论文标题：Rules governing general assembly of microbial communities in engineered biotreatment processes

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.06.041

微信链接：点击此处阅读微信文章

近日，天津大学环境科学与工程学院王灿教授团队在中国工程院院刊《Engineering》发表了题为“Rules governing general assembly of microbial communities in engineered biotreatment processes”的研究文章，通过对多种运行条件下生物反应器的微生物群落进行综合分析，揭示了工程化生物处理系统中微生物群落组装的调控规则，为理解工程生态系统中微生物群落演变机制及提升生物处理工艺性能提供了关键理论支撑与实践指导。该研究第一作者为天津大学环境科学与工程学院博士研究生王永超，王灿教授为通讯作者。

微生物群落组装对生态系统调控具有重要意义，然而在高强度环境干扰下，工程生态系统尤其是生物处理过程中微生物群落组装的演变规律，此前尚未得到充分认知。王灿教授团队针对这一科学问题展开深入研究，通过对不同运行状态下生物反应器微生物群落的系统分析，发现了微生物群落组装过程的核心调控机制。

图1 两组活性污泥工艺微生物群落组装随着时间的推移所发生的动态变化过程

研究表明，在无污染物选择压力或生物反应器稳定运行期间，微生物群落组装主要受随机过程主导。以活性污泥工艺为例，团队对连续监测 24 个月的数据进行分析发现，整个运行期间随机过程在微生物群落组装中占据主导地位，同时两组工艺的性能保持稳定且接近 100%。这一现象背后，生态漂变和均质扩散成为主导的组装模式，具体体现在微生物群落多样性演替中 —— 活性污泥工艺中微生物群落的 β 多样性呈现相似组成，正是源于均质扩散过程使得微生物群落持续趋向相似，并在时间维度上保持稳定的功能性能。

而当活性污泥进入初始驯化阶段时，确定性组装过程开始显现，且随着运行逐渐稳定，群落组装会再次向随机过程演替。更为关键的是，研究发现运行期间的环境扰动，如冲击负荷或胁迫等，会显著增加确定性过程对群落组装的相对贡献。团队通过实验验证了这一规律：对稳定运行的反应器添加胁迫因素后，确定性过程的相对重要性明显提升，导致异质选择过程出现，不过随后微生物群落组装会逐步恢复为随机过程主导状态，微生物群落差异与组装模式演替呈现出相似趋势。

图2. 单一环境扰动下生物反应器中微生物演替过程中群落组装的动态变化

在针对多重环境扰动的研究中，团队进一步证实，无论何种形式的环境扰动，都会增加生物反应器中确定性过程的相对重要性，而当群落适应扰动后，随机过程又会重新占据主导地位。例如，向稳定运行的反应器中添加氯苯胺后，确定性过程增强，该反应器的微生物多样性演替随之分为驯化、稳定运行的反应器和氯苯胺添加三个阶段。这一结果直接证明，无论特定环境扰动的类型如何，不同生物处理过程中确定性过程的相对重要性均会显著增加，随机与确定性过程的交替演替可能是多重环境扰动下群落组装的普遍模式。

图3. 多重环境扰动下生物反应器中微生物演替过程中群落组装的动态变化

值得注意的是，研究还建立了微生物群落组装过程与生物处理工艺性能之间的关联 —— 生物反应器的低性能状态通常与确定性组装过程相关，这一现象多源于驯化或环境扰动（如冲击或额外胁迫）；而稳定运行状态则对应着随机过程主导的群落组装，这一特征反映了微生物群落对操作条件变化的良好适应。

图4. 群落组装过程与生物处理工艺性能之间的潜在联系

为深入探究组装过程变化的潜在机制，团队通过比较微生物群落组装过程的差异发现，尽管生物处理过程通常为连续进料，但选择过程并非主导因素，相比之下，扩散过程的重要性显著高于其他过程（p < 0.05），其次是生态漂变。当环境扰动发生时，确定性组装过程表现得更为活跃，此时随机过程的相对重要性降低而确定性过程增加（p < 0.05），这一变化源于环境扰动引发的选择效应，提升了均质选择或异质选择的重要性。

基于多组不同条件和工艺类型的综合分析，团队借助零模型总结出生物处理过程中微生物群落组装的演替模式，并构建了一个揭示环境扰动、群落组装过程和工艺性能相互作用的概念模型。该模型显示，当环境扰动发生时，稳定的微生物群落会经历适应阶段，随后过渡到新的稳定状态。例如，正常运行的活性污泥工艺呈现随机过程主导的群落组装，与概念模型的预测一致；而经历单一环境扰动和多重扰动的不同工艺类型，则分别验证了模型中扰动对群落组装的干扰效应。这些来自不同条件和扰动机制的数据集，共同支撑了概念模型的科学性，并提供了有意义的生物学重复，为不同扰动下生物反应器通用规律的发展和应用奠定了基础。

图5.生物处理工艺中微生物群落组装的特定过程示意图

此次研究成果不仅阐明了生物反应器中微生物群落组装的通用机制，扩展了工程化生物处理系统微生物群落研究领域的现有认知，更建立了群落组装机制与生物反应器功能之间的联系，为通过调控微生物群落组装过程优化生物处理工艺性能提供了明确方向。未来，这一理论成果有望进一步指导工程化生物处理系统的设计与运行优化，推动环境污染生物控制技术的升级与发展。

图6. 污染物生物处理工艺中微生物群落的形成与演替概念模型

通讯作者王灿教授长期致力于微生物群落调控、恶臭生物处理技术研究，以创新环境（微）生物技术为核心，在恶臭与有机物控制领域开发了高效生物净化技术与工艺，研究成果已实现技术转化与工程应用；第一作者王永超博士研究生的研究方向为环境污染生物控制技术，入选首批中国科协青年人才托举工程博士生专项计划。

论文信息：

Yong-Chao Wang, Ya-Hui Lv, Ye Deng, Yu-Ting Lin, Guan-Yu Jiang, John C. Crittenden, Can Wang, Rules governing general assembly of microbial communities in engineered biotreatment processes, Engineering, 2025

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.06.041

更多内容

哈工大揭示氨对正己酸生产影响的机制——影响途径、关键酶和微生物

微生物固碳技术助力水泥行业碳减排，钢渣高值化利用迎来创新的解决方案

西湖大学鞠峰团队构建新型微生物组提升污水处理脱氮除磷效能

福州大学汪少芸团队：微生物源性抗菌肽在可持续农业中的生物前景

Engineering征稿启事：人工智能赋能工程科技