JP2014200203A - Evaluation method of bacterial floras - Google Patents

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昭彦 寺田
Akihiko Terada
昭彦 寺田
正明 細見
Masaaki Hosomi
正明 細見
啓介 木庭
Keisuke Koba
啓介 木庭
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Tokyo University of Agriculture
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an evaluation method of bacterial floras by understanding metabolic pathways of nitrogenous compounds by ammonia-oxidizing bacteria (AOB) in bacterial floras, such as sludge and soil.SOLUTION: An evaluation method of the bacterial flora according to the invention comprises a first process of supplying ammonia and oxygen to a bacterial flora, a second process of supplying nitrous acid labeled withN to the bacterial flora after the ammonia is substantially exhausted in the first process, and a third process of supplying hydroxylamine labeled withN to the bacterial flora after the second process.

Description

本発明は、汚泥、土壌等の菌叢の評価方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating flora such as sludge and soil.

大気に放出される亜酸化窒素(NO)は、二酸化炭素(CO)の300倍もの温室効果のある物質である。また、NOは、フロンガスに替わる21世紀最大のオゾン層破壊物質の1つとして知られ、その放出量の低減は世界的な関心事となっている。 Nitrous oxide (N 2 O) released into the atmosphere is a substance having a greenhouse effect that is 300 times that of carbon dioxide (CO 2 ). N 2 O is known as one of the largest ozone-depleting substances in the 21st century that replaces chlorofluorocarbons, and the reduction of its release has become a global concern.

これまで排水処理施設は、NOの放出の温床としての寄与は低いものと考えられてきた。しかし、排水処理プロセスの省エネルギー化、低コスト化等の進展にともない、近年、NOの放出量は、増加傾向にあるとの報告がある。例えば、排水処理施設からのNOの放出量の評価に関して、IPPCのレポートにおける積算値は正しくないことが指摘され、これまでの排水処理施設からのNO放出量は過小評価されており、無視できるレベルにないとの注意が喚起されている(例えば、非特許文献1)。 Until now, wastewater treatment facilities have been considered to have a low contribution as a hotbed for the release of N 2 O. However, in recent years, it has been reported that the amount of N 2 O released has been increasing due to progress in energy saving and cost reduction in the wastewater treatment process. For example, for N 2 O emission rating from wastewater treatment facilities, integrated values in the IPPC report is pointed out that not correct, N 2 O emissions from wastewater treatment facilities so far has been underestimated However, attention has been drawn that the level is not negligible (for example, Non-Patent Document 1).

一方、排水処理施設では、多種多様な微生物を排水に接触させることにより排水の汚濁成分の無害化が行われている。通常、排水処理プロセスは、汚泥として懸濁され、若しくは担体に固定化された多様な微生物を排水に接触させて行われる。   On the other hand, in wastewater treatment facilities, polluted components of wastewater are rendered harmless by bringing a wide variety of microorganisms into contact with the wastewater. Usually, the waste water treatment process is performed by bringing various microorganisms suspended as sludge or immobilized on a carrier into contact with waste water.

また一般に、排水中にはアンモニア(NH)等の窒素化合物が含まれている。窒素化合物は、排水処理において、酸化処理されるが、特に、NHを酸化する性質を有するアンモニア酸化細菌(AOB)が、排水処理における窒素化合物の酸化に関して中心的役割を担っている。 In general, the waste water contains a nitrogen compound such as ammonia (NH 3 ). Nitrogen compounds are oxidized in wastewater treatment. In particular, ammonia oxidizing bacteria (AOB) having the property of oxidizing NH 3 play a central role in the oxidation of nitrogen compounds in wastewater treatment.

ところが、AOBは、NHを、アンモニア態窒素(NH −N)、ヒドロキシルアミン(NHOH)、亜硝酸態窒素(NO )、一酸化窒素(NO)、硝酸態窒素(NO )などに酸化、還元する酵素とともに、NHOHやNOから、NOを生成する経路に関与する酵素を有しており、副次的にNOを産生する場合がある。そのため、AOBは、NOの発生源として問題視されている。 However, AOB converts NH 3 into ammonia nitrogen (NH 4 + —N), hydroxylamine (NH 2 OH), nitrite nitrogen (NO 2 ), nitric oxide (NO), nitrate nitrogen (NO 3 ) - ) and other enzymes that oxidize and reduce, as well as enzymes involved in the pathway for producing N 2 O from NH 2 OH and NO, and may produce N 2 O as a secondary. Therefore, AOB is regarded as a problem as a source of N 2 O.

また、NOは、脱窒細菌によっても放出されることが知られており、さらに、微生物による生物学的な経路によって放出される以外に、化学反応による非生物学的経路によっても発生するとも言われている。 N 2 O is also known to be released by denitrifying bacteria, and it is also generated by non-biological pathways by chemical reactions in addition to being released by biological pathways by microorganisms. Has also been said.

これまで、排水処理などにおけるNOの放出経路に関する基礎研究は行われてきている。例えば、非特許文献2には、シミュレーションによる、独立栄養アンモニア酸化細菌のNO生産経路の予測と実研究との照合が報告されている。また、実験的には、物質循環に関わる研究と微生物の代謝機構に関する研究が行われている。物質循環においては、例えば、非特許文献3に、自然界中に存在する同位体比の組み合わせを利用したアイソトポマーを用いた解析が報告されている。一方で、微生物の代謝経路に関しては、例えば、非特許文献4に、伝令RNAの転写活性に基づいた代謝経路と窒素循環に関する報告がある。さらに、特許文献1には、AOBを用いた排水処理装置及び排水処理方法が開示されている。 Until now, basic research on the release route of N 2 O in wastewater treatment and the like has been performed. For example, Non-Patent Document 2 reports a comparison between prediction of an N 2 O production pathway of autotrophic ammonia-oxidizing bacteria and actual research by simulation. Also, experimentally, research related to material circulation and metabolic mechanisms of microorganisms are being conducted. In material circulation, for example, Non-Patent Document 3 reports an analysis using an isotopomer utilizing a combination of isotope ratios existing in nature. On the other hand, regarding the metabolic pathway of microorganisms, for example, Non-Patent Document 4 has a report on the metabolic pathway and nitrogen circulation based on the transcriptional activity of messenger RNA. Further, Patent Document 1 discloses a waste water treatment apparatus and a waste water treatment method using AOB.

特開2012−245479号公報JP 2012-245479 A

Foley J., de Hass D., de Haas D., Yuan ZG., Lant P. Water Research 2010, 44 (3), 831-844Foley J., de Hass D., de Haas D., Yuan ZG., Lant P. Water Research 2010, 44 (3), 831-844 Ni BJ, Yuan ZG, Chandran K, Vanrolleghem PA, Murthy S., Biotechnology and Bioengineering 2013, 110(1), 153-163Ni BJ, Yuan ZG, Chandran K, Vanrolleghem PA, Murthy S., Biotechnology and Bioengineering 2013, 110 (1), 153-163 Wunderlin P, Lehmann MF, Siegrist H, Tuzson B, Joss A, Emmenegger L, Mohn J., Environmental Science & Technology 2012, 47(3), 1339-1348Wunderlin P, Lehmann MF, Siegrist H, Tuzson B, Joss A, Emmenegger L, Mohn J., Environmental Science & Technology 2012, 47 (3), 1339-1348 Yu R, Chandran K., Bmc Microbiology 2010, 10-Yu R, Chandran K., Bmc Microbiology 2010, 10-

近年、窒素含有排水の低コスト・省エネ型の処理法として部分硝化法が注目されている。しかし、部分硝化法はAOB及び亜硝酸酸化細菌(NOB)の生理学的性質の違いを利用してAOBの増殖に有利な条件(溶存酸素、pH、温度等)を見出すことにより達成されるものであり、従来法に比べて、NOの発生を抑制することは難しかった。 In recent years, partial nitrification has attracted attention as a low-cost, energy-saving treatment method for wastewater containing nitrogen. However, the partial nitrification method is achieved by finding favorable conditions (dissolved oxygen, pH, temperature, etc.) for the growth of AOB using the difference in physiological properties of AOB and nitrite-oxidizing bacteria (NOB). In comparison with the conventional method, it is difficult to suppress the generation of N 2 O.

さらに、上述した従来の研究や検討結果においても、NOの放出経路は、必ずしも正確には把握されておらず、AOBがNOの排出に関して、いかに寄与しているのかについて、必ずしも十分に議論されていない。 Furthermore, even in the above-described conventional research and examination results, the release route of N 2 O is not necessarily grasped accurately, and it is not always sufficient how AOB contributes to the emission of N 2 O. Not discussed.

本発明の幾つかの態様に係る目的の1つは、汚泥、土壌等の菌叢における、AOBによる窒素化合物の代謝経路を把握することにより、当該菌叢を評価する方法を提供することにある。また、本発明の幾つかの態様に係る目的の1つは、汚泥、土壌等の菌叢における、AOBによる、特にNOの生成経路を把握して当該菌叢を特徴付ける(評価する)方法を提供することにある。 One of the objects according to some aspects of the present invention is to provide a method for evaluating the flora by grasping the metabolic pathway of nitrogen compounds by AOB in flora such as sludge and soil. . In addition, one of the objects according to some aspects of the present invention is a method for characterizing (assessing) the flora by grasping the production route of N 2 O, particularly by NOB, in the flora such as sludge and soil. Is to provide.

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following aspects or application examples.

[適用例1]本発明に係る菌叢の評価方法の一態様は、菌叢にアンモニア及び酸素を供給する第1工程と、前記第1工程において、前記アンモニアが実質的に枯渇した後、15Nで標識された亜硝酸を前記菌叢に供給する第2工程と、前記第2工程の後、15Nで標識されたヒドロキシルアミンを前記菌叢に供給する第3工程と、を含む。 [Application Example 1] One aspect of the method for evaluating a flora according to the present invention is a first step of supplying ammonia and oxygen to the flora, and after the ammonia is substantially depleted in the first step, 15 A second step of supplying N-labeled nitrous acid to the flora, and a third step of supplying 15 N-labeled hydroxylamine to the flora after the second step.

本適用例によれば、菌叢における、AOBによる窒素化合物の代謝経路を把握することができ、当該菌叢を評価することができる。   According to this application example, the metabolic pathway of nitrogen compounds by AOB in the flora can be grasped, and the flora can be evaluated.

[適用例2]適用例1において、前記菌叢から生じる気体を質量分析する工程をさらに含んでもよい。   [Application Example 2] In Application Example 1, the method may further include a step of mass-analyzing a gas generated from the microflora.

本適用例によれば、菌叢における、AOBによる窒素化合物の代謝経路をより正確に把握することができ、当該菌叢を評価することができる。   According to this application example, the metabolic pathway of the nitrogen compound by AOB in the flora can be grasped more accurately, and the flora can be evaluated.

[適用例3]適用例2において、前記気体は、亜酸化窒素であってもよい。
本適用例によれば、菌叢における、AOBによるNOの代謝経路を把握することができ、当該菌叢のNO生成機構を評価することができる。
Application Example 3 In Application Example 2, the gas may be nitrous oxide.
According to this application example, the metabolic pathway of N 2 O by AOB in the flora can be grasped, and the N 2 O production mechanism of the flora can be evaluated.

[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれか1例において、前記菌叢に発現してい
る遺伝子を定量分析する工程をさらに含んでもよい。
[Application Example 4] In any one of Application Examples 1 to 3, the method may further include a step of quantitatively analyzing genes expressed in the flora.

本適用例によれば、同位体による測定結果及び機能遺伝子の発現量による測定結果を組合わせて解析することで、菌叢におけるAOBによる窒素化合物の代謝経路が、生物学的経路と化学的経路とのいずれが支配的であるかを把握することができ、当該菌叢をより正確に評価することができる。   According to this application example, the metabolic pathway of nitrogen compounds by AOB in the bacterial flora is analyzed by combining the measurement results by isotopes and the measurement results by the expression level of functional genes. It is possible to grasp which is dominant and to evaluate the flora more accurately.

[適用例5]適用例4において、前記遺伝子は、窒素の酸化及び/又は還元に関与する酵素をコードするものであってもよい。   Application Example 5 In Application Example 4, the gene may encode an enzyme involved in nitrogen oxidation and / or reduction.

本適用例によれば、菌叢における、AOBによる窒素化合物の代謝経路が生物学的経路と化学的経路とにおいていずれが優先されるかを把握することができ、当該菌叢をより正確に評価することができる。   According to this application example, in the flora, it is possible to grasp which metabolic pathway of nitrogen compounds by AOB has priority in the biological route and the chemical route, and more accurately evaluate the flora. can do.

本発明によれば、安定同位体の利用により、上述した複雑なNO生成経路の同定を行うことができる。また、本発明によれば、窒素の関与する反応を担う酵素をコードするメッセンジャーRNA(mRNA)を定量することにより、NOの生物学的経路による発生の寄与を確認することができる。したがって、本発明により評価された菌叢について、NOの発生を抑制するための対策を講じるための有効な情報を得ることができる。 According to the present invention, the above-described complicated N 2 O production pathway can be identified by using stable isotopes. In addition, according to the present invention, it is possible to confirm the contribution of the generation of N 2 O through a biological pathway by quantifying messenger RNA (mRNA) encoding an enzyme responsible for a reaction involving nitrogen. Therefore, effective information for taking measures for suppressing the occurrence of N 2 O can be obtained for the flora evaluated according to the present invention.

AOBによる窒素化合物の代謝経路の模式図。The schematic diagram of the metabolic pathway of the nitrogen compound by AOB. 実験例に係る窒素化合物の種類ごとの濃度のプロット。The plot of the density | concentration for every kind of nitrogen compound which concerns on an experiment example. 実験例に係る15Nを含むNOの分率の時間に対するプロット。Plot for N 2 O of the fraction time including the 15 N according to the experimental example. 実験例に係る14O、1514NO若しくは1415NO及び15Oの時間に対する積算プロット。Integration plots for 14 N 2 O, 15 N 14 NO or 14 N 15 NO and 15 N 2 O time according to experimental examples. 実験例に係るNO生成経路を模式的に示すマップ。Map showing schematically the N 2 O production pathway according to experimental examples. 実験例に係る機能遺伝子の相対発現量の時間に対するプロット。The plot with respect to time of the relative expression level of the functional gene which concerns on an experiment example.

以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。   Several embodiments of the present invention will be described below. Embodiment described below demonstrates an example of this invention. The present invention is not limited to the following embodiments, and includes various modified embodiments that are implemented within a range that does not change the gist of the present invention. Note that not all of the configurations described below are essential configurations of the present invention.

1.菌叢の評価方法
本実施形態に係る菌叢の評価方法は、菌叢にアンモニア及び酸素を供給する第1工程と、前記第1工程において、前記アンモニアが実質的に枯渇した後、15Nで標識された亜硝酸を前記菌叢に供給する第2工程と、前記第2工程の後、15Nで標識されたヒドロキシルアミンを前記菌叢に供給する第3工程と、を含む。
1. Method for evaluating the flora The method for evaluating the flora according to this embodiment includes a first step of supplying ammonia and oxygen to the flora, and after the ammonia is substantially depleted in the first step, 15 N A second step of supplying labeled nitrous acid to the flora, and a third step of supplying hydroxylamine labeled with 15 N to the flora after the second step.

図1は、本実施形態に係る評価方法の具体的工程の一例を示すフローチャートである。   FIG. 1 is a flowchart showing an example of specific steps of the evaluation method according to the present embodiment.

1.1.菌叢
本実施形態の評価方法が適用される菌叢は、特に限定されない。本明細書でいう菌叢とは、特定の環境で生育する一群の細菌の集合、あるいは、微生物叢(microbial
flora)のことを指す。本実施形態の評価方法が適用される菌叢の具体例としては、汚泥(活性汚泥)、土壌、動物の体内や表皮の微生物叢などが挙げられ、地球環境中において、細菌の集合として存在するものであれば特に限定されない。菌叢は、その一部又
は全部を採取することができ、これを本実施形態の評価方法で評価することができる。
1.1. Bacterial flora The bacterial flora to which the evaluation method of the present embodiment is applied is not particularly limited. As used herein, a flora refers to a group of bacteria that grow in a specific environment, or a microbiota.
flora). Specific examples of the bacterial flora to which the evaluation method of the present embodiment is applied include sludge (activated sludge), soil, microbial flora of animal bodies and epidermis, and the like, which exist as a collection of bacteria in the global environment. If it is a thing, it will not specifically limit. Part or all of the flora can be collected, and this can be evaluated by the evaluation method of the present embodiment.

1.2.第1工程
本実施形態に係る菌叢の評価方法は、第1工程を含む。第1工程は、菌叢にアンモニア及び酸素を供給する工程である。
1.2. 1st process The evaluation method of the microflora which concerns on this embodiment contains a 1st process. The first step is a step of supplying ammonia and oxygen to the flora.

本工程は、例えば、反復回分型、連続槽型のバイオリアクターに、評価対象となる菌叢を適宜の方法により導入した状態で行われる。このようなバイオリアクターは、特に限定されないが、部分硝化型のものであることが、NOの生成に関して中心的な役割を担うAOBが集積されることになるため、評価方法の正確性の点で、より好ましい。バイオリアクターの容積についても特に制限はない。バイオリアクターに導入された菌叢は、水に分散されてもよく、適宜に撹拌されてもよい。また、本実施形態のバイオリアクターは、導入された菌叢又はその分散体から発生するガス、及び菌叢の一部を採取できる構成となっていることがより好ましい。また、バイオリアクターは、適宜の気密性を有することが、採取したガス等の分析の精度を高めるという観点から、より好ましい。また、バイオリアクターは、ばっ気機構を備えてもよい。ばっ気を行う場合には、酸素、大気等を用いることができ、流量についても特に制限はない。また、本工程が行われる前に、菌叢は、バイオリアクター内で適宜、訓致されてもよい。 This step is performed, for example, in a state where the flora to be evaluated is introduced into an iterative batch type or continuous tank type bioreactor by an appropriate method. Such a bioreactor is not particularly limited, but if it is of the partial nitrification type, since AOB that plays a central role in the production of N 2 O is accumulated, the accuracy of the evaluation method is improved. This is more preferable. There is no particular limitation on the volume of the bioreactor. The bacterial flora introduced into the bioreactor may be dispersed in water or appropriately stirred. Moreover, it is more preferable that the bioreactor of the present embodiment has a configuration in which a gas generated from the introduced flora or a dispersion thereof and a part of the flora can be collected. Moreover, it is more preferable that the bioreactor has appropriate airtightness from the viewpoint of improving the accuracy of analysis of collected gas and the like. The bioreactor may be provided with an aeration mechanism. When aeration is performed, oxygen, air, or the like can be used, and the flow rate is not particularly limited. Moreover, before this process is performed, the bacterial flora may be trained as appropriate in the bioreactor.

本工程では、バイオリアクターにアンモニア及び酸素を供給する。アンモニアは、アンモニア態窒素(NH −N)として供給されてもよい。酸素は、純度の高い酸素ガスとして供給されても、大気として供給されてもよい。アンモニア及び酸素は、それぞれバイオリアクター内にそのまま供給されてもよいし、バブリング等の態様で供給されてもよい。また、本工程を行う際には、バイオリアクター内をできるだけ均一に撹拌することが、評価の正確さを高める観点からより好ましい。 In this step, ammonia and oxygen are supplied to the bioreactor. Ammonia may be supplied as ammonia nitrogen (NH 4 + -N). Oxygen may be supplied as high-purity oxygen gas or air. Ammonia and oxygen may be supplied to the bioreactor as they are, or may be supplied in a mode such as bubbling. Moreover, when performing this process, it is more preferable to stir the inside of a bioreactor as uniformly as possible from a viewpoint of improving the accuracy of evaluation.

本実施形態の評価方法において、本工程は、菌叢によってアンモニアが代謝されるか否かを確認する役割を有している。本工程でバイオリアクターに供給されるアンモニアの量は、例えば、菌叢1gに対して、10mg−N/L以上5,000mg−N/L以下、好ましくは10mg−N/L以上1,000mg−N/L以下である。本工程でバイオリアクターに供給される酸素は、連続的に供給されてもよいし、例えば、菌叢1gに対して、0.1mg/L以上7.0mg/L以下、好ましくは1.0mg/L以上の濃度に調整してもよい。さらに、本工程でバイオリアクターに供給されるアンモニアに対する酸素の体積分率は、例えば、2.0以上5.0以下である。体積分率が3.43以上4.32以下の範囲であれば、化学量論的な解析を行うことができる場合がある。   In the evaluation method of this embodiment, this step has a role of confirming whether ammonia is metabolized by the flora. The amount of ammonia supplied to the bioreactor in this step is, for example, 10 mg-N / L or more and 5,000 mg-N / L or less, preferably 10 mg-N / L or more and 1,000 mg- with respect to 1 g of the bacterial flora. N / L or less. Oxygen supplied to the bioreactor in this step may be supplied continuously, for example, 0.1 mg / L or more and 7.0 mg / L or less, preferably 1.0 mg / L with respect to 1 g of the bacterial flora. The density may be adjusted to L or higher. Furthermore, the volume fraction of oxygen with respect to ammonia supplied to the bioreactor in this step is, for example, 2.0 or more and 5.0 or less. If the volume fraction is in the range of 3.43 or more and 4.32 or less, a stoichiometric analysis may be performed.

本工程の温度は、菌叢による代謝が期待できる限り、特に制限されないが、例えば、25℃以上35℃以下とすることができる。同様に、本工程の際のpHは、菌叢による代謝が期待できる限り、特に制限されないが、例えば、6.0以上8.8以下とすることができる。また、本工程において所定のpHが変動する場合には、例えば、緩衝剤(バッファー)などにより、pHを調整してもよい。また、本工程では、菌叢による代謝が期待できる限り、溶存酸素(DO)の濃度を適宜調節してもよい。   The temperature in this step is not particularly limited as long as metabolism by the bacterial flora can be expected. For example, the temperature can be 25 ° C. or more and 35 ° C. or less. Similarly, the pH during this step is not particularly limited as long as metabolism by the flora can be expected, but it can be set to, for example, 6.0 or more and 8.8 or less. Further, when the predetermined pH fluctuates in this step, the pH may be adjusted with, for example, a buffering agent (buffer). In this step, the dissolved oxygen (DO) concentration may be appropriately adjusted as long as metabolism by the flora can be expected.

菌叢がアンモニアを代謝する能力を有している場合には、本工程において、供給されたアンモニアは系内で減少する。   When the bacterial flora has the ability to metabolize ammonia, the supplied ammonia is reduced in the system in this step.

1.3.第2工程
本実施形態に係る菌叢の評価方法は、第2工程を含む。第2工程は、15Nで標識された亜硝酸を菌叢に供給する工程である。
1.3. Second Step The method for evaluating a flora according to the present embodiment includes a second step. The second step is a step of supplying nitrous acid labeled with 15 N to the bacterial flora.

第2工程は、第1工程において、アンモニアが実質的に枯渇した後に行われる。本明細書では、アンモニアが実質的に枯渇した状態とは、アンモニアが完全に消失した状態と、菌叢による代謝が生じない又は遅い程度にアンモニアが残っている状態とを含むことを意味する。   The second step is performed after ammonia is substantially depleted in the first step. In the present specification, the state in which ammonia is substantially depleted means that the state in which ammonia has completely disappeared and the state in which metabolism by the flora does not occur or ammonia remains to a late degree are included.

上述の通り、菌叢がNHを代謝する能力を有している場合には、第1工程において、供給されたNHは系内で減少し、NHは実質的に枯渇する。その後、第2工程が行われる。 As described above, when the bacterial flora has the ability to metabolize NH 4 , in the first step, the supplied NH 4 is reduced in the system, and NH 4 is substantially depleted. Thereafter, the second step is performed.

本工程では、15Nで標識された亜硝酸は、亜硝酸態窒素(15NO )の状態で菌叢に供給されてもよい。15Nで標識された亜硝酸は、例えば、試薬として、○○株式会社などから市販されているものを用いることができる。亜硝酸は、バイオリアクター内にそのまま供給されてもよいし、バブリング等の態様で供給されてもよい。また、本工程を行う際には、バイオリアクター内をできるだけ均一に撹拌することが、評価の正確さを高める観点からより好ましい。 In this step, nitrous acid labeled with 15 N may be supplied to the flora in the state of nitrite nitrogen ( 15 NO 2 ). As nitrous acid labeled with 15 N, for example, those commercially available from OO Co., Ltd. can be used. Nitrous acid may be supplied as it is into the bioreactor, or may be supplied in a manner such as bubbling. Moreover, when performing this process, it is more preferable to stir the inside of a bioreactor as uniformly as possible from a viewpoint of improving the accuracy of evaluation.

本実施形態の評価方法において、本工程は、菌叢によって亜硝酸が代謝されるか否かを確認する役割を有している。本工程でバイオリアクターに供給される亜硝酸の量は、例えば、菌叢1gに対して、10mg−N/L以上5,000mg−N/L以下、好ましくは10mg−N/L以上1,000mg−N/L以下である。   In the evaluation method of this embodiment, this step has a role of confirming whether nitrous acid is metabolized by the flora. The amount of nitrous acid supplied to the bioreactor in this step is, for example, 10 mg-N / L or more and 5,000 mg-N / L or less, preferably 10 mg-N / L or more and 1,000 mg with respect to 1 g of the bacterial flora. -N / L or less.

本工程の温度は、菌叢による代謝が期待できる範囲で、特に制限されないが、例えば、25℃以上35℃以下とすることができる。同様に、本工程の際のpHは、菌叢による代謝が期待できる限り、特に制限されないが、例えば、6.0以上8.8以下とすることができる。また、本工程において所定のpHが変動する場合には、例えば、緩衝剤(バッファー)などにより、pHを調整してもよい。また、本工程では、菌叢による代謝が期待できる限り、溶存酸素(DO)の濃度を適宜調節してもよい。   The temperature of this step is not particularly limited as long as metabolism by the flora can be expected, but can be, for example, 25 ° C. or more and 35 ° C. or less. Similarly, the pH during this step is not particularly limited as long as metabolism by the flora can be expected, but it can be set to, for example, 6.0 or more and 8.8 or less. Further, when the predetermined pH fluctuates in this step, the pH may be adjusted with, for example, a buffering agent (buffer). In this step, the dissolved oxygen (DO) concentration may be appropriately adjusted as long as metabolism by the flora can be expected.

菌叢が亜硝酸を代謝する能力を有している場合には、本工程において、供給された亜硝酸は系内で減少する。また、菌叢が亜硝酸を代謝する能力を有していない場合には、本工程において、供給された亜硝酸は系内に残存する。   In the case where the flora has the ability to metabolize nitrous acid, the supplied nitrous acid is reduced in the system in this step. Further, when the bacterial flora does not have the ability to metabolize nitrous acid, the supplied nitrous acid remains in the system in this step.

1.4.第3工程
本実施形態に係る菌叢の評価方法は、第3工程を含む。第3工程は、15Nで標識されたヒドロキシルアミンを前記菌叢に供給する工程である。第3工程は、第2工程の後に行われる。
1.4. Third Step The method for evaluating a flora according to the present embodiment includes a third step. The third step is a step of supplying hydroxylamine labeled with 15 N to the flora. The third step is performed after the second step.

本工程は、第2工程で供給された亜硝酸が実質的に枯渇した状態であっても、亜硝酸が残存した状態であっても行うことができる。   This step can be performed even when the nitrous acid supplied in the second step is substantially depleted or when the nitrous acid remains.

本工程では、15Nで標識されたヒドロキシルアミン(15NHOH)は、例えば、試薬として、○○株式会社などから市販されているものを用いることができる。ヒドロキシルアミンは、バイオリアクター内にそのまま供給されてもよいし、バブリング等の態様で供給されてもよい。また、本工程を行う際には、バイオリアクター内をできるだけ均一に撹拌することが、評価の正確さを高める観点からより好ましい。 In this step, as the hydroxylamine ( 15 NH 2 OH) labeled with 15 N, for example, a reagent commercially available from OO Co., Ltd. can be used. Hydroxylamine may be supplied as it is into the bioreactor or may be supplied in a manner such as bubbling. Moreover, when performing this process, it is more preferable to stir the inside of a bioreactor as uniformly as possible from a viewpoint of improving the accuracy of evaluation.

本実施形態の評価方法において、本工程は、菌叢によってヒドロキシルアミンが代謝されるか否かを確認する役割を有している。本工程でバイオリアクターに供給されるヒドロキシルアミンの量は、例えば、菌叢1gに対して、0.001mg−N/L以上0.1mg−N/L以下、好ましくは0.001mg−N/L以上0.02mg−N/Lである。   In the evaluation method of this embodiment, this step has a role of confirming whether hydroxylamine is metabolized by the bacterial flora. The amount of hydroxylamine supplied to the bioreactor in this step is, for example, 0.001 mg-N / L or more and 0.1 mg-N / L or less, preferably 0.001 mg-N / L with respect to 1 g of the bacterial flora. The above is 0.02 mg-N / L.

本工程の温度は、菌叢による代謝が期待できる範囲で、特に制限されないが、例えば、25℃以上35℃以下とすることができる。同様に、本工程の際のpHは、菌叢による代謝が期待できる限り、特に制限されないが、例えば、6.0以上8.8以下とすることができる。また、本工程において所定のpHが変動する場合には、例えば、緩衝剤(バッファー)などにより、pHを調整してもよい。また、本工程では、菌叢による代謝が期待できる限り、溶存酸素(DO)の濃度を適宜調節してもよい。   The temperature of this step is not particularly limited as long as metabolism by the flora can be expected, but can be, for example, 25 ° C. or more and 35 ° C. or less. Similarly, the pH during this step is not particularly limited as long as metabolism by the flora can be expected, but it can be set to, for example, 6.0 or more and 8.8 or less. Further, when the predetermined pH fluctuates in this step, the pH may be adjusted with, for example, a buffering agent (buffer). In this step, the dissolved oxygen (DO) concentration may be appropriately adjusted as long as metabolism by the flora can be expected.

菌叢がヒドロキシルアミンを代謝する能力を有している場合には、本工程において、供給されたヒドロキシルアミンは系内で減少する。また、菌叢がヒドロキシルアミンを代謝する能力を有していない場合には、本工程において、供給されたヒドロキシルアミンは系内に残存する。   When the flora has the ability to metabolize hydroxylamine, in this step, the supplied hydroxylamine is reduced in the system. Moreover, when the bacterial flora does not have the ability to metabolize hydroxylamine, the supplied hydroxylamine remains in the system in this step.

1.5.その他の工程
1.5.1.質量分析する工程
本実施形態の菌叢の評価方法は、質量分析する工程をさらに含んでもよい。本工程は、菌叢から生じる気体及び液体を、質量分析機能を備えた装置に導入して行われる。本工程は、第1工程、第2工程、及び第3工程の少なくとも1つの工程で行われることができる。また、本工程は、第1工程、第2工程、及び第3工程を通じて、すべての工程と同時に行われてもよい。さらに、本工程は、例えば、第1工程ないし第3工程が連続槽型のバイオリアクターで行われる場合などには、連続的に行われてもよいし、反復回分型のバイオリアクターで行われる場合などでは、間欠的に行われてもよい。本工程を間欠的(断続的)に行う場合には、少なくとも、第1工程、第2工程及び第3工程の各工程内で、複数回行われることがより好ましい。このようにすれば、第1工程、第2工程、及び第3工程の各工程における発生ガスの変遷を追跡することがより容易となる。
1.5. Other steps 1.5.1. Step of Mass Spectrometry The method for evaluating the flora of this embodiment may further include a step of mass spectrometry. This step is performed by introducing gas and liquid generated from the flora into an apparatus having a mass spectrometry function. This step can be performed in at least one of the first step, the second step, and the third step. Moreover, this process may be performed simultaneously with all the processes through the 1st process, the 2nd process, and the 3rd process. Furthermore, this step may be performed continuously, for example, when the first to third steps are performed in a continuous tank type bioreactor, or performed in a repetitive batch type bioreactor. In some cases, it may be performed intermittently. When this step is performed intermittently (intermittently), it is more preferable that the step be performed a plurality of times at least in each step of the first step, the second step, and the third step. In this way, it becomes easier to track the evolution of the generated gas in each step of the first step, the second step, and the third step.

本工程は、例えば、バイオリアクター内の気相を、適宜のサンプリング手法により採取し、これを質量分析機能を備えた装置に導入して行われることができる。質量分析機能としては、15Nで標識された窒素化合物と、同種の窒素化合物であって標識されていない窒素化合物と、を分けて検出できる程度の質量分解能を有すれば、特に限定されない。また、質量分析機能を有する装置としては、質量分析機能の他に、分画機能(例えば、クロマトグラフィー)を有してもよい。このような装置によれば、質量分析の他に定量分析を行うことができる。本工程で使用する装置の具体例としては、ガスクロマトグラフィー/マススペクトロスコピー(GC/MS)が挙げられる。また、本工程で使用する装置としては、GC/MSのうち、四重極型のMSを備えた装置であれば、高感度で多成分を一斉に定量分析することが可能なためより好ましい。 This step can be performed, for example, by collecting the gas phase in the bioreactor by an appropriate sampling method and introducing it into an apparatus having a mass spectrometry function. The mass spectrometric function is not particularly limited as long as it has a mass resolution capable of separately detecting a nitrogen compound labeled with 15 N and a nitrogen compound that is the same type of nitrogen compound but not labeled. In addition to the mass analysis function, the apparatus having the mass analysis function may have a fractionation function (for example, chromatography). According to such an apparatus, quantitative analysis can be performed in addition to mass spectrometry. Specific examples of the apparatus used in this step include gas chromatography / mass spectroscopy (GC / MS). In addition, as a device used in this step, a device having a quadrupole type MS of GC / MS is more preferable because it can perform quantitative analysis of multiple components simultaneously with high sensitivity.

本工程により得られる、化学種の特定及びその存在量の情報は、例えば、時間に対してプロットされる。これにより、第1工程、第2工程及び第3工程の各工程内での化学種の変化を追跡することができる。また、本工程において測定される化学種としては、特に限定されないが、少なくとも第2工程及び第3工程において測定される化学種の種類には、NO、15NNO及び15Oが含まれることがより好ましい。すなわち、分子量(質量数)が44、45及び46である亜酸化窒素を測定することにより、菌叢から発生する気体に含まれる亜酸化窒素が、第2工程で供給された亜硝酸に由来する窒素を含むのか、第3工程で供給されたヒドロキシルアミンに由来する窒素を含むのかの情報を得ることができる。これにより、亜酸化窒素の生成経路を特定するためのより有用な情報を得ることができる。 Information on the identification of chemical species and their abundance obtained by this step is plotted against time, for example. Thereby, the change of the chemical species in each process of a 1st process, a 2nd process, and a 3rd process can be tracked. As the chemical species to be measured in this step is not particularly limited, the chemical species of the type measured in at least the second and third steps, contains N 2 O, 15 NNO and 15 N 2 O More preferably. That is, by measuring nitrous oxide having a molecular weight (mass number) of 44, 45 and 46, nitrous oxide contained in the gas generated from the flora is derived from nitrous acid supplied in the second step. Information on whether nitrogen is contained or whether nitrogen is derived from the hydroxylamine supplied in the third step can be obtained. Thereby, more useful information for specifying the production route of nitrous oxide can be obtained.

本工程により得られる溶存態のNOの定量に関しては、例えば、液体採取口から採取した5mLの水サンプルを、あらかじめクロロホルム0.1mLを封入した50mLのガ
スクロマトグラフィー用バイアルに入れ、激しく撹拌した後、30℃で2時間静置したのち、気液平衡に達した気相のNO濃度をガスクロマトグラフィーで測定することにより定量することができる。
Regarding the quantification of dissolved N 2 O obtained in this step, for example, a 5 mL water sample collected from a liquid sampling port is placed in a 50 mL gas chromatography vial pre-sealed with 0.1 mL of chloroform and stirred vigorously. Then, after standing at 30 ° C. for 2 hours, it can be quantified by measuring the N 2 O concentration in the gas phase that has reached vapor-liquid equilibrium by gas chromatography.

1.5.2.遺伝子を定量分析する工程
本実施形態の菌叢の評価方法は、遺伝子を定量分析する工程をさらに含んでもよい。本工程は、菌叢に発生している遺伝子を、PCR法(Polymerase Chain Reaction)により増幅して定量分析を行う工程である。対象となる遺伝子は、特に限定されないが、窒素の酸化及び/又は還元に関与する酵素をコードする遺伝子であることが好ましい。また、遺伝子は、該酵素をコードするものであれば、DNAであってもRNAであってもよい。なお、RNAを増幅する場合には、逆転写PCR法が採用されることができる。さらに、酵素をコードする遺伝子のうち、伝令RNA(メッセンジャーRNA:mRNA)は、その量と、酵素の発現量との間に正の相関があるため、菌叢中に発現している酵素の量を、mRNAの定量結果から測定することができる。
1.5.2. Step of quantitatively analyzing genes The method for evaluating the flora of this embodiment may further include a step of quantitatively analyzing genes. This step is a step of performing quantitative analysis by amplifying a gene generated in the bacterial flora by a PCR method (Polymerase Chain Reaction). The gene of interest is not particularly limited, but is preferably a gene encoding an enzyme involved in nitrogen oxidation and / or reduction. Further, the gene may be DNA or RNA as long as it encodes the enzyme. In the case of amplifying RNA, a reverse transcription PCR method can be employed. Furthermore, among the genes encoding enzymes, messenger RNA (mRNA) has a positive correlation between its amount and the expression level of the enzyme, so the amount of enzyme expressed in the flora Can be measured from the quantification result of mRNA.

mRNA等の遺伝子の定量分析する工程は、第1工程、第2工程及び第3工程の少なくとも1つの工程で行われることができる。また、本工程は、第1工程、第2工程及び第3工程を通じて、すべての工程と同時に行われてもよい。さらに、本工程は、例えば、第1工程ないし第3工程が連続槽型のバイオリアクターで行われる場合などには、連続的に行われてもよいし、反復回分型のバイオリアクターで行われる場合などでは、間欠的(断続邸)に行われてもよい。本工程を間欠的に行う場合には、少なくとも、第1工程、第2工程及び第3工程の各工程内で、複数回行われることがより好ましい。このようにすれば、第1工程、第2工程、及び第3工程の各工程における酵素の発現量を追跡することがより容易となる。   The step of quantitatively analyzing a gene such as mRNA can be performed in at least one of the first step, the second step, and the third step. In addition, this step may be performed simultaneously with all the steps through the first step, the second step, and the third step. Furthermore, this step may be performed continuously, for example, when the first to third steps are performed in a continuous tank type bioreactor, or performed in a repetitive batch type bioreactor. In some cases, it may be performed intermittently (intermittently). When this process is performed intermittently, it is more preferable to perform this process a plurality of times at least in each process of the first process, the second process, and the third process. This makes it easier to track the expression level of the enzyme in each step of the first step, the second step, and the third step.

定量される酵素としては、AMO:アンモニア酸化酵素(アンモニアをヒドロキシルアミンに酸化する酵素)、HAO:ヒドロキシルアミン酸化還元酵素(ヒドロキシルアミンを亜硝酸に酸化する酵素)、NIR:亜硝酸還元酵素(亜硝酸を一酸化窒素に還元する酵素)、NOR:一酸化窒素還元酵素(一酸化窒素を亜酸化窒素に還元する酵素)、及びNXR:亜硝酸酸化酵素(亜硝酸を硝酸に酸化する酵素)からなる群より選択される少なくとも1種とすることができる。これらの酵素のうち、AMO:アンモニア酸化酵素(アンモニアをヒドロキシルアミンに酸化する酵素)、HAO:ヒドロキシルアミン酸化還元酵素(ヒドロキシルアミンを亜硝酸に酸化する酵素)、NIR:亜硝酸還元酵素(亜硝酸を一酸化窒素に還元する酵素)、及びNOR:一酸化窒素還元酵素(一酸化窒素を亜酸化窒素に還元する酵素)についての定量情報を得ることにより、例えば、NOが生物学的経路、化学的経路のいずれによって発生するのかを判定することができる。 The enzymes to be quantified include AMO: ammonia oxidase (an enzyme that oxidizes ammonia to hydroxylamine), HAO: hydroxylamine oxidoreductase (an enzyme that oxidizes hydroxylamine to nitrite), NIR: nitrite reductase (suboxide) From enzymes that reduce nitric acid to nitric oxide), NOR: nitric oxide reductase (an enzyme that reduces nitric oxide to nitrous oxide), and NXR: nitrite oxidase (an enzyme that oxidizes nitrite to nitric acid) And at least one selected from the group consisting of: Among these enzymes, AMO: ammonia oxidase (enzyme that oxidizes ammonia to hydroxylamine), HAO: hydroxylamine oxidoreductase (enzyme that oxidizes hydroxylamine to nitrite), NIR: nitrite reductase (nitrite) By obtaining quantitative information about an enzyme that reduces NO to nitric oxide) and NOR: nitric oxide reductase (an enzyme that reduces nitric oxide to nitrous oxide), for example, N 2 O is a biological pathway It can be determined by which of the chemical pathways it occurs.

本工程は、例えば、バイオリアクター内の菌叢の一部を、適宜のサンプリング手法により採取し、これに含まれるDNA、RNA又はmRNAをPCR法により増幅することにより行われることができる。なおPCR法に用いられるプライマーや試薬は、増幅する対象となる塩基配列(対象とする酵素に対応する塩基配列)に対して相補的でありAOBの機能遺伝子に対して特異的なものを適宜用いることができる。例えば、定量したい酵素に対応する塩基配列が既知であれば、これに対応する配列を有するオリゴヌクレオチドをプライマーとして用いることができる。増幅された遺伝子は、適宜、分光分析等により、定量することができる。   This step can be performed, for example, by collecting a part of the bacterial flora in the bioreactor by an appropriate sampling technique and amplifying DNA, RNA, or mRNA contained therein by the PCR method. Primers and reagents used in the PCR method are complementary to the base sequence to be amplified (base sequence corresponding to the target enzyme) and specific for the functional gene of AOB. be able to. For example, if the base sequence corresponding to the enzyme to be quantified is known, an oligonucleotide having a sequence corresponding to this can be used as a primer. The amplified gene can be quantified as appropriate by spectroscopic analysis or the like.

本実施形態の菌叢の評価方法において、本工程を採用すれば、菌叢サンプルからRNAを抽出し、RNAを逆転写反応にてDNAにすることにより定量を行い、発現されたmRNA量を定量PCR等により測定することができる。   In this method for evaluating the flora, if this step is adopted, RNA is extracted from the flora sample, RNA is converted into DNA by a reverse transcription reaction, and the amount of expressed mRNA is quantified. It can be measured by PCR or the like.

本工程により得られる、酵素の発現量に関する情報は、例えば、時間に対してプロットされる。これにより、第1工程、第2工程及び第3工程の各工程内での各酵素の活性の変化を追跡することができる。また、本工程において定量される遺伝子としては、上述のAMO、HAO、NIR及びNORをコードするmRNAであることがより好ましい。これらのmRNAが定量されることにより、菌叢内における亜酸化窒素の生物学的な生成経路の特定や、生物学的な生成経路の活性(化学的な生成経路の活性との相対的な差)に関する情報を得ることができる。   Information about the expression level of the enzyme obtained by this step is plotted against time, for example. Thereby, the change of the activity of each enzyme in each process of a 1st process, a 2nd process, and a 3rd process is traceable. Further, the gene quantified in this step is more preferably mRNA encoding the above-mentioned AMO, HAO, NIR and NOR. By quantifying these mRNAs, it is possible to identify the biological production pathway of nitrous oxide in the flora and to determine the activity of the biological production pathway (relative difference from the activity of the chemical production pathway). ) Can be obtained.

1.5.3.工程の順序等
本実施形態の評価方法において、上述した第1工程、第2工程及び第3工程は、必ずしもこの順で行われる必要はない。例えば、第1工程の後に第3工程が行われてもよいし、第2工程及び第3工程の後に第1工程が行われてもよい。また、本実施形態の評価方法では、第1工程、第2工程及び第3工程は、それぞれ複数回行われてもよい。これらの工程は、所望の情報を得ることができるように、適宜の順序で組合わせて行われることができる。
1.5.3. Process order, etc. In the evaluation method of this embodiment, the first process, the second process, and the third process described above are not necessarily performed in this order. For example, the third step may be performed after the first step, or the first step may be performed after the second step and the third step. In the evaluation method of the present embodiment, the first step, the second step, and the third step may each be performed a plurality of times. These steps can be performed in combination in an appropriate order so that desired information can be obtained.

1.6.作用効果
本実施形態に係る菌叢の評価方法によれば、安定同位体の利用により、複雑なNO生成経路の同定を行うことができる。また、本実施形態の評価方法によれば、窒素の関与する反応を担う酵素をコードするメッセンジャーRNA(mRNA)を用いてこれを定量することにより、NOの生物学的経路による発生の寄与を確認することができる。これらの情報を組合わせて解析することにより、NOの発生経路において、支配的な経路を特定することができる。したがって、本発明により評価された菌叢について、NOの発生を抑制するための対策を講じるための有効な情報を得ることができる。
1.6. Effects According to the method for evaluating the flora according to the present embodiment, a complex N 2 O production pathway can be identified by using stable isotopes. In addition, according to the evaluation method of the present embodiment, the contribution of the generation of N 2 O through the biological pathway is quantified using a messenger RNA (mRNA) encoding an enzyme responsible for a reaction involving nitrogen. Can be confirmed. By analyzing these information in combination, a dominant route can be specified in the N 2 O generation route. Therefore, effective information for taking measures for suppressing the occurrence of N 2 O can be obtained for the flora evaluated according to the present invention.

2.実験例
以下に実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
2. Experimental Examples The experimental examples are shown below to further explain the present invention, but the present invention is not limited to the following experimental examples.

2.1.試料
活性汚泥は、埋立地浸出水の生物処理を行っている反応槽を種汚泥として長期間アンモニア除去を行っている実験室規模反応槽から採取したものを用いた。活性汚泥は、AOBを長期間訓致して使用した。各活性汚泥によって処理される液体として、人工的に作成した排水を用いた。排水としては、(NHSOを2830mg、MgSO・7HOを280mg、KHPOを27mg、CaCl・2HOを120mg、NaClを600mg、FeSO・7HOを3.3mg、MnSO・HOを3.3mg、CuCl・2HOを0.8mg、ZnSO・7HOを1.7mg、及びNiSO・6HOを0.3mgを、蒸留水1Lに溶解させたものを使用した。また、当該排水には、活性汚泥に接触させる前に、アンモニアが含有されていることを確認した。
2.1. Sample Activated sludge was collected from a laboratory-scale reaction tank where ammonia was removed for a long period of time using a reaction tank in which biological treatment of landfill leachate was biologically treated as seed sludge. The activated sludge was used after long-term training of AOB. Artificial wastewater was used as the liquid treated by each activated sludge. As drainage, (NH 4 ) 2 SO 4 2830 mg, MgSO 4 · 7H 2 O 280 mg, KH 2 PO 4 27 mg, CaCl 2 · 2H 2 O 120 mg, NaCl 600 mg, FeSO 4 · 7H 2 O 3.3mg, MnSO 4 · H 2 O and 3.3mg, CuCl 2 · 2H 2 O and 0.8mg, ZnSO 4 · 7H 2 O and 1.7 mg, and 0.3mg of NiSO 4 · 6H 2 O, What was dissolved in 1 L of distilled water was used. Moreover, before making it contact with activated sludge, it confirmed that the said wastewater contained ammonia.

2.2.バイオリアクター
反復回分型のバイオリアクターを自作した。バイオリアクターには、撹拌装置と、ガス導入口と、ばっ気機構と、気相及び液相のサンプリング機構とを備付けた。バイオリアクターの容量は5Lであり、以下の実験を通じて系を28℃に保つ温度調節器を設置した。
2.2. Bioreactor A self-made batch bioreactor was made. The bioreactor was equipped with a stirring device, a gas inlet, an aeration mechanism, and a gas phase and liquid phase sampling mechanism. The volume of the bioreactor was 5 L, and a temperature controller was installed to keep the system at 28 ° C. throughout the following experiment.

2.3.分析等
サンプリングされた気相を、株式会社島津製作所製:形式GCMS−QP2010 PPlusに導入し、成分の定性定量を行った。また、サンプリングされた液相に対しては、固液分離行い、汚泥からRNAを抽出した後、逆転写反応を行いDNAを合成した後、定量PCRにてmRNAの機能遺伝子の定量を行った。そして各酵素をコードするmRN
Aの相対的な発現量を、実験開始前を基準として算出した。
2.3. Analysis The sampled gas phase was introduced into Shimadzu Corporation model: GCMS-QP2010 PPplus, and the components were qualitatively quantified. The sampled liquid phase was subjected to solid-liquid separation, RNA was extracted from sludge, reverse transcription reaction was performed to synthesize DNA, and then the functional gene of mRNA was quantified by quantitative PCR. And mRN encoding each enzyme
The relative expression level of A was calculated with reference to before the start of the experiment.

2.4.窒素化合物の代謝経路
活性汚泥中にAOBが存在する場合の、窒素化合物の反応経路を図1に示す。図1中、矢印はAOBによる生物学的な代謝経路を、波線矢印は化学的な反応経路を、一点鎖線矢印は反応に関わる電子の流れをそれぞれ表す。また、図中略号は、AMO:アンモニア酸化酵素(アンモニアをヒドロキシルアミンに酸化する酵素)、HAO:ヒドロキシルアミン酸化還元酵素(ヒドロキシルアミンを亜硝酸に酸化する酵素)、NIR:亜硝酸還元酵素(亜硝酸を一酸化窒素に還元する酵素)、NOR:一酸化窒素還元酵素(一酸化窒素を亜酸化窒素に還元する酵素)、及びNXR:亜硝酸酸化酵素(亜硝酸を硝酸に酸化する酵素)である。また、これら略号に付記された括弧内は、それぞれの酵素に対応する機能遺伝子である。図1をみると、NO発生の機構として,2つあるNがどこから来ているかに着目すると、(1)2NHOH→NO(好気条件下)、(2)2NO →NO(嫌気条件下)、(3)NHOH+NO →NO、の3経路に着目すれば、安定性同位体を用いて部分硝化を志向した活性汚泥槽からのNOの発生経路を把握できる可能性があることが理解されよう。
2.4. Nitrogen Compound Metabolic Path FIG. 1 shows the nitrogen compound reaction path when AOB is present in the activated sludge. In FIG. 1, arrows indicate biological metabolic pathways by AOB, wavy arrows indicate chemical reaction pathways, and alternate long and short dash arrows indicate the flow of electrons involved in the reaction. Abbreviations in the figure are AMO: ammonia oxidase (enzyme that oxidizes ammonia to hydroxylamine), HAO: hydroxylamine oxidoreductase (enzyme that oxidizes hydroxylamine to nitrite), NIR: nitrite reductase (suboxide) With an enzyme that reduces nitrate to nitric oxide), NOR: Nitric oxide reductase (an enzyme that reduces nitric oxide to nitrous oxide), and NXR: Nitrite oxidase (an enzyme that oxidizes nitrite to nitric acid) is there. The parentheses attached to these abbreviations are functional genes corresponding to the respective enzymes. Referring to FIG. 1, as a mechanism of N 2 O generation, focusing on where two Ns come from, (1) 2NH 2 OH → N 2 O (aerobic conditions), (2) 2NO 2 Focusing on the three routes of → N 2 O (anaerobic conditions) and (3) NH 2 OH + NO 2 → N 2 O, N 2 from an activated sludge tank intended for partial nitrification using a stable isotope It will be understood that there is a possibility that the generation route of O can be grasped.

2.5.実験条件
まず、活性汚泥をアンモニアを含む人工排水(400mg−N/L)に投入し、硝化回分試験を行った。アンモニア酸化は酸素を供給しながら行った(上述の第1工程に相当する。)(図2におけるPhaseI)。この間、約1時間ごとに気相を採取して発生ガス(アンモニア(NH )、亜硝酸(NO )、硝酸(NO )、亜酸化窒素(NO))の定性定量分析を行った。
2.5. Experimental conditions First, activated sludge was put into artificial wastewater (400 mg-N / L) containing ammonia, and a nitrification batch test was conducted. Ammonia oxidation was performed while supplying oxygen (corresponding to the first step described above) (Phase I in FIG. 2). During this time, the gas phase is sampled approximately every hour to qualitatively determine the generated gas (ammonia (NH 4 + ), nitrous acid (NO 2 ), nitric acid (NO 3 ), nitrous oxide (N 2 O)). Analysis was carried out.

次に、定性定量分析の結果において、NH が実質的に枯渇したことを確認した後、15Nで標識された15NOを系に供給した(上述の第2工程に相当する。)(図2におけるPhaseII)。PhaseIと同様に、この間、約1時間ごとに気相を採取して発生ガス(アンモニア(NH )、亜硝酸(NO )、硝酸(NO )、亜酸化窒素(NO))の定性定量分析を行った。 Next, in the result of qualitative quantitative analysis, after confirming that NH 4 + was substantially depleted, 15 NO 2 labeled with 15 N was supplied to the system (corresponding to the second step described above). (Phase II in FIG. 2). Similarly to Phase I, the gas phase is sampled approximately every hour during this time to generate gas (ammonia (NH 4 + ), nitrous acid (NO 2 ), nitric acid (NO 3 ), nitrous oxide (N 2 O )) Qualitative quantitative analysis was conducted.

次に、定性定量分析の結果において、系内の窒素化合物の量が安定化した後、15Nで標識された15NHOHを系に供給した(上述の第3工程に相当する。)(図2におけるPhaseIII)。PhaseI、IIと同様に、この間、約0.5時間ごとに気相を採取して発生ガス(アンモニア(NH )、亜硝酸(NO )、硝酸(NO )、亜酸化窒素(NO))の定性定量分析を行った。 Next, in the result of qualitative quantitative analysis, after the amount of nitrogen compound in the system was stabilized, 15 NH 2 OH labeled with 15 N was supplied to the system (corresponding to the third step described above) ( Phase III in FIG. 2). In the same manner as Phase I and II, the gas phase is sampled about every 0.5 hour during this period to generate gas (ammonia (NH 4 + ), nitrous acid (NO 2 ), nitric acid (NO 3 ), nitrous oxide. Qualitative quantitative analysis of (N 2 O)) was performed.

これらの工程を行う間、約1時間ごとに活性汚泥を採取して、RNA抽出、逆転写反応によるDNAの合成の後、定量PCRを行い、各経路を触媒する酵素の機能遺伝子のmRNAレベルでの発現量を追跡した。   During these steps, activated sludge is collected approximately every 1 hour, RNA extraction, DNA synthesis by reverse transcription reaction, quantitative PCR are performed, and the mRNA level of the functional gene of the enzyme that catalyzes each pathway. The expression level of was monitored.

以上のような回分試験を、溶存酸素濃度を7.0mg/L、1.5mg/L、0.3mg/Lとしてそれぞれの条件で行った。なお、各試験における試料のpHは、連続的にモニタリングされ、各試験とも7.8となるように随時自動調整を行った。   The batch test as described above was conducted under the respective conditions with the dissolved oxygen concentration being 7.0 mg / L, 1.5 mg / L, and 0.3 mg / L. In addition, the pH of the sample in each test was continuously monitored, and automatic adjustment was performed as needed so that each test might be 7.8.

2.6.実験結果
図2ないし図4は、溶存酸素濃度1.5mg/Lの回分試験における各窒素化合物の濃度の変化を時間に対してプロットした結果である。図2は、各窒素化合物の種類ごとの濃度のプロットであり、図3は、発生したNOにおける安定同位体15Nを含むNOの分率の時間に対するプロットであり、図4は、検出されたNO中の14O(分子量44)、1514NO若しくは1415NO(分子量45)及び15O(分子量
46)の、時間に対する積算プロットである。また、図2ないし図4には、上述の各Phaseを記載した。
2.6. Experimental Results FIG. 2 to FIG. 4 are the results of plotting changes in the concentration of each nitrogen compound against time in a batch test with a dissolved oxygen concentration of 1.5 mg / L. FIG. 2 is a plot of the concentration for each nitrogen compound type, FIG. 3 is a plot of the fraction of N 2 O containing stable isotope 15 N in the generated N 2 O versus time, and FIG. , 14 N 2 O (molecular weight 44), 15 N 14 NO or 14 N 15 NO (molecular weight 45) and 15 N 2 O (molecular weight 46) in detected N 2 O are integrated plots with respect to time. In addition, in FIG. 2 to FIG.

図2をみると、PhaseIにおいて、AOBが集積された活性汚泥のいずれにおいても(溶存酸素濃度1.5mg/L以外の回分試験は図示を省略している。)、NO の蓄積が観察され、NO の生成が全体の1割前後となったことがわかる。 Looking at Figure 2, in phase I, in any of the activated sludge AOB are integrated (batch tests other than the dissolved oxygen concentration 1.5 mg / L are not shown.), NO 2 - accumulation observed Thus, it can be seen that the generation of NO 3 is about 10% of the whole.

また、図2より、NH が消費される過程において、NOが放出されていることが判明した。このPhaseIの時点では15Nの供給は行っていないため、生成する分子量は1414NOの44である。NH の枯渇後、PhaseIIにおいて15Nで標識されたNO を添加したところ、NOのピークは見られず、この時点でNOは発生しないことが判明した。このことから、脱窒経路によるNOの発生(2NO →NO)は、ほとんど無いということが理解できる。 Further, FIG. 2 revealed that N 2 O was released in the process of consuming NH 4 + . Since the supply of 15 N is not performed at the time of Phase I, the generated molecular weight is 44 of 14 N 14 NO. NH 4 + after depletion, NO 2 labeled with 15 N in Phase II - was added and the peak of N 2 O is not observed, N 2 O at this time were found not to occur. From this, it can be understood that there is almost no generation of N 2 O (2NO 2 → N 2 O) by the denitrification route.

次に、PhaseIIIにおいて、NO が十分に蓄積し、NHOHが消費された状態で、15NHOHが添加され、NOの大きなピークが急激に観察された。また、このPhaseIIIにおけるNOの急激な発生は、溶存酸素濃度を7.0mg/L、1.5mg/L、0.3mg/Lの全ての実験系において同様に観察された。 Next, in Phase III, 15 NH 2 OH was added in a state where NO 2 was sufficiently accumulated and NH 2 OH was consumed, and a large peak of N 2 O was rapidly observed. The rapid generation of N 2 O in Phase III was similarly observed in all experimental systems having dissolved oxygen concentrations of 7.0 mg / L, 1.5 mg / L, and 0.3 mg / L.

図3をみると、15NHOHを添加した際に発生したNOの15Nの質量%は、58.9%であった。一方、その時間のNHOHの15N比が、100質量%、NO 15N比が、11質量%であった。この15Nの質量%に関する結果は、NOの生成が、15NHOHおよび14NO が1分子ずつ反応して発生することを想定すれば、合理的に説明することができる。したがって、ターゲットとした部分硝化を志向したリアクターからのNOは、NHOH及びNO のそれぞれ1分子ずつからNがハイブリッドに反応して生成すると説明できることが判明した。また、図をみると、PhaseIIまで分子量44以外のNOは検出されていなかったものの、PhaseIIIの開始の際に15NHOHが供給され、分子量45と46のNOが検出されていることが分かった。以上の結果を図5にまとめた。 Referring to FIG. 3, the mass percentage of 15 N of N 2 O generated when 15 NH 2 OH was added was 58.9%. On the other hand, the 15 N ratio of NH 2 OH at that time was 100% by mass, and the 15 N ratio of NO 2 was 11% by mass. This result regarding the mass% of 15 N can be explained rationally assuming that the generation of N 2 O is generated by the reaction of 15 NH 2 OH and 14 NO 2 one molecule at a time. Therefore, it was found that N 2 O from a reactor intended for partial nitrification as a target can be explained as being produced by reacting N with a hybrid from one molecule each of NH 2 OH and NO 2 . In addition, in the figure, although N 2 O other than the molecular weight 44 was not detected until Phase II, 15 NH 2 OH was supplied at the start of Phase III, and N 2 O having a molecular weight of 45 and 46 was detected. I found out. The above results are summarized in FIG.

図5は、以上の結果を説明するNO生成経路を模式的に示すマップである。図5に示すように、NOの生成経路の割合は、ヒドロキシルアミンの亜硝酸酸化経路(非生物学的経路)が55.0%、ヒドロキシルアミンのO酸化経路及びN酸化又はNOH酸化経路の合計が33.1%、並びに、NOのO酸化経路が11.9%となっていることが判明した。これらの値は、図4に示すPhaseIIIにおける44、45、46の分子量を有するNOの量を積算していくことにより算出することができた。 FIG. 5 is a map schematically showing an N 2 O production path for explaining the above results. As shown in FIG. 5, the proportion of the N 2 O production pathway is 55.0% for the hydroxylamine nitrite oxidation pathway (non-biological pathway), the hydroxylamine O 2 oxidation pathway and the N 2 O 2 H It was found that the total of 4 oxidation or NOH oxidation pathways was 33.1%, and NO O 2 oxidation pathway was 11.9%. These values could be calculated by integrating the amounts of N 2 O having molecular weights of 44, 45, and 46 in Phase III shown in FIG.

このようなマップが把握されたことで、用いた活性汚泥の反応経路の概要を把握することができた。   By grasping such a map, it was possible to grasp the outline of the reaction route of the activated sludge used.

一方、安定同位体による評価によりハイブリッドなNOの生成が確認されたが、これが生物学的な経路を通ったものなのか、化学的な経路を通ったものなのかについての判断は、上記実験系では未だ十分に明らかとはいえない。すなわち、上記実験系においては、安定性同位体を用いた解析により物質の流れを追うことが出来るものの、化学的および生物学的な反応を区分するためにはさらに情報が必要である。 On the other hand, the formation of hybrid N 2 O was confirmed by evaluation with a stable isotope, but the judgment as to whether this was through a biological route or a chemical route was as described above. It is still not clear enough in the experimental system. That is, in the above experimental system, although the flow of a substance can be traced by analysis using a stable isotope, further information is required to classify chemical and biological reactions.

そこで、AOBの機能遺伝子(mRNA)の定量を行った。図6(a)は、溶存酸素濃度7.0mg/Lの回分試験における各機能遺伝子の相対発現量(アンモニア人工排水を添加して実験開始する前のmRNA発現量を1とした)を時間に対してプロットしたグラフである。図6(b)は、溶存酸素濃度7.0mg/Lの回分試験における各機能遺伝子
の相対発現量(アンモニア人工排水を添加して実験開始する前のmRNA発現量を1とした)を時間に対してプロットしたグラフである。図6(a)及び(b)共に、同じ溶存酸素濃度の試験であるが、AOBの種類と活性が互いに異なる活性汚泥を対象にしており、図6(b)の試験の場合は、AOBの活性が低いときの系を対象とした。各酵素に対応するmRNAは、ぞれぞれ、AMOに対してamoA、HAOに対してhaoA、NIRに対してnirK、NORに対してnorBとして図中に記載した。また、図6には、上述の各Phaseを記載した。
Therefore, the functional gene (mRNA) of AOB was quantified. FIG. 6 (a) shows the relative expression level of each functional gene in a batch test with a dissolved oxygen concentration of 7.0 mg / L (mRNA expression level before starting the experiment by adding ammonia artificial waste water is 1). It is the graph plotted against. FIG. 6 (b) shows the relative expression level of each functional gene in a batch test with a dissolved oxygen concentration of 7.0 mg / L (mRNA expression level before the start of the experiment by adding ammonia artificial drainage is 1) over time. It is the graph plotted against. 6 (a) and 6 (b) are tests of the same dissolved oxygen concentration, but are intended for activated sludge having different types and activities of AOB. In the case of the test of FIG. 6 (b), AOB Systems with low activity were targeted. The mRNA corresponding to each enzyme is shown in the figure as amoA for AMO, haoA for HAO, irK for NIR, and norB for NOR. FIG. 6 shows the above-described phases.

図6(a)をみると、AOBの機能遺伝子に関するmRNAの相対値(アンモニア人工排水を添加して実験開始する前のmRNA発現量を1とした)を比較すると、活性汚泥のmRNA発現量が、よりダイナミックに変動し(最大:nirKで相対発現量148倍)、高いNOの発生量と挙動が一致することが判明した。一方で、AOBの活性が極めて低いケースの場合(図6(b))、mRNAの動きは極めて鈍く、大きな変化が見られなかった。このようにmRNAの働きと、NOの生成に関しては、相関性が高く、生物学的経路、非生物学的経路(化学的経路)のどちらがより支配的な実験系となっているかについての評価を行うためのツールとなることが分かった。 Looking at FIG. 6 (a), when comparing the relative value of mRNA related to the functional gene of AOB (mRNA expression level before starting the experiment by adding ammonia artificial drainage was 1), the mRNA expression level of activated sludge was It was found that the fluctuation was more dynamic (maximum: relative expression level 148 times at mirK), and the high N 2 O generation amount and behavior were consistent. On the other hand, in the case where the activity of AOB is extremely low (FIG. 6 (b)), the movement of mRNA was extremely slow and no significant change was observed. Thus, there is a high correlation between the function of mRNA and the production of N 2 O, and whether the biological pathway or non-biological pathway (chemical pathway) is the more dominant experimental system. It turned out to be a tool for evaluation.

以上の実験結果より、安定同位体を用いたNO生成経路の解析と、アンモニア酸化細菌の活性を表す指標となるmRNAの定量分析との融合により、菌叢の正確なNO発生経路を把握することができ、生物学的または非生物学的なNOの生成経路を正確に知ることが可能であることが判明した。 Based on the above experimental results, an accurate N 2 O generation pathway in the flora can be obtained by fusing analysis of the N 2 O production pathway using stable isotopes and quantitative analysis of mRNA serving as an index representing the activity of ammonia oxidizing bacteria. It was found that it is possible to know the biological or non-biological N 2 O production pathway accurately.

以上実験例の結果から、本発明は、あらゆる排水処理施設や、土壌等の菌叢におけるNOの放出経路を明らかにすることができ、NOの環境への放出の抑制に向けた戦術を示すことができることが判明した。また、本発明は、例えば、発生経路に関する数式モデルの開発に適用することができる。本発明によれば、例えば、排水処理施設の運転管理や土壌の品質管理にフィードバックする情報を提供することができ、長期間の実験を要することなく、NOの生成削減に関する具体的な対策を見出すことができる。 From the results of the above experimental examples, the present invention can clarify the release route of N 2 O in all wastewater treatment facilities and the flora of soil and the like, and aimed at suppressing the release of N 2 O into the environment. It turns out that it can show tactics. Further, the present invention can be applied to, for example, development of a mathematical model related to a generation path. According to the present invention, for example, it is possible to provide information to be fed back to the operation management of a wastewater treatment facility and the quality control of soil, and specific measures for reducing the generation of N 2 O without requiring a long-term experiment. Can be found.

本発明は、AOBによるNO生成経路を正確に把握することが可能にする手法を含む。そのため、排水処理からの正確なNOの放出経路の特定と放出量の削減に向けた明確な戦術を打ち立てることが可能になり、排水処理施設からの温室効果ガス排出の削減に貢献することができる。また、本発明は、排水処理施設のみならず、自然環境中におけるあらゆる環境への適用が可能である。例えば、NO生成の温床となっている土壌(畑)や、埋立地最終処分場、水田等様々な工業的、工学的及び農業的な分野に適用することができ、それら各々からのNOの放出経路を明確にすることが可能であり、これにより環境へのNOの放出抑制の戦略の組立てなどに貢献することができる。 The present invention includes a technique that makes it possible to accurately grasp the N 2 O production path by AOB. Therefore, it becomes possible to establish clear tactics for identifying the exact N 2 O release route from wastewater treatment and reducing the release amount, and to contribute to the reduction of greenhouse gas emissions from wastewater treatment facilities. Can do. The present invention can be applied not only to wastewater treatment facilities but also to any environment in the natural environment. For example, it can be applied to various industrial, engineering, and agricultural fields such as soil (field) serving as a hotbed for N 2 O generation, landfill final disposal site, paddy field, etc. it is possible to clarify the 2 O emission path, thereby contributing like assembly strategy inhibition of release of N 2 O to the environment.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes substantially the same configuration (for example, a configuration having the same function, method and result, or a configuration having the same purpose and effect) as the configuration described in the embodiment. In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. In addition, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

Claims (5)

菌叢にアンモニア及び酸素を供給する第1工程と、
前記第1工程において、前記アンモニアが実質的に枯渇した後、15Nで標識された亜硝酸を前記菌叢に供給する第2工程と、
前記第2工程の後、15Nで標識されたヒドロキシルアミンを前記菌叢に供給する第3工程と、
を含む、菌叢の評価方法。
A first step of supplying ammonia and oxygen to the flora;
In the first step, after the ammonia is substantially depleted, a second step of supplying 15 N-labeled nitrous acid to the flora;
After the second step, a third step of supplying hydroxylamine labeled with 15 N to the flora;
A method for evaluating a bacterial flora.
請求項1において、
前記菌叢から生じる気体を質量分析する工程をさらに含む、菌叢の評価方法。
In claim 1,
A method for evaluating a flora further comprising a step of mass-analyzing a gas generated from the flora.
請求項2において、
前記気体は、亜酸化窒素である、菌叢の評価方法。
In claim 2,
The method for evaluating a flora, wherein the gas is nitrous oxide.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、
前記菌叢に発現している遺伝子を定量分析する工程をさらに含む、菌叢の評価方法。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
A method for evaluating a flora further comprising a step of quantitatively analyzing a gene expressed in the flora.
請求項4において、
前記遺伝子は、窒素の酸化及び/又は還元に関与する酵素をコードする、菌叢の評価方法。
In claim 4,
The method for evaluating a bacterial flora, wherein the gene encodes an enzyme involved in oxidation and / or reduction of nitrogen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107923888A (en) * 2015-05-29 2018-04-17 沃特世科技公司 Metabolic pathway and metabolin identification

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