活性汚泥から分離したEnsifer sp.を用いたアセトアミノフェン及びその誘導体の無害化とバイオオーグメンテーションの可能性

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Chemosphere.2020 Jul;260:127532. S0045-6535(20)31726-4. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.127532.Epub 2020-07-05.

活性汚泥から分離したEnsifer sp.を用いたアセトアミノフェン及びその誘導体の無害化とバイオオーグメンテーションの可能性

Detoxification and bioaugmentation potential for acetaminophen and its derivatives using Ensifer sp. isolated from activated sludge.

Sangeun Park
Seungdae Oh

PMID: 32683017 DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.127532.

抄録

アセトアミノフェン（APAP）は広く使用されている鎮痛・解熱剤であるが，環境中に頻繁に検出され，水生生物の生態系にリスクを及ぼす可能性がある．本研究では，APAPを濃縮した活性汚泥（AS）からAPAP分解菌（Ensifer sp. POKHU）を分離した．POKHUは基質阻害なしに最大630mg/LのAPAPAPを分解した。細菌はAPAPを4-アミノフェノール（4-AP）を介してハイドロキノン（HQ）に代謝した。環境中で頻繁に検出されるAPAP誘導体である4AP、HQ、1,4-ベンゾキノン（BQ）は、APAPよりも大きな範囲で窒素代謝（アンモニウム酸化）を阻害することがわかった。また、POKHUは4-AP、HQ、BQを様々なレベル（0.4-40mg/L）で分解する能力を有しており、APAPAPとその誘導体に汚染された環境での無害化の可能性が高いことが示された。廃水処理場から採取した新鮮なASサンプルにPOKHUを添加したところ、APAPAPの生分解率は5.6d（POKHU添加なし）から20.0d（POKHU5％）以上に大幅に増加しました。また、POKHUを用いたバイオオーグメンテーションにより、APAPAPの400μg/Lが4時間以内に生態毒性閾値以下のレベルにまで減少した。本研究の結果、APAPとその代謝誘導体（親汚染物質であるAPAPよりも毒性の高いもの）の両方を分解することができる、APAP無害化のための新しい生物学的補助剤が同定された。本研究の結果は、病院や製薬会社からの廃水や埋立地の浸出水などの高強度医薬品廃棄物を処理する生物学的手段（無害化・バイオオーグメンテーション）の開発に実用的な意味を持つ。

Acetaminophen (APAP), a widely used analgesic-antipyretic drug, is frequently detected in the environment and may pose ecological risks to aquatic communities. In this work, an APAP-degrading organism, designated as Ensifer sp. POKHU, was isolated from activated sludge (AS) enriched with APAP. POKHU degraded up to 630 mg/L of APAP without substrate inhibition. The bacterium metabolized APAP to hydroquinone (HQ) via 4-aminophenol (4-AP). APAP derivatives, 4AP, HQ, and 1,4-benzoquinone (BQ), frequently detected in the environment, were found to inhibit nitrogen metabolism (ammonium oxidation) to a greater extent than APAP. POKHU had the ability to degrade varying levels (0.4-40 mg/L) of 4-AP, HQ, and BQ, which indicated a great potential for detoxification in environments contaminated with both APAP and its derivatives. The addition of POKHU to fresh AS samples taken from a wastewater treatment plant greatly increased the biotransformation rates of APAP from 5.6 d (no POKHU augmentation) to >20.0 d (5% POKHU). Bioaugmentation with POKHU reduced 400 μg/L of APAP to levels below its ecotoxicity threshold within 4 h, which is shorter than the typical hydraulic retention times for full-scale AS processing. Overall, this study identified a new auxiliary biological agent for APAP detoxification, which could degrade both APAP and its metabolic derivatives (those that can be more toxic than the parent contaminant, APAP). The results have practical implications for developing a biological means (detoxification and bioaugmentation) of treating high-strength pharmaceutical waste streams, such as wastewater from hospitals and drug manufactures, and of landfill leachates.