活性汚泥とトリックリングフィルターを用いた下水処理施設のショットガンメタゲノム解析と物理化学的プロファイリング

なぜ排水の中身が重要なのか

トイレを流したり工場の床から化学物質を洗い流したりするたびに、その水はどこかへ行きます。多くの地域、特に低・中所得国では、下水処理施設が追いつかず、栄養塩類や化学物質、さらには重金属が人々や生物が依存する河川へと流出してしまうことがあります。本研究は、南アフリカの2つの下水処理場を詳しく調べ、単にどれだけ水を浄化できているかだけでなく、汚染を分解する「実際の仕事」をしている微生物がどのようなものかを問います。

賑やかな河川に接する2つの疲弊した処理場

研究者らは、南アフリカのエムフレニ地方自治体にある2つの下水処理場に着目しました。両施設は家庭からの汚水、雨水、産業排水の混合を受け入れ、重要な河川へ放流しています。設計上は、微生物を曝気槽で懸濁状態に保つ活性汚泥法と、微生物が表面に付着してスリミーなバイオフィルムを形成するトリックリングフィルターを併用することになっていました。しかし実際には、長年の不十分な維持管理、電力不足、機器故障により、両処理場とも設計能力を下回って稼働しており、一方は主に活性汚泥法、他方は主にトリックリングフィルターに依存していました。

水質と隠れた化学の検査

乾季の5か月間（雨による希釈が少ない時期）に、処理過程の各所と、食肉処理場やバッテリーメーカーなど近隣の5つの産業排水からサンプルを採取しました。酸性度（pH）、溶存酸素、温度、溶解性および浮遊固形物、そして有機物の分解必要量を示す化学的酸素要求量（COD）などの基本的な水質指標を測定しました。さらに、アンモニア、硝酸、リン酸塩などの栄養塩類や、鉄、銅、亜鉛、鉛、ヒ素といった金属も調べました。これらの物質は、濃度が高ければ魚類に有害であったり、有毒な藻類の大量発生を助長したり、作物や動物の組織に蓄積したりします。

浸透してしまう汚染レベル

結果は、両処理場とも汚染物質を許容レベルまで除去するのが困難であることを示しました。処理水中のCODは、特に設備が大きく機能していない処理場で、地方および国際的な指針値をしばしば超えていました。水生生物に毒性を持ち得る窒素の形態であるアンモニアは、両処理場の最終タンクでも高いままで、アンモニアを除去する主要な微生物群が十分に機能していないことを示唆します。産業排水の一部は極めて高濃度で、例えば食肉処理場の排水は非常に高いCODを示し、自治体のシステムに追加の負荷をかけていました。マンガン、銅、亜鉛、鉛などのいくつかの重金属は汚泥や一部の処理水で蓄積しており、河床堆積物、魚類、そして最終的にはその水を利用する人々への長期的な蓄積が懸念されます。

槽内の微生物による労働力

処理の「生きたエンジン」を理解するために、研究者らはショットガンメタゲノムシーケンシング—水から直接DNAを読む手法—を用いて、各採取点のマイクロバイオームをプロファイリングしました。細菌が支配的で、あるサンプルではプロテオバクテリア門がコミュニティのほぼ90パーセントを占めていました。Aeromonas、Acinetobacter、Pseudomonas、Bacillus、Thauera といった属が特に豊富でした。これらの多くの微生物は両刃の剣で、有機汚染物質や栄養塩、複雑な化学物質の分解に優れる一方で、病原性株を含んだり抗生物質耐性遺伝子を持ったりすることがあります。研究は、pH、酸素、固形物、塩類、さらには金属の存在といった因子が、どの微生物がどこで繁栄するかに強く影響することを示しました。

潜在力と明確な警告

化学と微生物学を結びつけることで、研究は特定の細菌群が重金属濃度の高い場所に集まることを示し、将来の浄化戦略に利用できる可能性を示唆しました。機能的なDNAシグネチャーからは、石油由来物質、医薬品、工業用溶媒のような頑固な化合物を分解するのに適した微生物も見られました。しかし全体として、COD、アンモニア、金属を完全に除去できないことは、これらの河川が依然として有害物質の継続的な負荷を受けていることを意味します。著者らは、継続的なモニタリング、インフラの更新、および活性汚泥とトリックリングフィルターを組み合わせたより賢明な設計が、これらの微生物コミュニティの潜在力を引き出しつつ下流の生態系を保護できると論じています。

人々と河川にとっての意味

簡単に言えば、本研究は、対象とした処理場は適切に下水を浄化できていないことを示しています。適した微生物が存在するにもかかわらず、有機物、栄養塩、金属の高濃度が処理場から河川へ流出しています。これが続けば、魚類や他の野生生物の被害、悪臭や場合によっては有毒な藻類の大量発生、周辺コミュニティの健康リスクの増大を引き起こします。本研究は警告であると同時に機会でもあります。より良い維持管理、電力の安定化、プロセス制御が行われなければ、これらの微生物の働きは追いつきませんが、適切に設計され定期的に点検されるシステムがあれば、微生物はより安全で回復力のある水再利用の基盤となり得ます。

引用: Maharaj, S.D., Nkuna, R. & Matambo, T.S. Shotgun metagenomic and physicochemical profiling of municipal wastewater treatment plants using activated sludge and trickling filters. Sci Rep 16, 5486 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35157-6

キーワード: 下水処理, マイクロバイオーム, 南アフリカ, 重金属, 水質