Granule formation of sulfate-reducing bacteria utilizing quorum-sensing and its application to wastewater treatment

Research Project

Project/Area Number	21K14277
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 22060:Environmental systems for civil engineering-related
Research Institution	Shimane University
Principal Investigator	橋口亜由未島根大学, 学術研究院環境システム科学系, 助教 (00805195)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords	硫酸還元菌 / 有機性排水処理 / クオラムセンシング / オートインデューサー / アシル化ホモセリンラクトン / EPS / 嫌気性排水処理 / グラニュール / 排水処理 / 高速化
Outline of Research at the Start	本研究は，硫酸還元菌のグラニュールが，クオラムセンシングの利用により効率的に形成される条件を探索し，その排水処理能力を最大限に引き出すことを目的としている。まず回分式添加実験によって，グラニュール形成条件を決定する。次に，グラニュール形成寄与する細胞外高分子の産生に対するオートインデューサーの効果を確認する。世代シーケンサーによる遺伝子解析等により，グラニュール中の微生物種と分布を把握し，形成されたグラニュールの構造を明らかにすることで，グラニュール形成の効率化を図る。最終的には，形成された硫酸還元菌グラニュールによる有機性排水の処理の高速化を目指す。
Outline of Annual Research Achievements	嫌気性ファーメンターで約1年間予備馴致した硫酸還元菌をにAHLsを添加後，化学的酸素要求量(COD)，MLSS，MLVSS，グラニュール粒径の測定，硫酸イオン濃度，硫化物イオン濃度，EPSを抽出液中の全糖類とタンパク質の定量を行い，AI添加による影響を評価した。その結果，全条件で硫酸還元反応が確認され，AHLs添加なしと比較してAHLs添加条件の方で有意差が見られた。AI-3，4，6添加系ではCOD除去率が最大で65 ％以上と高い値を示した。AI-2と5の添加系では，粒径が0.15mｍ以上増大した。全糖濃度はAI-2と5で8～14 mg/L程度増加したが，AI-1，3，4，6では最大で3 mg/L程度しか増加しなかった。総タンパク質濃度は，AI-1，2，5添加系では初期濃度よりも減少する傾向であったが，AI-3，4，6では23～30 mg/L程度増加した。COD除去率が低いAI-2，5では，全糖濃度が増加し，グラニュール径が増大した。COD除去率が高いAI-3，4，6では総タンパク質濃度が増加傾向にあり，グラニュール径が増大しにくかった。AI-2，5では，菌体外に分泌された多糖類が多く，結果として全体としてのCOD除去率が低くなり，この多糖類がグラニュール形成に寄与したと考えられる。一方で，COD除去率が高いAI-3，4，6添加系ではタンパク質が増加した原因として，ヒドロゲナーゼのような酵素の産生促進が考えられる。反応の触媒となる酵素によるCOD分解が促進され，グラニュール形成に必要な糖類の分解が起きたことでグラニュール径が増大しにくくなったと考えられる。COD除去率が向上するAHLs(AI-3，4，6)とグラニュール径が増大するAHLs(AI-2，5)では，増加するEPS成分が異なることが明らかとなった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 2022年度には回分式添加実験におけるグラニュール形成条件の検討を実施項目としている。グラニュール形成および高COD除去率が得られるアシル化ホモセリンラクトン類（6種）の最適添加条件が決定でき，複合添加についても検討を行った。また，細胞外高分子（EPS）の評価と菌叢解析についても着手できた。
Strategy for Future Research Activity	AI添加前後の菌叢解析の結果を参考に，Ai添加によりどの微生物が活性化されているのかを把握するさらに，グラニュール中の菌叢の分布も確認する。