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Development of sediment microbial fuel cells for improvement of water quality and reduction in greenhouse gas emissions in agricultural drainage canals

Research Project

Project/Area Number 23K23723
Project/Area Number (Other) 22H02458 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 41030:Rural environmental engineering and planning-related
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

前田 守弘  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (00355546)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 赤尾 聡史  同志社大学, 理工学部, 教授 (30448196)
仁科 勇太  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (50585940)
諸泉 利嗣  岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (60230174)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Keywords微生物燃料電池 / リン / 温室効果ガス / 酸化還元 / 微生物群集 / 底質微生物燃料電池 / 農業排水路 / 水質 / バイオ炭
Outline of Research at the Start

農業排水路には周辺から流出した肥沃な土壌が堆積しており,水質改善や温室効果ガス排出削減が求められる.底質微生物燃料電池(SMFC)によって酸化還元電位を高く維持すれば,リン溶出やメタン(CH4),一酸化二窒素(N2O)排出を削減できると考えた.しかしそのためには,電極に接しない底質を含めた面的対策が必要となる.そこで,発電菌の基質である酸化鉄と高導電性ナノバイオ炭を底質に混和することを発案した.本研究では水質保全・気候変動対策の同時達成に加え,地域未利用資源の活用,小規模発電が可能な技術を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

農業排水路には周辺から流出した肥沃な土壌が堆積しており,水質改善や温室効果ガス排出削減が求められる.本研究の目的は,地域未利用資源を用いたナノバイオ炭に酸化鉄を担持させ,その底質混和によって,農業排水路底質からのリン(P)溶出,CH4,N2O排出を同時に削減できるSMFCを開発することである.また,電気化学-物質循環-微生物活動の関係に基づいたP溶出,CH4,N2O排出削減機構を明らかにし,SMFC適用条件の最適化を図る.本年度は,笠岡湾干拓地の畜産および牧草地帯を流下する農業排水路から底質を採取し,バイオ炭および鉄資材を混和したSMFCを作成した.
性質の異なる農業排水路底質にSMFCを適用したところ,有機物が豊富な畜産地帯の底質ではP溶出が顕著であった.両底質とも,SMFCによって42 日目までP溶出が減少したが,その後は,SMFCによって有機物分解が促進されたためP溶出が増加し,SMFCの効果は認められなかった.また,Fe添加によって有機物分解に伴うP溶出が生じる可能性が示された.地域未利用資源を原料とした酸化鉄担持ナノバイオ炭の開発については,鉄の添加量や炭素化温度を検討し,鉄を1~20%含むナノバイオ炭の結晶性を調節できることがわかった.微生物群集構造解析に関しては,上述のSMFC実験に用いたアノード付近の底質を対象として比較した.実験開始前の菌叢をもとに,SMFCありとSMFCなしを比較したところ,SMFCによって菌叢が遷移する様子が伺えた.また,機能予測解析によると,亜硫酸塩代謝が活発化していることが推測された.モデル開発に関しては,等価回路モデルにアノードの構造や底質内における電子の律速を表す内部抵抗と微生物増殖効果を表す内部コンデンサを組み込んだ応用モデルの構築に着手した.また,学習制御モデルについて本研究に適用可能であるか検討した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ほぼ計画通り研究を実施した.

Strategy for Future Research Activity

研究を当初計画通りに実施する.また,研究成果は国内外の学会で発表するとともに,速やかに論文化し,学術雑誌に随時投稿する.博士課程の学生も含めた研究者間の交流を図り,研究の活性化に努める.

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 2 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] フエ大学/ホーチミン市ノンラム大学(ベトナム)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] ルフナ大学/スリランカオープン大学(スリランカ)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] フエ大学(ベトナム)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Phosphorus Release from Agricultural Drainage Sediments with Iron-Added Sediment Microbial Fuel Cells2024

    • Author(s)
      Perera GLEP, Maeda M, Akao S, Somura H, Nakano C, Nishina Y
    • Journal Title

      Journal of Water and Environment Technology

      Volume: 22 Issue: 2 Pages: 75-91

    • DOI

      10.2965/jwet.23-071

    • ISSN
      1348-2165
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Iron-Added Sediment Microbial Fuel Cells to Suppress Phosphorus Release from Sediment in an Agricultural Drainage2023

    • Author(s)
      Perera GLEP, Maeda M, Somura H, Nakano C, Nishina Y
    • Journal Title

      Journal of Water and Environment Technology

      Volume: 21 Issue: 5 Pages: 237-248

    • DOI

      10.2965/jwet.23-040

    • ISSN
      1348-2165
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Sediment microbial fuel cells with iron addition for reduction of phosphorus release in agricultural areas2024

    • Author(s)
      Morihiro Maeda, Gamamada Liyanage Erandi Priyangika Perera, Nguyen Tu Uyen, Tesfau Bekele
    • Organizer
      16th International Conference of the East and Southeast Asia Federation of Soil Science Societies (ESAFS 2024)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Wise use of organic waste for environmentally positive agriculture2023

    • Author(s)
      Morihiro Maeda
    • Organizer
      Ruhuna International Conference on Innovation and Technology -2023 (RICIT 2023)
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Sediment Microbial Fuel Cells for Water Quality in Shrimp Ponds in Central Vietnam2023

    • Author(s)
      Tu Uyen Nguyen, Morihiro Maeda
    • Organizer
      2023年度日本土壌肥料学会関西支部講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Phosphorus Release from Agricultural Drainage Sediment with Iron-Added Sediment Microbial Fuel Cells2023

    • Author(s)
      Gamamada Liyanage Erandi Priyangika PERERA, Morihiro MAEDA, Satoshi AKAO, Hiroaki SOMURA, Chiyu NAKANO, Yuta NISHINA
    • Organizer
      Water and Environment Technology Conference
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 気象データを用いた機械学習による土壌水分量予測2023

    • Author(s)
      隅田 洸輝, 諸泉 利嗣, 宗村 広昭
    • Organizer
      水文・水資源学会/日本水文科学会 2023総会・研究発表会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Surface Functionalization of Graphene Materials and Their Applications2023

    • Author(s)
      仁科勇太
    • Organizer
      2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Effects of sediment microbial fuel cells on CH4 and CO2 emissions from paddy soil with rice straw at different rates2023

    • Author(s)
      Adhena Tesfau Bekele, Hiroaki Somura, Morihiro Maeda
    • Organizer
      第57回日本水環境学会年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Iron oxides and biochar incorporation into sediment to reduce phosphorus release2022

    • Author(s)
      Gamamada Liyanage Erandi Priyangika Perera, Morihiro Maeda, Hiroaki Somura, Chiyu Nakano, Yuta Nishina
    • Organizer
      JpGU Meeting 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 岡山大学・大学院・環境生命自然科学研究科・地域環境学講座・土壌圏管理学分野

    • URL

      https://www.okayama-u.ac.jp/user/TEMRE/section/soilmgt/lithosphere.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 岡山大学環境生命自然科学研究科土壌圏管理学分野

    • URL

      http://www.eme.okayama-u.ac.jp/Sections/Lithosphere/lithosphere.html

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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