《Journal of Water Process Engineering》：Municipal effluent alters molecular signatures of DOM-microbial interactions in receiving river
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本研究利用傅里叶变换离子回旋共振质谱和高通量测序技术，分析市政污水处理厂尾水排放对下游河流DOM分子组成及微生物群落的影响。发现尾水显著增加硫-containing DOM（CHOS、CHONS）和单宁比例，与微生物群落呈现显著负相关，并在下游约1.5公里处形成以氮磷硫代谢为核心的代谢热点。该研究为污水厂升级和生态安全评估提供了理论依据。
陈培培|叶建峰|孙欣|魏青|张文灿|胡峰|袁展展|张静怡|徐祖鑫
中国上海同济大学环境科学与工程学院污染控制与资源再生国家重点实验室，邮编200092
摘要
尽管现代污水处理厂（WWTPs）能够有效去除各种污染物，但市政污水中残留的难降解溶解有机物（DOM）仍会通过排水系统进入环境，对受纳水体构成潜在威胁。微生物群落对污水的影响表现出敏感反应，但其相互作用机制尚不清楚。本研究采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）和高通量测序技术，分析了受纳河流中DOM的分子组成及微生物群落的变化。研究发现，市政污水向受纳河流中释放了更高比例的含硫DOM（CHOS, CHONS）和单宁：市政污水中的CHOS+CHONS占比（19.29% + 7.63%）约为上游水体W1的2.2倍（8.79% + 3.21%），而单宁含量从W1的1.41%增加到污水中的6.63%，增加了4.7倍。这些成分与多种微生物呈显著负相关。与氮、磷和硫代谢相关的特定功能细菌群的丰度及其酶活性增加，在排放点下游约1.5公里处形成了一个代谢热点。此外，市政污水的排放使DOM的转化路径从碳汇途径（+CHO）转变为降解途径（-CH, -CHO）。本研究首次在分子水平上分析了受纳河流中DOM的分子组成变化及其生态影响，为污水处理厂的安全生产和升级提供了理论依据。
引言
随着全球水资源短缺问题的加剧，市政和工业废水已成为干旱至半干旱地区河流基流的主要组成部分[1]、[2]。尽管现代污水处理厂（WWTPs）能够有效去除多种污染物，但排放的市政污水仍含有大量难降解溶解有机物（DOM）和营养物质[3]。作为环境介质中的活性化学成分，DOM直接调控污染物的迁移和转化，以及它们的生物可利用性和毒性[4]。进入受纳河流后，残留的DOM会对生态系统构成生态威胁。水生生态系统中的微生物群落对污水排放引起的环境压力极为敏感，常被视为关键的生态指标[5]。然而，两者之间的相互作用核心机制尚不明确，限制了我们对这一人工-自然系统界面生态过程的精确预测和管理[6]。
接收市政污水的河流通常被视为污水处理厂的延伸，充当人工系统与自然系统之间的过渡带[7]。DOM是微生物生存的主要能量和碳源，驱动整个生态系统的能量流动和物质循环[8]、[9]。微生物群落通过分泌胞外酶选择性地降解DOM大分子，将其转化为可利用的小分子。相反，DOM的分子特性通过资源分配机制深刻影响微生物群落的结构和功能潜力[10]。多项研究表明，微生物群落多样性与DOM化学多样性之间存在高度协同的进化关系，共同塑造了生态系统功能[11]、[12]。然而，关于市政污水接收河流中DOM分子特性与微生物群落之间机制的研究较少。在当前碳封存和水资源短缺的双重挑战下，深入理解污水DOM的分子转化机制及其生态影响对于评估污水处理厂升级的必要性及制定可持续水资源管理策略至关重要。
目前对河流对人类活动响应的动态机制理解仍有限，阻碍了河流碳循环和生态功能的准确评估。传统分析方法通常只能提供DOM的整体功能组信息或粗略的成分分类，难以在分子水平上揭示复杂混合物中数千种特定化合物的组成特征和转化途径[13]、[14]。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）凭借其超高分辨率、高精度以及适用于复杂样品分析的优势，为探索DOM分子转化机制提供了新方法[15]。河流中的DOM来源于流域输入、本土产生和人为来源的混合，但污水DOM与受纳河流中微生物生态响应之间的分子层面联系尚未完全阐明[16]、[17]、[18]。尽管河流DOM的来源和总体特征已得到广泛研究，但在将分子层面的DOM组成和转化途径与微生物群落变化及功能潜力联系起来方面仍存在重要空白，尤其是在接收市政污水的河流中。具体而言，目前尚不清楚污水中的难降解DOM成分如何在受纳河流中重新分布和转化，以及哪些生化反应特征伴随这些空间变化。
为揭示污水如何影响河流中DOM的分子转化和生态功能，本研究选取了一座代表性污水处理厂及其受纳河流。系统地从尾水排放区、上游控制区和下游区采集了水和沉积物样本。通过结合FT-ICR MS和分子生物学技术，从DOM分子组成和微生物群落结构两个维度分析了尾水排放对受纳河流的影响。研究重点在于探索微生物群对外源DOM输入的适应性演化和响应机制，旨在阐明DOM分子特性与微生物群落演替之间的相互作用，为未来污水处理厂的排放管理和受纳水体的生态风险控制提供理论支持。
样本采集
样本采集
上海松江西水环境净化有限公司位于上海市松江区小昆山镇沈楼村。该厂的出水水质符合中国A类污水排放标准（GB 18918-2002）。污水排放至周边的悠墩河。本研究在河流沿线选取了六个采样点，分为三个区域：W1/S7为上游区域，W2/S8和W3/S9为排放区域，W4/S10、W5/S11和W6/S12为
受纳水体-沉积物中DOM的分子组成
受纳水体样本中检测到的DOM分子种类数量在4550至6130种之间。按元素组成分类，DOM主要由CHO（43.06%–47.00%）和CHON（33.67%–38.59%）组成，其次是CHOS（8.79%–14.26%）和CHONS（3.21%–5.53%）（图S2a）。VK图谱展示了W1-W6样本中的分子分布（图1）。根据H/C和O/C比值，化合物被分类为蛋白质、脂类、木质素、不饱和烃、碳水化合物和单宁等
结论
本研究系统分析了污水处理厂排放对受纳水体中DOM分子组成及生态响应机制的影响。主要结论如下：与天然水体相比，污水中含有更高比例的含硫有机化合物（CHOS, CHONS）和单宁，这些成分与微生物的丰度呈负相关。污水输入使微生物组装过程从随机状态转变为确定性过程
作者贡献声明
陈培培：撰写 – 原稿撰写、可视化处理、方法学设计、数据分析。叶建峰：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、方法学指导。孙欣：撰写 – 审稿与编辑、实验设计。魏青：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、数据分析。张文灿：撰写 – 审稿与编辑。胡峰：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。袁展展：撰写 – 审稿与编辑。张静怡：撰写 – 审稿与编辑。徐祖鑫：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了云南省科技人才与平台计划（项目编号：202505AT350002-4）的支持。
