《Environmental Technology & Innovation》：Ecological fate of influent-derived microorganisms in activated sludge and membrane biofilms treating actual sewage revealed by DNA/RNA sequencing and growth-rate analysis
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摘要：进水源性微生物对膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)中活性污泥(Activated Sludge, AS)及膜生物膜群落的影响尚不清楚。本研究综合评估了在中试规模缺氧/好氧MBR（运行温度约10 °C）处理实际污水时，进水源性
摘要：进水源性微生物对膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)中活性污泥(Activated Sludge, AS)及膜生物膜群落的影响尚不清楚。本研究综合评估了在中试规模缺氧/好氧MBR（运行温度约10 °C）处理实际污水时，进水源性微生物的作用。研究人员整合了基于DNA和RNA的16S rRNA测序与基于质量平衡法的生长速率估算，以评估微生物群落结构、代谢活性及种群净增长。Beta多样性分析显示进水与AS群落存在部分相似性，尤其在第一阶段(Phase 1)的基于RNA数据中，表明进水源性类群具有瞬时活性。生长速率分析表明61–68%的类群呈负生长速率，说明许多进水优势微生物未在AS内增殖；相反，部分进水稀有类群呈正生长速率，暗示其成功适应了AS环境。rRNA/rDNA比值与生长速率的联合分析揭示了以下三类的共存：(i)活跃生长种群，(ii)代谢活跃但无净增长的种群，以及(iii)正在衰减的进水依赖型种群。生物膜群落与AS群落高度相似，表明生物膜形成主要由AS源性微生物驱动；但鉴定出一组仅共同存在于进水和生物膜中的类群，暗示进水微生物对生物膜形成存在选择性附着及部分贡献。这些发现深化了对长污泥龄MBR系统中进水微生物生态归宿及低温条件下生物膜发育机制的理解。
论文解读：《Environmental Technology》——实际污水MBR中进水源性微生物在活性污泥及膜生物膜中的生态归宿研究
本研究针对膜生物反应器(Membrane Bioreactor, MBR)处理实际市政污水时，进水源性微生物(influent-derived microorganisms)对活性污泥(Activated Sludge, AS)群落及膜生物膜(membrane biofilm)构建的具体影响尚不明晰这一问题展开。尽管已有研究关注活性污泥微生物对膜污染(membrane fouling)的作用，且传统活性污泥(Conventional Activated Sludge, CAS)系统中进水微生物的影响结论不一，但在具有长污泥停留时间(Sludge Retention Time, SRT)的MBR中，进水微生物是否会定植、增殖或被洗出，及其对膜生物膜的贡献尚缺乏基于DNA（总生物量）与RNA（代谢活性）联合生长速率分析的定量研究。因此，研究人员在中温（约10 °C）条件下运行缺氧/好氧MBR，通过整合rDNA（16S rRNA gene）与rRNA（16S ribosomal RNA）测序及质量平衡生长速率模型，明确了进水微生物在MBR系统中的生态命运（衰减、定植或瞬时活性），并阐明了膜生物膜主要由AS源性微生物构成但含少量选择性进水微生物附着的组装机制。
主要关键技术方法：
研究人员在长冈市中央污水处理厂采集实际市政污水作为进水，运行有效体积40 L（缺氧池20 L + 好氧池20 L）的中试缺氧/好氧MBR，水力停留时间(Hydraulic Retention Time, HRT) 7 h，好氧池混合液悬浮固体(Mixed Liquor Suspended Solids, MLSS)维持11000–12000 mg L-1，运行温度约10 °C，分两阶段(Phase 1: 2023年11月–12月；Phase 2: 2024年1月–4月)采样。分别提取进水、AS及膜表面生物膜(Biofilm, BF)的DNA（DNeasy PowerSoil Pro Kit）和RNA（RNeasy PowerFecal Pro Kit，反转录为cDNA），对16S rRNA基因V4区（引物515F/806R）进行Illumina iSeq 100测序，QIIME2平台基于SILVA 138数据库进行OTU（Operational Taxonomic Unit，操作分类单元）聚类（99%相似度）及注释。采用Bray–Curtis距离进行Alpha/Beta多样性分析及PERMANOVA检验；基于质量平衡法（稳态假设、一级动力学）计算各OTU的生长速率常数(k)，并结合rRNA读段数与rDNA读段数之比(rRNA/rDNA ratio)评估代谢活性状态。
3. Results（结果）
3.1. Reactor performance（反应器运行效能）
MBR在低温下保持稳定运行，Phase 1与Phase 2的化学需氧量(CODCr)去除率均为85.9%，总氮(TN)去除率分别为72.1%和69.2%，五日生化需氧量(BOD5)去除率>97%。表明系统在低温实际污水处理中具良好效能。
3.2. Microbial community composition（微生物群落组成）
门水平，AS中DNA分析以Pseudomonadota（变形菌门）、Bacteroidota（拟杆菌门）为主，RNA分析Pseudomonadota占比更高（>54%），并检出Myxococcota（粘细菌门）；进水中Bacillota（厚壁菌门）在DNA中丰度较高但RNA中较低。属水平，AS中DNA以Acidovorax、AKYH767为主，RNA以Azonexus、Candidatus Accumulibacter及Acidovorax为主；生物膜与AS组成高度相似。进水中RNA活跃类群为Rivicola（Phase 1）及Pseudarcobacter/Arcobacter（Phase 2）。
3.3. Comparative analysis of the microbial community structure（微生物群落结构比较分析）
PCoA显示AS与进水明显分离（R2=0.274, p=0.001），RNA与DNA群落亦分离；Phase 1中进水与AS基于RNA数据的相似度高于DNA，提示部分进水微生物具短暂活性。Venn分析表明AS与生物膜共享大量OTU（DNA: 68–73%；RNA: 71–75%），而进水与AS共享OTU有限（Phase 1 RNA: 69.5%；其余<27%），说明MBR对进水微生物具选择性截留。
3.4. Growth-rate analysis（生长速率分析）
Phase 1中67.8%的OTU呈负生长速率(k<0)，包括肠道相关菌Collinsella、Megasphaera（k<-1 d-1）及Bifidobacterium、Trichococcus（0>k>-1 d-1），说明多数进水优势菌无法在AS中增殖而衰减；32.2%呈正生长速率，含AS优势菌AKYH767、Acidovorax等。Phase 2中61.3%呈负生长速率，38.7%呈正生长速率（含Haliangium、Acidovorax）。表明进水丰度高的类群多不能定植，而少数进水稀有类群可适应并增殖。
3.5. rRNA/rDNA ratios（rRNA/rDNA比值）
计算相对丰度>2% OTU的rRNA/rDNA比值。Acidovorax在进水中低活性而在AS中高活性；Rivicola在进水中高活性。约70% rRNA/rDNA>1的OTU呈负生长速率，证实代谢活性与净种群增长脱耦——部分微生物可在AS中保持生理活跃但不发生净增殖。
4. Discussion（讨论部分总结）
AS中主要类群（Pseudomonadota、Bacteroidota、Actinobacteriota、Myxococcota）功能符合典型污水脱氮除碳及胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)分泌特征。低温下耐冷菌Rhodoferax在Phase 2增多。Beta多样性中Phase 1 RNA数据进水–AS较近，反映进水微生物短期影响AS动态。生长速率与进水丰度负相关：多数进水优势菌衰减，少数稀有菌（如Acidovorax）正增长并适应AS，说明物种特异性生理性状决定其在MBR中的定植成败。约70%高rRNA/rDNA比值的类群k值为负，提示rRNA/rDNA应作为生理状态指标而非生态成功指标，需结合生长速率解读。MBR因长SRT使进水微生物滞留更久，负生长类群比例高于CAS报道值。负生长类群虽衰减仍可能通过瞬时活性或生物量贡献于絮体及生物膜结构。
膜生物膜主要源自AS微生物附着（高OTU重叠度），但鉴定出仅共存于进水和生物膜的特定类群（Phase 2含Pseudomonas、Undibacterium RNA阳性），说明进水微生物经选择性附着与局部活性可对生物膜形成产生部分贡献；多数仅DNA检出者可能为物理截留的死细胞参与凝胶状生物膜构建。
研究局限含低温季节运行、实际污水多变量耦合、基于相对丰度的质量平衡近似及未涵盖真菌/真核生物，未来建议绝对定量、周年观测及宏基因组/ITS扩增子联合分析。
5. Conclusions（结论翻译）：
据研究人员所知，本研究首次通过整合DNA与RNA分析及生长速率估算，综合评价了低温MBR中进水微生物对AS及膜表面生物膜的影响。AS内共存三类微生物：(i)适应AS并生长的种群，(ii)具代谢活性但无净增长的种群，(iii)系统内衰减的进水依赖型种群。这表明因长SRT延长了进水源性类群滞留，MBR中进水微生物的影响较CAS更明显。此外，生物膜群落与AS高度相似，主要由AS源性微生物驱动膜生物膜形成；然而亦检出仅共存于进水与生物膜的类群，提示进水微生物对生物膜形成具部分贡献。这些发现为理解MBR中生物膜形成机制及膜污染发展提供了新见解。
