活性汚泥法による排水処理において、微生物は汚染物質浄化の主要な「実行者」として機能します。エネルギー獲得方法と炭素源利用形態に応じて、これらの微生物は大きく分けて、独立栄養性と従属栄養性の2つのカテゴリーに分類できます。これら2つのタイプは、代謝メカニズム、機能的役割、環境適応性において根本的な違いを示し、活性汚泥の生態学的構造を形成しています。しかし、その作用経路と中核的価値観は大きく異なります。これらの違いを深く理解することは、排水処理プロセスを最適化し、浄化効率を高めるために不可欠です。
1. 中核的な違い：エネルギー源と炭素源利用の根本的な区別
エネルギー源と炭素源は、独立栄養性と従属栄養性の微生物を区別する基本的な指標です。これら2つの重要な要素は、代謝の方向性と生存への依存性を直接決定し、活性汚泥システムにおける彼らの異なる役割の根底にある論理を決定します。
(1) 独立栄養性微生物：「自給自足」の無機物変換者
独立栄養性微生物の核心的な特徴は、無機炭素から有機化合物を独立して合成し、外部の有機物に頼らずに無機物を「エネルギー燃料」として使用できることであり、生態系における「生産者」として機能します。
エネルギー獲得の観点から見ると、これらの微生物は無機物を酸化することによってエネルギーを得ます。例えば、硝化細菌はアンモニア性窒素（NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻）を酸化することによってエネルギーを得る一方、亜硝酸酸化細菌は亜硝酸（NO₂⁻→NO₃⁻）を酸化します。一方、硫黄酸化細菌は硫化物（例：H₂S→S→SO₄²⁻）を酸化することによってエネルギーを生成します。炭素源利用に関しては、二酸化炭素（CO₂）または炭酸塩（HCO₃⁻など）のみを唯一の炭素源として利用し、光合成または化学合成を通じて無機炭素を有機炭素に変換して細胞を構築し、代謝活動を行います。この「自給自足」という特徴により、排水中の有機汚染物質に依存せずに生存することができます。
(2) 従属栄養性微生物：「外部依存」の有機物分解者
従属栄養性微生物は、独立栄養性微生物とは正反対です。彼らはエネルギーのために無機物を利用したり、有機炭素を自律的に合成したりすることはできず、代わりに外部環境からの既存の有機物を「エネルギー源」と「炭素源」の両方として利用します。これにより、彼らは生態系における「消費者」と「分解者」と同等に機能します。
エネルギー獲得の観点から見ると、これらの微生物は排水中の有機汚染物質（炭水化物、タンパク質、脂肪など、COD、つまり化学的酸素要求量で定量化される）を分解することによってエネルギーを得ます。例えば、好気性従属栄養性細菌はグルコースをCO₂とH₂Oに分解し、自身の代謝のためにエネルギーを放出します。炭素源利用に関しては、自律的な合成を必要とせずに、排水から有機炭素（COD成分や小さな有機分子など）を直接吸収します。彼らの代謝活動は、排水中の有機汚染物質の濃度と種類に完全に依存しています。
II. 機能的役割：活性汚泥浄化システムにおける異なる役割
エネルギーと炭素源の利用の違いに基づいて、活性汚泥システムにおける独立栄養性と従属栄養性の微生物は、明確に異なる浄化機能を実行します。前者は無機物の変換に焦点を当て、後者は有機物の分解に焦点を当て、相乗的に機能して効果的な排水浄化を保証します。
(1) 独立栄養性微生物：「窒素と硫黄の除去」に焦点を当て、無機汚染物質を処理
独立栄養性微生物は、無機物の変換と除去を促進することにより、活性汚泥において中心的な役割を果たし、ニトロソモナス（ニトロソモナスとニトロバクターを含む）が最も代表的です。これらの細菌は、排水の窒素除去プロセスにおける主要な役割を果たします。好気的条件下では、ニトロソモナスはまず排水中のアンモニア性窒素（NH₄⁺）を亜硝酸（NO₂⁻）に酸化し、次にニトロバクターによって硝酸（NO₃⁻）にさらに酸化します。このプロセスは、「硝化反応」として知られており、生物学的窒素除去の中核的なステップです。独立栄養性の硝化細菌がなければ、排水中のアンモニア性窒素は硝酸に変換されず、その後の脱窒によって除去することができず、最終的に流出水中のアンモニア性窒素レベルが過剰になる可能性があります。
さらに、少数の独立栄養性の硫黄酸化細菌は、排水中の硫化物を酸化して無害な硫酸塩に変換し、硫化物が微生物に及ぼす毒性阻害を防ぎ、活性汚泥システムの安定した運用を保証します。ただし、独立栄養性微生物は非常に遅い代謝速度（典型的な世代サイクルは10〜30時間）を持ち、環境条件（温度、溶存酸素、pHなど）に敏感であることに注意する必要があります。その結果、活性汚泥システムにおけるその割合は通常低く（約5％〜10％）なります。
(2) 従属栄養性微生物：中核的な「COD分解」、汚泥フロックの構築
従属栄養性微生物は活性汚泥の「主力」であり、その人口の90％以上を占めています。その主な機能は、有機物の分解と汚泥フロックの形成という2つの主要な側面に集中しており、これらは排水中のCOD除去効率と活性汚泥の沈降性能を直接決定します。
有機物の分解において、好気性従属栄養性細菌は、排水中の高分子有機化合物（デンプン、脂質、タンパク質など）を好気呼吸を通じてより小さな有機分子に分解します。これらの小さな分子は、さらにCO₂やH₂Oなどの無機生成物に分解され、それによって排水のCOD値が減少します。これは、家庭排水および産業有機排水を処理する中核的な目的です。例えば、都市排水処理場では、従属栄養性細菌が流入CODを300〜500mg/Lから50mg/L未満に減らすことができ、排出基準を満たしています。
汚泥フロックの形成において、特定の従属栄養性微生物（放線菌や真菌など）は、多糖類やタンパク質などの粘性物質を分泌し、分散した微生物細胞を構造的に安定したフロック（つまり、活性汚泥フロック）に凝集させます。これらのフロックは、汚染物質を封入し、分解効率を高めるだけでなく、沈殿槽で急速に沈降し、汚泥と水の分離を達成し、流出水による微生物の損失を防ぎます。従属栄養性細菌の活性が不十分であるか、そのフロック形成能力が弱い場合、流出水中の浮遊固形物（SS）が過剰になり、深刻な場合には「汚泥バルキング」を引き起こし、システムを不安定化させる可能性があります。
3、 環境適応性：プロセス条件に対する異なる要件
独立栄養性と従属栄養性の微生物の代謝特性は異なり、溶存酸素、温度、栄養比など、活性汚泥システムの環境条件に対する異なる要件をもたらします。これらの条件を最適化することは、2種類の微生物の協調作業を保証するための鍵です。
（1）独立栄養性微生物：環境条件に非常に敏感
独立栄養性微生物（特に硝化細菌）の代謝活性には厳格な環境条件が必要であり、わずかなパラメータ変動でさえその活性に影響を与える可能性があります。
-溶存酸素（DO）：硝化反応には十分な溶存酸素が必要であり、DOは2mg/Lに維持する必要があります。DOが1mg/Lを下回ると、硝化細菌の活性が著しく阻害され、アンモニア性窒素の酸化効率が急激に低下します。
-温度：最適温度は20〜30℃です。温度が10℃を下回ると、硝化細菌の代謝速度は50％以上低下します。冬には、下水処理場はアンモニア性窒素除去率の不足という問題に直面することがよくあります。
-pH値：適切な範囲は7.5〜8.5です。pHが6.5を下回るか9.0を超える場合、硝化細菌は酵素活性阻害により代謝を停止します。
-栄養比：大量の有機炭素は必要ありませんが、有機炭素に敏感です。下水中のCODが高すぎる場合、従属栄養性細菌は溶存酸素と空間を独立栄養性細菌と競合し、硝化細菌の成長を阻害します。
（2）従属栄養性微生物：環境条件に対する高い耐性
独立栄養性微生物と比較して、従属栄養性微生物はより強い環境適応性を持ち、プロセスパラメータに対するより広い許容範囲を持っています。
-溶存酸素（DO）：好気性従属栄養性細菌は、代謝ニーズを満たすためにDOを1〜2mg/Lに維持する必要がありますが、一部の通性従属栄養性細菌（脱窒細菌など）は、嫌気的条件下でも嫌気呼吸を通じて有機物を分解できます。
-温度：最適温度は15〜35℃ですが、5〜40℃の範囲内でも一定レベルの活性を維持でき、低温に対する耐性は独立栄養性細菌よりもはるかに優れています。
-pH値：適切な範囲は6.0〜9.0であり、一部の従属栄養性細菌（真菌など）は、pH5.0の酸性条件下またはpH10.0のアルカリ性条件下でも生存できます。
-栄養比：十分な有機炭素が必要であり、炭素対窒素比（C/N）に敏感です。通常、C/N比は5〜10：1が必要です。炭素源が不十分な場合、従属栄養性細菌は「飢餓」により活性とCOD除去率が低下します。
4、 協調と競争：活性汚泥システムにおける微生物の関係
活性汚泥システムでは、独立栄養性と従属栄養性の微生物は独立して存在するのではなく、「相乗効果」と「競争」という二重の関係を持ち、そのバランスは排水処理の効果に直接影響します。
（1）協調関係：補完的な機能、共同で浄化を完了
両者の相乗効果は、主に「脱窒プロセス」に反映されます。独立栄養性の硝化細菌はアンモニア性窒素を硝酸に変換し（硝化プロセス）、一方、従属栄養性の脱窒細菌は、嫌気的条件下で、排水中の有機炭素を電子ドナーとして使用して硝酸を窒素（N₂）に還元し、空中に放出します（脱窒プロセス）。独立栄養性細菌がなければ、脱窒細菌は使用する「基質」を持たず、従属栄養性細菌が不足している場合、硝化細菌が生成した硝酸は除去されず、最終的に全窒素が基準を満たすことができません。さらに、従属栄養性細菌はCODを分解した後、排水中の有機負荷を減らし、有機炭素に敏感な独立栄養性細菌に適した生活環境を作り出し、間接的にその活性を促進します。
（2）競争関係：資源競争、システムバランスへの影響
両者の競争は、主に「溶存酸素」と「生活空間」に焦点を当てています。下水中のCOD濃度が高すぎる場合、従属栄養性細菌は「十分な食料」のために急速に増殖し、大量の溶存酸素を消費し、独立栄養性細菌の活性は「低酸素」のために阻害され、「良好なCOD除去効果があるが、アンモニア性窒素除去効果が低い」という現象が発生します。逆に、排水中のCOD濃度が低すぎる場合（産業排水など）、従属栄養性細菌の活性が不十分であり、安定した汚泥フロックを形成することができません。独立栄養性細菌も「キャリア不足」のために失われ、硝化効率に影響を与えます。したがって、実際のプロセスでは、流入水負荷や還流比などのパラメータを調整することにより、両者の競争関係のバランスをとる必要があります。例えば、高COD排水を処理する場合、「セグメント化された流入水」を使用して局所的な有機負荷を減らし、硝化細菌の溶存酸素需要を確保することができます。
5、 まとめ：2種類の微生物間の主な違いと技術的意義
活性汚泥における独立栄養性と従属栄養性の微生物の違いは、本質的に「エネルギー源と炭素源の利用方法」の違いであり、機能的な位置付け、環境適応性、微生物間の関係など、一連の違いに広がります（表1を参照）。
これらの違いを理解することは、排水処理プロセスを最適化するための重要な指針となります。例えば、高アンモニア性窒素と低CODの排水（養殖排水など）を処理する場合、独立栄養性細菌の生存条件を確保すること（DOの増加、温度の制御）に焦点を当て、従属栄養性細菌の脱窒ニーズを満たすために適切に炭素源を追加する必要があります。高CODと低アンモニア性窒素の排水（食品排水など）を処理する場合、有機負荷を制御し、従属栄養性細菌の過剰な成長を避け、独立栄養性細菌を阻害し、CODとアンモニア性窒素が同時に基準を満たすようにする必要があります。要するに、活性汚泥システムの安定した運用は、本質的に独立栄養性と従属栄養性の微生物間の「動的バランス」です。両者のニーズを正確に一致させることによってのみ、排水処理の最大効率を達成できます。
