厌氧消化（AD）是一种将有机废物转化为可再生能源的关键技术，它通过共生微生物网络实现这一转化（Saha等人，2020年）。该技术广泛应用于市政废水处理、农业废弃物管理和食物垃圾处理（段等人，2025年）。根据原料总固体（TS）含量和反应器配置，工程化的AD系统通常被分为三种主要类型：干式AD（TS ≥15%），用于处理高固体含量的有机废物；湿式AD（TS <10%），利用混合良好的液体浆液；以及两阶段湿式AD，通过顺序水解-酸生成和甲烷生成反应器实现相分离（唐等人，2023年；王等人，2023年）。这些不同的配置创造了截然不同的物理化学环境——从干式系统中的明显底物和代谢物梯度到湿式系统中的相对均匀条件（Miryahyaei等人，2019年；王等人，2023年）。大量研究表明，这些工艺类型中原核生物群落的组装和功能特化存在差异（De Vrieze等人，2021年）。然而，尽管病毒作为关键的微生物调节因子受到了越来越多的关注，但它们在AD系统中的工艺特异性生态作用仍不甚明了。
病毒作为原核生物的专性寄生体，通过宿主细胞裂解、水平基因转移以及辅助代谢基因（AMGs）的代谢重编程来调节原核生物群落，从而影响工程化生物系统的稳定性和性能（Fan等人，2023b；Guo等人，2025年；Yuan和Ju，2023年）。新兴证据表明，空间和化学异质性——区分AD工艺类型的关键特征——可以通过多种机制从根本上塑造病毒生态。物理空间结构决定了自然土壤和工程化废水处理系统中病毒群落结构和感染网络拓扑（Durham等人，2022年；Wang等人，2024年），而垂直化学梯度则改变了地下水中的病毒-宿主群落分布（Gios等人，2024年）。此外，环境梯度可以选择性富集功能特异的病毒AMGs，例如在受污染土壤中，与有机污染物梯度相关的vAMGs富集（夏等人，2023年）。鉴于不同AD工艺类型之间的显著物理化学梯度，我们假设病毒群落的组装、生活史策略、感染动态和vAMG表达模式表现出与不同环境条件相对应的工艺特异性特征，但这方面仍有许多未知之处。填补这一知识空白对于利用病毒-宿主动态开发针对特定系统的优化策略至关重要。
原核生物的抗病毒防御系统对于通过抵抗病毒感染和噬菌体诱导来维持群落稳定性至关重要（Huang等人，2025年；Zhang等人，2025年）。在AD系统中，病毒不仅数量庞大（10⁸–10⁹ VLPs/mL），还显著影响细菌群落结构，占观察到的组成变异的41%（Zhang等人，2017年），但关于AD系统中抗病毒防御的分布和功能作用知之甚少。防御机制的部署涉及内在的代谢权衡，因为过度投入会分散细胞资源，影响其对环境压力的抵抗力（Huang等人，2025年，2023年）。鉴于AD系统中不同的化学压力因素——包括干式AD中氨（NH₄⁺）和挥发性脂肪酸（VFAs）的积累——原核生物可能会采取不同的防御-代谢权衡策略，以平衡抗病毒保护和代谢效率。此外，过于强大的防御系统可能会限制通过水平基因转移获取有益的AMGs。是否存在这种特定于系统的防御策略，以及它们如何与不同AD工艺类型的病毒群落动态相关，目前尚不清楚。阐明这些防御策略对于理解控制微生物适应性的基本机制以及制定针对特定系统的干预措施以增强系统稳健性至关重要。
为了解决这些知识空白，我们对三种全规模食物垃圾AD系统进行了整合的宏基因组学和宏转录组学分析，这些系统代表了三种不同的工艺类型（图1）：干式AD（Dry-AD）、湿式AD（Wet-AD）和两阶段湿式AD（2St-wet-AD）。我们的目标是：（i）描述不同AD工艺类型中的病毒群落组装、生活史策略和病毒-宿主动态；（ii）研究特定于工艺的vAMG表达；（iii）阐明不同工艺类型中的原核生物抗病毒防御策略。这项研究将加深我们对不同工艺配置下工程化AD系统中病毒生态的理解，为制定特定于工艺的优化策略提供机制上的见解。
