Sequential Fenton reaction and biodegradation for treating decabromodiphenyl ether in soil slurries

技術要約：土壌スラリーにおけるデカブロモジフェニルエーテルの処理のための逐次フェントン反応および生物分解

問題提起
広く使用されている臭素系難燃剤であるデカブロモジフェニルエーテル（BDE-209）は、その疎水性により土壌中に蓄積する残留性有機汚染物質（POP）である。これは、生殖毒性や食物連鎖への蓄積といった、生態学的および人類の健康に対する重大なリスクをもたらす。フェントン反応のような化学的酸化法はBDE-209を迅速に分解できるが、土壌環境においては、土壌の酸性化、原生微生物コミュニティの破壊、および土壌の緩衝能や有機物によるスカベンジング（捕捉）による効率低下といった課題に直面することが多い。対照的に、生物学的修復は環境への適合性が高いものの、多くの場合、長期間を要し、BDE-209のような極めて難分解性の化合物に対しては困難を伴う。本研究は、化学的酸化の迅速な分解能力を利用して生物分解可能な中間体を生成し、その後、微生物によってそれらをさらに無機化させるという、両手法の個別の限界を克服する統合的な戦略の必要性に対処するものである。

方法論
本研究では、20 mg kg⁻¹のBDE-209を添加した台湾・台中（TCS）から採取された土壌を用いた。研究は以下の3つの主要な段階を含む逐次的なアプローチに従った。

1. フェントン反応の最適化： 著者らは、BDE-209の除去を最大化するために、鉄(II)イオン（Fe²⁺）濃度（50, 500, 5,000 mg L⁻¹）、過酸化水素（H₂O₂）濃度（0から55,420 mg L⁻¹の範囲）、および反応時間（15分から120分）の3つのパラメータを最適化した。特に、複数回にわたるH₂O₂投与と単回投与の有効性に焦点を当てた。
2. 逐次的処理（FB）対 生物分解のみ（D11）：
   • FB群： 土壌は最適化されたフェントン前処理（500 mg L⁻¹のFe²⁺および44,336 mg L⁻¹のH₂O₂を用い、その後30分間隔で22,168 mg L⁻¹のH₂O₂を2回追加投与）を受け、その後、混合細菌培養物（大安細菌コミュニティ）を添加して133日間の生物分解期間を行った。なお、残留H₂O₂は洗浄によって除去された。
   • D11群： 土壌は生物分解のみに供された。この際、生物分解フェーズのコントロールとして、フェントン処理後のBDE-209濃度（約11 mg kg⁻¹）と同等の開始濃度を用いた。
   • FC群： 非生物的な変化を監視するために、非生物的コントロールが維持された。
3. 分析： BDE-209濃度はGC/PDECDを用いて測定した。アニオン性副生成物（臭化物、亜硝酸塩、硝酸塩）はイオンクロマトグラフィーを用いて分析した。細菌コミュニティの動態は16S rDNAクローニングおよびシーケンシングによって評価した。さらに、FB群から単離された10種類の細菌株について、Biolog MT2マイクロプレートを用いて、BDE-209および各種代謝物を唯一の炭素源として利用する能力をスクリーニングした。

主な結果

• フェントン最適化： 最適なフェントン条件は、500 mg L⁻¹のFe²⁺および44,336 mg L⁻¹のH₂O₂を用い、3回の逐次的なH₂O₂投与を行う30分間の適用であると特定された。これらの条件下では、フェントン反応単独で初期の20 mg kg⁻¹のBDE-209の37.22%を除去した。研究では、過剰なH₂O₂濃度（>47,000 mg L⁻¹）または高いFe²⁺濃度（>800 mg L⁻¹）は、過剰なH₂O₂によるヒドロキシラジカル（•OH）のスカベンジングにより、除去効率を低下させることが指摘された。
• 逐次的除去効率： 逐次的なFBプロセスは、合計75.05%の除去（フェントンによる37.22% ＋ 残留汚染物質に対する生物分解による60.29%）を達成した。対照的に、生物分解のみのグループ（D11）は、同じ開始濃度に対して38.35%の除去しか達成できなかった。
• 速度論： 擬似一次反応速度定数は、逐次FBプロセスにおいて0.0069 day⁻¹であり、生物分解のみで見られた0.0029 day⁻¹よりも有意に高かった。
• 副生成物： FB群では臭化物レベルが著しく増加しており、脱臭素化を示している。硝酸塩レベルは生物分解フェーズ中にのみ増加しており、硝化作用を示唆している。
• 微生物コミュニティの変化：
  • 初期コミュニティ： 開始時の化学組成は、Acidobacteria sp. (20%)、Chlorobium sp. (15%)、およびGemmatimonas sp. (15%) によって支配されていた。
  • フェントン後（Day 0）： フェントン処理直後、コミュニティはPseudomonas sp. (50%) およびGeobacter sp. (37.5%) によって支配される形へとシフトした。
  • 長期（Day 133）： FB群では、Acidobacteria sp. が主要な属として再出現し（21.43%–37.50%）、Verrucomicrobia sp. やChlorobi sp. も見られた。D11群も同様の傾向を示したが、Acidobacteria sp. の相対存在量はより低かった（16.67%–22.73%）。
• 単離された菌株： PBDEsおよびその代謝物を唯一の炭素源として利用できる4つの菌株が特定された：Brachybacterium sp.、Aminobacter sp.、Pseudomonas sp.、およびBrevibacterium sp.。特に、Pseudomonas sp.（株B2）は、BDE-209、BDE-47、BDE-100を含む幅広いコングナー（同族体）を分解する能力を示した。

意義および主張
著者らは、本研究がBDE-209汚染土壌のためのin situ（原位置）修復戦略を開発するための科学的根拠を提供するものであると主張している。主な意義は、逐次的なフェントン-生物分解（FB）プロセスが、いずれか一方の手法のみを用いる場合の限界を効果的に克服できることを示した点にある。フェントン前処理は、難分解性のBDE-209濃度を減少させ、それをより生物分解しやすい中間体へと変換することに成功し、それがその後の微生物による分解効率と速度を向上させている。

本研究は、フェントン反応が土壌環境および初期の微生物組成を変化させる一方で、システムが回復し、さらなる分解が可能な多様な微生物コミュニティを支持することを強調している。PBDEsおよびその代謝物を炭素源として利用できる特定の菌株（Pseudomonas、Brachybacterium、Aminobacter、およびBrevibacterium）の特定は、将来のフィールドスケールの適用におけるバイオオーグメンテーション（生物学的強化）の候補となる可能性がある。著者らは、この統合的なアプローチが土壌/水システムにおける残留性有機汚染物質を処理するための実行可能な戦略であると結論付けているが、この手法の適用範囲を広げるために、ex situ（原位置外）の土壌およびより広範なPOPを用いたさらなる研究を推奨している。