近日，生态环境部华南环境科学研究所（生态环境部生态环境应急研究所）研究团队在环境领域知名期刊 Journal of Hazardous Materials（影响因子11.3）发表最新研究成果“Emerging contaminants shift the rare biosphere, decoupling microbial co-occurrence network complexity from stability in activated sludge from urban wastewater treatment plants”。华南所（应急所）谢丹平正高级工程师为通讯作者，徐鹏助理研究员为第一作者。论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.142646。
一、成果简介
城市污水处理厂是控制新污染物（ECs）排放的重要屏障，但其生物处理过程中应对新污染物胁迫的微生物群落组装及生态网络演变过程与机制尚不明确。本研究结合高分辨率质谱非靶向筛查（NTS）和高通量基因测序技术，揭示了由2609种特征分子组成的化学指纹在污水处理过程中的变化规律，并系统解析了典型A²/O工艺中ECs迁移转化与微生物群落动态的耦合关系。研究发现，ECs化学多样性对微生物群落组装具有显著差异化影响：丰富生物圈主要受随机过程驱动，而稀有生物圈则受ECs驱动的环境选择主导，稀有类群是响应化学胁迫的关键生态组分。ECs高效去除能够增强微生物共现网络复杂性，但网络复杂性的提升并未同步增强系统稳定性，反而可能增加生态脆弱性。本研究构建了“化学指纹特征—微生物群落组装”动态耦合模型评估框架，揭示了稀有生物圈在新污染物生物转化中的核心作用，为探索新污染物治理生物强化策略和生态安全管理，构建韧性污水处理系统，破解城市污水厂新污染物去除效能瓶颈提供新视角。
本研究得到中央级公益研究院所基本科研业务专项（PM-zx703–202506–155）、国家科技重大专项（2026ZD1211300）的联合支持。
二、引言
在城市污水处理的微观世界里，一场由ECs引发的生态革命正在悄然发生。微生物群落是污水处理系统的核心功能单元，其结构和功能决定处理效能。但现有城市污水处理厂生化处理工艺对ECs的去除效果有限，同时，处理过程中产生新的化学衍生物，对生化处理系统稳定性带来新的冲击。在复杂多污染物胁迫条件下，ECs如何影响微生物群落组装及共现网络稳定性，仍缺乏系统认识，解码稀有生物圈的生态密码，有望推动实现从污染物“被动达标”到“主动调控”的跨越。
三、图文导读
（一）新污染物化学指纹：污染物削减与转化产物再生成
利用非靶向高分辨质谱，从分子层面刻画A²/O工艺的化学指纹，共识别2609种化合物。各类污染物在所有污水厂均呈一致削减（平均去除率13.73%–40.16%），好氧段是主要降解驱动力。关键在于，处理过程并非单向净化——在去除母体污染物的同时，出水中还新生成大量转化产物（如有机卤化物最高达1560 ng/L），其毒性未必低于母体，提示风险评估必须将转化产物一并纳入。
图1 四个污水厂中14类主要化学物质数量及浓度变化热力图（来源：ScienceDirect）
（二）微生物群落结构：地理格局与丰稀生物圈分异
基于84份活性污泥样品的高通量测序，共获得3,240,888条高质量序列，聚类生成4644个OTU，呈现丰富与稀有生物圈二元格局。稀有生物圈虽丰度低，却涵盖绝大多数物种多样性（3849/4644 OTU），在维持群落多样性与生态功能中作用显著。群落组成主要受地理位置驱动（F=45.407, R²=0.630, p<0.001），不同处理阶段（厌氧、缺氧、好氧）差异较小（F=0.643, R²=0.016, p=0.857）。各污水厂不同处理阶段的α多样性相对稳定，表明生物处理系统具有功能鲁棒性的核心微生物群落。
图2 总体、丰富及稀有类群在四城市及三处理阶段的差异比较（来源：ScienceDirect）
图3 总体、丰富及稀有类群在四城市及三处理阶段的多样性比较（来源：ScienceDirect）
（三）群落构建机制：随机性主导丰富类群，选择性塑造稀有类群
零模型与系统发育周转分析（βNTI/βMNTD）揭示，丰富与稀有类群遵循截然不同的组装规律：丰富生物圈由随机过程主导（扩散限制76.45%–100%），对环境扰动不敏感，维系系统功能的连续与稳定；稀有生物圈则由确定性的环境选择主导（均质选择占36.60%–63.77%），是响应新污染物胁迫的敏感指示者。这一分异直接重塑共现网络——污染物组成最复杂的污水厂选择压力最强，其共现网络反而最简单（仅14个节点、6条连边），说明复杂的化学胁迫会压缩而非扩张网络结构。
图4 四城市三阶段丰富与稀有类群的βMNTD、βNTI及生态过程相对贡献和稀有类群共现网络（来源：ScienceDirect）
（四）网络复杂性与稳定性：新污染物转化驱动的解耦
结构方程模型（PLS-PM）显示，新污染物的去除与转化是连接微生物多样性与网络拓扑的关键路径：一方面，污染物去除通过生态位过滤显著降低稀有类群多样性；另一方面，降解产生的代谢中间体提供新的碳源与能源，促进互营与共代谢、提升网络复杂性，且复杂性与污染物丰富度呈单峰关系，印证中度干扰假说。核心创新在于揭示了复杂性与稳定性的解耦——网络越复杂并不等于越稳定，系统转而依赖少数关键稀有类群维持功能，提示高复杂度网络可能潜藏生态脆弱性。
图5 PLS-PM路径模型及ECs去除/生成对群落复杂性与稳定性的直接、间接及累积效应图和Mantel检验热力图（来源：ScienceDirect）
（五）关键功能菌属：降解类群富集与敏感类群衰退的协同响应
属水平锁定917个与新污染物超类显著关联的稀有类群，呈现清晰的双向响应：具降解潜力的菌属（如Pseudonocardia、Nitrosomonas、Thiobacillus）随化学丰富度升高而富集，其中Pseudonocardia在污染最重的污水厂富集最显著，表现出对复杂污染的适应力；而Luteolibacter、Propionivibrio等敏感菌属则随化学复杂度上升而衰退。降解类群富集与敏感类群衰退的同步发生，证实新污染物可定向重塑稀有生物圈，相关物种有望成为生态监测预警的标志。
图6 10个代表性稀有属与8类ECs超类的Spearman相关性（来源：ScienceDirect）
四、小结
研究揭示了ECs在污水处理生态系统中的双重作用：ECs通过环境筛选显著降低稀有生物圈多样性，与此同时，其生物降解过程创造新的生态位，促进微生物网络连通性和复杂性。然而，网络复杂性的增加并未提升系统稳定性，二者在污水处理微生物生态系统中发生解耦，暴露出潜在生态脆弱性。面向新污染物协同治理给传统污水处理模式带来的新挑战，研究成果为探索污水处理厂新污染物治理策略提供了启发：调控稀有功能菌群强化新污染物生物去除，开发基于ECs指纹图谱与关键敏感物种监测预警的生物处理系统稳定性评估方法。
五、作者简介
第一作者 徐鹏：华南所（应急所）监测中心助理研究员，主要关注新污染物识别与生态群落效应的交叉领域，聚焦新污染物迁移转化规律及其驱动生物群落变化的响应机制研究。主持广东省区域联合青年基金、中央公益科研专项基金、国家野外台站开放基金3项。以第一/通讯作者身份在J. Hazard. Mater.，Ecol. Inform.，Ocean Coast. Manage.等环境生态领域SCI期刊发表学术论文9篇。
通讯作者 谢丹平：华南所（应急所）监测中心正高级工程师，主要从事新污染物识别及其环境行为、环境新型传感器与智能监测技术等研究工作。主持和参与国家重点研发、京津冀重大专项、部环保专项及环境监测标准等科研项目/课题近30项。发表学术论文80余篇，获省部级环境保护科技奖一等奖1项、二等奖5项。
微信公众号
