米乐m6官方网站 (AIST) 生物过程研究部、微生物生态工学研究组、黑田恭平研究员、成宏隆研究组组长、环境创造研究部、副研究主任羽部宏、高级首席研究员堀智之等人，以及国立大学法人长冈工业大学、技术研究所、环境与社会基础设施部波本副教授合作Masashi 和技术、科学与创新系的 Takashi Yamaguchi 教授，我们对国内工业废水和城市污水处理设施中运行的七个废水处理设施进行了研究。活性污泥法重复收集的总共600个复杂微生物样本的微生物组数据。三年多的时间里。根据结果，我们确定了所有过程共有的微生物群体，并根据其基因组信息，我们发现有许多微生物群体具有捕食或寄生效应。
众所周知，比细菌进化程度更高的原生动物在废水处理过程中会捕食细菌，但细菌之间的捕食和细菌寄生的现象却鲜为人知。在这项研究中，从处理不同类型废水的活性污泥工艺中获得微生物组并获得数据以了解其多样性和代谢功能。根据我们的分析，我们发现捕食性细菌和寄生细菌有助于稳定废水处理。
请注意，此结果已于 2023 年 8 月 13 日发表在国际水协会的开放获取期刊“水资源研究 X
近年来，在可持续发展目标的背景下生物经济全球范围内正在努力建设社会并实现碳中和。为了实现循环型社会（这是实现这些目标的关键），有必要创造能够有效处理产品价值链（包括开发、生产、加工、分销、销售和消费）各个阶段产生的废水和废物的技术。此外，内阁府的``生物策略''设想社会的未来是开发高附加值技术，将工业活动产生的废水和废物转化为增值物质和材料，并建立碳循环循环，克服废水和废物造成的环境问题。
目前，活性污泥法是广泛应用的处理工业废水和城市污水的技术。在活性污泥法中，废水中含有的有机物和氮成分被微生物菌群的作用分解，氮成分被去除，微生物菌群由多种微生物组成，据说数量有数千到数万种。然而，每种微生物所发挥的作用以及微生物之间的关系尚未完全了解。
为了实现内阁府生物战略的目标“2030年生物经济社会”，产业技术研究院致力于在社会上实施“以循环型社会为目标的生物资源利用技术”，该技术结合了材料开发、高功能性、制造、降解性评价、废水处理等一系列研究。迄今为止，我们专注于生物废水处理中的主要参与者微生物的功能，并成功地“高效处理PET瓶原料制造过程中的持久性废水”。2022 年 5 月 13 日 AIST 新闻稿) 和“发现在无氧环境中分解 PET 相关材料的微生物”(2022 年 7 月 11 日 AIST 新闻稿)
在此介绍的研究中，我们比较了三年来收集的总共 600 个样本的微生物组数据，针对广泛用于工业废水和城市污水处理的活性污泥工艺。活性污泥微生物生态系统中常见的微生物，并研究了其与废水中总碳和总氮浓度的关系。此外，我们还关注常见微生物群中包含许多相互作用的微生物，例如捕食和寄生，并研究了这些微生物的功能。鸟枪法宏基因组分析
这项研究和开发是在内阁府战略创新创造计划 (SIP)“智能生物工业和农业基础技术”（由国家农业和食品研究组织生物研究支持中心管理）下进行的。
在本研究的三年项目实施期间，从工业废水和城市污水处理设施运行的七个活性污泥工艺中总共采集了 600 个活性污泥样品，以获得微生物菌群数据。迄今为止已报道的废水处理过程中微生物群的研究主要集中在城市污水处理设施上。相比之下，本研究中90%以上的样品是从处理工业废水的活性污泥法中采集的，这方面的报道很少。因此，可以评估尚未为人们所熟知的废水处理微生物。
要分析的微生物组数据是16S rRNA基因人群结构数据以及针对所有基因的鸟枪法宏基因组数据。在整理了 600 种活性污泥微生物的群落结构数据后，935家庭多种微生物。在这些微生物类群中，平均丰度为01%或以上的微生物被定义为“常见微生物类群”，在所有7个活性污泥工艺中共同检测到106个微生物科。这106个常见微生物科的总丰度占所有微生物物种的90%以上，发现可以评估本研究目标活性污泥的大部分微生物生态系统。
迄今为止，已经从世界各地的废水处理过程中收集了大量的微生物群落结构数据。然而，由于缺乏对微生物群落多样性与加工条件之间关系的了解，需要进一步研究以充分了解微生物的作用。因此，在本研究中，我们对所有600个样品同时分析了被认为与处理性能相关的总碳浓度和总氮浓度，并与常见微生物群进行了相关性分析。结果，我们发现常见的微生物群包括与有机物去除和脱氮高度相关的微生物、已知参与污泥浮选等处理性能恶化的微生物以及据报道具有微生物之间捕食和寄生等特性的微生物（图1）。
图1活性污泥样品微生物群落结构数据分析概述
活性污泥法广泛用于处理工业废水和城市污水。然而，随着废水净化过程中好氧微生物的增殖，产生大量剩余细菌（剩余污泥），减少并有效利用这些细菌已成为一个问题。目前，这些剩余的微生物细胞中的一些通过甲烷发酵过程被用作沼气或堆肥，但其余的目前在脱水后被焚烧（参考：2023 年 4 月 5 日 AIST 杂志“微生物工程和基因组分析彻底改变废水处理”）。近年来，越来越多的研究报告旨在减少剩余细菌的体积，重点关注活性污泥过程中微生物的捕食和寄生等现象，但捕食性和寄生性微生物的分离和培养很困难，无法了解它们的生态作用。
本研究中确定的活性污泥工艺中的常见微生物群包括 Delobibrionota、Myxococcota 和 Patesibacteria候选人门。此外，与水质数据的相关分析结果显示，在废水总碳和氮浓度较低的条件下，这些微生物的丰度增加，这表明它们在低营养条件下通过捕食或寄生其他微生物来确保营养来源。此外，我们针对构成活性污泥样品的微生物菌群的所有基因进行了鸟枪法宏基因组分析，发现 1,184 种废水处理微生物源自基因组草案已获得信息。根据其中142种被认为源自捕食性和寄生性细菌的基因组信息，估计它们具有捕食和寄生常见微生物群的能力，这些微生物群属于Delobibrio家族、粘球菌家族和Patesibacteria候选门（图2）。
图2基因组分析预测的未知常见微生物类群的捕食和寄生机制
这样，通过比较和分析活性污泥工艺的微生物菌群数据和水质数据，我们识别出了即使在不同废水处理工艺中也常见的微生物群，并在基因组水平上阐明了它们所包含的细菌具有捕食和寄生功能。这项研究的结果将促进稳定有效处理和减少剩余细菌的技术的发展，这是废水处理技术中的问题。
未来，基于包括捕食性细菌和寄生性细菌在内的常见微生物群的基因组信息，我们的目标是建立微生物菌群控制技术，以改善活性污泥工艺的废水处理，并创建可有效分解和净化各种废水类型的环境友好型工艺，从而为创建生物经济社会做出贡献。
已出版的杂志：水资源研究 X
论文标题：活性污泥废水处理系统中捕食性和寄生性细菌谱系的代谢影响
作者：Kyohei Kuroda*、Shun Tomita、Hazuki Kurashita、Masashi Hatamoto、Takashi Yamaguchi、Tomoyuki Hori、Tomo Aoyagi、Yuya Sato、Tomohiro Inaba、Hiroshi Habe、Hideyuki Tamaki、Yoshihisa Hagihara、Tomohiro Tamura、Takashi Narihiro*（*两位作者均为共同通讯作者）本研究的作者）
DOI：doiorg/101016/jwroa2023100196