样周期内，微生物群落丰富度指数等指标变化趋势基本一致，各廊道微生物群落α多样性动态变化相似。依据采样时间，微生物群落可通过层次聚类和主坐标分析划分为三组，在春夏、秋冬交替时各发生一次明显演替，形成三个独立稳定状态，不同状态α多样性及主坐标分析前两个主坐标的t分布存在显著差异，但各廊道呈现出相似的年度演替规律。

图3 基于操作分类单元（OTU）水平的四条不同廊道年度样本的主坐标分析（PCoA）

功能特征方面，不同廊道的微生物群落功能组成具有显著的相似性，仅廊道2和3的直系同源基因（KO）存在轻微差异。能量代谢等三大二级代谢途径占比最高。并且生物脱氮相关的氮代谢途径在四条廊道间的差异较小。基于KEGG代谢通路和基因水平的主坐标分析进一步验证了不同廊道功能组成的空间稳定性。相较于微生物群落的季节性演替，功能的时间变化相对保守，夏季较为稳定，秋冬交替时表现出显著变化。

图4 一年中四条廊道微生物群落的α多样性指数

本研究证实了城市污水处理厂各独立廊道中微生物群落的空间稳定性与时序性差异，揭示了微生物群落演替所导致的三个独立稳定状态，以及微生物群落功能在群落演替过程中的保守性特征，为优化污水处理厂的运行参数以及确定科学合理的采样策略提供了坚实的科学依据。

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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第2期发表的研究型文章“High density sampling reveals the spatiotemporal characteristics of microbial communities in a full-scale municipal wastewater treatment plant”。通讯作者为北京工业大学的张亮教授。

引用格式：Zhaoyang Li, Liang Zhang, Jinghan Li, Da Kang, Jialin Li, Shujun Zhang, Xiaoyu Han, Bin Ma, Yongzhen Peng. High density sampling reveals the spatiotemporal characteristics of microbial communities in a full-scale municipal wastewater treatment plant. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(2): 23

https://doi.org/10.1007/s11783-025-1943-5

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

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期刊官网2

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