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依托全球 217 座污水处理厂的 934 份活性污泥微生物样本，系统解析城市化与运行条件对污水处理厂微生物群落多样性及均质化的协同塑造机制。研究证实，区域环境因素主导微生物群落均质化，工艺运行参数主导群落局部多样性，且微生物均质化与多样性丧失会显著降低污水处理效能与系统稳定性，为城市化背景下污水处理系统的微生物生态调控与工程优化提供了全球尺度的科学依据。

1 科学问题

城市化如何影响全球污水处理厂微生物群落的均质化与多样性？

区域环境因素与工艺运行参数，对微生物群落的驱动权重如何划分？

微生物群落均质化与多样性变化，如何关联污水处理系统的效能与稳定性？

气候、人口、经济等城市化要素，对微生物群落的作用方向与机制是什么？

2 研究方案

变量分类：将影响因素分为区域环境因素（城市人口、GDP、气温、降水）与系统调控因素（污泥龄、底物浓度、水力停留时间、溶解氧等）。

分析方法：采用非度量多维尺度分析表征群落差异，计算对数响应比量化均质化与多样性变化；结合可解释机器学习与广义线性模型，解析驱动因子重要性与作用方向。

验证手段：单厂四年时间序列数据验证温度效应，相关性分析明确微生物特征与处理效能、系统稳定性的关联。

3 结论

核心驱动分异

区域环境因素主导微生物群落均质化，其中城市人口、GDP、环境温度为核心因子；人口规模提升促进群落均质化，经济发展差异则加剧群落异质性。

系统调控因素主导微生物局部多样性，污泥龄为首要因子，中低污泥龄提升多样性，高污泥龄导致多样性降低。

环境作用特征

  • 环境温度对群落均质化的影响显著高于混合液温度，年平均环境温度作用强于月均温度。

  • 难降解有机物（COD）推动群落均质化，易降解有机物（BOD）对局部多样性影响更显著。

  • 生态功能关联

  • 群落均质化与局部多样性呈正相关；均质化加剧与多样性丧失，会降低污染物去除效能，削弱系统稳定性、提升群落脆弱性。

  • 不足与展望

  • 本研究为横断面调查，缺乏长期连续监测数据；未深入解析微生物功能与群落组装的内在机制。需开展污水处理厂长期定位监测，结合季节重复采样验证驱动机制；应整合城市化压力、工程参数与自然环境约束，构建可持续的污水处理微生物调控体系。

文章来源：生态环境科学

(生态修复网)