廃水の生物学的窒素除去は,生物学的酸化(硝化)と生物学的還元(脱窒)の2つの反応の組み合わせで行われるが,共存が難しく,一般に別々の反応槽で行われる。筆者らは膜分離リアクターで通常の数倍高い濃度で活性汚泥を保持し,さらに汚泥の滞留時間を長くすることで処理速度を損なうことなく硝化と脱窒の両反応を共存させることに成功した。筆者らは活性汚泥の優占アンモニア酸化菌相が濃度の異なる2種の基質を含む培地を同時に使用するMPN法で特徴づけられることを示した。活性汚泥から分離したアンモニア酸化菌が系統学的および動力学的に多様であることを明らかにした。16S rDNAの検討から,実験室で活性汚泥をアンモニアで高度に集積した場合Nitrosornonas eutyophaに近い菌株が,比較的低いレベルのアンモニアを供給した実験室活性汚泥からはN. oligotrophaに近い菌株が優占株として得られたことが示された。高濃度アンモニア廃水の処理において,各槽に別々の性質の微生物を保持するために直列に3つの反応槽を並べた装置を用いた場合,単一槽を使用した場合に比べてほぼ3倍ものアンモニア酸化速度が得られた。3段式硝化反応装置の各槽中の微生物相の全体構造とアンモニア酸化細菌相の相違を分子生物学的方法(全DNAのG+C分画法,および分画DNAのアンモニア酸化に関与する酵素を司る遺伝子によるプロービング)で裏付けた。