题目：重新审视工程生态系统中群落和功能之间的联系

第一作者：王永超

通讯作者：王灿 (wangcan@tju.edu.cn)

通讯单位：天津大学

DOI: https://doi.org/10.1080/10643389.2024.2334666 

期刊名称：Critical Reviews in Environmental Science and Technology

基本内容

生物处理工艺是目前世界上应用体积最大的生物技术，其功能的实现主要依赖于复杂的微生物群落。然而，这种工程生态系统中的微生物系统一直被认为是一个“黑箱”。近十年来，随着分子生物技术和新一代测序技术的发展，对这类“黑箱”的探索逐渐深入。特别是，生态力量在发现和调节微生物群落中的作用已经得到了很大程度的认识，并为微生物群落和工程目标之间的联系提供了新的见解。然而，工程生态系统中群落生态学的研究仍处于起步阶段，在将工程原理与微生物生态学理论相结合方面面临着巨大的挑战。本文综述了生物处理系统中微生物群落行为的最新进展，包括生物多样性及其影响因素、被忽视的稀有物种的作用、微生物相互作用和群落组装机制。

图文摘要

图文总结

人类活动和工业生产过程中排放的各种污染物最终通过不同的处理策略（物理，化学和生物技术）去除。在这些过程中，微生物是首选，因为它们具有无与伦比的有机物质降解和元素循环(碳、氮、磷和硫)的能力。微生物技术的应用极大地阻止了废弃物对自然生境的污染，这主要归功于过去一个世纪的两个过程，即污水处理厂的活性污泥工艺（AS）和污泥的厌氧消化工艺。值得注意的是，工程生态系统中的微生物是希望可控的，用于提供可靠、连续和经济的服务。因此，提高对微生物群落的认识和管理，更好地为社会服务，始终是工程生态系统发展的主旋律。

作为最经典的环境工程生态系统，AS处理过程的应用早于对其微生物行为的理解。因此，在相当长的一段时间里，人们一直认为AS系统是一个黑箱，并随着分子工具的不断发展而得到改进。随着对微生物生长条件、相互作用和功能基因的了解，取得了活性污泥微生物认识上的巨大进展。对微生物行为的理解促进了生物技术的发展;换句话说，微生物群落支持这些不同功能和类型的生物反应器（图1）。因此，有必要系统地阐明这些环境工程生态系统功能与微生物群落之间的关系。通过采样、DNA提取、测序和数据分析，可以获得生物反应器中功能微生物的分类和分布。反过来，生物反应器的作用丰富了对群落功能的认识。这些过程符合基本的生态问题，即“who is there”和“what can it do”。作为典型的工程生态系统，生物反应器的功能需求会对群落产生影响，表现为强烈的环境选择效应。相应地，微生物群落的组成和演替会导致朝着特定的方向实现生态系统的功能，如废物处理、厌氧消化和能量回收。

图1. 工程生态系统中功能与微生物群落之间的联系。该图显示了基于高通量测序技术的工程生态系统微生物群落分析过程。

多样性是微生物群落研究中最重要的问题之一。揭示“who is there”一直是群落生态学的长期目标。这一过程在工程生态系统中尤为突出，因为许多研究表明，如果我们只关注丰富的物种，而不是整个群落，那么性能将受到显著影响。因此，对生物处理系统，特别是全球污水处理厂的微生物群落多样性及其影响因素进行调查已成为近年来研究的热点。近年来，对A2O、厌氧-氧工艺、序批式反应器、膜生物反应器和扩展曝气工艺等全球污水处理厂的研究取得了AS系统生物多样性的最新进展（图2）。通过16SrRNA基因序列分析，从6大洲(23个国家)的269个污水处理厂收集的1186个AS系统样本中观察到大约10亿个细菌表型。通过与全球其他生境的比较，以个体总数和最丰富的类群数量为基础，估算了AS系统的全球丰富度，这大大提高了我们对AS系统中微生物的认识，可作为各种功能微生物生存的潜在物种资源库，进一步实现不同的工程目标。随着对工程生态系统中微生物多样性认识的加深，实现不同需求(C、N、P、S去除、电活性和产甲烷)的特定功能细菌逐渐也被揭示出来(表1)。例如，氮的去除传统上需要氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌和反硝化菌的参与，而厌氧氨氧化菌的发现使得氨氮直接转化为氮成为可能。同时，最近的一些研究表明，通过硫化物驱动的自养反硝化过程可以显著减少N₂O的排放。

图2. 全球污水处理厂活性污泥微生物多样性及其与全球其他生境的比较。

表1.工程生态系统的一般功能、主要反应形式及典型细菌。

微生物群落中的稀有物种也越来越被认为是生态系统的重要但脆弱的组成部分。随着对微生物群落的深入了解，越来越多的研究集中在稀有生物圈上。工程生态系统的一个共识是，只有少数物种在群落中呈现高丰度，大多数物种是低丰度(图3)。特别是，全球AS微生物组分析显示，泊松对数正态模型最适污水处理厂中观察到的物种丰度分布，物种数量随着它们的丰度减少而急剧增加。因此，当我们在操作过程中关注物种发生分布时，发现只有一小部分物种是共享的并且数量丰富，大多数物种是孤立的，表现出罕见的分布。因此，除了少数丰度丰富的物种外，还必须考虑大量的低丰度物种，这被称为稀有生物圈。稀有性通常通过几种方式定义，例如宏观生态学中的局部丰度、地理分布和栖息地特异性。在此背景下，空间和时间因素是研究微生物稀有性时应考虑的两个重要维度，这也取决于采样点、频率和方法;其中，局部丰度被广泛用于工程生态系统的稀有性研究，因为工程师主要关注的是生物反应器的时间轴，如性能随时间或条件的变化。

图3. 生物反应器中稀有物种/分类群及动态物种丰度和物种发生过程。

微生物在群落中共存的机制也是一个热门话题，与微生物相互作用模式有关。微生物存在于复杂的生态相互作用网络中，无论是自然生态系统还是工程生态系统。寄生或捕食、共生、竞争、共生和互惠是生态系统中主导微生物共存的主要相互作用类型。例如，生物膜的形成是群落中典型的互惠互动，可能使成员产生抗生素耐药性。考虑到微生物群落中的各种相互作用，确定如何量化和表征它们是至关重要的。传统上，为了更容易理解，社区中的相互作用网络仅用一种类型来表示，如营养网络和互惠网络。然而，这些网络不能反映生态系统的真实复杂性，甚至会导致对生态系统状态的偏见。因此，共现网络已被开发用于处理大量社区测序数据，以最大限度地实现真实群落互动(图4)。这种方法使我们能够捕捉物种之间多种复杂的相互作用，无论直接途径还是间接途径，这被广泛应用于土壤、人体、海洋环境和植物微生物组，然后扩展到工程生态系统。早期的基于相关性的网络分析被用来揭示AS样品中特定功能细菌和细菌分类群所占据的生态位之间的关系。生境过滤和竞争是影响AS微生物共生模式的主要因素。同时，分子生态网络分析管道(MENAP)的发展极大地促进了共现网络在工程生态系统中的应用，它为网络的直接分析提供了一个免费的在线工具。通过代谢组学分析获得的厌氧氨氧化菌群落菌群的种间关系通过网络分析进一步验证。厌氧氨氧化菌与其他细菌的正、负相关关系很好地反映了代谢物分析得出的共生或竞争关系。除此之外，共现网络也被用来揭示群体淬灭对细菌通讯的影响机制。研究发现，抑制细菌的群体行为QS可以降低共现网络的复杂性，导致物种之间更多的负联系。特别是种群行为与微生物的相互作用密切相关，无论是种内还是种间。例如，群落成员可以从QS细菌共享的公共产品中受益，这增强了生物膜形成和群落生长等合作互动。然而，高细胞密度可能导致营养物质浓度的限制，在这种情况下竞争将加剧。

图4. (a)生物反应器中细菌共现网络分析。(b)基于生物反应器共现网络的微生物群落相互作用分析的一般过程。

尽管微生物群落在生态系统功能中的重要性已得到广泛证实。然而，关于塑造微生物群落组装的因素一直存在争议。传统上认为生态位分化和竞争等决定性因素主导着群落聚集。研究发现，环境条件、资源异质性和种间相互作用的变化对控制微生物群落结构很重要。然而，对所有环境变量的常规测量不足以解释微生物群落结构的变化。一些随机过程，包括优先效应、生态漂移(出生和死亡)和扩散限制，为形成微生物群落结构提供了额外的解释。这些中性理论直接挑战了传统的生态位范式，并在预测基本生态模式方面表现良好，包括物种-区域关系和物种丰度分布（图5）。

图5. (a)生物反应器中的群落组装分析结果。(b)生物反应器中微生物群落组装的分析过程。

结论与展望

生态力量在揭示和调节微生物群落中的作用在工程生态系统中得到了很大程度的认识，这进一步促进了我们对功能与微生物群落之间联系的认识;然而，仍有很多问题有待解决。例如，在不同功能的生物反应器(即去除C、N、P、S)中，哪些是必需的物种？尽管许多研究已经提供了关于各种系统中功能细菌的明显信息。然而，值得注意的是，功能多样性和相关群落的重要性也应该被考虑在内，因为我们在利用微生物之前需要知道的第一件事是who is there。此外，尽管关于全球污水处理厂群落多样性的最现实的信息最近被揭示出来，但我们对这些微生物的全部了解仅来自总微生物的0.001%。探索如此大量的微生物的行为是非常困难的，因此，在不同的系统中定义一个核心微生物组是迫切的，并且可以帮助揭示主要的特征贡献者。值得注意的是，多组学方法和合成群落生物学可能是将生态学理论与工程目标联系起来的有效工具。例如，代谢组学与分子生态网络分析相结合，可以获得真实可靠的微生物相互作用信息。微生物之间的正相关和负相关可以很好地反映代谢物分析得出的共生或竞争关系。此外，通过共现网络确定的关键物种在响应环境变量中的核心作用已得到广泛证明。使用宏基因组分类来关注关键或枢纽物种的作用，以及与它们相互作用最强烈的生物体，可以大大降低我们对整个群落信息的理解难度。同时，按需合成特定的微生物群落可以实现多种目标，包括验证种间关系，稀有物种的作用以及污染物的有效降解。

综上所述，过去十年工程生态系统的各种技术进步和突破离不开对微生物群落生态学和进化的探索。活性污泥系统在世界主要生境生物多样性中处于中等地位，为生物反应器不同功能的实现提供了一个物种资源库。尽管全球污水处理厂核心微生物组的确定为工程师提供了“most wanted”的微生物列表，但工程生态系统中罕见的生物圈的作用不容忽视。此外，微生物共生网络的应用获取了生物相互作用、关键物种和环境因素对群落影响的精确信息。对这些信息的验证可以迅速提高我们对复杂社区行为的理解，并可能激发对社区的精确监管。更重要的是，认识到生物和非生物因素在塑造微生物群落结构中的作用对于微生物群落的管理是必要的，因为微生物群落的随机性可能是不可控的。总之，微生物生态学和理论可能为工程群落提供新的见解，如何应用这些见解来增强工程系统的过程仍然是一个开放的挑战。