8320_8572膨胀现象发生并估计引起它的微生物。
一旦发生膨胀现象，就需要更换废水处理反应器中的污泥颗粒，这是一个严重的问题，因为它会影响整个制造厂，但其原因尚不完全清楚。此外，对厌氧废水处理中膨胀现象的了解仅限于糖厂废水。为了正确操作和管理广泛用于工业废水的厌氧废水处理方法，有必要扩大可分析的废水类型并积累知识。
在这项研究中，我们进行了约75年的长期连续处理实验，对含有高浓度苯酚（一种具有生物毒性的芳香族化合物）的废水中的微生物种群进行了详细分析。结果，产生甲烷，由苯酚的分解产物产生甲烷阿奇亚共生或寄生未知微生物涉及膨胀现象。
这项技术的详细信息将于2024年2月6日发表在国际水协会的国际学术期刊上。水资源研究
苯酚是一种生物毒性物质，存在于煤气化、炼油和酚醛树脂制造等多种行业的废水中，浓度范围很广。废水处理中，如果苯酚浓度较低（几十到几百mg/L），需要供氧来分解有机物活性污泥法当浓度较高（几千mg/L以上）时，采用物化处理方法。活性污泥法比物理化学处理便宜，因此在废水量较大时使用，因为它与整个工厂排放的其他废水混合。但活性污泥法等好氧处理由于苯酚对微生物有毒性作用，可处理的浓度上限较低，因此需要稀释以降低苯酚浓度。另外，还存在需要大量的能量用泵供给空气以维持处理槽内的有氧环境的问题。另一方面，厌氧废水处理能够通过产生甲烷气体来产生能量，一般比活性污泥更适合处理高浓度有机废水，并且相对易于管理，因此作为解决活性污泥问题的技术而受到关注。
然而，由于缺乏有关苯酚对厌氧微生物长期影响的工程数据（例如废水处理性能、甲烷生产率、允许的苯酚浓度等）以及与之相关的详细微生物学知识，因此需要确定与处理成败相关的微生物群。此外，为了稳定加工效率，有必要弄清楚影响整个制造工厂的膨胀现象的原因。
AIST 是内阁办公室的一部分生物策略推广生物经济为了实现社会，我们的目标是在社会中实施“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、可降解性评价和废水处理等一系列研究。
迄今为止，我们关注微生物作为生物废水处理的主要参与者的功能，开发了针对含有苯酚（“成功高效处理 PET 瓶原材料制造过程中的持久性废水”2022 年 5 月 13 日 AIST 新闻稿）并鉴定微生物及其负责在无氧厌氧环境中降解对苯二甲酸二甲酯的降解酶基因（“发现在无氧环境中分解 PET 相关物质的微生物”2022 年 7 月 11 日 AIST 新闻稿)。我们还在基因组水平上阐明了废水处理过程中常见微生物的寄生和捕食所涉及的生物学功能（“用于废水处理的活性污泥工艺中常见的微生物群的鉴定”2023 年 9 月 5 日 AIST 新闻稿）。通过这些研究成果，我们表明，鉴定分解废水中所含主要成分的微生物、通过基因组信息分析估计分解途径、阐明影响分解微生物生长的环境条件以及寄生和捕食等生物体之间的相互作用是开发高效废水处理技术的重要研究要素。
本研究主要针对含酚废水，需要建立更稳定的处理技术，并获得可靠的工程数据上流式厌氧污泥床（以下简称“UASB”）反应堆。通过此，我们评估了可稳定处理的苯酚允许浓度和每天单位体积可处理的有机物量（有机体积负荷）的性能。我们还发现，当UASB反应器的运行温度发生变化时，会发生膨胀，这是废水处理性能恶化的原因之一。此外，详细的微生物分析表明，至少有四种眼睛”和六个“家庭'' 跨度 19种子细菌降解苯酚，DPANN 群组涉及上述膨胀现象。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金“研究活动启动支持 (JP16H07403)”(2016-2017) 和“基础研究 (B)（一般）(JP21H01471)”(2021-2024) 的部分支持。
在这项研究中，我们在 14 种不同的操作条件下获得了 75 年的工程数据，废水苯酚浓度逐渐从 260 变为 1,680 mg/L，UASB 反应器在中温（平均 35-37 °C）和未加热 13-38 °C（平均 25 °C）下运行（图 1）。为了激活负责分解乙酸（苯酚分解的最终中间产物）的产甲烷古菌，在UASB反应器（图1中的S）初始运行期间添加乙酸约150天，有毒物质苯酚的浓度降低了约70%至80%，这表明在存在苯酚的环境中，微生物组（是）熟悉程度成功了。
然后，停止添加乙酸并逐步增加苯酚浓度以评估UASB反应器可以耐受的苯酚浓度。我们还评估了加热与否对UASB反应器处理效率的影响，以构建节能处理系统。具体来说，温度按以下顺序变化：中温35℃（图1中的1至4，约1,420天），13至38℃不加热（平均25℃，图1中的5至6，约600天），中温37℃（图1中的7至14，约480天）。结果，在中温条件下获得了高苯酚去除率（6 kgCOD/m3/天）。这被认为是由于已知的中温苯酚降解菌的最适生长温度为30℃至37℃，并且在冬季，当温度超出未加热条件下的最适生长温度时，苯酚去除率下降。当UASB反应器的温度从不加热工况变为中温工况时，图1中工况7的后半段突然出现膨胀现象，通常直径为数毫米的污泥颗粒增大至2～3厘米并流出反应器（图1右）。发生膨胀现象后，我们采取了降低废水中苯酚浓度、分散增大的污泥颗粒等措施，但有机物去除率并未恢复，仍维持在较低值（图1中的8以上）。在本研究中使用的UASB反应器中，尽管在35℃下运行了1,420天（图1中的1至4），但没有发生膨胀现象，并且在从不加热（图1中的5至6）到37℃加热条件（图1中的7）改变后约130天的相对较短的时间内发生了膨胀。此外，在此期间，从温度为35℃的后期（图1中的4）到发生膨胀时（图1中的7），有机质的体积负荷没有显着差异。到目前为止，已知有机物浓度和有机物体积负荷的突然变化是厌氧条件下膨胀的原因，但通过这项研究，我们新推断出温度的突然变化是污泥颗粒增大及其相关浮选和流出的触发因素。
图 1 获得的工程数据（左）和发生的膨胀现象的概述（右）。 S表示运行初期（运行约150天），1至14表示进入UASB反应器的废水中有机物浓度不同的不同运行条件。
*图1左边的图是根据原论文中“表1”和“表S2”的数值数据创建的。
阐明苯酚的分解机理鸟枪法宏基因组分析，我们发现苯酚分解有两种不同的分解途径和一种共同的分解途径，并且跨越四目六科的19种细菌负责分解（图2，上排）。我们还分析了膨胀现象之前和期间的微生物菌群，并证实在膨胀现象之前没有检测到属于DPANN组的未知微生物（图1中的4），但在非加热操作期间增加到微生物菌群总数的49%（图1中的6），并且在膨胀发生时它们繁殖到微生物菌群总数的10%以上（图1中的8）。此外，这些微生物大量存在于从反应器流出的放大污泥颗粒和漂浮在反应器内部的放大污泥颗粒中，并且是在检测到的1800多种微生物菌群中排名第二至第八的最常见微生物。此时，未知微生物与上述参与苯酚降解的细菌和产甲烷古菌表现出显着的相关性。基因组分析结果显示，该未知微生物的基因组大小极小，约为60万个碱基，约为大肠杆菌基因组的八分之一。
由于这种未知微生物缺乏基本的生物合成途径，因此可以假设它是通过与其他微生物共存或寄生来生长的（图 2 的下排）。据报道，DPANN类微生物并非细菌，而是以古菌为宿主共生或寄生。由于产甲烷古菌是本研究分析的微生物群中唯一占主导地位的古菌，因此表明产甲烷古菌是未知微生物的宿主。在寄生的初始阶段，DPANN组的微生物表现出共生性，利用宿主产生的代谢物生长，并且还已知具有抑制宿主生长的寄生特性，但这种抑制作用的机制尚不清楚。由于被假定为宿主的产甲烷古菌和作为寄生真菌的DPANN群的丰度之间存在相关性，因此有人提出，虽然产甲烷古菌的生长和利用其代谢物的DPANN群的生长得以维持，但由于温度快速变化等环境因素，某种寄生作用变得占主导地位，抑制了产甲烷古菌的生长，导致膨胀现象。
考虑到DPANN类未知微生物可能与参与苯酚分解的微生物类群相关并寄生在产甲烷古菌上生长，可以推测这种膨胀现象是未知微生物抑制产甲烷古菌生长并影响整个微生物菌群相互依赖的结果。
图2通过微生物组和基因组分析预测的苯酚分解机制以及引起膨胀的微生物的估计
这项研究阐明了含酚废水厌氧处理过程中苯酚的分解机制以及参与分解的微生物，并提出属于DPANN组的未知微生物是造成膨胀现象的原因。
众所周知，厌氧废水处理中的膨胀现象不仅发生在糖厂废水中，也发生在含有芳香族化合物的废水中，例如含酚废水和塑料原料制造废水中。然而，膨胀现象的原因尚不清楚，因为在实验室水平的实验中很难重现它，并且很难结合全规模废水处理设施的工程数据来分析微生物菌群。这项研究的结果将为阐明膨胀现象的机制提供新的知识，膨胀现象是整个废水处理技术的一个问题，且信息匮乏，并为开发防止其发生的技术提供新的知识。
基于影响苯酚废水处理质量的微生物群落基因组信息和获得的工程数据，我们的目标是开发微生物菌群控制技术，建立厌氧废水处理工艺的稳定运行管理技术。我们还将建立一个环保的废水处理工艺，有效分解苯酚废水，并通过产生甲烷来产生能源。
已出版的杂志：水资源研究
论文标题：长期运行中温上流式厌氧污泥床反应器中厌氧苯酚降解机制和膨胀现象的微生物学见解
作者：黑田恭平¶*，前田良太¶、Futaba Shinshima、Kampachiro Urasaki、Kengo Kubota、Masaru K Nobu、Taro QP野口、佐藤尚、山内正仁、成广隆*，山田正芳*
¶两位作者都是本研究的共同主要作者
*这些作者是本研究的共同通讯作者
DOI：doiorg/101016/jwatres2024121271