利用流式细胞术指纹图谱技术对污水处理过程中活性污泥微生物组中组成和功能变化的单细胞分析

《Environmental Science & Technology》：Single-Cell Profiling of Compositional and Functional Shifts in the Activated Sludge Microbiome during Wastewater Treatment using Flow Cytometric Fingerprinting

　　微生物群落组成与功能动态分析在活性污泥系统中具有关键作用。本研究采用流式细胞术结合SYTO9、CFDA和BONCAT染色技术，在明尼苏达州某污水处理厂春季运行周期中，通过每30分钟采集样本，系统解析了不同反应阶段（静置填充、好氧反应、混合填充、沉淀）的微生物群落组装机制。结果表明，SYTO9 FCM与16S测序数据高度吻合，显示>72.22%的极端均质化扩散主导组装过程，而BONCAT技术更精准地揭示了活性差异，在沉淀阶段同时存在55.56%极端均质化扩散和33.33%扩散限制两种机制，验证了FCM即时监测技术的诊断价值。

　　

了解微生物群落的组成、功能及其相应的组装机制对于维持活性污泥系统的水处理性能至关重要。在本研究中，采用了多种细胞染色技术结合流式细胞术（FCM）来分析序批式活性污泥系统中微生物群落的组装模式。样本采集自美国明尼苏达州北部一家全规模污水处理厂，在一个完整的反应周期内每隔30分钟进行一次采样，时间选在春季。所使用的染色方法包括SYTO9、羧基荧光素二乙酸酯（CFDA）和生物正交非典型氨基酸标记（BONCAT）。SYTO9 FCM分析与16S rRNA基因序列数据的分析结果一致，均表明微生物群落的组装过程主要受到极端均质化扩散（>72.22%）的支配。与CFDA相比，BONCAT FCM分析更能有效反映微生物群落活动的变化：在静态填充阶段（100.00%）和好氧反应阶段（96.30%），极端均质化扩散占主导地位；而在混合填充阶段（100.00%），扩散限制是主导因素。在沉淀阶段，极端均质化扩散（55.56%）和扩散限制（33.33%）这两种因素共同决定了微生物群落的组装。我们的研究结果表明，FCM分析作为一种诊断工具，对于实时监测活性污泥系统的运行性能具有重要意义。