2025-11-30
东北师范大学环境学院霍洪亮课题组在Journal of Environmental Chemical Engineering发表题为“Metagenomics Reveals Microbial Community Metabolic and Functional Changes in Electroplating Washing Wastewater Treatment Systems Under Ultra-Long Operating Mode”的研究论文。微生物群落的结构、功能和代谢特性是影响污染处理中生物过程长期效率和稳定性的关键因素。本研究采用宏基因组技术，全面研究了在实际电镀清洗废水处理过程中，微生物多样性、结构和功能的变化。MPR达到稳定阶段后，COD、NH4+- N、TN和LAS的平均去除效率分别为98.34%、99.16%、95.32%和99.20%。一个高度韧性和代谢稳定的微生物群落逐渐形成，主要由Sphingopyxis和Dechloromonas属主导。代谢功能分析显示，在运行过程中，碳代谢和脂代谢途径明显增强，信号转导相关基因丰度增加，支持微生物协同高效降解。此外，三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化（OXPHOS）途径中的关键基因在稳定期得到富集。结果证明了MPR工艺在处理电镀清洗废水方面的高效性和可持续性。
本研究中的宏基因组测序和部分分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
研究亮点
揭示了电镀清洗废水处理过程中微生物结构和功能的变化。
通过MPR生物工艺实现了稳定的长期电镀清洗废水处理。
碳和脂质代谢增强，改善了复杂污染物的降解。
核心TCA和OXPHOS基因（sdhA、mdh）在稳定运作阶段丰度增加。
信号转导基因增强了微生物间的相互作用和稳定性。
研究方法
1、电镀清洗废水的特性
本实验所用电镀清洗废水的特点是高COD、低BOD、强碱性，电镀清洗废水的主要特性见表1。
2、反应器及运行方案
反应器如图1所示。污泥经筛分、过滤，然后以2 L/min的通气速率和22 ℃ ± 1 ℃通气24 h以恢复活性（在曝气过程中不添加基质）。随后将其接种到MPR生物工艺反应器中，将污泥浓度调节至约12000 mg/L。
采用好氧与厌氧交替的间歇运行方式，通过曝气与不曝气调节氧环境。每隔15 天采集一次水质和污泥样品，分析水质特征、MLSS、SVI、f，并显微镜下观察污泥特征。每隔30天测量胞外聚合物（EPS）、氯化2，3，5-三苯基四唑（TTC）还原速率、比摄氧速率（SOUR）和粒径。在每个循环的最后一天（第15天）在反应器内的不同空间位置进行多点取样。
图1 MPR反应器
3、宏基因组分析
活性污泥样品进行DNA提取和测序分析。使用MetaGeneMark进行基因预测以选择非冗余scaffolds，结合隐马尔可夫和ab initio 工具来预测蛋白质编码信息。使用ab initio 进行基因预测，并且基因功能注释主要基于KEGG数据库。
研究成果
1、污染物降解性能
图2（a）显示运行570天后，平均BOD/COD值保持稳定。在运行的前200天，平均出水COD和TN浓度波动较大，系统性能不稳定。运行210天后，出水COD和TN的平均去除率分别达到98.34%和95.32%，降解效率长期稳定保持。图2（c）显示对NH 4 +-N的有效去除。图2（e）显示系统中LAS的降解模式与COD的降解模式一致，表现出初始下降，随后增加和最终稳定。图2（f）显示超长运行模式下，MPR反应器能够实现电镀清洗废水的高效稳定处理，处理效果不受金属离子影响。
图2 MPR反应器在超长运行模式下的运行特性
2、污泥特性的变化
污泥浓度在实验过程中波动很大。MLSS先降后升然后稳定（图3a）。SVI（图3b）和f值（图3c）表现出相反的趋势。SEM（图3d、e和f）显示初始污泥具有松散的颗粒结构，在适应阶段，微生物分泌EPS，形成胶体层包裹细胞表面，系统进入稳定阶段后，污泥结构变得更致密。
图3 超长运行模式下的MPR反应器：（a）污泥MLSS、SVI和污泥f值的变化，（B）原始污泥的SEM图像，（c）第100天污泥的SEM图像，（d）第600天污泥的SEM图像
为了从污泥特性的角度综合评价微生物系统的性能，如图4（a-c）所示。EPS中蛋白质成分占主导地位，有利于形成更密集的蛋白质网络，这种结构增强絮体机械强度与抗剪切，并形成表面屏障，缓解有机物与重金属胁迫。如图4（d）所示，运行第1-480天，污泥粒径在42 - 52.13 μm之间波动，此时微生物群落处于适应阶段。
图4 超长运行模式下MPR反应器：（a）EPS变化，（B）TTC变化，（c）SOUR变化，（d）粒径变化
3、微生物群落和分类结构的动态变化
MPR电镀废水处理系统690 d运行期间的6个不同阶段：阶段I（原始污泥）、阶段II（微生物适应期，第180天），系统稳定处理期：阶段III（第300天）、阶段IV（第400天）、阶段V（第500天）和阶段VI（第690天）。
阶段I的Chao 1和ACE指数分别约为14368和14275，阶段II两项指数均下降，表明高浓度有机污染物和金属离子的抑制作用显著降低了群落多样性。随着系统运行，Chao 1和ACE指数分别上升并在第三至第六阶段保持稳定，表明群落多样性已明显恢复并趋于稳定。Shannon和Observed Species显示出相似的趋势，在阶段V这些指数达到最高值。PCA分析（图5 e）表明，在不同阶段样本点在二维空间中变得更加聚集，阶段V和VI的样本高度重叠，进一步证实了群落结构的动态平衡和稳定性。OTU Venn分析（图5 f）显示，在六个阶段中始终存在4890个OTU，形成核心微生物组。在阶段I至阶段III，独有OTU持续下降，在稳定期（阶段IV至VI），独有OTU数再次增加，这表明随着微生物的适应，微生物群落的多样性逐渐得到部分恢复。
图5. MPR反应器超长运行模式下的微生物群落特征
微生物分类组成结果显示在门水平上发生了显著变化（图6 a）。在属水平上（图6 b）黄杆菌的相对丰度从早期的0.53%下降到0.51%，而鞘氨醇菌的丰度在后期从0.14%增加到2.27%，鞘氨醇菌不仅在分解大分子有机污染物方面具有优势，而且对Zn和Al等重金属具有很高的耐受性。层次聚类分析（图6c）表明，在最初阶段，（阶段I ~阶段II）群落结构差异较大，随着系统运行进入中后期（阶段IV ~阶段VI），群落组成逐渐趋于一致，特别是在稳定阶段，群落相似性显著增加。
图6 超长运行模式下的微生物相对丰度
在系统的稳定期（阶段VI），基于门和属的数据构建微生物共现网络（图7a和B）。每个节点代表一个门或属，节点颜色对应于分类单位，节点大小反映了程度中心性。节点之间的连接表明相关性，其中棕色边表示正相关，绿色边表示负相关。通过Louvain算法将门级网络划分为四个主要模块。其中，变形菌门，拟杆菌门和绿弯菌门聚为碳代谢模块，酸杆菌和浮游菌门聚为有机物降解模块，其他模块通过负相关边表现出门间竞争关系。
图7 微生物关系网络（a）门水平（B）属水平
4、微生物系统的功能性状变化
宏基因组KEGG注释结果显示，“代谢”类功能基因最丰富（图8a），集中于能量、氨基酸与碳水化合物代谢，指示高有机物降解潜力。进一步探讨了超长运行模式下主要菌属对关键代谢功能的贡献，如图8b所示，鞘氨醇菌在整个运行过程中始终保持较高的碳水化合物代谢贡献，强调了其在有机质分解和利用中的持续作用。相反，伯克霍尔德氏菌在适应阶段对这一功能的贡献显着下降。但在稳定阶段，它的贡献逐渐恢复。此外，在阶段III，绿弯藻对碳水化合物代谢的相对贡献急剧增加，表明在该特定阶段，碳代谢相关活性增强。对于运输和降解，鞘氨醇菌也成为主要贡献者，这反映了其在物质运输和降解过程中的稳定和重要作用。就复制和修复而言，鞘氨醇杆菌属和假单胞菌属仍然是主要的贡献者，这表明鞘氨醇杆菌具有强大的DNA修复和复制支持，应对持续污染压力的能力。
图8 处于不同运行阶段的系统：（a）代谢功能的变化;（B）不同属对功能属性的相对贡献
系统能量代谢途径的变化为进一步阐明超长运行模式下电镀清洗废水处理系统微生物群落的适应机制，本研究基于KEGG数据构建了代谢途径图，通过宏基因组学分析了三羧酸（TCA）循环和氧化磷酸化（OXPHOS）相关关键基因的相对丰度变化（图9），结果显示超长运行模式下，TCA循环（sdhA、IDH3）和氧化磷酸化（ndh、coxA、atpA）关键基因丰度显著升高，增强能量代谢与氨基酸合成，支撑微生物群落适应高浓难降解废水，维持系统高效稳定。
图9 不同运行阶段代谢途径的变化：三羧酸（TCA）循环和氧化磷酸化（OXPHOS）关键基因的相对丰度
研究结论
本研究成功展示了MPR工艺在超长运行模式下对电镀清洗废水的高效处理能力，通过微生物群落结构演替和动态功能变化，形成了适应性强、代谢互补性强的微生物群落，保证了污染物去除的长期稳定性。代谢功能基因分析显示，碳代谢和脂代谢途径增强，信号转导基因丰度增加，强调了微生物协同作用在维持系统稳定性方面的重要性。
原文引用：Xuejian Sun, Qing Qiu, Fan Wang, Ji Wu, Dejun Bian, Hongliang Huo, Metagenomics reveals microbial community metabolic and functional changes in electroplating washing wastewater treatment systems under ultralong operating mode, Journal of Environmental Chemical Engineering, 2025, 13(4): 11737.,
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.117374
