国立先进产业技术研究所 [主席：中钵良二]（以下简称“AIST”）环境管理研究部[研究主任：田中干也]环境微生物研究组首席研究员堀智之，生物过程研究部研究员青柳聪[研究主任：田村智博]环境生物功能开发研究组首席研究员菊池义智，地圈资源与环境研究部【研究主任：三畠裕二】地圈微生物学研究小组大辅真由美等人与日本触媒株式会社【代表董事兼社长：后藤裕二郎】（以下简称“日本触媒”）合作，该公司在日本产研院设立，检测灵敏度比传统方法高出500倍高灵敏度同位素追踪方法石化行业废水中的有害物质1,4-二恶烷的微生物，并揭示它们可以共同努力维持稳定的分解。
1,4-二恶烷是一种有毒物质，被怀疑对人类致癌，在世界范围内受到更严格的监管。近年来，开发了一种低成本、低环境影响的1,4-二恶烷处理方法。生物处理一直备受关注，但迄今为止，1,4-二恶烷降解菌的研究难度大且耗时分离培养方法只能在9030_9183|中进行研究，并且只知道几种类型的降解细菌。此次，我们利用产业技术研究院建立的不依赖分离培养的高灵敏度同位素追踪方法，在石化废水生物处理槽中发现了多种1,4-二恶烷降解菌，并发现这些降解菌协同作用，可以稳定地去除1,4-二恶烷。这是在自然环境中未知微生物的动力学功能和控制。
此结果于2018年6月13日（当地时间）公布自然出版集团微生物生态学领域的学术期刊ISME 期刊
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| 高灵敏同位素示踪方法在石化工业废水生物处理池中的应用 |
1,4-二恶烷是一种人造化学品，是石油和化工产品制造过程中的副产品（图1A），也广泛用作氯化溶剂的稳定剂。国际癌症研究机构 (IARC)是啊美国环境保护署 (US EPA)指出1,4-二恶烷可能对人类有致癌作用；环境和废水标准全球范围内变得越来越严格。
近年来，生物处理作为1,4-二恶烷的低成本、低环境影响的处理方法受到关注。然而，迄今为止，1,4-二恶烷降解菌的研究只能采用分离培养的方法，费时费力，而且缺乏信息。即使在能够稳定处理石化工业废水的生物处理池（图1B）中，1,4-二恶烷降解细菌的真实情况也是完全未知的，这长期以来一直是生物处理过程评估和控制中的一个主要问题。
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| 图1 石化行业(A)产品生产车间和(B)工业废水生物处理池 |
AIST旨在开发水资源循环利用技术和安全保障技术亚洲战略“水工程”我们正在研究基于微生物知识的水处理和再生的高活性维护和管理技术，并且一直在做水处理膜堵塞发生机制的阐明(2017 年 2 月 23 日 AIST 新闻稿) 等。这次，作为这项工作的一部分，AIST 的高灵敏度同位素追踪方法和下一代测序仪基于使用分析的环境微生物研究积累和日本触媒在稳定生物处理 1,4-二恶烷方面的经验，通过有机地联系和开发它们，我们的目标是阐明降解 1,4-二恶烷这一有害物质的细菌的真实情况，1,4-二恶烷是在全世界造成严重环境污染问题的有害物质。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金的部分支持。
日本触媒安装的生物处理池活性污泥微生物由数千至数万种微生物组成，这次我们使用产业技术研究院建立的高灵敏度同位素追踪方法进行分析。自然界中的大部分碳12C（质量数12），稳定同位素碳13使用 C 合成（质量数 13）13C标记的1,4-二恶烷添加到活性污泥中并摇动8小时（图2），13同时C标记的1,4-二恶烷减少13CO2生成接下来，从活性污泥中提取微生物。核糖核酸 (RNA)后，通过高速旋转装有样品的管进行超速离心。超速离心后，管顶部含有碳12由C组成的轻RNA分子留在管底部13源自 C 标记的 1,4-二恶烷的同位素碳13含有 C 的重 RNA 分子积累。结果证实，1，4-二恶烷被活性污泥中的微生物分解，并且分解的碳的一部分被微生物作为生物成分摄取。将管底部分成三个部分并收集，并使用下一代测序仪分析了超过 100 万个微生物 RNA 分子。13我们能够识别出九种吸收 C 的微生物（A 至 I 细菌）（图 3）。其中，一种（H细菌）是已知的1,4-二恶烷降解细菌二氧杂环假诺卡氏菌相同然而，其他8种1,4-二恶烷降解菌各自具有不同且多样的遗传信息，迄今为止还没有它们能够降解1,4-二恶烷的报道，而这次，它们是首次利用高灵敏度同位素追踪方法发现的。此外，仅在最重和第二重馏分中发现（或检测到）的四种降解细菌（F、G、H 和 I 细菌）依靠仅分解 1,4-二恶烷获得的少量能量生存，但其余 5 种降解细菌（A、B、C、D 和 E 细菌）不仅降解 1,4-二恶烷，而且还分解共存的化学物质（单乙二醇、烷烃、等）。共代谢从微生物RNA分子的重量差异发现，它被用于12665_12699|
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| 图2 高灵敏度同位素追踪方法概述 |
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| 图3 使用高灵敏度同位素追踪方法发现的1,4-二恶烷降解细菌 |
从2015年5月到2016年4月，我们对日本触媒实际安装的生物处理池中1,4-二恶烷降解细菌的动态进行了大约一年的密切跟踪（图4）。此次鉴定出的1,4-二恶烷降解菌均为年平均值相对丰度为稀有微生物，含量为0001%～1523%，随1,4-二恶烷的去除率而变化。从相对丰度较大的5种降解菌（A、B、C、D、I菌）的变化来看，1,4-二恶烷降解菌5种均在夏季（7-8月）减少，去除率急剧下降，但此后D、C菌开始增加，去除率很快恢复。当秋季（10月）去除率恢复时，在系统停机约一个月进行定期维护后，C菌先增加后减少，随后A、D、B菌增加以补偿这种增加，支持去除率的恢复和稳定。此外，早春（3-4月），当去除率下降时，B、C、I菌增多，阻止了去除率的显着下降。这样，实际生物处理池中的1,4-二恶烷降解菌就表现出了不同的转变模式。该结果表明这些降解细菌协同参与石化工业废水中1,4-二恶烷的稳定去除。
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| 图4石化工业废水生物处理池内1,4-二恶烷去除率及降解菌变化 |
用于分析石化工业废水生物处理池中微生物的高灵敏度同位素示踪方法被认为是阐明未知微生物在自然环境中的作用的有效工具，这一作用至今尚未被了解。未来，它可以为建立涉及各种物质分解和水循环过程的未知微生物的评估和控制技术做出贡献。
将来，我们将使用我们发现的1,4-二恶烷降解细菌相关物种的降解细菌的特性信息（基因和基因组序列信息等）和优化环境条件，我们的目标是建立一种管理方法，通过激活石化工业废水生物处理池中1,4-二恶烷降解细菌的生长，维持并最大限度地提高分解活性。