利用微生物工程和基因组分析革新废水处理

通过微生物工程和基因组分析革新废水处理

2023/04/05

通过微生物工程和基因组分析为废水处理带来创新 提出PET原料生产废水的高效处理系统

除了家庭的生活废水外，工厂等生产现场以及其他各种场所也排放着各种各样的工业废水，并且每天都需要进行处理。废水处理设备和功能是庞大的社会基础设施之一提高废水处理系统的效率你所做的是降低社会成本和环境影响的角度来看，这也很重要
所有用水活动必不可少废水处理系统运行控制技术有时很难系统化，依赖于现场工程师的“基于经验规则的单独控制”现实就是这样。
AIST 生物过程研究部门的 Kuroda 和 Shigehiro 是我们的优势微生物培养技术和基因组分析技术揭示废水处理过程的实际状态关于废水处理面临的问题微生物学角度的方法正在努力解决这个问题。他们的第一个项目是提高高纯度对苯二甲酸（PTA）和对苯二甲酸二甲酯（DMT）生产过程中排放的工业废水的处理效率和系统化处理工艺，这些是PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）的原材料，用于塑料瓶和服装聚酯纤维。
作为微生物学专家，他们提出了提高PTA生产废水处理工艺和DMT生产废水处理工艺效率的想法，这两个工艺实际上是分开运行的混合两种废水进行处理我会做的逆转思路每个关注废水的成分以及分解各成分的微生物的特性通过做统一以前单独运行的流程我能够做到这一点。这不仅使废水处理过程更加高效，而且充分利用微生物的功能优化处理工艺通过做前所未有的全新废水处理过程控制现在是可能的。

利用微生物工程知识改变废水处理常识

　在进行微生物研究的同时，我希望尽可能地处理和再利用化学工业等生产现场产生的废水和废物。我在思考我们可以做些什么来减轻环境负担，实现废水100%循环利用的理想社会。”微生物生态工程研究组组长成宏隆回忆起这项研究的初衷。

　Narihiro 和他的团队首先全面了解工业废水处理的现状。

　如果废水本身未经处理就流出，将对环境和生态系统产生巨大影响，因此国家和地方政府以及包括工业废物处理公司在内的行业正在共同努力，按照法律法规规定的水质标准对其进行处理。

一般来说，废水处理技术包括物化处理和生物处理。该团队正在研究的生物处理技术进一步分为好氧处理和厌氧处理，其中不同组成和功能的微生物群在处理中发挥核心作用。

　流入设施的废水经过初沉池去除重质物质，然后被送往活性污泥反应池，其中喜欢充满氧气的环境的“好氧微生物”活跃起来。在活性污泥反应池中，通过曝气装置向池内供入空气，好氧微生物负责分解有机物并去除废水中的氮成分。该工艺称为“标准活性污泥工艺”。活性污泥反应池处理后的水经过消毒后排入河流或海洋。

　当废水在活性污泥反应池中得到净化时，负责该过程的好氧微生物会大量繁殖。多余的好氧微生物细胞在终沉池中被提取，部分返回活性污泥反应池，部分送浓缩。

　浓缩的剩余微生物细胞被喜欢消化罐中无氧环境的“厌氧微生物”分解。在此过程中产生的沼气中纯化出甲烷，并将其重新用作能源。这个过程称为厌氧消化。

　在废水处理设施中，每天都会出现问题，例如流入废水量和成分的变化以及导致处理问题的微生物异常生长。现场工程师根据多年积累的知识和经验来控制操作，使加工过程保持在一定的稳定状态。

　由于废水处理设施是大型基础设施，更新设备和系统时需要一定的初期投资。即使开发出新的加工技术，一旦处于稳定运行状态，人们对于立即将其引入该领域也会持谨慎态度。

此外，《水污染控制法》详细规定了可以排放到自然界的水质标准值，因此废水处理公司已经建立了预先在反应池中留有足够容量的系统，以确保在任何情况下都能进行充分的处理。由于处理此类问题的相关成本由排放废水的企业承担，因此从社会经济角度来看，优化整个废水处理系统一直是一项长期挑战。

　Narihiro和Kuroda的团队旨在从微生物工程的角度了解在废水处理中发挥核心作用的微生物的功能和多样性，同时也考虑到传统废水处理行业的机制，并希望利用这些信息来系统化和提高废水处理工艺的复杂性。

利用微生物工程的理念提高 PET 原料制造废水处理的效率

　该团队的第一个目标是工业废水，该废水是在生产 PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）原材料过程中排放的，这种材料用于塑料瓶和服装等产品。随着全球范围内PET产量不断增加，废水量预计将急剧增加，我们相信改进处理工艺将变得更加重要。

　PETは、石油由来の高纯度テrefタル酸（PTA）とテrefタル酸ジメチル（DMT）を主要原料として制造され、その过程では分解されにくい有机物を高浓度で含む廃水が出る。目前，PET生产过程中排放的高浓度、持久性废水包括PTA生产过程排放的废水和DMT生产过程排放的废水，两者分别在不同的工厂生产，因此废水也分开处理。

　这种废水处理工艺与上述一般城市污水处理工艺有一个不同之处。如上所述，在正常的废水处理过程中，好氧微生物首先分解有机物和氮，然后多余的微生物细胞被厌氧微生物分解。然而，在PTA和DMT生产废水处理中，情况却相反，首先进行厌氧处理。

　在研究这种处理工艺时，该研究的核心成员之一黑田恭平提出了“是否可以将两种不同数量和性质的废水混合并处理？”

　PET原料制造廃水を调べているうちに、PTA制造廃水には分割が难しい有机物である芳香族化合物が多く含まれている、DMT制造廃水は比较的分层しやすい有机物が多い。特に、DMT廃水には、ギ酸やメタノールというメタンの生成を担う稳定が利用可能的な成分が含まれていることが分かった。

　我们认为甲酸和甲醇可能有利于微生物的生长，从而促进难以分解的 PTA 生产废水的分解，因此我们尝试看看是否可以一次性处理所有废水。”（黑田）

首先，黑田东彦创建了一个“上升气流厌氧污泥层系统”，该系统由含有在实验室规模上分解芳香族化合物的微生物和分解各种化学物质的厌氧共生细菌的污泥组成。他们利用该系统在废水分解时提取甲烷气体作为能量，通过混合主要成分为甲醇和甲酸的DMT生产废水来处理主要成分为芳香族化合物的PTA废水，发现分解芳香族化合物的微生物与产甲烷微生物之间的相互作用被激活，并且该系统能够比之前报道的方法更有效地分解化合物。 (2022/5/13 新闻稿文章）

阐明微生物相互作用。

　在一项基于新想法的实验中，可以连续处理废水 500 天以上。

　然而，仅仅因为它可以分解，所以将其应用于PET原料制造废水以外的废水中仍然存在困难。

　事实上，分解芳香族化合物的微生物及其分解途径在很大程度上仍是未知的。例如，有报道称PTA生产废水中含有的有机物邻苯二甲酸被降解，但到底是哪种微生物负责分解它呢？我们能够提出一种新的微生物，通过获得从该反应器获得的微生物群的基因组信息，从遗传数据构建基因组草案，并通过检查功能基因来估计其代谢功能，来降解邻苯二甲酸。”（黑田）

　黑田东彦解码了在反应过程中起作用的微生物的基因序列，并使用一种称为鸟枪宏基因组分析的方法来估计废水中高浓度芳香族化合物的分解途径。

另一方面，Naruhiro通过统计分析PET原料制造废水处理过程中的细菌菌群结构数据，将细菌之间的相关性可视化。 “有趣的是，我们发现参与分解的微生物主要分为两类：芳香族化合物分解类和脂肪酸分解类。这表明，如果其中任何一个的丰度波动剧烈，废水处理性能都将不稳定，我们预计两者之间的平衡将是稳定处理的关键。”

　基于这些研究成果，该团队未来的目标是系统化和改进处理技术，能够处理塑料制造过程中产生的各种持久性废水和废物，包括石油衍生原材料以外的原材料。

　在废水处理研究领域，能够推动从实验室规模的反应器设计到微生物分离培养、细菌菌群分析、基因组分析的研究和开发的研究团队并不多。黑田认为，通过将自己培育的培养技术和反应堆设计技术与基因分析技术相结合，他想尽可能地简化反应堆内部发生的复杂现象，了解复杂系统的本来面目，并正在磨练自己的优势。

通过可控废水处理，建设循环型社会

　自从该团队发表他们的研究成果以来，社会对环境考虑的意识迅速提高，我们开始收到一些公司的询问，他们希望这项研究有可能显着减少废水处理中的能源使用量。

　在公布这项废水处理技术的成果后，除了我们的专长PET原料生产废水外，我们还收到了有关各种类型废水处理的咨询，主要来自化学工业。我们将利用我们的生物技术来创建定制的解决方案，充分利用适合每个制造环境的微生物功能。我觉得这样的角色是我们所期待的。”黑田坚定地说道。

　我们采用微生物学方法，根据废水的成分定制微生物种群和处理工艺。首先，有必要建立和推进这一方法。由此，可以通过微生物功能将技术创新带入一直难以提高效率的废水处理过程中。

另一方面，团队展望未来，认为他们最终想要实现的目标远不止于此。

　我们不只是想处理废水，而是想通过阐明负责处理的微生物的功能来控制过程本身。如果我们能按照我们想要的方式控制它，我认为就有可能从废水中提取有用的物质并重新利用，或者解决使用生物处理时不可避免的细菌过多的问题。”Naruhiro 热情地说。

　为了建设可持续发展的社会，资源的流通和利用至关重要。不仅在日本，而且在全世界，有效利用废水和废物的需求都在增加世界未来、工场がどのような廃水を出すか、どのような再利用ができるかで、邻接すべき工场の组み合わせが决定づけられるかもしれない。 「资源循环の最终工程である廃水・廃废弃物处理が、新たな资源の再出発点となる。そんな时代に向けて稳定の研究を通して贡献したい」チームの梦は広がっている。