プラグフローPN/Aシステムにおける微生物群集の安定性と窒素除去回復力に関する空間的配置

科学分野:

• 環境微生物学
• 廃水処理工学
• 生物地球化学的循環

背景:

• 部分硝化/アナモックス（PN/A）は、廃水処理に不可欠なエネルギー効率の高い窒素除去プロセスです。
• 大規模PN/Aシステムにおける安定性と回復力の生態学的駆動要因の理解は重要ですが、依然として十分に特徴づけられていません。
• 空間的不均一性と微生物群集の動態は、特に運用上の擾乱下でのシステムパフォーマンスに影響を与えます。

研究 の 目的:

• 溶存酸素（DO）ショック後の、大規模プラグフローPN/Aシステムにおける空間的不均一性と回復パターンを調査すること。
• PN/Aシステムの安定性と回復力を支配する微生物群集構造と機能を含む、生態学的駆動要因を特徴づけること。
• 動的な通気条件下でのPN/A操作の強化のための測定可能な生態学的指標を特定すること。

主な方法:

• 13ヶ月間のパフォーマンスモニタリングとマルチオミクス（メタゲノムおよびメタトランスクリプトーム）解析を統合しました。
• 反応器に沿った微生物群集と窒素循環遺伝子発現の空間的変動を特徴づけました。
• 制御された溶存酸素ショックイベント後のシステム回復と微生物群集シフトを評価しました。

主要な成果:

• 安定したPN/A操作により、全窒素除去率84.5%を達成し、上流ゾーンが大きく貢献しました（61.3%）。
• DOショックは一時的に窒素除去率を低下させましたが、機能は回復したものの、微生物構造と細菌遺伝子コピー数は完全には回復せず、分離が示唆されました。
• より高い細菌多様性と機能的冗長性は、より速い回復と相関し、上流の微生物群集の安定性が、全体的なシステム回復力を最もよく表していました。

結論:

• 上流の微生物群集の安定性と機能的冗長性は、PN/Aシステムの回復力にとって重要な指標です。
• より速い回復は、ゾーン全体にわたるより大きな微生物多様性と窒素循環機能的冗長性と関連しています。
• 動的な通気擾乱に対するPN/Aシステムの回復力を強化するために、上流に焦点を当てた制御戦略が推奨されます。