摘要：在污水处理厂中，活性污泥（Activated Sludge, AS）是去除污染物和病原体的核心生物处理系统。然而，传统宏基因组测序技术难以揭示微生物群落的细胞异质性和“微生物暗物质”（Microbial Dark Matter, MDM）。近期，一项发表于En

导语

在污水处理厂中，活性污泥（Activated Sludge, AS）是去除污染物和病原体的核心生物处理系统。然而，传统宏基因组测序技术难以揭示微生物群落的细胞异质性和“微生物暗物质”（Microbial Dark Matter, MDM）。近期，一项发表于Environmental Science and Ecotechnology的研究通过高通量微生物单细胞测序技术，首次对活性污泥微生物组进行了深度解析，发现了27.5%的新物种基因组，并揭示了抗生素抗性基因（ARGs）、质粒和噬菌体的宿主关系。本文将带您深入了解这项突破性研究，探索单细胞测序如何为环境微生物学打开新视野。

一、活性污泥：微生物的“隐形战场”

活性污泥是污水处理厂中微生物的聚集地，其复杂程度堪比热带雨林生态系统。传统宏基因组测序虽能提供群落整体信息，但存在三大局限：

基因组异质性掩盖‌：无法区分同一物种内不同细胞的遗传差异。

微生物暗物质遗漏‌：低丰度或难培养微生物（如候选门级类群）难以被检测。

基因-宿主关联模糊‌：质粒、噬菌体等可移动遗传元件（MGEs）与宿主的对应关系难以确认。

而微生物单细胞测序技术通过分析15,110个单细胞基因组（SAGs），成功聚类出2,454个SAG分箱（bins），其中27.5%代表潜在新物种，包括候选门级类群Margulisbacteria和Riflebacteria。这些“暗物质”微生物可能具有独特的代谢功能，如氮固定和硫还原。

图1 单细胞测序结果

二、关键发现：ARGs、质粒与噬菌体的宿主网络

1. 抗生素抗性基因（ARGs）的宿主分布‌

数量与类型‌：研究检测到1,137个ARGs，平均每个细胞携带0.9个拷贝，以多重耐药（0.3拷贝/细胞）、四环素（0.2拷贝/细胞）为主。

宿主偏好性‌：ARGs主要分布于变形菌门（Proteobacteria, 41.8%）和微小菌门（Patescibacteria, 14.2%），且32.8%的ARGs位于质粒上，凸显水平基因转移（HGT）的风险。

他2 通过单细胞测序验证的ARGs宿主关系

2. 质粒：基因转移的“快递员”‌

活跃的HGT‌：10,450个质粒片段中，17.6%携带接合转移基因（如MOBQ、MOBP1）。质粒在变形菌门、厚壁菌门（Firmicutes_A）间频繁交换，甚至跨门转移（如Patescibacteria与蓝藻门）。

拷贝数差异‌：厚壁菌门平均携带4.7个质粒片段/细胞，显著高于其他类群。

图3 通过单细胞测序验证的质粒宿主关系

3. 噬菌体：隐形的基因驱动者‌

主导类群‌：1,343个噬菌体序列中，91.4%属于有尾噬菌体目（Caudoviricetes）。

广谱感染‌：部分噬菌体可跨门感染宿主（如Patescibacteria的噬菌体同时感染变形菌门），可能加速ARGs传播。

图4 通过微生物单细胞测序验证的噬菌体宿主关系

三、应用前景：从污水处理到“One Health”

风险监测‌：单细胞测序可追踪ARGs在环境-动物-人类中的传播路径，助力“One Health”健康风险评估。

工艺优化‌：揭示功能微生物（如硝化细菌）的亚群差异，指导污水处理厂运行参数调整。

生态认知‌：发现微生物互作新机制（如Patescibacteria的共生生活方式）。

结语

微生物世界的“像素革命”‌!

单细胞测序如同为微生物生态安装了“高像素显微镜”，首次以细胞分辨率展现活性污泥的复杂性。未来，结合转录组和空间组学技术，这一方法或将彻底改变我们对环境微生物组的认知，为生物技术应用开辟新纪元。

参考文献‌：

Zhang Y, et al. High-throughput single-cell sequencing of activated sludge microbiome. Environmental Science and Ecotechnology. 2025;23:100493.

END

欧易生物简介

Oebiotech

欧易生物是一家致力于为生命科学研究提供多组学技术的研究服务机构，产品涵盖单细胞及时空多组学、基因组学、转录组学、表观组学、蛋白组学、代谢组学、生物信息学以及临床诊断产品开发，秉承「以生物科技 成就他人 造福大众」的企业使命，用技术改变生活，用科技造福人类。

欧易生物先后与中国海洋大学、中国科学院遗传与发育生物学研究所等机构建立了紧密的产学研合作，与日立诊断产品有限公司共建联合研发实验室，与华东师范大学合作建立院士专家工作站，并陆续荣获国家级专精特新“小巨人”、上海市科技小巨人企业、上海市专利试点企业、上海市企业技术中心、闵行区研发机构、闵行区科技小巨人企业等资质。还获得知识产权管理体系认证企业资质，总授权发明专利48项、在审发明专利52项、授权软件著作权205项（含欧易生物及旗下子公司，截止到2025年2月）。至今已累计助力客户发表5600+高水平研究论文，累计影响因子38000+；发文期刊包括Nature、Cell、Science、Cancer Discovery、Cell Discovery 等知名期刊。

原创声明：本文由欧易生物(OEBIOTECH)学术团队报道，本文著作权归文章作者所有。欢迎个人转发及分享，未经作者的允许禁止转载

来源：鹿明生物