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       廢水生物處理技術應用在環境工程領域已有百年以上的歷史，透過微生物生長特性，提供微生物合適的條件，可將廢水目標污染物進行礦化、去毒化，以達到環境友善之目的。為提升廢水生物處理系統效能，環境工程領域積極發展不同生物處理模式，例如厭氧處理系統(如UASB、IC、EGSB、厭氧濾床等)、接觸曝氣法擔體(如BioNET、MBBR、繩狀濾材等)、MBR、Anammox處理程序等，這些生物處理系統功能表現皆與系統內部微生物體(microbiome)有關。對於不同廢水特性、不同操作策略，將衍生出不同微生物群集，進而影響系統功能表現，若無法掌握系統內環境及微生物狀態，反應槽將如同黑盒子，使操作者難以準確且有效地操作。因此在廢水生物處理技術的發展上，透過水質分析、分子生物分析方法來探究各種廢水生物系統，因應不同操作條件上的處理狀態，以優化廢水生物處理效率。
        過去20年間，在環境微生物分析的發展上，定序技術從傳統的單一序列分析的方法，又稱為低通量定序(low-throughput methods)，發展到可從樣本中提取大量序列的高通量定序(high-throughput methods)方法，如次世代定序(Next-generation sequencing, NGS)及三代定序(Third-generation sequencing, TGS)。透過這些大量的定序技術，可從環境樣本中提取DNA、RNA及蛋白質資訊，相關技術又稱為Metagenomics、Metatranscriptomics及Metaproteomics，可利用這些分析技術獲得微生物組成、功能及族群間的交互作用資訊。這些技術被統稱為Meta-Omics，又可稱為微生物體(Microbiome)分析技術。這些微生物體分析技術被廣泛應用於環境微生物領域的研究上，例如驗證了完全氨氧化菌(complete ammonia oxidation, COMAMMOX) 的存在(Daims et al., 2015; Van Kessel et al., 2015)，或在好氧SBR系統中驗證異營硝化-好氧脫硝(Heterotrophic Nitrification-Aerobic Denitrification, HAND) 的功能表現(Bucci et al., 2021)等，透過微生物體分析技術的解析，使得廢水生物處理系統具有更多技術發展的空間。
       在操作廢水生物處理系統過程中，可能面臨到系統操作參數正常而功能不彰的狀況，需仰賴經驗或大量應變措施進行調控，如降低負荷、調整回流比、進行污泥植種等應變機制，逐步將系統恢復至正常功能，但這往往需消耗過多人力及時間成本，若可精準掌握生物系統中微生物體狀態，將有助於現場進行精準判斷。以國內某生質能中心厭氧消化系統問題改善為例，該廠主要流程為酸化槽(BT)串接進流模式為上進下出之厭氧消化槽(AD)。因本廠啟動後功能不如預期，因此委託本組進行問題解析與功能提升工作。經現場採樣分析後，消化槽內pH值僅約5.5，表示有酸敗現象發生；同時輔以microbiome技術進行探討，發現丁酸、丙酸及乙醛酸和二羧酸的代謝基因分別有0.8%、1.1%、1.0%之表現，再次確認酸敗現象的發生。進一步分析了解酸化槽中之糖解作用/糖異生(Glycolysis / Gluconeogenesis)的功能低於消化槽，顯示較多的醣類於消化槽中發生而導致了酸敗現象(圖1)。了解問題後，建議須朝向(1)提升酸化槽功能、(2)降低消化槽酸化以及(3)改善操作模式等方向進行功能提升。
       藉由強化前處理破碎效能、消化槽重新植種以及修正進料模式為下進上出等措施，並逐步提升進料批次，整體有機物負荷可達到3.4 kg COD/m³-d，符合運轉需求。針對酸化槽以及消化槽改善前後之microbiome分析比較後發現，酸化槽之醣類(澱粉、蔗糖、半乳糖、胺基醣)之代謝基因表現改善後均提升為改善前之1-2倍以上；同時揮發酸的代謝基因表現則顯示有下降現象；而在消化槽部分，改善後之糖解作用各項基因表現均有下降現象且甲烷代謝功能之基因表現則由1.1%提升至2.4%(圖2)。此結果顯示，透過microbiome 技術確實可做為生物系統診斷之重要指標，且可做為系統良窳之參考。

圖1. 生質能中心厭氧消化系統改善前後醣類代謝功能分析，BT、BT_2為酸化槽改善前後；AD、AD_2為消化槽改善前後之分析結果(資料來源：材化所水科技研究組)

圖2. 生質能中心厭氧消化系統改善前後能量代謝功能分析，BT、BT_2為酸化槽改善前後；AD、AD_2為消化槽改善前後分析結果(資料來源：材化所水科技研究組)
 

       綜上所述，microbiome分析技術的應用已可應用於廢水生物處理系統的監測與優化。透過Meta-Omics分析，可深入解析微生物群落的組成與功能，進一步掌握系統內部的生化反應機制，為廢水處理提供更精準的操作策略。生質能源中心厭氧系統改善案例亦顯示，透過microbiome技術可有效診斷並改善厭氧消化槽的酸化問題，強化醣類代謝功能，並穩定短碳鏈揮發酸的利用，進而提升系統效能。未來隨著高通量定序與數據分析技術的持續發展，microbiome技術可望更廣泛地應用於環境工程領域，並搭配即時監測、智慧調控與功能菌篩選等創新應用，使廢水生物處理技術朝向更高效、精準與可持續的方向發展。

參考文獻

1. Daims, H., Lebedeva, E. V., Pjevac, P., Han, P., Herbold, C., Albertsen, M., ... & Wagner, M. (2015). Complete nitrification by Nitrospira bacteria. Nature, 528(7583), 504-509.

2. Van Kessel, M. A., Speth, D. R., Albertsen, M., Nielsen, P. H., Op den Camp, H. J., Kartal, B., ... & Lücker, S. (2015). Complete nitrification by a single microorganism. Nature, 528(7583), 555-559.

3. Bucci, P., Coppotelli, B., Morelli, I., Zaritzky, N., & Caravelli, A. (2021). Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification performance in a granular sequencing batch reactor supported by next generation sequencing. International Biodeterioration & Biodegradation, 160, 105210.

撰寫人：鄭羽展
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