活性污泥中的微生物是去除污水中碳、氮、磷以及各种微污染物的功能主体， 然而 99%以上的活性污泥微生物类群没有得到培养和准确详尽的研究结果。受制 于对活性污泥微生物及其与环境因子、运行参数关系认知的缺乏，污水厂常常面 临污泥膨胀和生物泡沫等沉降问题。对于活性污泥中微生物机制的认识是保证污 水处理厂能够稳定运行并发展活性污泥新工艺中至关重要的基础。本研究通过结 合微生物组学中多种技术以及纯培养方法，详细阐述了不同区域城市污水厂活性 污泥群落结构和组装机制的生物地理规律，揭示目前技术水平下活性污泥可培养 微生物的分布和占比。通过挖掘生理生化特征、基因组代谢潜力、群落动态变化 等指标解析了全球活性污泥核心微生物Casimicrobium huifangae以及生物泡沫中 富集的未知微生物 Kaistella beijingensis 在活性污泥和生物泡沫中的生理和生态 功能。研究其与环境因子、污水处理效能之间的关联。以期促进人们对活性污泥 微生物的理解和认知。为活性污泥的合理调控以及开发新工艺提供必要的理论支 持。

      通过对位于热带曼谷、亚热带武汉和温带北京的 6 座城市污水处理厂的微生 物群落的高通量测序，探讨了微生物群落组成结构的异同以及在这些城市污水处 理厂的活性污泥微生物组装过程的决定因素。结果表明温度是活性污泥微生物 alpha 多样性的决定因素，解释了 45.3%的 Chao1 多样性指数。地位位置和季节 是活性污泥微生物群落结构的决定因素，分别解释了 Bray-Curtis 距离 22.8%和 19.2%以及非加权 Unifrac 距离 18.9%和 14.9%。热带地区和亚热带地区的城市污 水厂中的微生物群落装配主要由随机过程主导，分别占 86.1%和 59.1%；而温带 地区的污水处理厂的微生物组装配则由确定性的过程主导，占 52.9%。热带城市 污水处理厂与亚热带和温带城市污水处理厂相比，具有更高的微生物多样性和更 独特的微生物类群。其中热带污水处理厂的 1971 的特有 OTU 中有 637 个未被 GWMC 的全球活性污泥调查研究中挖掘，占热带污水处理厂活性污泥微生物丰 度的 19.5–32.2%。

       通过对清河再生水厂活性污泥和生物泡沫中核心微生物的发掘，共得到 404 个分离物（株），包括了 161 种潜在的种级别类群，有 22.52%的分离株与已知标准菌株的 16S rRNA 基因的相似度<98.6%。其中 193 株细菌已经在中国普通微生 物保藏中心（China General Microbiological Culture Collection Center，CGMCC） 保藏。初步建立活性污泥和生物泡沫菌种资源库。基于可培养的方法分离的菌株 有 50%左右不能在基于免培养的高通量测序方法检测到。基于免培养方法检测到 的活性污泥微生物中仅有 1%左右的微生物种类以及 10–20%的丰度可以通过分 离培养得到。而分离培养的微生物可以覆盖生物泡沫微生物总丰度的 40–60%。 上述工作成功获得活性污泥核心菌株 SJ-1，其代表了 β 变形菌纲中一簇全新的类 群，在世界活性污泥 28 个核心类群中对应于 OTU_16。菌株 SJ-1 被命名为惠芳 中科微菌（Casimicrobium huifangae），属于 Casimicrobiaceae 科、Casimicrobium 属。惠芳中科微菌（C. huifangae）分布广泛，代谢多样。除矿化各种碳源（包括 碳水化合物、芳香族化合物和短链脂肪酸）外，还具有还原硝酸盐和积累聚磷酸 盐的能力。在清河再生水厂活性污泥微生物群落中，惠芳中科微菌（C. huifangae） 占总丰度的 1%以上，随季节性动态变化。共现分析表明，惠芳中科微菌（C. huifangae）是清河再生水厂活性污泥微生物网络中重要的模块枢纽。

       生物泡沫中微生物多样性显著低于活性污泥并且组成结构差异巨大。在北京 清河再生水厂生物泡沫中富集的未知细菌PM-38属于Kaistella属的新种Kaistella beijingensis。其疏水性的细胞可以随曝气的浮选而聚集在生物泡沫中。它可以合 成多种酯酶、蛋白酶、果胶和糖原水解酶，也可能利用积累在泡沫层的磷脂，胆 固醇和长链脂肪酸等。此外，K. beijingensis PM-38 在生长过程中可分泌脂多糖、 脂蛋白等胞外分泌物，进一步加剧和稳定生物泡沫。K. beijingensis 在活性污泥中 的丰度不超过 0.15%，在生物泡沫中的丰度在 0.5–6%之间。其丰度与温度呈显著 负相关。此外，随着生物泡沫胞外多聚物中蛋白质、多糖和游离脂肪酸含量的增 加，K. beijingensis 的丰度也显著增加，而在活性污泥中不存在上述关系。

      综上所述，目前对于活性污泥系统中的微生物及其与污水处理效能的联系和 认知还非常有限。通过上述研究以期提高人们对活性污泥微生物的认知水平、增 强对活性污泥微生物生态学的理解。通过活性污泥菌株资源库的构建推动活性污 泥微生物组的相关研究和实践应用，为未来城市污水厂的提质增效提供理论和物 质基础。