确定性选择的稀有类群驱动饮用水生物活性炭滤池群落组成变化

《Environmental Microbiome》：Deterministically selected rare taxa drive changes in community composition in drinking water biological activated carbon filters

　　本研究针对生物过滤性能不一致的工程难题，通过高分辨率时空分析，揭示了饮用水生物活性炭(BAC)滤池启动初期微生物群落的组装动态。研究发现生物量积累呈现增长与衰减交替的非线性特征，且变化主要由稀有类群驱动。早期优势类群通过随机过程定殖并持久存在，而稀有类群则受滤池环境确定性选择，是驱动生物量和多样性变化的关键。该研究为通过调控微生物群落优化生物滤池性能提供了新的生态学见解。

　　

在追求可持续水处理的全球背景下，生物过滤技术以其低能耗、多效益的优势备受青睐。然而，这项颇具潜力的技术却长期受困于一个核心难题：其性能表现不稳定。究其根源，生物滤池内部复杂的微生物动态，尤其是启动初期群落的建立过程，如同一只“黑箱”，使得人们难以预测和调控其功能。传统的研究多聚焦于成熟的、大规模的滤池，或关注季节性和预处理对群落的宏观影响，对启动初期微生物群落如何在高时空分辨率下进行精细演替，仍缺乏深入认知。此外，绝大多数研究依赖于相对丰度数据来描述微生物动态，这在总生物量随时间波动剧烈的生物滤池环境中，可能掩盖了各分类单元绝对数量的真实变化规律。正是为了揭开这层迷雾，由Dominic Quinn等人组成的研究团队在《Environmental Microbiome》上发表了他们的最新研究成果。

为了精准刻画生物滤池启动初期的微生物群落组装动态，研究团队设计了一套包含12个实验室规模滤池的精密系统。这些滤池以PE80管构建，内装90厘米厚的颗粒活性炭(GAC)床层，用以模拟实际饮用水处理厂中生物活性炭(BAC)滤池从启动到运行162天（约六个月）的完整过程。滤池以经过预过滤的苏格兰Patsehill水库原水作为进水，并严格控制水力负荷率(HLR)和空床接触时间(EBCT)等关键运行参数。研究的关键技术方法主要包括：利用腺苷三磷酸(ATP)分析和定量聚合酶链式反应(qPCR)对滤料和水中微生物进行绝对定量；通过质量平衡计算评估滤池内生物量的净增长与衰减；应用16S rRNA基因扩增子测序（V4/V5区）解析微生物群落结构；并创新性地结合核心微生物组分析与斯隆中性群落模型，以区分随机性和确定性过程在群落组装中的作用。

3.1: 滤床生物量增长表现为增长和衰减交替的阶段

研究发现，滤池中的总生物量在162天的运行期内整体呈上升趋势，但并非线性增长，而是经历了明显的增长与衰减交替阶段。

质量平衡计算表明，在第34天至第62天期间，生物量增长速率最高，每日净增约6.54x10⁸个新细胞，此为“增长期”。而在此之后（第62天至第162天），则进入“衰减期”，出现净细胞损失。值得注意的是，物种丰富度在增长期并未显著增加，直到衰减期才出现显著上升。此外，微生物群落呈现出强烈的空间分层现象，79%(±2.7%)的生物量集中在滤床顶部15厘米处，底部90厘米处的生物量比顶部2厘米处低36.5倍。随着时间推移，滤床底部群落的相似性逐渐增加。

3.2: 生物量和多样性的变化由稀有类群驱动

通过将16S rRNA测序的相对丰度数据与qPCR绝对定量数据相结合，研究人员得以在绝对丰度层面审视群落动态。他们定义了20个最丰富的扩增子序列变异(ASV)为优势类群，这些类群在启动初期（第34天）即已出现，并在整个实验期间持续存在，其相对丰度占比在20%至80%之间。在增长期（第34-62天），这些优势类群的绝对数量增加了140%。然而，在随后的衰减期，优势类群的绝对数量保持稳定甚至略有下降（减少25%），而稀有类群（即非优势类群）的绝对数量却持续显著增加（在第62-162天间增加了131%）。微分丰度分析进一步揭示，在衰减期发生显著对数倍变化的ASV数量远多于增长期，且这些发生显著变化的ASV绝大多数属于稀有类群。这表明，驱动生物量后期变化和群落多样性增加的主要是稀有类群。

3.3: 核心群落的时间变化由确定性选择的稀有类群驱动

对生物量最集中的滤床顶部（0-15厘米）进行核心微生物组和中性模型分析，鉴定出160个在整个实验期间持续存在的核心ASV。

分析发现，核心群落中的优势类群（前20名ASV）大多（约80%）是通过随机性过程从进水中定殖而来，并且在滤池环境中多为中性或处于劣势。相反，核心群落中的稀有类群则有更高比例（38%）被鉴定为受确定性选择优势的类群，即它们在该环境中的出现频率显著高于中性模型的预测。将运行前34天的进水“接种群落”与第34天滤床的核心群落进行比较，发现早期定殖的优势类群主要来源于进水，并在滤床初期通过随机性过程建立。这一切证实，早期优势类群的建立是随机的，而稀有类群的周转则更多地受到滤床内部确定性环境选择的塑造。

本研究结论部分深刻阐述了其发现的意义：生物滤池微生物群落的组装是一个动态过程，由早期随机定殖并持久存在的优势类群和后期受确定性选择驱动周转的稀有类群共同塑造。优势类群形成了一个稳定的核心，但其绝对数量在后期保持稳定，不再驱动生物量增长；而稀有类群的获得与丢失，则是驱动生物量变化和多样性增加的关键力量。这一发现改写了我们对生物滤池微生物动态的认知，强调了在评估微生物功能时，必须超越相对丰度的视角，关注绝对丰度的变化。讨论部分将这一模式置于更广泛的工程微生物生态系统背景下，指出在活性污泥和生物反应器等系统中也观察到类似规律，即稀有类群往往确定性组装并支撑系统功能。这为通过干预稀有类群的确定性选择过程来优化生物滤池性能提供了全新的理论依据和工程策略。例如，可以考虑早期接种特定的功能菌群形成稳定核心，同时通过调控运行参数（如碳源类型、水力条件）来创造有利于目标稀有类群生长的选择性环境。当然，该研究基于DNA的分析也留下一个悬念：那部分数量稳定的优势类群中，是否含有已失去活性的遗留DNA？未来研究结合转录组学或活性检测技术，将能更清晰地分辨出群落中真正的功能贡献者，从而更精准地指导生物滤池的微生物调控，推动可持续水处理技术的发展。