讨论

了解微生物对现实环境压力源（如废水污染）梯度的反应，对于确定群落阈值和潜在的变化临界点以及保护生态系统完整性至关重要。本研究使用了多种经验证据，包括群落WET测试和现场重复调查的新组合，以及16S扩增子测序、MFQPCR和功能基因分析，将河流微生物群落中的压力-压力源-响应关系与废水影响联系起来。结果发现废水排放导致细菌群落结构和功能在中等（>10%）排放浓度以上发生持续变化。这些群落变化的阈值也与接收水域营养浓度方面的营养状况变化有关。废水排放中这些中等浓度的TN和TP可以改变水生环境中的微生物组组成和功能。在高污水（>50%）排放的情况下，沉积物细菌群落结构发生了明显变化，这与营养水平有关，并且与本研究在群落WET测试中50-90%的处理相一致。沿本研究中污水浓度梯度，河流群落可能比沉积物群落更敏感。本研究表明，沿着污水浓度梯度的群落响应差异可以通过污水污染的营养状态变化的核心指标和功能结果来解释，可以挖掘出潜在的全球相关淡水水生污染河流的关键细菌分类群。物种转变发生在中等污水浓度以上，Malikia spp.（Burkholderiales）丰度增加，而hgcI_clade（Frankiales）的丰度减少。通过网络评分和共现模式确定了核心物种优势度的变化对微生物组组成和功能的潜在影响。Malikia spp.和hgcI_clade的响应与全球重要的氮循环途径相关的基因模式相匹配，包括反硝化和固氮，将这些核心分类群与环境变量、假定的功能和生态系统过程联系起来，这在以前的研究中很少实现。最近在中国重度污染的河流中进行的几项实地研究也检测到群落组成和功能的耦合，以及Malikia spp.和hgcI_clade作为主要细菌属，在所研究的淡水水生生态系统的共生网络中具有核心作用。本研究表明，氮循环的大多数步骤在添加废水时被激活，而废水中高水平的营养物质（特别是NOx）驱动了群落转变并抑制具有潜在重要群落功能（如硝化作用）的特定细菌类群的生长。Frankiales与全球淡水生态系统中常见的固氮寡营养生物相关，之前被推断为河流群落中的关键类群。当暴露于中等和高浓度的污水时，群落WET测试显示出生长抑制反应，在高达1%的污水浓度下有适度的刺激反应。此外，hgcI_clade与NOx和氮还原基因呈强负相关，并与固氮相关功能有关。hgcI_clade丰度的下降与含有高TN浓度的污水有关，特别是那些由高NOx水平组成的污水，表明物种对NOx毒性的敏感性很强。Frankiales被确定为主要的细菌目，占微生物现场调查中所有样品序列的12.4%。在属的层面上，hgcI_clade在所有河口样品中占主导地位（12.1%）。hgcI_clade被确定为一个潜在的新的关键分类群，可能是全球范围内低营养水生生态系统中核心微生物组的一部分。相比之下，Burkholderiales的各个成员一直作为关键类群存在于不同的生态系统中，但大多数Burkholderiales的发现都是基于计算推理，很少或没有经验证据，而且没有一个与生态系统过程相联系。在Burkholderiales中，自然界中有两个已知的Malikia spp.物种—Malikia granosa（通常在活性污泥）和Malikia spinosa（通常在河水）。之前的研究发现Malikia spp.喜欢富营养条件，进行硝酸盐还原，并能够储存磷酸盐。在群落WET试验开始时，Malikia spp.的相对丰度在所有的污水浓度中都是相似的，并随着时间的推移显示出相对的增加或减少，表明不是污水的引入驱动了观察到的序列模式。在群落WET试验中，Malikia spp.是整个污水浓度梯度的主要分类群，在中等污水浓度以上表现出持续的强烈刺激反应，对磷的可用性和氮氧化物的毒性有一定的敏感性。Malikia spp.有好氧性反硝化作用，在群落WET试验中与BOD、NOx和氮还原基因存在强正相关关系。在这项研究中，Malikia spp.预测了与营养状态变化相关的群落转变，并捕捉到了现实世界的反硝化动态。因此，Malikia spp.是与人类影响的水生环境和富营养化条件有关的全球淡水指示物种。需要进一步的实地和实验室调查和详细分析，以确认Malikia spp.作为受废水排放影响的水生生态系统中的潜在关键物种的作用。

结论

本研究揭示的群落转变的阈值突出了对受废水污染的水生环境进行改善管理的紧迫性和必要性。本研究强调了水生微生物组对中等（>10%）浓度以上的废水高度敏感，并揭示了核心个体物种可以作为营养状态变化的哨兵，可用于监测废水的影响。这项研究对试图了解污水排放对重要生态系统功能（如营养循环）的影响的废水管理者具有启示意义。本研究预计这些发现可以为全球综合流域规划和管理提供信息，重点是最大限度地减少环境压力源和维持水生生态系统的自然生产力。预计这项研究将推动改进数据收集工作，这些工作可用于模拟废水排放和管理实践的变化。

来源：健康界