Elucidating microbial functions involved in sewage treatment

• Project/Area Number: 18H01564
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 22060:Environmental systems for civil engineering-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kubota Kengo 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (80455807)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 黒田 恭平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 研究員 (50783213) ; 帆秋 利洋 大分工業高等専門学校, 都市・環境工学科, 教授 (60393708)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2019: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2018: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 廃水処理微生物 / メタゲノム解析 / 微生物検出技術 / 下水処理微生物 / メタゲノム / 微生物可視化

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study was to elucidate microorganisms involved in sewage treatment by amplicon and metagenome analyses and single cell detection techniques. The microbial community structure and core microorganisms of activated sludge in Japanese sewage treatment plants were uncovered. Metagenomic analysis of uncultured microorganisms Patescibacteria revealed their functions. PMA-PCR allowed the analysis of microbial community based on cell viability. We also developed a hemin-based microbial detection technique.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

活性汚泥法はその誕生から100年を迎え、先進国における下水処理の標準技術になっているが、処理プロセスにおける微生物反応は未だブラックボックスとして扱われる場合が多い。その理由の1つとして、微生物の99%以上がその機能について分かっていないことが挙げられる。本研究では遺伝子情報を用いて廃水処理に関与する微生物群の解明を試みた。また遺伝子情報だけでなく細胞レベルで代謝活性や微生物生死を判断する技術の開発にも取り組んだ。これらの研究成果は廃水処理プロセスを理解し、廃水処理プロセスの適切なデザインに寄与するものである。

Research Products

• [Journal Article] Niche Differentiation of Phenol-Degrading Microorganisms in UASB Granular Sludge as Revealed by Fluorescence in situ Hybridization (2022)
  • Author(s): Kubota Kengo、Igarashi Kei、Yamada Masayoshi、Takemura Yasuyuki、Li Yu-You、Harada Hideki
  • Journal Title: Engineering Volume: 9 Pages: 61-66
  • DOI: 10.1016/j.eng.2021.05.012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microbial characteristics in anaerobic membrane bioreactor treating domestic sewage: Effects of HRT and process performance (2022)
  • Author(s): Ni Jialing、Ji Jiayuan、Li Yu-You、Kubota Kengo
  • Journal Title: Journal of Environmental Sciences Volume: 111 Pages: 392-399
  • DOI: 10.1016/j.jes.2021.04.022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sequence-Specific Capture of Oligonucleotide Probes (SCOPE): a Simple and Rapid Microbial rRNA Quantification Method Using a Molecular Weight Cutoff Membrane (2021)
  • Author(s): Takemura Yasuyuki、Sekiguchi Yuji、Syutsubo Kazuaki、Harada Hideki、Omura Tatsuo、Li Yu-You、Kubota Kengo
  • Journal Title: Applied and Environmental Microbiology Volume: 87 Issue: 20
  • DOI: 10.1128/aem.01167-21
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MICROBIAL COMMUNITY STRUCTURE OF THERMOPHILIC ANAEROBIC DIGESTER SLUDGE AS REVEALED BY PMA-PCR (2021)
  • Author(s): 阿部天磨、佐藤幹子、矢口淳一、李玉友、久保田健吾
  • Journal Title: Journal of Japan Society of Civil Engineers, Ser. G (Environmental Research) Volume: 77 Issue: 7 Pages: III_103-III_109
  • DOI: 10.2208/jscejer.77.7_III_103
  • ISSN: 2185-6648
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Uncovering Viable Microbiome in Anaerobic Sludge Digesters by Propidium Monoazide (PMA)-PCR (2020)
  • Author(s): Ni Jialing、Hatori Shingo、Wang Yin、Li Yu-You、Kubota Kengo
  • Journal Title: Microbial Ecology Volume: 79 Issue: 4 Pages: 925-932
  • DOI: 10.1007/s00248-019-01449-w
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of treated sewage characteristics on duckweed biomass production and microbial communities (2020)
  • Author(s): Hiroshi Iwano, Syo Hatohara, Tadashi Tagawa, Hideyuki Tamaki, Yu-You Li, Kengo Kubota
  • Journal Title: Water Science and Technology Volume: 82 Pages: 292-302
  • DOI: 10.2166/wst.2020.168
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] サイズ分画とメタゲノムによる活性汚泥中のPatescibacteriaの機能解析 (2022)
  • Author(s): 景政柊蘭, 黒田恭平, 中井亮佑, 李玉友, 久保田健吾
  • Organizer: 第56回日本水環境学会
• [Presentation] Strategy for metagenomic analysis of Patescibacteria in activated sludge (2021)
  • Author(s): Shuka Kagemasa, Kyohei Kuroda, Ryosuke Nakai, YU-You Li, Kengo Kubota
  • Organizer: WET (Water and Environment Technology Conference) 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 活性汚泥中に存在しているPatescibacteriaの多様性と代謝特性 (2021)
  • Author(s): 景政柊蘭, 黒田恭平, 中井亮佑, 李玉友, 久保田健吾
  • Organizer: 第24回水環境学会シンポジウム
• [Presentation] Hemin を用いた微生物の新規全菌染色手法の開発 (2021)
  • Author(s): 浦崎幹八郎, 李玉友, 久保田健吾
  • Organizer: 第24回水環境学会シンポジウム
• [Presentation] PMA-PCR法を用いた高温嫌気性消化汚泥の微生物群集構造の解明 (2021)
  • Author(s): 阿部天磨, 佐藤幹子, 矢口淳一, 李玉友, 久保田健吾
  • Organizer: 第57回環境工学研究フォーラム
• [Presentation] サイズ分画した活性汚泥の微生物学的特性把握 (2021)
  • Author(s): 景政柊蘭、久保田健吾、李玉友、黒田恭平、中井亮佑
  • Organizer: 第55回日本水環境学会年会
• [Presentation] Hemin を用いた微生物の新規視覚的検出法の開発 (2021)
  • Author(s): 浦崎幹八郎、李玉友、久保田健吾
  • Organizer: 第55回日本水環境学会年会
• [Presentation] PMA-PCR 法を用いた高温嫌気性消化汚泥の微生物群集構造解析 (2021)
  • Author(s): 阿部天磨、李玉友、久保田健吾
  • Organizer: 第55回日本水環境学会年会
• [Presentation] PMA-PCR法を用いた嫌気性消化汚泥の微生物叢解析：中温と高温の比較 (2021)
  • Author(s): 阿部天磨、矢口淳一、李玉友、久保田健吾
  • Organizer: 令和2年度土木学会東北支部技術研究発表会
• [Presentation] 活性汚泥中の溶存態DNA解析による微生物群集の動態解明 (2019)
  • Author(s): 景政柊蘭, 久保田健吾, 李玉友
  • Organizer: 第53回日本水環境学会
• [Presentation] 下水処理における微生物群集構造と溶存有機物組成の関係性の解明 (2019)
  • Author(s): 高橋真, 久保田健吾, 佐藤幹子, 李玉友, 石井淑大, 栗栖太
  • Organizer: 第53回日本水環境学会
• [Presentation] DHS担体付着汚泥の微生物群集構造の遷移 (2019)
  • Author(s): 加藤莉奈, 大久保努, 上村繁樹, 久保田健吾, 小野寺崇, 竹村泰幸
  • Organizer: 第53回日本水環境学会
• [Presentation] 下水処理プロセスにおける微生物群集構造と溶存有機物組成の関係性の解明 (2019)
  • Author(s): 高橋真, 久保田健吾, 佐藤幹子, 李玉友, 石井淑大, 栗栖太
  • Organizer: 平成30年度 土木学会東北支部 技術研究発表会