国立先进产业技术综合研究所 [会长 中钵良二]（以下简称“AIST”） 环境管理研究部 [研究主任绪方敦] 环境微生物研究组 首席研究员 佐藤雄哉、首席研究员 堀智之、 生物过程研究部研究组组长 羽部宽 [研究主任铃木薰] 生物设计研究组 小池秀明的研究小组和同事发现复杂的水处理微生物（活性污泥)中丰度低于025%的硝化细菌影响了整个活性污泥的重油分解性能。
活性污泥是最熟悉、最重要的生物技术，已在全世界使用了100多年，但由于它是由数千种以上的微生物组成的复杂群体，其水处理机理仍然是个谜，问题仍然无法解释。这次，AIST开发了一种评估遗传多样性的新方法。元转录组分析结合起来处理废水活性污泥反应器将其应用于8815_8841|涉及多种微生物的复杂案例代谢途径中提取出重油分解的关键反应。结果他们发现，决定整个水处理系统的重油分解性能的并不是重油降解菌本身，而是硝化菌，硝化菌的存在量很少，为重油降解菌提供能量来源。未来，预计这种分析方法将应用于阐明水处理系统以外的各种环境中的微生物反应。
该成果于2019年5月13日（英国时间）发表在英国学术期刊上通讯生物学（自然研究）
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| 利用活性污泥进行废水中的重油分解反应 |
活性污泥是一种重要的生物技术，在世界各地用于废水处理已有 100 多年的历史。例如，几乎所有的生活废水都采用活性污泥处理，许多工业废水也采用相同的技术处理，使其成为现代社会基础设施的重要组成部分。另一方面，由于活性污泥是由数千种微生物组成的复杂性，许多水处理反应机理仍然未知，并且不乏意想不到的问题。例如，可生物降解的重油经常混入废水中，但即使在低浓度下，它也会抑制活性污泥的微生物活性。到目前为止，这些问题都是依靠流程管理者的经验来解决的，但考虑到与废水处理相关的巨大能源成本（例如，污水处理消耗的电力约占日本年电力消耗的07%），迫切需要提高运营效率，有必要了解根本问题。
AIST 于 2012 年启动了一项旨在确保水资源安全和有效利用的研究项目（AIST 水项目：https://unitaistgojp/emri/water/) 基于微生物知识，对水处理和再生过程的高度活跃的维护和管理技术进行了研究。迄今为止，人们已经了解了一些重油降解菌在重油与废水混合时抑制活性污泥微生物活性，但自然环境中复杂微生物群对重油的分解机理以及重油抑制水处理活性的详细机制尚未阐明，我们一直在对这些问题进行研究。
此外，还没有建立适当的活性污泥诊断方法，特别是针对单个微生物在代谢水平上的行为。 AIST建立了宏转录组分析方法来评估微生物基因的多样性，这次我们将该方法应用于处理含重油废水的实际活性污泥中，以阐明其详细机制。
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。
使用活性污泥的水处理工艺即使在相同的条件下运行也常常会产生完全不同的结果。这次，我们利用中试活性污泥反应器进行了处理含重油废水的实验。当向两个反应器中添加相同的活性污泥并逐渐提高重油浓度时，即使在相同的条件下运行，反应器的处理量也存在较大差异（图1）。
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| 图1 两个活性污泥反应器处理能力的变化 |
基因表达是指从遗传信息中产生酶和其他蛋白质，为了响应环境变化，微生物表达所需量的必要酶以进行所需的化学反应。转录组分析是研究表达基因的类型和数量以了解微生物在其环境中进行的反应的过程。在本研究中，我们对活性污泥中的各种微生物进行了转录组分析，以阐明处理性能差异的原因。
在传统的转录组分析中，基因按照优先级进行评估，“表达程度越高的基因越重要”，如图 2（左）所示。然而，这种方法往往检测许多微生物共有的基因，例如与微生物生长相关的基因，而很少检测反映个体微生物的环境和条件的基因。因此，我们设计了一种通过该环境中使用的微生物物种的数量来评估特定基因的方法（图2（右））。这使得从大量的遗传数据中提取在特定环境中特别重要的基因成为可能。这次，我们使用该方法来分析活性污泥反应器中的重油分解路径。
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| 图2 注重遗传多样性的新评估方法 |
重油通常在氧气存在下（例如在空气中）被氧化时分解。然而，通过对活性污泥反应器的分析，我们发现这两个具有不同处理能力的反应器尽管不断供应氧气，但并不使用氧气。厌氧以分解反应为主。然而，在厌氧条件下工作的重油降解菌的基因表达水平在两个反应器之间没有显着差异，这表明重油降解菌以外的因素对加工性能有很大影响。
与人类一样，许多微生物通过利用氧气的呼吸来获取能量，但与传统已知的重油降解菌不同，此次检测到的大多数重油降解菌都是也可以通过利用硝酸的呼吸来获取能量的物种。本实验中，没有外部供给硝酸，但如图3（左）所示，在处理含有机物的废水时会积累氨，活性污泥中含有的硝化细菌将积累的氨产生硝酸，重油降解菌利用这种硝酸来获取能量。该分析表明，两个反应器中硝化细菌的活性存在显着差异。高通量反应器中硝化细菌活性较高（图3（右）），稠油降解菌的能源硝酸供应充足，促进了稠油分解反应。此外，重油会抑制许多微生物的活性芳香族化合物
当我们调查本次使用的反应器活性污泥中的细菌数量时，我们发现，虽然重油降解细菌的数量高达总数的40%，但提供能源硝酸的硝化细菌的数量却极低，不足025%。以前，通常认为数量越多的微生物越重要，但使用这种方法，我们能够证明数量极少的微生物发挥着重要作用。此外，在过去，即使我们知道特定环境中存在什么样的微生物，我们也不知道它们实际上在做什么。然而，通过使用该方法，表明即使在存在氧气的环境中，微生物实际上也会厌氧分解重油。近年来，有报道称难熔化合物的微生物分解过去被认为主要是利用氧气进行分解，但有时在自然环境中会进行厌氧分解。目前的结果支持了这些想法，并且希望将来能够更详细地阐明自然环境中发生的分解反应。
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| 图3硝化细菌活性比较及供给硝酸促进重油分解 |
目前，我们正在进行本研究中使用的宏转录组分析，针对实际水处理系统中存在问题的各种现象，旨在从微生物角度提高水处理过程的效率。此外，由于该方法可以应用于许多环境样品，因此我们计划在未来扩大分析范围，以解决涉及微生物但因果关系未知的各种环境问题。