(57)【要約】【課題】排水の生物処理に伴い生成する生物処理汚泥の性状を解析し、生物処理の安定運転を支援する。【解決手段】解析装置は、微生物毎及び／又は遺伝子毎の機能情報を格納する記憶部と、生物処理汚泥から抽出されたＤＮＡの塩基配列データを取得する取得部と、前記塩基配列データに基づいて微生物及び／又は遺伝子の組成を解析する解析部と、組成解析結果に含まれる微生物及び／又は遺伝子に対応する機能情報を前記記憶部から抽出する抽出部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物毎及び／又は遺伝子毎の機能情報を格納する記憶部と、
生物処理汚泥から抽出されたＤＮＡの塩基配列データを取得する取得部と、
前記塩基配列データに基づいて微生物及び／又は遺伝子の組成を解析する解析部と、
組成解析結果に含まれる微生物及び／又は遺伝子に対応する機能情報を前記記憶部から抽出する抽出部と、
を備える解析装置。
【請求項２】
前記生物処理汚泥は水処理システムから所定のタイミングでサンプリングされ、
前記取得部は、前記生物処理汚泥のサンプリング毎に前記塩基配列データを取得し、
前記記憶部は、各塩基配列データに基づく組成解析結果を格納し、
前記組成の変動度を算出し、該変動度が所定値以上の場合に、前記水処理システムにおける生物処理に障害が既に発生している又は障害が発生する可能性があると判断する変動検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の解析装置。
【請求項３】
存在比率の変化が所定値以上の微生物又は遺伝子を特定し、特定した微生物又は遺伝子の機能情報から、前記水処理システムに及ぼされる影響を予測する予測部をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の解析装置。
【請求項４】
前記水処理システムの原水水質、処理水水質及び運転条件の少なくともいずれか１つの実測値を連続的又は定期的に取得し、
前記実測値の過去の実測値からの変化率が所定値以上となった場合に、変化率が所定値以上となった項目に対応する機能情報を特定し、該機能情報を有する微生物又は遺伝子を特定することを特徴とする請求項２に記載の解析装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の解析装置と、
生物処理汚泥から抽出されたＤＮＡを解析し、前記塩基配列データを出力するシーケンサと、
を備える解析システム。
【請求項６】
水処理システムから生物処理汚泥を所定のタイミングでサンプリングする工程と、
前記生物処理汚泥から抽出されたＤＮＡをシーケンサで解析し、塩基配列データを取得する工程と、
前記塩基配列データに基づいて微生物及び／又は遺伝子の組成を解析する工程と、
前記組成の変動度を算出し、該変動度が所定値以上の場合に、前記水処理システムにおける生物処理に障害が既に発生している又は障害が発生する可能性があると判断する工程と、
微生物毎及び／又は遺伝子毎の機能情報を定義した微生物・遺伝子機能情報を参照し、存在比率の変化が所定値以上となった微生物又は遺伝子の機能情報から、前記水処理システムに及ぼされる影響を予測する工程と、
を備える解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水の生物処理に伴い生成する汚泥の性状を解析する解析装置、解析システム及び解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物による排水処理の分野においては、菌叢や遺伝子に着目した解析やその利用が試みられてきた。例えば、特許文献１には、グラニュール汚泥内部のメタン菌と真正細菌の分布をもとにグラニュール汚泥の浮上性を判定し、浮上性が高いと判断された場合は滞留時間や排水温度の調整により対処する技術が開示されている。
【０００３】
特許文献２には、細胞情報伝達化学物質（ＣＳＣ）を汚水に添加することによって臭気減少や消化の促進等に繋がる遺伝子発現を制御する技術が開示されている。特許文献３には、特に畜舎排水処理施設の窒素浄化施設において、ＰＣＲ−ＤＧＧＥ法によって特定される、優占化しているＮｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ属に属するアンモニア酸化細菌を２種類のクラスタに分け、それの多寡を水処理施設の稼働状況の指標に、あるいは汚水の水質（ＮＨ４＋−Ｎ、Ｔ−Ｎ、ＢＯＤ）によってこれらクラスタから適切なものを選んで接種する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献４及び特許文献５には、特に洗濯排水等の排水処理施設において、処理に関与するBacillus属細菌（特にＢａｃｉｌｌｕｓ  ｓｐ．ＧＤ０７０６とＢ．ｐｉｃｈｉｎｏｔｙｉ）またはＳｐｈｉｎｇｏｍｏｎａｓ属細菌（およびその近縁属）を専用のプライマーを用いてリアルタイムＰＣＲ法により検出する技術が開示されている。
【０００５】
特許文献６には、硝化・脱窒処理装置と、５種類の１６ＳｒＲＮＡ遺伝子検出用配列を用いて、それぞれと相同性の高い（９７％以上）窒素除去に関わる特定の微生物を、好ましくは次世代シークエンサ（Ｉｌｌｕｍｉｎａ  Ｍｉｓｅｑ等）で検出し、排水処理の有効性を評価する技術が開示されている。
【０００６】
特許文献７には、ＤＧＧＥ法又はＴＧＧＥ法により、活性汚泥中のｒＲＮＡ／ｒＤＮＡの量比とｒＲＮＡバンド数変化をみることで排水処理能力の異常を判断する技術が開示されている。特許文献８には、アンプリコンシークエンスデータから構成微生物や遺伝子配列と水質データの経時変化を多変量解析に供することで、処理水質の予測を行う技術が開示されている。
【０００７】
しかし、特許文献１のような上位の分類階級や、特許文献３〜６のような特定の機能や属、特許文献７、８のような微生物学的・生化学的情報を含まない指標にのみ着目した菌叢解析だけでは、排水処理における様々な変動・異常の診断には対応することが困難であった。
【０００８】
また、特許文献２のような遺伝子発現の制御は、当該遺伝子が系内に存在すること、使用するＣＳＣが期待する効果を発揮すること、使用するＣＳＣが期待する効果以外に排水処理において不利になる遺伝子発現制御を行わないこと等の確認が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１０４９８８号公報
【特許文献２】特表２００５−５０５４１９号公報
【特許文献３】特開２００６−１５９０４６号公報
【特許文献４】特開２０１４−１９７９９７号公報
【特許文献５】特許第６３８３５５２号号公報
【特許文献６】特開２０１５−２２６８９６号公報
【特許文献７】特開２０１８−１２１５２８号公報
【特許文献８】特開２０１６−１９５９７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の菌叢や遺伝子に関連した排水処理技術では上記の課題があり、また、網羅的な菌叢情報を入手しても、膨大な微生物の中でどれがどのような働きをするのかを瞬時に判断することは困難であった。
【００１１】
本発明は、微生物や遺伝子の機能情報を蓄積したデータベースを用いて、排水の生物処理に伴い生成する生物処理汚泥の性状を解析し、生物処理の安定運転を支援する解析装置、解析システム及び解析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の解析装置は、微生物毎及び／又は遺伝子毎の機能情報を格納する記憶部と、生物処理汚泥から抽出されたＤＮＡの塩基配列データを取得する取得部と、前記塩基配列データに基づいて微生物及び／又は遺伝子の組成を解析する解析部と、組成解析結果に含まれる微生物及び／又は遺伝子に対応する機能情報を前記記憶部から抽出する抽出部と、を備えるものである。
【００１３】
本発明の一態様では、前記生物処理汚泥は水処理システムから所定のタイミングでサンプリングされ、前記取得部は、前記生物処理汚泥のサンプリング毎に前記塩基配列データを取得し、前記記憶部は、各塩基配列データに基づく組成解析結果を格納し、前記組成の変動度を算出し、該変動度が所定値以上の場合に、前記水処理システムにおける生物処理に障害が既に発生している又は障害が発生する可能性があると判断する変動検出部をさらに備える。
【００１４】
本発明の一態様では、存在比率の変化が所定値以上の微生物又は遺伝子を特定し、特定した微生物又は遺伝子の機能情報から、前記水処理システムに及ぼされる影響を予測する予測部をさらに備える。
【００１５】
本発明の一態様では、前記水処理システムの原水水質、処理水水質及び運転条件の少なくともいずれか１つの実測値を連続的又は定期的に取得し、前記実測値の過去の実測値からの変化率が所定値以上となった場合に、変化率が所定値以上となった項目に対応する機能情報を特定し、該機能情報を有する微生物又は遺伝子を特定する。
【００１６】
本発明の解析システムは、本発明による解析装置と、生物処理汚泥から抽出されたＤＮＡを解析し、前記塩基配列データを出力するシーケンサと、を備えるものである。
【００１７】
本発明の解析方法は、水処理システムから生物処理汚泥を所定のタイミングでサンプリングする工程と、前記生物処理汚泥から抽出されたＤＮＡをシーケンサで解析し、塩基配列データを取得する工程と、前記塩基配列データに基づいて微生物及び／又は遺伝子の組成を解析する工程と、前記組成の変動度を算出し、該変動度が所定値以上の場合に、前記水処理システムにおける生物処理に障害が既に発生している又は障害が発生する可能性があると判断する工程と、微生物毎及び／又は遺伝子毎の機能情報を定義した微生物・遺伝子機能情報を参照し、存在比率の変化が所定値以上となった微生物又は遺伝子の機能情報から、前記水処理システムに及ぼされる影響を予測する工程と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、微生物や遺伝子の機能情報を蓄積したデータベースを用いて、排水の生物処理に伴い生成する生物処理汚泥の性状を解析し、生物処理の安定運転を支援できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施の形態に係る解析システムの概略構成図である。
【図２】解析装置の機能ブロック図である。
【図３】（ａ）は微生物機能情報の一例を示し、（ｂ）は遺伝子機能情報の一例を示す図である。
【図４】水処理システムの運転条件及び水質の記録例を示す図である。
【図５】（ａ）（ｂ）は汚泥を構成する微生物や遺伝子と機能情報とを対応付ける例を示す図である。
【図６】菌叢解析結果を示すグラフである。
【図７】微生物の解析結果を示すグラフである。
【図８】遺伝子の解析結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態に係る解析システムは、シーケンサＳ及び解析装置１を備えるものであり、排水の生物処理に伴い生成する生物処理汚泥を構成する菌叢、すなわち汚泥中の微生物の存在比率（組成比）、及び汚泥中の遺伝子の存在比率を解析する。
【００２２】
例えば、排水処理施設の生物処理反応槽から生物処理汚泥をサンプリングし、生物処理汚泥からＤＮＡを抽出する。抽出したＤＮＡは、前処理として断片化とアダプター結合が施された後に、シーケンサＳに供給される。シーケンサＳは、ＤＮＡの分析を行い、解析装置１へ塩基配列データを出力する。
【００２３】
ここで、本発明における生物処理汚泥とは、浮遊汚泥に限らず、微生物グラニュール、非生物担体に生物膜を付着させたものも含む。固定床担体の場合は担体から部分的に生物膜を剥がした後に操作する。
【００２４】
生物処理汚泥のサンプリング、及びＤＮＡの分析は定期的に行われる。そのため、シーケンサＳは、塩基配列データを解析装置１へ定期的に出力する。
【００２５】
図２に示すように、解析装置１は、微生物・遺伝子機能情報記憶領域１０Ａ、組成データ記憶領域１０Ｂ、及び対策情報記憶領域１０Ｃを有する記憶部１０や、ＣＰＵ（中央処理装置、図示略）を備えたコンピュータである。記憶部１０には、解析プログラムが格納されている。記憶部１０は、ハードディスクやフラッシュメモリ等を用いることができる。
【００２６】
微生物・遺伝子機能情報記憶領域１０Ａは、図３に示すような、様々な微生物の機能情報、及び様々な遺伝子の機能情報を格納する。
【００２７】
例えば、微生物の機能情報は、微生物の種類としてドメイン、・・・、微生物目名、微生物科名、微生物種名、微生物名、生育条件（温度、ｐＨ、塩濃度など）、利用物質情報（炭素源、エネルギー源、最終電子受容体等）、保有酵素情報、生産物情報、生育阻害条件情報などを含む。
【００２８】
遺伝子の機能情報は、遺伝子名（別名含む）、酵素名や酵素番号（酵素遺伝子の場合）、利用物質情報（炭素源、エネルギー源、最終電子受容体等）、生産物情報、逆反応の有無などを含む。
【００２９】
ＣＰＵが記憶部１０に格納されている解析プログラムを実行することで、図２に示すように、塩基配列データ取得部１１、メタゲノム解析部１２、機能情報抽出部１３、変動検出部１４、予測部１５及び対策提示部１６の機能が実現される。
【００３０】
塩基配列データ取得部１１は、シーケンサＳから塩基配列データを定期的に取得する。
【００３１】
シーケンサＳから取得した塩基配列データは、メタゲノム解析部１２で適当な前処理とアノテーションを行い、各種微生物や遺伝子をカウントし、微生物や遺伝子の種類及び組成比を算出する。
【００３２】
外部の核酸配列データベースは、例えば、ＲｅｆＳｅｑ、Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ、ＫＥＧＧ  ｏｒｔｈｏｌｏｇｙ  （ＫＯ）、ＣＯＧ、ＮＯＧ等である。
【００３３】
微生物や遺伝子の組成比の算出手段は、ショットガンシーケンスまたはアンプリコンシーケンスによるメタゲノム解析が好ましいがこれに限定されない。例えば、特定の菌種に限定する場合は、ＤＧＧＥやリアルタイムＰＣＲ、或いはその他の検出技術、特定の遺伝子に限定する場合はリアルタイムＰＣＲを用いてもよい。遺伝子の発現量を測定する場合については、ＲＮＡ−ｓｅｑが好ましいが、特定の遺伝子の発現量を測定する場合は、ＤＮＡマイクロアレイ法等を用いてもよい。
【００３４】
上述したように、塩基配列データ取得部１１がシーケンサＳから塩基配列データを定期的に取得するため、メタゲノム解析部１２は、微生物や遺伝子の種類及び組成比を定期的に算出する。算出された組成比は、組成データ記憶領域１０Ｂに格納される。
【００３５】
組成データ記憶領域１０Ｂには、同じ排水処理施設に設置され、並列で運転している生物処理反応槽からサンプリングされた生物処理汚泥や、別の施設に設置されている同じ構成の水処理システムの生物処理反応槽からサンプリングされた生物処理汚泥を解析して得られた組成比が格納されていてもよい。
【００３６】
また、図４に示すような、生物処理汚泥をサンプリングした生物処理反応槽を含む水処理システムにおける原水水質、運転条件（温度、時間など）、処理水水質などの情報を連続的又は定期的に取得し、算出した組成比と対応付けて組成データ記憶領域１０Ｂに格納しておいてもよい。
【００３７】
機能情報抽出部１３は、メタゲノム解析部１２の解析結果に含まれている微生物や遺伝子の機能情報を微生物・遺伝子機能情報記憶領域１０Ａから抽出する。機能情報抽出部１３は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、微生物毎、遺伝子毎に抽出した機能情報を対応付けたリストを出力してもよい。
【００３８】
変動検出部１４は、組成データ記憶領域１０Ｂに格納されている最新の組成比、及び過去の組成比（他の現場での過去の組成比を用いてもよい）に基づいて、各微生物、各遺伝子について、変動度（変化率又は変動係数）を算出する。
【００３９】
微生物や遺伝子の組成の変動度が所定値未満の場合、変動検出部１４は、生物処理に大きな変動なく安定運転を継続していると判断する。
【００４０】
変動度が所定値以上の場合、変動検出部１４は、生物処理に障害が既に発生しているか、又は今後障害が発生する可能性があると判断する。この場合、予測部１５が、存在比率の変動が大きい微生物または遺伝子を特定し、その微生物又は遺伝子に関する機能情報から、排水処理に影響を及ぼす因子の増減によって起こり得る影響（メタン菌の減少、プロピオン酸生産菌・資化菌の増加、塩素酸化物を電子受容体とする微生物の増加、阻害性物質の蓄積など）を予測し、予測結果を出力（例えば画面表示）する。
【００４１】
なお、変動度を検出・判定する対象は、組成比が一定の比率以上の微生物種や遺伝子に限定してもよい。
【００４２】
対策情報記憶領域１０Ｃには、菌叢や遺伝子組成の変化パターンをいくつか定義し、パターンに応じた対策情報が登録されている。例えば、過去に同じ現場や他の現場において発生した変動のパターンと、当時の対策とが対策情報として登録される。ただし、予測や対策の正答率を考えると、同一の現場あるいは汚泥、少なくとも同じ処理方式の汚泥について参照するデータベースとして対策情報を構築することが望ましい。
【００４３】
対策提示部１６は、対策情報記憶領域１０Ｃに登録された対策情報を参照し、組成の変動に応じた対策を提示する。
【００４４】
このような解析システムを用いることで、生物処理汚泥を構成する微生物や遺伝子の組成比が大きく変動した際に、存在比率の変動が大きい微生物や遺伝子の機能情報を参照し、水処理システムで発生し得る影響を予測できる。予測に応じた対策を講じることで、生物処理の安定運転を支援できる。
【００４５】
水処理システムの原水水質、処理水水質、運転条件等の実測値（図４参照）を、過去の実測値と比較し、その変化率が所定値以上となった場合に、変化率が所定値以上となった測定項目に対応する機能情報を特定し、この機能情報を有する微生物又は遺伝子を特定してもよい。特定した微生物又は遺伝子から、水処理システムで発生し得る影響を予測できる。
【実施例】
【００４６】
糖を主な基質とする下記水質の排水を、容量約２Ｌの酸生成槽と、その後段の直径５ｃｍ、高さ５０ｃｍ、容量約４Ｌのカラム型の上向流式メタン発酵槽からなる嫌気処理装置を用いて、水量４〜１８Ｌ／ｄで通水して嫌気処理を行った。
＜排水水質＞
ＣＯＤｃｒ：３０００ｍｇ／Ｌ
【００４７】
ｐＨ調整槽にてｐＨ７とした。通水条件は、酸生成槽のＨＲＴ８時間、メタン発酵槽のＬＶ４ｍ／ｈとした。メタン発酵槽には種汚泥として嫌気グラニュールを１．６Ｌ投入した。メタン発酵槽から、１月と２月に１回ずつ汚泥をサンプリングし、図１に示す解析システムを用いて微生物及び遺伝子の組成を解析した。
【００４８】
メタン発酵槽における嫌気処理の運転条件及び処理性能を記録した。記録結果を以下の表１に示す。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
菌叢全体の解析結果を図６に示す。最大存在比率が０．１％以上の細菌のうち、１ヶ月で存在比率が２倍以上増加した細菌があることが確認された。
【００５１】
微生物・遺伝子機能情報を参照し、存在比率が２倍以上増加した細菌におけるプロピオン酸生成菌及びプロピオン酸資化菌の存在比率を解析した。プロピオン酸は、蓄積するとメタン発酵を阻害する有機酸である。解析結果を図７に示す。また、プロピオン酸の生成・資化に関わる遺伝子の存在比率を解析した。解析結果を図８に示す。
【００５２】
存在比率が２倍以上増加した微生物としては、特にプロピオン酸の生成菌および資化菌が多いことが確認された。また、遺伝子組成解析によって、プロピオン酸の生成・資化遺伝子も増加していることが確認された。これらからプロピオン酸の蓄積によって排水処理性能が低下していることが示唆され、このことは上記の表1に示す実際の処理性能の変化と合致した。
【符号の説明】
【００５３】
１  解析装置
１０  記憶部
１０Ａ  微生物・遺伝子機能情報記憶領域
１０Ｂ  組成データ記憶領域
１０Ｃ  対策情報記憶領域
１１  塩基配列データ取得部
１２  メタゲノム解析部
１３  機能情報抽出部
１４  変動検出部
１５  予測部
１６  対策提示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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