産総研、活性汚泥による水処理膜の閉塞を解析

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産業技術総合研究所(産総研)は2017年2月23日、共焦点反射顕微鏡法を用いたバイオフィルムの非破壊での観察技術と、次世代シークエンサーを用いた微生物の大規模同定技術を組み合わせ、水処理膜が閉塞する原因を解析したと発表した。

産総研は今回、低負荷(有機物濃度450mg-CODCr/L)と高負荷(900mg-CODCr/L)のモデル廃水を用い、膜分離活性汚泥法(MBR)システムを連続運転した。これらのモデル廃水による膜閉塞の過程を調べるため、共焦点反射顕微鏡法によって水処理膜上のバイオフィルムを非破壊で可視化したところ、高負荷時には膜間差圧とバイオフィルムの厚みに正の相関が観察されたという。

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一方、低負荷時には明らかな相関が見られず、有機物濃度が異なると、違った機構で膜が閉塞すると考えられた。さらに、膜閉塞の原因物質を特定するため、蛍光プローブを使用して細胞由来高分子ごとに可視化したところ、低負荷時には多糖が、高負荷時には脂質が主要な構成成分として検出された。

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こうしたバイオフィルムの厚みや構成成分の違いは、バイオフィルムを形成する微生物の種類によって異なると考え、次世代シークエンサーでバイオフィルム中の微生物を大規模に同定した。その結果、有機物濃度が違うと、バイオフィルムを構成する主要な微生物種が異なることが分かった。

低負荷時、高負荷時ともに、主にγ-プロテオバクテリア綱の微生物がバイオフィルムを形成していた。しかし、γ-プロテオバクテリア綱の微生物種を詳細に調べると、低負荷時には、細胞外に多糖を分泌してバイオフィルムを形成するAlishewanella属細菌が、主要な微生物種であることがわかった。この結果は、低負荷時のバイオフィルムでは、多糖が主な構成成分であるという共焦点顕微鏡による観察結果と一致していた。

一方、高負荷時には、γ-プロテオバクテリア綱のPseudomonas属細菌が主要な微生物種であること、膜間差圧が過度に上昇すると、Pseudomonas属細菌の細胞質を摂取し、細胞膜脂質を食べ残す菌食性細菌Bdellovibrio属細菌が増えていることがわかった。これらの結果から、共焦点顕微鏡で観察されたように高負荷時のバイオフィルムに蓄積された脂質は、菌食性細菌に捕食された微生物の死細胞膜脂質に由来することが強く示唆された。

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そこで、今回、バイオフィルム中の異種細菌間の捕食被食関係が膜閉塞を直接的に引き起こすという新たなモデルを提唱した。この膜閉塞モデルや今回の結果から、例えば低負荷の場合は、多糖や微生物細胞の除去に有効な分解酵素や次亜塩素酸、高負荷高差圧の場合は、脂質の除去に有効なアルカリ性薬剤や界面活性剤を用いると効果的に水処理膜を洗浄できると考えられる。

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