好気性脱窒細菌Stutzerimonas stutzeriの分離と製鋼用コークス排水処理への応用

工場排水の浄化が重要な理由

製鋼などの重工業では、石炭をコークスという燃料に加工する専用炉が使われます。これらの工程では暗色で化学物質を多く含む排水が発生します。この水は高濃度の窒素化合物や分解しにくい有機汚染物質を含み、赤潮や有毒藻類の発生、魚類の中毒、飲料水の汚染を引き起こす可能性があります。本稿の研究は、コークス工場の排水自体から分離された自然界の細菌を利用し、この厳しい廃水中の有害な窒素と有機汚染を取り除く手段として活用する可能性を探ったものです。

手強い種類の排水

コークス排水は工業排水の中でも特に汚染度が高い部類です。硝酸塩、亜硝酸塩、アンモニウムのような多様な形態の窒素に加え、発がん性を持つものも含む複雑な有機化合物を含みます。未処理で放出されると、これらの窒素が藻類や水生植物の異常繁茂を助長し、溶存酸素の枯渇を招いて魚類やその他の生物を窒息させます。人体では過剰な硝酸塩が乳児の酸素運搬を損なうほか、発がん性化合物の前駆体となることがあります。塩分、窒素、有毒有機物の混在により、コークス排水は一般の下水より処理が難しく、従来の処理施設の能力を超えることが少なくありません。

排水そのものから助っ人微生物を見つける

研究者らはコークス工場の低酸素域から水を採取し、硝酸塩を除去できる微生物が有利になる条件で培養しました。希釈と単離を慎重に繰り返したのち、複数の細菌株を分離し、16S rRNA遺伝子の配列解析で最も有望な株を同定しました。この株はStutzerimonas stutzeri KA1と名付けられ、硝酸塩を窒素ガスなどの無害な形に変換することで知られる群に属します。研究チームはさらに、各株が実験室用培地中でどれだけ硝酸塩を低下させるかを比較し、KA1は温かく穏やかに攪拌した条件で急速に硝酸塩濃度を下げ、工業用途に適した候補であることが示されました。

この細菌が耐えられる条件を試す

KA1の実運用での性能を評価するため、研究者らは餌の種類、炭素と窒素の比、酸素レベル、酸性・アルカリ性（pH）を一つずつ変えて試験しました。簡単で消化しやすい炭素源が最も効果的で、酢酸ナトリウムを用いるとKA1は約40時間でほぼ全量の硝酸塩を除去しました。中程度のC/N比が最も速い除去を示し、炭素が不足すると細菌は飢餓状態になり、過剰ではこれ以上の改善は見られませんでした。驚くべきことに、KA1は無酸素から完全曝気まで幅広い溶存酸素条件下で働き続け、通気するタンクでも脱窒が持続することを示唆しました。またpH6から10の広範な範囲でほぼ完全な硝酸塩除去を維持し、多くの実際の廃水条件をカバーしました。これらの特性は、環境変動に耐えて効果を失わない頑強な微生物であることを示しています。

フラスコから実働リアクターへ

チームは次に小規模フラスコから、実際の処理サイクルを模したシーケンシングバッチリアクターと呼ばれるミニチュア処理システムへ移行しました。すべてのリアクターに通常の活性汚泥が投入されましたが、うち二つのみがKA1で“バイオオーグメンテーション”（微生物追加）されました。繰り返し運転を行うと、当初はいずれのリアクターもある程度硝酸塩を除去し、既存の微生物群が活動していることが示されました。しかし時間が経つにつれて非添加のリアクターは性能が低下したのに対し、KA1を加えたリアクターは改善を続け、最終的には塩分の高い条件でも明確に高い硝酸塩除去率を達成しました。研究は化学的酸素要求量（COD）も追跡しており、KA1処理系は対照より有機物を速やかに分解し、CODをより早く低下させることが確認されました。

産業浄化への意義

非専門家向けに言えば、研究者らは処理対象である過酷な排水環境下でも繁栄する耐性の高い“清掃”細菌を発見・評価した、という点が重要です。Stutzerimonas stutzeri KA1は、酸素・塩分・pHの現実的な変動幅の中でほぼ全量の硝酸塩を除去できるだけでなく、他の有機汚染物質の除去も助けます。標準的な処理システムに添加すれば、既存の微生物群だけでは達成しにくい窒素およびCODの除去性能を向上させます。効率的に働き、過酷な条件に耐えることから、KA1は製鉄・コークス工場が環境基準を満たすためのコストと負担を軽減し、河川・湖沼・沿岸生態系の保護に寄与する可能性があります。

引用: Naseer, K., Ashfaq, K., Shamim, A. et al. Isolation of aerobic denitrifying bacteria Stutzerimonas stutzeri and its application in coking wastewater treatment. Sci Rep 16, 8717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43338-6

キーワード: コークス排水, 好気性脱窒, Stutzerimonas stutzeri, バイオオーグメンテーション, 窒素除去