2017 Fiscal Year Research-status Report
微生物燃料電池を利用した水田からの電気回収と水田からのメタン放出の抑制
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16K08107
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| Research Institution | Yamagata University |
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Principal Investigator |
加来 伸夫 山形大学, 農学部, 教授 (80359570)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 資源循環システム / 自然エネルギー / 地球温暖化ガス排出削減 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、カーボンニュトラルな発電システムである水田に微生物燃料電池（MFC）を設置することで、稲作と同時に発電しつつ、温室効果ガスであるメタンの水田からの放出を抑制する技術を開発することを目指す。また、本研究を通して、水田に設置したMFC（水田MFC）が水田土壌微生物生態系に与える影響を明らかにするとともに、多様な新規電流発生微生物の取得を目指す。平成28年度においては、1）水田の管理方法が水田MFCの起電力に与える影響、2）水田MFCの設置が土壌微生物群集に与える影響、3）メタン生成、硫酸還元および電流発生の間の関係の解析について研究を行った。今年度はその再現性を確認した。
栽培期間中に一旦水を抜く中干しを行う試験区と行わない試験区にMFCを設置して発電実験を行い、水管理の違いが水田MFCの起電力に大きく影響し、中干しは発電に負の影響を与ることが確認された。水田MFCが土壌微生物群集の活性に与える影響については、メディウム瓶で作成した無栽植のMFCで調べた。MFCを設置した試験区と設置しなかった試験区で揮発性脂肪酸の蓄積濃度を調べたところ、MFC設置区で蓄積濃度が高くなる傾向があり、MFCの設置により有機物分解が促進されたことが示唆された。また、このように微生物活性に違いが認められたことから、微生物群集構造にも違いがあるものと推定された。メタン生成、硫酸還元および電流発生の間の関係についても、メディウム瓶で作成した無栽植のMFCで調べた。その結果、メタン生成と発電の間には競合関係があり、メタン生成を阻害することで発電量が増大する一方で、硫酸還元は発電に関係しており、硫酸還元を阻害すると発電量が低下することが分かった。以上の結果は、前年度の結果と矛盾しなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度には、1）水田の水管理方法の違い（中干しの有無）が水田MFCの起電力に与る影響、2）水田MFCの設置が土壌微生物群集に与える影響、3）メタン生成、処理還元および電流発生の間の関係の解析について実施する予定であった。1）については、水管理の違い（中干しの有無）が発電に大きく影響することを明らかにすることができた。また、3）についてもメタン生成と発電との間に競合関係がある一方で、硫酸還元は発電に関与していることを示すことができた。このように、1）と3）の課題については順調に研究をすすめることができた。一方、2）については、MFCを設置した試験区と設置しなかった試験区で微生物群集構造がどのように異なっているか（あるいは異ならないか）を16S rRNA遺伝子配列に基づいた微生物群集構造解析により明らかにする予定であったが、詳細を明らかにするには至らなかった。しかし、MFCの設置が水田土壌中の微生物の活性に影響し、有機物の分解が促進されることを示唆する結果が得られた。また、PCR-DGGE解析による予備実験では、MFC設置により微生物群集構造に違いが生ずることを示唆する結果が得られている。一般的に、16S rRNA遺伝子配列を調べることにより、近縁な既知の種の情報からその活性を推定できるが、あくまで推定であり、今年度の研究で実際に微生物の活性についての知見が得られたことは重要なことと考えている。また、MFCの負極から分離した微生物の一部について、系統解析と発電実験（実験試験）を行ったところ、これまで発電すると認識されていない系統の微生物に起電力があることを示す結果が得られている。この点についてさらに研究をすすめることで、土壌中の微生物群集と発電の関係についてさらに詳細に解明できるものと考えている。以上のことから、総合的には概ね順調に研究が進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
過去2年間の結果をもとに、水田の水管理の方法が水田MFCの発電に与える影響について総合考察を行う。また、MFCと土壌微生物との関係は、メタン生成、硫酸還元ならびに電流発生の間の相互関係について、メタン生成阻害剤（クロロホルムまたは2-ブロモエタンスルホン酸ナトリウム）や硫酸還元阻止剤（モリブデン酸ナトリウム）を使用する実験を行い、各生物反応と水田土壌中の有機物分解との関係を明かにする。また、MFC設置区（閉回路区）、MFC設置区（開回路区）およびMFC非設置区における微生物群集構造を16S rRNA遺伝子配列に基づいた解析法（クローンライブラリー法など）により比較することで、電極の設置、さらには発電の有無が微生物群集構造に与える影響について明らかにする。可能であれば、負極群集、正極群集および土壌画分群集の全てについて解析を行う。水田MFCの電極由来の細菌分離株については、電流発生能を含む特徴付けを行う。新種と思われる菌株については記載のための特徴づけも並行して行う。発電に関わる微生物としては、主に鉄呼吸を行う微生物に焦点が当てられてきた。MFCにおける微生物群集構造と発電量との関係については、鉄呼吸を行う細菌の存在量（あるいは存在比）の増減で説明されてきた。本研究では、そのような特定の細菌グループにだけ着目した解析手法が妥当かどうかについても検討を行いたい。
以上の結果とMFCを設置した水田からのメタン放出測定の結果から、水田MFCを利用した水田からのメタン放出抑制法の構築を目指す。
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