题目：随机过程主导了生物过滤塔中的群落组装:稀有类群的潜在作用

第一作者：王永超

通讯作者：王灿 (wangcan@tju.edu.cn) 

               邓晔 （yedeng@rcees.ac.cn）

DOI: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2024.130838

期刊名称：Bioresource Technology

基本内容

随机和确定性过程是控制微生物群落组装的主要主题；然而，其在生物反应器中的作用研究仍处于起步阶段。本文对生物过滤塔中微生物的组装机制和稀有类群的作用进行了研究。系统发育分析揭示了不同阶段微生物群落的差异。零模型分析结果表明，随机过程塑造了群落组装，而确定性过程出现在驯化后接种的活性污泥中。这一发现表明了随机因素(生物膜的形成、积累和老化)的主导作用。中性模型证实了随机过程的优势，并表明这种优势主要归因于稀有类群。共现网络分析显示了稀有类群的重要性，其占关键类群的85%以上。总的来说，本研究结果为了解群落组成，特别是稀有类群的作用提供了良好的基础，并为未来的群落设计和反应器调节提供了理论支持。

图文摘要

图文总结

污水处理过程中产生的恶臭通常会导致全球变暖、温室效应和大气环境污染。生物过滤技术具有较高的成本效益和无二次污染等特点，成为最常用的恶臭处理技术之一。在这个过程中，恶臭迅速分解成二氧化碳和水进行排放。传统上，设计和运行参数（填料床结构、空塔停留时间和温度）是影响生物过滤技术性能的关键因素。然而，最近的研究结果表明，微生物群落在其中发挥了重要作用。对于生物反应器等人工生态系统，微生物群落组装的确定性过程归因于受控的操作参数。群落的主要功能传统上归因于生态系统中丰富或优势的分类群，因为它们的丰度很高。然而，稀有分类群对于维持微生物多样性和生态系统功能近年来被发现至关重要。稀有物种的高多样性和功能冗余被发现是是微生物群落的功能保障。由于不同的生活史，丰富和稀有的分类群也会影响其传播能力。本研究通过构建实验室规模的恶臭生物过滤塔，用以揭示运行和生物量积累过程中微生物群落组装的演替过程，特别关注稀有物种的贡献，以及时间尺度上的种间相互作用。

图1. 生物过滤塔性能提升过程

图1显示了生物过滤塔运行时的整体性能。去除率在成膜后几天内从0%增加到约40%，并在两周后稳步增加到80%以上。虽然活性污泥已经驯化，但微生物群落对生物过滤塔污染物的去除还需要一个适应期。这一现象得到了生物过滤塔去除负荷的证实，在两周内从4 g /m3⋅h增加到40 g /m3⋅h。并且一直保持在80%以上，直到第80天开始出现波动，最终在第95天下降到约60%。

图2. 恶臭生物过滤塔运行过程中微生物群落的演替过程。

维恩图显示了差异表达的分类群。在第0天(成膜前)，共发现了3371个独立的微生物类群。这一数量在第25天下降，表明接种生物过滤塔后微生物群落的多样性降低。同时，微生物群落的不确定性在成膜后逐渐降低，表明生物过滤器中潜在的环境选择可能影响微生物群落的形成和进化。相似度分析显示，不同生物膜样品的微生物群落之间具有显著差异。

图3. 恶臭生物过滤塔运行过程中微生物群落的组装过程。

驯化后活性污泥中的群落组装受随机和扩散过程控制。考虑到污泥驯化环境，异质选择过程可能归因于甲苯的持续流入。生物过滤塔中微生物成膜后群落组装主要受随机过程的影响。除未分配的过程外，均质扩散在第25天和第50天的生态过程中占主导。在第90天组装过程以均质扩散为主。这些结果表明，微生物群落在生物过滤塔运行过程中趋于均质化，这有利于维持生态系统的稳定。

图4. 整个运行过程中微生物群落中性模型拟合及分类群分布

中性模型拟合的生物膜微生物群落组装过程证实了随机过程在整体群落组装中的优势地位。近90%的类群很好地拟合了中性区间，表明中性随机过程主导了生物膜群落的装配。筛选稀有和优势类群进行中性模型拟合，以探索影响微生物群落随机和确定性过程的物种因素。结果表明，稀有类群均能很好地拟合中性模型，95%以上的类群处于中性区间。相比之下，超过70%的优势类群高于或低于中性模型预期。

图5. 通过随机森林模型鉴定群落中特征重要性排名

前20位的分类群及其相对丰度。

采用基于机器学习的随机森林模型筛选群落差异解释度高的分类群。结果表明，在所有分类群中，特征重要性排名前20位的分类群都是稀有的，并且其丰度在组间具有显著性差异（P < 0.001），表明了稀有分类群对群落差异的重要贡献。同时，大量稀有类群与去除率、生物量积累率和去除负荷呈显著正相关(P < 0.05)。这些稀有类群与不同的运行参数表现出特定的相关性，表明稀有类群在维持生物反应器功能稳定性方面的作用。

结论与展望

本研究探讨了恶臭生物过滤塔运行过程中生物膜中微生物群落的演替和组装过程，揭示了稀有类群的重要性。驯化后的活性污泥中出现了确定性过程，而在运行过程中，随机过程主导了群落聚集。同时，稀有类群的功能随生物膜的发育呈现一致的变化。总体而言，研究结果为理解生物反应器中群落的构建和组装提供了良好的基础，并为未来的群落设计和反应器运行提升提供了理论支持。