アニリンが高濃度硫酸廃水の嫌気性処理における微生物群集と生物学的硫酸還元経路に及ぼす影響についてのメタゲノム解析の知見が得られた

Metagenomic insights into aniline effects on microbial community and biological sulfate reduction pathways during anaerobic treatment of high-sulfate wastewater.

• Jun Li
• Ying Liang
• Yu Miao
• Depeng Wang
• Shuyu Jia
• Chang-Hong Liu

抄録

本研究では、アニリン濃度が0〜480mg/Lに上昇した高濃度硫酸廃水を処理する実験室規模の拡張型粒状汚泥床反応器（EGSB）を構築し、アニリンストレスに応答する硫酸還元経路の変化や微生物群集の変化、硫酸還元性能の変化を総合的に把握した。その結果、アニリンストレス下での硫酸還元の分子機構を分類学的・機能的プロファイルから解読するために、ハイスループットシーケンシングとメタゲノムアプローチを適用した。その結果、嫌気性系でのアニリンの増加は、揮発性脂肪酸の蓄積を誘発し、バイオリアクターを酸性化させ、それがシステム性能低下の主な原因となり、最終的には有害な遊離硫化物の蓄積をもたらした。さらに、アニリンは細菌群集や硫酸還元経路に関連する遺伝子の変化を誘発した。アニリンを0mg/Lから320mg/Lに増加させると、全硫酸還元細菌(SRB)が濃縮され、最も豊富なのはデスルホミクロビウム属であり、全SRBの66.85-91.25%を占めた。同化性硫酸還元経路はアニリンが160mg/Lを超えると明らかに阻害されたが、異化性硫酸還元経路に関連する遺伝子はいずれもアニリン含有量の増加に伴って上昇傾向を示した。また、アニリン耐性SRB（Desulfomicrobiumなど）には、異化性硫酸還元経路に関連する遺伝子が多く含まれており、高アニリン環境下では硫酸還元が異化に転じるというメカニズムが確認された。これらの結果は、アニリンが高濃度排水処理における生物学的な硫酸還元プロセスに及ぼす影響と、その基礎となる分子機構を示すものであり、処理中のSRBと関連する硫酸還元遺伝子の重要な役割を明らかにするものであると考えられる。

For comprehensive insights into the change of sulfate reduction pathway responding to the toxic stress and the shift of microbial community and performance of sulfate reduction, we built a laboratory-scale expanded granular sludge bed reactor (EGSB) treating high-sulfate wastewater with elevated aniline concentrations from 0 to 480 mg/L. High-throughput sequencing and metagenomic approaches were applied to decipher the molecular mechanisms of sulfate reduction under aniline stress through taxonomic and functional profiles. The increasing aniline in the anaerobic system induced the accumulation of volatile fatty acids (VFA), further turned the bioreactor into acidification, which was the principal reason for the deterioration of system performance and finally resulted in the accumulation of toxic free sulfide. Moreover, aniline triggered the change of bacterial community and genes relating to sulfate reduction pathways. The increase of aniline from 0 to 320 mg/L enriched total sulfate-reducing bacteria (SRB), and the most abundant genus was Desulfomicrobium, accounting for 66.85-91.25% of total SRB. The assimilatory sulfate reduction pathway was obviously inhibited when aniline was over 160 mg/L, while genes associated with dissimilatory sulfate reduction pathways all exhibited an upward tendency with the increasing aniline content. The enrichment of aniline-resistant SRB (e.g. Desulfomicrobium) carrying genes associated with the dissimilatory sulfate reduction pathway also confirmed the underlying mechanism that sulfate reduction turned into dissimilation under high aniline condition. Taken together, these results comprehensively provided solid evidence for the effects of aniline on the biological sulfate reduction processes treating high-sulfate wastewater and the underlying molecular mechanisms which may highlight the important roles of SRB and related sulfate reduction genes during treatment.

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