日本A2O工艺污水处理厂中“Candidatus Kouleothrix”物种水平动态及其对污泥膨胀的影响机制

时间：2025年5月7日

来源：Scientific Reports

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针对日本污水处理厂普遍存在的活性污泥膨胀问题，横滨国立大学团队通过开发物种特异性荧光原位杂交(FISH)探针，首次揭示“Candidatus Kouleothrix”属中midas_s_3423和midas_s_35412两个物种的丝状体长度与污泥体积指数(SVI)显著相关，并解析温度、DO等环境因子对物种特异性生长的影响，为精准控制污泥膨胀提供新策略。

在全球污水处理领域，活性污泥法虽经百年发展，污泥膨胀仍是困扰行业的"顽疾"。其中丝状细菌"Eikelboom type 1851"（现归类为"Candidatus Kouleothrix"）在日本污水处理厂中异常猖獗，其相对丰度可达3%，远超其他国家<1%的水平。横滨国立大学联合澳大利亚拉筹伯大学的研究团队发现，传统基于属水平的研究掩盖了不同物种间的生态差异，于是他们开展了一项为期12个月的追踪研究，成果发表在《Scientific Reports》上。

研究团队创新性地结合了高通量测序与定制化荧光原位杂交技术。首先对日本某市政污水处理厂A²O工艺42个样本进行16S rRNA基因V3-V4区测序，通过QIIME2和MiDAS 4数据库分析物种组成；随后针对检测到的6个"Ca. Kouleothrix"物种（共9个已知物种），设计4种特异性FISH探针（KOU83/KOU464/KOU641/KOU1137）及配套辅助探针，采用ImageJ量化丝状体形态参数；最后通过Pearson相关分析和网络模型解析环境因子与微生物互作关系。

【Abundances of"Ca. Kouleothrix"species in WWTP A and their correlations with biomass SVI】
测序显示midas_s_3423（0.879%）和midas_s_35412（0.852%）丰度最高，且仅此二者与SVI呈显著正相关（R=0.814/0.544），证明属水平分析会低估关键物种的影响。

【Design of FISH based probes targeting each"Ca. Kouleothrix"species】
新设计的探针在20-35%甲酰胺浓度下特异性最佳，其中KOU641（靶向midas_s_3423）和KOU1137（靶向midas_s_35412）需辅助探针增强信号强度。

【Filament morphology of individual"Ca. Kouleothrix"species】
膨胀污泥中midas_s_3423和midas_s_35412形成电缆状聚集体，而正常污泥中呈分散短丝状；"Ca.K.ribensis"和midas_s_1244则无此形态变化，且后者丝状体直径显著更大。

【Correlations between filament lengths of"Ca.Kouleothrix"and biomass SVI values】
关键发现：midas_s_3423丝状体长度与SVI相关性（R≈0.9）远超其丰度相关性（R=0.814），说明丝状体延伸（可能通过顶端生长）比单纯细胞增殖对膨胀影响更大。

【Relationship between"Ca.Kouleothrix"and other bacterial populations in WWTP A】
网络分析揭示midas_s_3423与18个菌群存在14正/2负关联，远多于其他物种，暗示其具有更复杂的生态位；与"Ca.K.ribensis"仅共享5个互作菌群。

【Influence of environmental factors on"Ca.Kouleothrix"】
温度是抑制丝状体生长的最关键因子（β=-1.00，p<0.004），而溶解氧（DO）和总磷（T-P）分别促进midas_s_3423和midas_s_35412增殖。滞后分析显示环境因子对菌群的影响存在2周延迟效应。

这项研究颠覆了传统认知：首先证实"Ca. Kouleothrix"不同物种对污泥膨胀的贡献差异巨大，其中midas_s_3423的影响被属水平分析严重低估；其次揭示丝状体长度可作为比物种丰度更精准的膨胀预警指标；最后建立的物种-环境响应模型为季节性调控提供理论依据。研究者特别指出，由于该菌16S rRNA基因拷贝数（1-3个）低于细菌平均水平（5.3±2.8），基于测序的丰度评估可能低估其实际生物量贡献。这些发现不仅解释了日本污水处理厂特有的膨胀现象，更为全球同行提供了"精准治理"的新范式——未来控制措施需针对具体致病物种而非整个菌属。