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従属栄養性の硫化物酸化硝酸還元菌を用いることで、高硫化物負荷下での統合自己栄養-従属栄養脱窒(IAHD)プロセスの高性能化を可能にした
Heterotrophic sulfide-oxidizing nitrate-reducing bacteria enables the high performance of integrated autotrophic-heterotrophic denitrification (IAHD) process under high sulfide loading.
PMID: 32361288 DOI: 10.1016/j.watres.2020.115848.
抄録
微小好気性エンハンスメント技術は、高負荷下での自己栄養-従属栄養脱窒（IAHD）プロセスにおいて、硫化物、硝酸塩、有機炭素の同時除去を強化するための有効なツールとして開発されてきたが、機能性細菌のエンハンスメントのメカニズムは曖昧なままであった。本研究では、従属栄養性硫化物酸化硝酸還元細菌(h-soNRB)が、高負荷の微好気性条件下でのIAHD性能向上に関与していることを明らかにした。IAHDバイオリアクターでは、流入硫化物濃度が18.75mmol/Lの場合、曝気量2.6mLmin-Lで硫化物,硝酸塩,酢酸塩の除去効率が2〜4倍に向上した。メタゲノム解析の結果、微量酸素は硫化物の酸化に関与する遺伝子（sqr, glpE, pdo, sox, cysK）の発現を15.2%〜129.9%増加させ、硝酸還元酵素をコードする遺伝子の発現を67.4%増加させることが明らかになった。酢酸除去効率の向上は、ack、ptaおよびTCAサイクル関連遺伝子のアップレギュレーションに起因していた。ｈ-ＮＲＢであるPseudomonas、Azoarcus、Thauera、Halomonasが検出され、我々のバイオリアクターではｈ-soNRBとみなされた。Illumina MiSeqシークエンシングによると、これらの属は、82.72％から90.84％までの相対的な豊富さで、微好気性微生物群集において絶対的に支配的であった。典型的なh-soNRBであるPseudomonas C27の硫化物、硝酸塩、酢酸塩の除去率は、嫌気性条件下よりも微好気性条件下の方が少なくとも10倍以上高かった。さらに、シュードモナスC27のゲノムをもとに硫黄・窒素・炭素代謝ネットワークを構築した。この菌株に見出されたpdoとcysK遺伝子は、自己栄養性硫化物酸化硝酸還元菌（a-soNRB）にとって最も有利な遺伝子である可能性があり、この遺伝子は、高濃度の硫化物と限られた酸素供給下での高効率硫化物、硝酸塩、酢酸塩の除去性能に密接に関係していると考えられる。さらに、微好気的培養後のIAHDバイオリアクターの嫌気性硫化物負荷耐性は18.75から37.5mmol/Lに増加し、硫化物、硝酸塩、酢酸塩の除去効率は1.5から3倍に増加した。
Micro-aerobic enhancement technology has been developed as an effective tool to enhance simultaneous removal of sulfide, nitrate and organic carbon during the integrated autotrophic-heterotrophic denitrification (IAHD) process under high loading; however, its mechanism of enhancement for functional bacteria remains ambiguous. In this study, we discovered that heterotrophic sulfide-oxidizing nitrate-reducing bacteria (h-soNRB) are responsible for enhancing IAHD performance under micro-aerobic conditions with high sulfide loading. In a continuous IAHD bioreactor, aeration rate of 2.6 mL min·L promoted 2 to 4 times higher removal efficiencies of sulfide, nitrate and acetate with an influent sulfide concentration of 18.75 mmol/L. Metagenomic analysis revealed that trace oxygen stimulated the abundance of genes responsible for sulfide oxidation (sqr, glpE, pdo, sox and cysK), which were upregulated by 15.2%-129.9%, and the genes encoding nitrate reductase were up-regulated by 67.4%. The increased acetate removal efficiency was attributed to upregulation of ack, pta and TCA cycle related genes. The h-NRB Pseudomonas, Azoarcus, Thauera and Halomonas were detected and regarded as h-soNRB in our bioreactor. According to Illumina MiSeq sequencing, these genera were absolutely dominant in the micro-aerobic microbial community at relative abundances ranging from 82.72% to 90.84%. The sulfide, nitrate and acetate removal rates of Pseudomonas C27, a typical h-soNRB, were at least 10 times higher under micro-aerobic conditions than under anaerobic conditions. Besides, the sulfur, nitrogen and carbon metabolic network was constructed based on the Pseudomonas C27 genome. The pdo and cysK genes found in this strain may be the most advantageous for autotrophic sulfide oxidizing nitrate reducing bacteria (a-soNRB), which are closely related to the high-efficiency sulfide, nitrate and acetate removal performance under high sulfide concentrations and a limited oxygen supply. In addition, after micro-aerobic cultivation, the anaerobic sulfide loading tolerance of the IAHD bioreactor increased from 18.75 to 37.5 mmol/L with sulfide, nitrate and acetate removal efficiencies increasing 1.5 to 3 times, which suggests that intermittent micro-aeration might be a more economical and efficient regime for high-sulfide IAHD regulation.
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