有機物制限硝酸性廃水における硫黄系自己栄養性脱窒システムの微生物群集継承、種間相互作用、代謝経路の解明

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Bioresour. Technol..2020 Jul;315:123826. S0960-8524(20)31098-1. doi: 10.1016/j.biortech.2020.123826.Epub 2020-07-13.

有機物制限硝酸性廃水における硫黄系自己栄養性脱窒システムの微生物群集継承、種間相互作用、代謝経路の解明

Microbial community succession, species interactions and metabolic pathways of sulfur-based autotrophic denitrification system in organic-limited nitrate wastewater.

Fei Han
Mengru Zhang
Hongguo Shang
Zhe Liu
Weizhi Zhou

PMID: 32682266 DOI: 10.1016/j.biortech.2020.123826.

抄録

元素硫黄（S）を導入することで、有機物制限硝酸塩廃水処理において従属栄養脱窒（HDN）と自己栄養脱窒（ADN）の共存を実現することが可能となる可能性がある。これまでのところ、汚染物質濃度や栄養状態の違いによる微生物群集の継代過程における主要な機能種や代謝経路、微生物生産物の変化は明らかにされていない。本研究では、S型ADNバイオリアクターを用いて、流入硝酸塩濃度30〜240mg/Lの環境下で全窒素(TN)を高効率で除去できることを明らかにした。硝酸塩負荷の増加に伴い、細胞外高分子物質(EPS)中のタンパク質及び多糖類の含有量が減少した。その結果、従属栄養性脱窒菌(Hyphomicrobium, Trichococcus, Rivibacter)と自己栄養性ビオトープ(Thiobacillus, Thiomonas, Ferritrophicum, Flavobacterium, Stenotrophomonas, Cloacibacterium, Pseudoxanthomonas)が、異なる硝酸負荷でも高い窒素除去効率に寄与していることが明らかになった。さらに、ネットワーク解析の結果、共生関係が微生物ネットワークの大部分（88.3％）を占めていることが確認された。窒素と硫黄の代謝が促進されることで、窒素除去効率が向上し、S系の自己栄養性脱窒能力が向上することが明らかになった。

Elemental sulfur (S) introduction could achieve the co-existence of heterotrophic denitrification (HDN) and autotrophic denitrification (ADN) in practical organic-limited nitrate wastewater treatment. Until now, changes in key functional species, metabolic pathways and microbial products in the succession process of microbialcommunities based on different of pollutant concentration and trophic conditions are still unclear. In present study, high-efficiency of total nitrogen (TN) removal achieved in S-based ADN bioreactor at influent nitrate of 30-240 mg/L. Content of proteins and polysaccharides in extracellular polymeric substances (EPS) declined with nitrate loads increased. The key functional heterotrophic denitrifiers (Hyphomicrobium, Trichococcus, Rivibacter) and autotrophic biotope (Thiobacillus, Thiomonas, Ferritrophicum, Flavobacterium, Stenotrophomonas, Cloacibacterium and Pseudoxanthomonas) jointly contributed to high nitrogen removal efficiency at different nitrate loads. Furthermore, network analysis verified that symbiotic relationships accounted for the major proportion (88.3%) of the microbial network. The enhanced of nitrogen and sulfur metabolism improved nitrogen removal and S-based autotrophic denitrification capacity.