好氧颗粒污泥形成过程中Accumulibacter及其周边群落转录的多种胞外聚合物通路及其在进水磷酸盐调控下的稳定性研究

《Applied and Environmental Microbiology》：Multiple extracellular polymeric substance pathways transcribed by Accumulibacter and the flanking community during aerobic granule formation and after influent modification

本研究通过测序批次反应器（SBR）结合从头宏转录组学分析，揭示了聚磷酸盐积累微生物（PAO）主导的好氧颗粒污泥（AGS）形成过程中，Candidatus Accumulibacter及其周边群落通过多种胞外聚合物（EPS）通路（如非尿苷酸、纤维素和藻酸盐）的动态协作机制。研究发现即使在高磷酸盐胁迫下，以Propionivibrio为主的糖原积累微生物（GAO）仍能维持颗粒稳定性，为废水处理工艺优化提供了关键微生物互作与EPS调控的理论基础。

　　

微生物群落动态与好氧颗粒污泥形成
研究采用富集聚磷酸盐积累微生物（PAO）的测序批次反应器（SBR），通过宏转录组学揭示了Candidatus Accumulibacter在好氧颗粒污泥（AGS）形成中的核心作用。初期群落以Accumulibacter为主（占比70%），伴随颗粒尺寸增大（172 μm至>1,000 μm），其物种组成从A. propinquus转变为A. regalis BA-93和A. proximus，表明不同物种在颗粒化阶段的动态演替。周边群落如Flavobacterium和GAO（Contendobacter、Propionivibrio）通过转录糖原分支（glgABC）和聚羟基脂肪酸酯（PHA）代谢基因参与生态位构建。

磷酸盐胁迫下的群落重构与代谢转换
当进水磷酸盐浓度从COD/P=12骤降至200时，Accumulibacter通过消耗细胞内聚磷酸盐维持活性，而Propionivibrio相对丰度升至28%，成为主导GAO。值得注意的是，Propionivibrio高表达pel基因簇和EBPR相关基因（如pitA、ppk），但缺乏低亲和力磷酸盐转运体pitA，显示其代谢灵活性。尽管群落更替，颗粒结构保持稳定，表明GAO主导的EPS基质仍具功能性。

胞外聚合物通路的多样性及协同作用
Accumulibacter持续转录多种EPS合成基因，包括非尿苷酸（NulOs）、聚-N-乙酰葡糖胺（PNAG）和藻酸盐通路。其中，假氨基酸（pse）基因表达随颗粒成熟下降，而军团菌酸（leg）通路上调。周边微生物如Azonexus和Contendobacter虽不合成NulOs，但通过转录神经氨酸结合蛋白（siaP）和转运蛋白（dctM/Q）回收Accumulibacter分泌的NulOs，形成代谢互作网络。此外，Kaistella表达的淀粉样蛋白（curli）和Rhodoferax的藻酸盐基因可能增强基质结构韧性。

技术方法与创新发现
研究结合16S rRNA扩增子测序和从头宏转录组学，突破了传统培养法的局限，首次在时间尺度上解析了EPS通路的转录动态。通过mOTUs分析发现9种Accumulibacter亚型共存，且活性随环境压力变化。颗粒水平的异质性提示未来需结合单颗粒测序与EPS化学表征以深化机制理解。

工程应用与生态启示
研究证实即使PAO活性受抑制，GAO仍可通过多类型EPS（如Pel多糖和回收的NulOs）维持颗粒完整性，这对废水处理厂应对磷酸盐波动具有指导意义。微生物互作（如神经氨酸循环）和EPS特性（如PNAG的粘附性）的发现，为设计抗冲击负荷的生物膜系统提供了新靶点。