近日，天津大学环境学院王灿教授团队在《自然-水》（Nature Water）期刊上发表突破性研究，首次在全球范围内揭开了污水处理网络中亿万微生物“社交圈”和“多样性”的神秘面纱，并将微生物世界的变迁，与城市污水处理的效能紧紧相连。
污水处理设施作为城市化水循环服务中的重要节点
污水处理厂中的微生物群落承担着降解污染物的核心工作，其多样性与稳定性直接关系到每一座城市的水安全。随着全球城市化浪潮推进，人口膨胀、经济增长、气候变暖，多重压力施加于城市基础设施之上。一个个关键科学问题随之出现：城市的扩张，是否会让不同污水厂的微生物群落变得越来越相似？这种变化又会如何影响它们水质净化能力？ 回答这些问题，对设计可持续的城市水循环系统至关重要。为了解答上述问题，天津大学王灿/王永超研究团队对来自全球6大洲、217座污水处理厂的934个微生物样本进行大规模调查分析，并结合了人口、GDP、气候以及工厂运行参数等超过20项环境数据，运用机器学习结合广义线性模型验证等方法，精准解析了驱动微生物世界变化的幕后力量。
全球217座污水处理厂分布及微生物多样性分布
研究发现，在决定全球不同污水厂的微生物群落是否相似（即生态学中的“同质化”）时，宏观的区域环境因素，尤其是城市化指标，起到了主导作用。区域环境因素，特别是城市人口规模，是导致不同污水厂微生物群落变得相似（同质化）的首要驱动力。而社会经济发展水平（GDP）的差异则促进了群落的独特性（异质化）。环境气温升高也显著加剧了同质化，揭示了气候变化通过大环境对工程系统的间接影响。此外，研究发现决定单个污水厂内有多少种微生物（本地多样性）的关键，在于工厂自身的运行参数。其中，污泥停留时间（SRT）和进水有机物浓度是主要调控因子，而曝气池的容积与微生物多样性正相关。更大的池容提供了更丰富的生态位，支持更多物种共存，印证了经典生态学中“栖息地面积促进生物多样性”的理论。其中，生态变化直接削弱系统功能，研究发现微生物群落的同质化和本地多样性的丧失，直接导致了污染物去除效率的降低和微生物群落稳定性的下降。这证明，维护微生物生态的健康，是保障污水处理设施高效、稳定运行的重要措施。
可解释机器学习模型表明城市化因素作为群落同质化主要驱动因素
这项研究在城市-水处理系统关联中取得重要突破，首次在全球范围内实证了城市化压力与环境因子的变化重塑了水处理设施微生物群落，进而影响了生态系统服务的传导机制。这不仅将污水处理厂从单纯的工程设施提升为理解人类世生态变化的“模型系统”，更重要的是为城市规划者和环境工程提供了关键的科学蓝图：未来设计超大城市的水基础设施时，必须协同考虑城市发展模式、气候变化趋势与微生物生态管理，通过科学调控运行参数来维护微生物群落的多样性与韧性，从而保障城市水系统的长期安全与可持续。这项研究标志着对城市生态系统复杂性的认知迈出了关键一步，为构建气候适应型的“水未来”提供了重要科学依据。
期刊链接：https://doi.org/10.1038/s44221-026-00638-5
