主要内容

1.OHO组合中的微生物群落及其功能

细菌群落的组成对污染物的生物降解非常重要，因为病毒-细菌相互作用是影响细菌生理活动的关键因素。通过16S rRNA基因测序，在三个生物反应器中检测到3,888个OTU。使用OTU计算的α-多样性指数评估微生物多样性，生物反应器O1的α-多样性指数明显低于其他两个反应器，表明O1在高浓度和有毒CWW污染物下形成了较为简单的细菌群落。

宏基因组分析显示，OHO生物反应器中细菌占主导地位，其相对丰度为80.42%。在门水平上，Acidobacteriota、Bacteroidota和Ignavibacteriae在CWW处理过程中占优势（图1a），其中酸杆菌门和变形菌门被报道具有去除有机物和氮的能力。在属水平上，分类了14个主要属（图1b），Thauera和Immundisolibacter是O1中占主导地位的芳香族化合物和多环芳烃降解细菌。在H生物反应器中，Nitrosomonas和Nitrospira是进行完全硝化的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌。O2中，Thauera、Tepidiphilus和Thiobacillus与降解有机难降解化合物有关。

细菌功能分布基于KEGG数据库，主要代谢途径包括氨基酸、碳水化合物、能量代谢和外源生物降解代谢，显示细菌在污染物生物降解中的重要作用。

图1. 基于宏基因组学的OHO生物反应器中主要细菌门（a）和属（b）分布。平均相对丰度超过1%被认为是主要门或属，低于此水平的分类群被认为是次要的

2.CWW处理过程中的病毒组成

为了揭示病毒群落的组成，采用病毒组学方法对OHO生物反应器中的3397个病毒片段进行了检测和分类。大多数病毒contigs为双链DNA (dsDNA)病毒，占43.66%~66.45%，其中噬菌体占比最大。噬菌体直接影响原核生物群落和代谢功能。与细菌的α多样性相反，病毒群落的α-多样性指数在OHO处理过程中显著降低，这与高毒性环境导致更高病毒多样性的结论一致。

通过vContact2将OHO系统中的病毒群落与RefSeq数据库比较（图2），结果显示，O1、H和O2中的病毒群相对丰度分别为16.10%、0.29%和2.74%，这揭示了生物反应器中有许多未知病毒。

在目水平上，共鉴定出9目，超过一半的病毒被分类为Caudovirales，其在O1、H和O2中的相对丰度分别为62.47%、56.64%和92.20%（图4a）。Caudovirales在环境样本中普遍存在，显示其在影响细菌群落中的关键作用。在科水平上，鉴定出13科，Caudovirales中的Myovirodae、Siphoviridae和Podoviridae相对丰度较高。此外，还发现了Mimiviridae和Phycodnaviridae，表明OHO生物反应器中存在藻类，藻类通过与细菌共生，促进CWW杂质的降解。

使用新的ICTV分类系统，共注释出25个病毒科，O1、H和O2中的主要科分别为Peduoviridae、Microviridae和Sepvirinae。超过50%的未分类病毒表明OHO生物反应器中的病毒信息仍有待挖掘。

为了研究病毒和细菌之间的相互作用，因此进行了病毒的宿主预测。O1、H和O2中，分别有24.41%、18.33%和1.08%的病毒预测得到了宿主（图4）。主要感染Proteobacteria和Actinobacteria。Pseudomonas、Escherichia和Campylobacter是受病毒影响最大的属，其中Pseudomonas提供反硝化作用，Escherichia能够降解甲苯。

图2. OHO系统与其它环境样本的病毒共享基因网络图

图3. 基于ICTV分类系统（2020）的OHO生物反应器中目（a）和科（b）水平的病毒分布，以及基于新ICTV分类系统（2021）的科（c）水平的病毒分布

图4. 病毒-宿主桑基图

3.与DNA复制和代谢相关的病毒基因富集

为了了解病毒群落的功能并说明它们对CWW处理效率的影响，通过病毒组测序得到了病毒基因。总共鉴定了210个病毒基因，并在KEGG数据库中注释到了37个二级途径（图5）。大部分特征基因富集在遗传信息处理途径中，特别是在生物反应器O1和H中，这些基因参与了病毒增殖的基本过程——DNA复制。复制和修复是所有生物反应器中病毒群落的主要途径。尽管病毒倾向于DNA复制和修复自身的增殖，但这一途径也可能帮助病毒宿主修复DNA并防御CWW毒性。

在代谢途径中，外源生物降解代谢在生物反应器O1中相对丰度为1.22%，其中dUTP焦磷酸酶（dut，K01520）和谷胱甘肽S-转移酶（GSTs，K00799）是该途径的主要成分。Dut与嘧啶代谢相关，促进支持DNA复制和修复的核苷酸供应。GSTs在多环芳烃的降解和细胞解毒中具有重要作用。

在生物反应器O2中，碳水化合物代谢和多糖生物合成与代谢成为主要途径，主要由于GDP-甘露糖4,6-脱水酶（gmd，K01711）的存在。gmd参与细菌细胞表面多糖的生物合成，包括脂多糖（LPS）和细胞外多糖（EPS）。LPS被认为是革兰氏阴性菌的毒力因子，是保护细菌免受有毒物质侵害的屏障。因此，携带gmd基因的病毒可以在CWW生物处理过程中保护宿主免受有毒污染物的侵害。

图5. OHO中病毒基因注释结果（KEGG Level 2）

4.参与污染物生物降解和毒性抵抗的病毒AMGs

在鉴定出的24个AMGs中，有9个来自由含有病毒相关基因的病毒contigs（图6）。这9个AMGs显示出可编码正常蛋白质结构并参与DNA修复、抗氧化反应和磷吸收的潜力。

生物反应器O1中的AMGs负责解毒和磷的摄取，通过编码胸苷酸合成酶thyX、dUTP焦磷酸酶dut、重组蛋白recA和DNA修复蛋白radC，参与DNA复制和修复（图7）。此外，抗氧化剂相关的AMGs如硫氧还蛋白trxA、铁氧还蛋白fdxA、谷氧还蛋白grxC和抗毒素mqsA也参与其中，帮助细菌抵御氧化应激。在磷吸收方面，phoH是一个重要的AMG，帮助在低磷环境下的病毒和宿主同化磷。这对于提高CWW污染物快速生物降解过程中的磷利用率具有重要意义。此外，其它与代谢功能相关的AMGs如PRA-PH、fabI、csrA、gmhD、fadA和GSTs在促进细菌增殖和污染物去除方面也发挥了作用。

在H生物反应器中，AMGs主要促进细胞分裂。包括编码FtsK/SpoIIIE ATPase和其他抗氧化系统及LPS生物合成相关的基因（trxA和gmd）。

在O2生物反应器中，AMGs如钴螯合酶cobS、SNF2家族、thyX、dut和锌D-Ala-D-Ala羧肽酶协助宿主生长，通过合成LPS、细胞壁和钴胺素来增强微生物群落的生长。

图6. 基因组图及病毒AMGs

图7. 病毒AMGs的分布

5.病毒-宿主互作模式

本研究的结果启示了病毒在CWW生物处理中的生态作用。与AAO工艺不同，OHO工艺在没有污泥回流的情况下维持了特殊的功能细菌和病毒。这些病毒主要是噬菌体，特别是来自Caudovirales的病毒，主要感染Pseudomonas、Acidovorax和Thauera，这些属在清除CWW中的污染物方面发挥重要作用。研究发现，随着处理过程的推进，高浓度和高毒性的污染物对细菌和病毒群落的多样性和功能分布产生不同的影响。病毒群落的多样性沿着处理过程下降。在极端毒性环境下，病毒不仅表现出增殖基因，还检测到多种辅助代谢基因（AMGs）。这些AMGs主要用于环境耐受性和促进增殖，给予细菌和病毒选择性优势。

AMGs的作用可以归纳为三部分：缓解毒性应激、促进宿主磷吸收以及增强细菌生长和增殖（图8）。病毒通过控制宿主的生理活动，保护细菌免受极端环境胁迫的影响，为细菌提供营养支持并帮助其生存和生长。这种相互支持的策略对病毒和细菌在CWW处理中的共存和稳定运行至关重要。总体而言，虽然大多数病毒AMGs不直接进行污染物的生物降解，但它们通过控制宿主的生理活动，包括环境耐受性和生长促进，间接支持了CWW中的细菌生长和代谢。病毒-细菌的共生关系在CWW处理过程中提供了选择性优势，确保了整个系统的稳定运行。

图8. OHO过程中的病毒-宿主互作模式

总结

本研究阐明了对CWW生物处理的OHO系统中新发现的病毒群落及其辅助代谢功能，并说明了病毒-细菌互作模式。检测到的AMGs对细菌生理活性的影响，表明其在提高CWW处理效率方面的作用。研究揭示了病毒在CWW生物处理中的辅助代谢功能，包括缓解毒性应激、促进磷吸收和促进细菌的生长和增殖，为优化CWW处理提供依据。

您可能还喜欢：

历时7年！承磊研究员团队利用高效高通量技术找寻“隐藏”的甲烷古菌

肠道微生物群或成肝癌免疫治疗的“微”妙密码

新发现！小鼠共生细菌或有助于治疗炎症性肠病？返回搜狐，查看更多