《Water Research》：Metatranscriptomics reveals system-specific viral adaptive strategies and prokaryotic defense trade-offs across anaerobic digestion systems
编辑推荐：
厌氧消化系统类型差异导致病毒生态与宿主互作模式分化，干式系统呈现病毒-原核生物多样性解耦、高溶原性及集中感染特征，湿式系统则显示均匀的病毒宿主网络及vAMG功能分化，为工艺优化提供机制依据。
夏谷|余平峰|段旭|陈菊红|周永全|建启伟|黄曼虹|薛刚|李翔
华东大学环境科学与工程学院，上海，201620，中国
摘要
病毒越来越被认为是厌氧消化（AD）系统中微生物群落动态的关键调节因子，但它们在不同AD工艺类型中的生态作用仍不甚明了。在这里，我们通过整合的宏转录组学和宏基因组学研究了三种全规模食物垃圾处理系统中的病毒生态，这些系统代表了三种主要的工艺类型——干式AD（Dry-AD）、湿式AD（Wet-AD）和两阶段湿式AD（2St-wet-AD）。我们共发现了4404个病毒操作分类单元（vOTUs）和206个宏基因组组装基因组（MAGs）。干式AD表现出独特的病毒-原核生物多样性脱钩现象，溶原体比例较高（48.7% vs. 湿式系统的22.1%-26.5%），以及转录活跃的微生物群落减少（病毒：65.5% vs. 湿式系统的89.4%和80.7%；原核生物：76.9% vs. 湿式系统的94.5%和86.3%）。比较分析显示，病毒的系统特异性更强（55.4%的vOTUs为系统特有），而原核生物的系统特异性较低（30.6%的MAGs为系统特有）。病毒-宿主网络在干式AD中表现出高度集中的感染模式，基于转录的病毒-宿主比例（VHR）不均匀（Clostridia：18.28 vs. Methanomicrobia：0.15），而在湿式系统中比例较为均匀（约1.0）。转录组分析首次提供了系统特异性抗病毒防御策略的定量证据：湿式AD的防御基因转录活性最高（3833 TPM），干式AD的防御转录活性降低（2614 TPM），而两阶段湿式AD的防御转录活性最低（2455 TPM）。功能注释显示，病毒辅助代谢基因在不同工艺类型中表现出不同的转录模式：在干式AD中增强宿主抗逆性，在湿式AD中促进营养吸收，在两阶段湿式AD中提高代谢效率。这些发现表明，病毒在不同AD工艺类型中扮演着不同的生态角色，为开发针对特定系统的优化策略提供了机制上的见解。
引言
厌氧消化（AD）是一种将有机废物转化为可再生能源的关键技术，它通过共生微生物网络实现这一转化（Saha等人，2020年）。该技术广泛应用于市政废水处理、农业废弃物管理和食物垃圾处理（段等人，2025年）。根据原料总固体（TS）含量和反应器配置，工程化的AD系统通常被分为三种主要类型：干式AD（TS ≥15%），用于处理高固体含量的有机废物；湿式AD（TS <10%），利用混合良好的液体浆液；以及两阶段湿式AD，通过顺序水解-酸生成和甲烷生成反应器实现相分离（唐等人，2023年；王等人，2023年）。这些不同的配置创造了截然不同的物理化学环境——从干式系统中的明显底物和代谢物梯度到湿式系统中的相对均匀条件（Miryahyaei等人，2019年；王等人，2023年）。大量研究表明，这些工艺类型中原核生物群落的组装和功能特化存在差异（De Vrieze等人，2021年）。然而，尽管病毒作为关键的微生物调节因子受到了越来越多的关注，但它们在AD系统中的工艺特异性生态作用仍不甚明了。
病毒作为原核生物的专性寄生体，通过宿主细胞裂解、水平基因转移以及辅助代谢基因（AMGs）的代谢重编程来调节原核生物群落，从而影响工程化生物系统的稳定性和性能（Fan等人，2023b；Guo等人，2025年；Yuan和Ju，2023年）。新兴证据表明，空间和化学异质性——区分AD工艺类型的关键特征——可以通过多种机制从根本上塑造病毒生态。物理空间结构决定了自然土壤和工程化废水处理系统中病毒群落结构和感染网络拓扑（Durham等人，2022年；Wang等人，2024年），而垂直化学梯度则改变了地下水中的病毒-宿主群落分布（Gios等人，2024年）。此外，环境梯度可以选择性富集功能特异的病毒AMGs，例如在受污染土壤中，与有机污染物梯度相关的vAMGs富集（夏等人，2023年）。鉴于不同AD工艺类型之间的显著物理化学梯度，我们假设病毒群落的组装、生活史策略、感染动态和vAMG表达模式表现出与不同环境条件相对应的工艺特异性特征，但这方面仍有许多未知之处。填补这一知识空白对于利用病毒-宿主动态开发针对特定系统的优化策略至关重要。
原核生物的抗病毒防御系统对于通过抵抗病毒感染和噬菌体诱导来维持群落稳定性至关重要（Huang等人，2025年；Zhang等人，2025年）。在AD系统中，病毒不仅数量庞大（10?–10? VLPs/mL），还显著影响细菌群落结构，占观察到的组成变异的41%（Zhang等人，2017年），但关于AD系统中抗病毒防御的分布和功能作用知之甚少。防御机制的部署涉及内在的代谢权衡，因为过度投入会分散细胞资源，影响其对环境压力的抵抗力（Huang等人，2025年，2023年）。鉴于AD系统中不同的化学压力因素——包括干式AD中氨（NH??）和挥发性脂肪酸（VFAs）的积累——原核生物可能会采取不同的防御-代谢权衡策略，以平衡抗病毒保护和代谢效率。此外，过于强大的防御系统可能会限制通过水平基因转移获取有益的AMGs。是否存在这种特定于系统的防御策略，以及它们如何与不同AD工艺类型的病毒群落动态相关，目前尚不清楚。阐明这些防御策略对于理解控制微生物适应性的基本机制以及制定针对特定系统的干预措施以增强系统稳健性至关重要。
为了解决这些知识空白，我们对三种全规模食物垃圾AD系统进行了整合的宏基因组学和宏转录组学分析，这些系统代表了三种不同的工艺类型（图1）：干式AD（Dry-AD）、湿式AD（Wet-AD）和两阶段湿式AD（2St-wet-AD）。我们的目标是：（i）描述不同AD工艺类型中的病毒群落组装、生活史策略和病毒-宿主动态；（ii）研究特定于工艺的vAMG表达；（iii）阐明不同工艺类型中的原核生物抗病毒防御策略。这项研究将加深我们对不同工艺配置下工程化AD系统中病毒生态的理解，为制定特定于工艺的优化策略提供机制上的见解。
样本收集
样本来自中国上海三家食物垃圾AD工厂中的三个稳定、全规模连续搅拌罐反应器（CSTRs），这些反应器作为甲烷生成反应器使用。这些CSTRs代表了不同的AD工艺类型：干式AD、湿式AD和两阶段湿式AD。所有生物反应器均稳定运行了两年多。采样时间从2021年10月持续到12月。为了确保代表性，将每个反应器内不同位置的样本合并，得到了九个复合样本
干式AD系统中独特的病毒-原核生物多样性脱钩现象
宏基因组分析共发现了4404个vOTUs和206个MAGs（表S3和S4）。vOTU的基因组大小范围从5 kb到858.9 kb不等，其中14个vOTU的大小超过200 kb（图S1）。AD病毒组显示出显著的新颖性，只有12.9%的vOTUs与已知病毒相似（图S2）。Caudoviricetes在所有系统中占主导地位（59.7%–76.1%），而Megaviricetes（其特征是较大的基因组和病毒颗粒，Talbert等人，2023年）在湿式系统中更为普遍（4.6%–5.6% vs. 干式系统的1.5%）（图
结论
我们对三个全规模AD系统的整合宏基因组学和宏转录组学分析揭示了病毒群落结构、病毒-宿主相互作用和vAMG表达的显著差异。干式AD表现出病毒-原核生物多样性的脱钩以及更集中的病毒-宿主感染网络，而湿式系统则显示出更分散的相互作用模式。病毒的系统特异性更强，这支持了它们作为
补充数据
样本详情和反应器属性、测序数据访问号、vOTU和MAG的特征及丰度、集成数据集分析、甲烷代谢基因表达、宿主预测详情、原核生物防御系统以及病毒编码的辅助代谢基因的功能注释（表S1-S9）（xlsx）。
数据可用性
评估本文结论所需的所有数据均包含在正文中和补充材料中。原始DNA和RNA序列数据已分别存储在中国国家生物信息中心（CNCB）的BioProject数据库中，访问号为PRJCA043717和PRJCA043584。
CRediT作者贡献声明
夏谷：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、可视化、验证、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。余平峰：撰写 – 审稿与编辑、方法论。段旭：撰写 – 审稿与编辑、软件。陈菊红：撰写 – 审稿与编辑。周永全：调查。建启伟：撰写 – 审稿与编辑。黄曼虹：撰写 – 审稿与编辑。薛刚：撰写 – 审稿与编辑。李翔：撰写
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52570149）的支持。
