Degradation pathway of paraxylene in sulfate-reducing bacteria and its application to the remediation of petroleum polluted environment

• Project/Area Number: 20K19987
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 64020:Environmental load reduction and remediation-related
• Research Institution: Akita Prefectural University
• Principal Investigator: Watatabe Miho 秋田県立大学, 生物資源科学部, 助教 (70867184)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 微生物 / 環境浄化 / 原油 / 硫酸還元 / 無酸素環境 / 新規微生物 / 細菌 / 分解 / 石油系炭化水素 / 嫌気性 / 石油 / 原油分解 / 新種 / 分類 / 嫌気培養 / 環境修復 / 嫌気環境

Outline of Research at the Start

硫酸還元細菌は、無酸素環境下での石油系炭化水素分解のキープレイヤーであると考えられている。しかしながら、それらの生理生態については未解明の部分が多い。硫酸還元細菌を実際の原油汚染除去に応用するためには、炭化水素分解株コレクションの拡充と分解メカニズムの解明などの基礎的研究が不可欠である。本研究課題では、石油系炭化水素分解硫酸還元細菌の代表的グループであるDesulfosarcina属細菌群を研究対象とする。具体的には、硫酸還元-パラキシレン分解機構の解明、新規炭化水素分解株の獲得、汚染環境模擬系での細菌群の動態評価を行い、石油汚染環境の修復技術への応用をめざす。

Outline of Final Research Achievements

The study was conducted to elucidate a mechanism of degradation of p-xylene under anaerobic condition and to search for new microbial resources of the genus Desulfosarcina, a group of sulfate-reducing bacteria that degrade petroleum hydrocarbons. To elucidate the sulfate-reducing p-xylene degradation pathway, we analyzed the metabolites produced by the microorganisms and performed genome analysis. In addition, novel bacterial strains belonging to various lineages were isolated from oil fields, gas fields, and hot springs in Japan. The performance of these strains in degrading crude oil was also investigated.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

化学繊維の原料となるパラキシレンはアジアにおける需要が増大し、備蓄プラントの建設が急増している。その中で、プラント施設からのパラキシレンの漏洩による潜在的な環境汚染の懸念が高まっている状況にある。化学製品生産の過程で生じる副産物パラトルイル酸の除去についても工業排水処理における課題となっており、パラキシレン関連物質からの環境浄化法の確立が喫緊の課題である。パラキシレンの硫酸還元細菌による分解という、全く未知の代謝を明らかにするという点で本研究は学術的独自性を有している。本研究課題は環境修復法の開発のみならず、微生物生態的・進化学的にさらなる発展の可能性を秘めており学術的意義は高い。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Bremen Institute for Materials Testing(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Russian Academy of Agricultural Sciences(ロシア連邦)
• [Journal Article] Desulfofustis limnaeus sp. nov., a freshwater sulfate-reducing bacterium isolated from marsh soil (2022)
  • Author(s): Watanabe Miho、Takahashi Ayaka、Kojima Hisaya、Miyata Naoyuki、Fukui Manabu
  • Journal Title: Archives of Microbiology Volume: 204 Issue: 10 Pages: 647-647
  • DOI: 10.1007/s00203-022-03261-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Desulfoluna limicola sp. nov., a sulfate-reducing bacterium isolated from sediment of a brackish lake (2022)
  • Author(s): Watanabe Miho、Takahashi Ayaka、Kojima Hisaya、Fukui Manabu
  • Journal Title: Archives of Microbiology Volume: 204 Issue: 10 Pages: 640-640
  • DOI: 10.1007/s00203-022-03259-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pseudodesulfovibrio sediminis sp. nov., a mesophilic and neutrophilic sulfate-reducing bacterium isolated from sediment of a brackish lake (2022)
  • Author(s): Takahashi Ayaka、Kojima Hisaya、Watanabe Miho、Fukui Manabu
  • Journal Title: Archives of Microbiology Volume: 204 Issue: 6 Pages: 307-307
  • DOI: 10.1007/s00203-022-02870-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mariniplasma anaerobium gen. nov., sp. nov., a novel anaerobic marine mollicute, and proposal of three novel genera to reclassify members of Acholeplasma clusters II?IV (2021)
  • Author(s): Watanabe Miho、Kojima Hisaya、Okano Kunihiro、Fukui Manabu
  • Journal Title: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Volume: 71 Issue: 12 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.005138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] <i>Desulfoplanaceae</i> (2021)
  • Author(s): Watanabe Miho、Fukui Manabu、Kuever Jan
  • Journal Title: Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria Volume: 1 Pages: 1-2
  • DOI: 10.1002/9781118960608.fbm00338
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] <i>Desulfococcaceae</i> (2021)
  • Author(s): Watanabe Miho、Fukui Manabu、Kuever Jan
  • Journal Title: Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria Volume: 1 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1002/9781118960608.fbm00328
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] <i>Desulfosarcinaceae</i> (2021)
  • Author(s): Watanabe Miho、Galushko Alexander、Fukui Manabu、Kuever Jan
  • Journal Title: Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria Volume: 1 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1002/9781118960608.fbm00329
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Labilibaculum antarcticum sp. nov., a novel facultative anaerobic, psychrotorelant bacterium isolated from marine sediment of Antarctica (2020)
  • Author(s): Watanabe Miho、Kojima Hisaya、Fukui Manabu
  • Journal Title: Antonie van Leeuwenhoek Volume: 113 Issue: 3 Pages: 349-355
  • DOI: 10.1007/s10482-019-01345-w
• [Journal Article] Aerosticca soli gen. nov., sp. nov., an aerobic gammaproteobacterium isolated from crude oil-contaminated soil (2020)
  • Author(s): Watanabe Miho、Kojima Hisaya、Fukui Manabu
  • Journal Title: Archives of Microbiology Volume: 202 Issue: 5 Pages: 1069-1076
  • DOI: 10.1007/s00203-020-01819-w
• [Journal Article] Proposal of Desulfosarcina ovata subsp. sediminis subsp. nov., a novel toluene-degrading sulfate-reducing bacterium isolated from tidal flat sediment of Tokyo Bay (2020)
  • Author(s): Watanabe Miho、Higashioka Yuriko、Kojima Hisaya、Fukui Manabu
  • Journal Title: Systematic and Applied Microbiology Volume: 43 Issue: 5 Pages: 126109-126109
  • DOI: 10.1016/j.syapm.2020.126109
• [Journal Article] Aquipluma nitroreducens gen. nov. sp. nov., a novel facultatively anaerobic bacterium isolated from a freshwater lake (2020)
  • Author(s): Watanabe Miho、Kojima Hisaya、Fukui Manabu
  • Journal Title: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Volume: 70 Issue: 12 Pages: 6408-6413
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.004551
• [Presentation] 油田地下の原油成分分解微生物の探索と電子受容体利用性の検討 (2023)
  • Author(s): 最上華帆、渡邊美穂、岡野邦宏、宮田直幸
  • Organizer: 第57回日本水環境学会年会
• [Presentation] 秋田県内の油田からの嫌気性原油成分分解微生物の探索と培養系の構築 (2022)
  • Author(s): 最上華帆，渡邊美穂，岡野邦宏，宮田直幸
  • Organizer: 第56回日本水環境学会年会
• [Presentation] ゲノム構造からみた坑廃水中のマンガン酸化細菌のエネルギー代謝特性 (2021)
  • Author(s): 渡邊美穂、岡野邦宏、宮田直幸
  • Organizer: 一般社団法人環境資源工学会 Webシンポジウム『休廃止鉱山と土壌環境に関わる研究の新たなる展開』
• [Presentation] 無酸素環境の原油分解微生物群を用いた環境修復・新資源創成のための基礎研究 (2020)
  • Author(s): 渡邊美穂
  • Organizer: 秋田応用生命科学研究会第33回講演会
  • Invited
• [Book] Bergey’s Manual of Systematics of Archaea and Bacteria；Desulfosarcina ほか (2020)
  • Author(s): DeVos, P., Dedysh, S., Hedlund, B., Kampfer, P., Rainey, F., Trujillo, M.E., Bowman, J.., Brown, D.R., Gl&#246;ckner, F.O., Oren, A., Paster, B.J., Wade, W., Ward, N., Busse H.J., Reysenbach A.L., Whitman, W.B.(編集）
  • Publisher: John Wiley & Sons, Inc.
  • ISBN: 9780387216096
• [Remarks] 秋田県立大学 生物資源科学部 生物環境科学科 環境管理修復グループ 生態工学研究室
  • URL: http://www.akita-pu.ac.jp/bioresource/dbe/eco/
• [Remarks] 秋田県立大学 生態工学研究室HP
  • URL: http://www.akita-pu.ac.jp/bioresource/dbe/eco/