摘要：在本研究中，沿着厌氧污泥消化的整个过程收集污泥，包括厌氧消化和3个相关的处理步骤(即初级脱水过程、热水解和厌氧消化后的最终脱水过程)，并使用病毒组方法进行分析，旨在评价厌氧消化去除污泥中病毒的有效性。未分类病毒在所有污泥中始终占主导地位，其次是原核病毒科和真核

Uncovering effects of anaerobic digestion process on viral communities in activated sludges using viromic approaches

利用病毒组学方法揭示厌氧消化过程对活性污泥中病毒群落的影响

期刊：Chemical Engineering Journal

时间：2024.07.14

影响因子：13.3

DIO：10.1016/j.cej.2024.153964

摘要

方法及内容

本研究污泥样本采集于北京的厌氧消化处理厂，厌氧污泥处理工艺涵盖厌氧消化(AD)及初级脱水（PD）、热水解(TH)、厌氧消化后的最终脱水(FD)3个相关处理步骤。测定病毒样颗粒和原核生物的总水平后提取每个污泥样品中的总DNA，随即进行病毒样颗粒的纯化和病毒DNA的提取、扩增、测序，获得宏病毒组数据，对宏病毒组数据进行一系列生物信息分析。

结果

1.活性污泥中病毒群落的多样性和组成

从所有病毒组测序数据集中共恢复431046个病毒contigs，序列长度范围1-173kb（N50>3kb），约5.9%的预测病毒contigs可覆盖50%的完整病毒基因组。由图一可知，污泥中病毒主要分为未分类病毒(58.9 - 84.1%)、原核病毒(11.9 - 40.0%)和真核病毒(1.0 - 4.0%)，原核病毒以有尾噬菌体目长尾噬菌体科（Siphoviridae）为主，真核病毒以环状病毒科（Circoviridae）居多。

图1. 病毒contigs的分类分配(a)；不同处理步骤收集的污泥中病毒的相对组成(b)；污泥中原核(c)和真核(d)病毒在科水平上的分布格局

2.污泥处理全过程中病毒群落的变化

污泥中原核病毒的总相对丰度在污泥处理全过程中呈上升趋势，真核病毒和未分类病毒的总相对丰度明显降低(图1b)。污泥中病毒的香农指数在热水解后显著下降，在厌氧消化后显著升高(图2a)，原核和真核病毒的总水平也是如此(图2c、d)。无论采样日期如何，热水解样品中所有病毒科的绝对水平在所有污泥样品中始终是最低的，在整个污泥处理过程中，作为污泥中主要原核病毒科都无法被清除（图2e）。

图2. 不同处理步骤收集的污泥中病毒群落的Shannon多样性(a)；基于病毒contigs相对丰度的病毒群落主坐标分析(PCoA) (b)；厌氧消化过程中原核病毒(c)和真核病毒(d)总水平变化；科水平上原核和真核病毒的组成和水平(e)

进行PCA分析以解决处理步骤对主要原核和真核病毒科的不同影响。第一主成分(PC1)可以解释大于90.0%的总方差。无论病毒类型和采样日期如何，经历相同处理步骤的污泥样本总是分组在一起。热水解和厌氧消化的处理步骤分别具有高去除率和根据病毒科的变化比例提高性能的特征(图3)。

图3. 不同处理步骤对污泥中原核(a)和真核(b)病毒群落的影响

3.活性污泥中原核病毒宿主的群落组成

在污泥中鉴定的总病毒contigs中约有5.3%可预测其原核宿主，在污泥中鉴定的原核病毒可能感染广泛的原核生物门，包括50个细菌门和6个古细菌门(图4a)。有趣的是，污泥中约58.8%的匹配病毒contigs与两个或两个以上的原核生物属相关，这可以覆盖污泥中大多数预测的病毒宿主(图4a)。根据预测宿主的类别，厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门中宿主的原核病毒比污泥中其他病毒更丰富，约占预测宿主原核病毒总数的79.8%，预测宿主中的水平在PD样本中始终是最高的(图4b)。Procrustes分析评估污泥样品中病毒和原核生物群落之间的关系得到，病毒群落与原核生物群落显著相关(p

图4. 门水平上预测的宿主分类原核病毒contigs(a)；门水平上预测的宿主对原核病毒contigs进行分类(b)；污泥中病毒和原核生物群落之间的关系(c)

4.活性污泥中病毒携带AMGs的多样性和丰度

从污泥样本回收的77个病毒contigs可携带至少两个元件的循环相关的AMGs，携带AMGs的contigs注释为Siphoviridae的相对百分比总是很高(特别是C和S)，而潜在参与P和N循环的病毒contigs则更多地被鉴定为Myoviridae和Mimiviridae(图5a)。根据AMGs的功能(图5b)，编码与C循环相关的糖苷水解酶的AMGs在病毒contigs中的发生率高于其他AMGs；大多数与S循环相关的病毒contigs可以表现出同化硫酸盐还原的活性；P循环中污泥中病毒contigs主要具有phoH基因，在调节微生物对磷酸盐的获取中起重要作用；与N循环相关的病毒contigs主要与污泥中含氮有机质的合成有关。从图5c可以看出，不同功能的的病毒携带AMGs在污泥样品中的含量差异很大。总的来说，污泥中携带AMGs的原核病毒的水平与它们在病毒组中的出现频率一致。

图5. C、S、P、N循环相关的病毒组群组成谱(a）；据AMGs的功能对病毒群进行分类(b)；不同处理步骤收集的污泥中携带不同AMGs功能的病毒的绝对水平(c)

讨论

现有数据库中公认的病毒仅覆盖了活性污泥中病毒群落的一小部分，我们的污泥样本中的大多数病毒无法在科水平上进行分类确定，并且在整个污泥厌氧消化过程中保持了显著的百分比，这意味着大量的病毒暗物质可能隐藏在活性污泥中。本研究表明，最终污泥中真核病毒的总水平可以相对降低，而消化污泥中原核病毒的总水平则增加。这可能是由于污泥中含有丰富的原核病毒宿主，而不是真核病毒宿主，这可能有利于原核病毒群落的重建。不同处理步骤对污泥中病毒群落的组成和绝对水平有不同的影响。热水解预处理已被广泛采用，以增强病原体的失活，增加废物的溶解和改善消化性能。在本研究中，由于这一步的高温高压，病毒和原核生物在热水解后都被基本消除。因此，后续步骤中病毒的增加很大程度上可能是由于厌氧消化池中存在的微生物繁殖所致，从高效灭病毒的角度出发，建议在处理消化污泥前补充热水解等其他处理工艺。

在本研究中，在污泥中观察到病毒和原核生物群落之间的显著关系。原核病毒可在调节环境中微生物群落组成结构方面发挥重要作用，我们完全可以相信原核病毒对污泥中微生物群落的影响也发挥了潜在的作用。此外，微生物作为病毒宿主可能反过来影响污泥中病毒的群落结构。据报道，污泥样品中大量病毒的存在与微生物丰富有关。

病毒在感染过程中可以通过AMGs的表达操纵宿主体内的代谢，进而影响元素的生物地球化学循环。本研究在污泥中发现了大量与C、S、P、N循环相关的病毒携带AMGs。我们的样品中与C循环相关的病毒AMGs主要参与多糖的降解，这可能有助于病毒宿主在富含多糖的污泥中生长。研究证实，编码半胱氨酸合成酶( cys K )的病毒AMGs可能在乳酸乳球菌C10中正常表达，被鉴定为与S循环相关的常见AMGs之一。磷饥饿响应调节因子( pho H )是与污泥中磷循环相关的最丰富的病毒AMGs，能够调节原核宿主对磷酸盐的摄取和随后的代谢。

结论

本研究全面分析了整个厌氧消化过程中污泥中病毒的多样性、归趋和功能。研究结果表明，活性污泥可以代表一个未被开发的新病毒物种的储存库。整个处理工艺对真核生物病毒的去除效果高于原核生物病毒，这可能是由于污泥中含有大量的原核生物病毒宿主，而非真核生物病毒。虽然各种病毒在热水解阶段被有效去除，但由于厌氧消化池中存在的微生物，使得病毒群落在后续的厌氧消化过程中得以重建和增殖。这一结果表明，在处理消化污泥之前实施另一种热水解工艺可有效地控制病毒的排放。本研究结果对污泥处理过程中病毒的监管，以及消化污泥处理过程中生物固体安全性的评估具有重要意义。

来源：小眼看世界