2017 Fiscal Year Annual Research Report
Methane fermentation of inedible biomass by highly concentrated and compacted functional rumen microbial communities
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17H01512
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
中井 裕 東北大学, 農学研究科, 教授 (80155655)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
多田 千佳 東北大学, 農学研究科, 准教授 (30413892)
福田 康弘 東北大学, 農学研究科, 助教 (50527794)
馬場 保徳 石川県立大学, 生物資源環境学部, 助教 (70747823)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | バイオマス / メタン発酵 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
世界の穀物残さは 517 百万トンにのぼり，エネルギー化等のそれらの有効活用が求められる．我々は食肉処理場で廃棄されている牛のルーメン（第一胃）液に着目して，これを活用することで草本系バイオマスのリグノセルロース分解効率を高めたルーメン・ハイブリッド型メタン発酵システムを開発した．今後，実用化に向け，ルーメン液のコンパクト化と同時にルーメン由来微生物や酵素がルーメン前処理とメタン発酵処理の両過程で高い活性を維持することが求められている．しかし，これまでルーメン・メタン発酵両条件下で，高いリグノセルロース分解活性を持つルーメン微生物群集については，全く解明されていない．そこで本科研費研究では，微生物の顕微鏡観察・網羅的遺伝子解析・リグノセルロース分解酵素活性・ガス化効率を総合的に評価しながら，本システム過程において高リグノセルロース分解活性をもつ微生物の特定し，それらを指標としてルーメン液を高密度コンパクト化することを試みる．本年度の研究では，ルーメン前処理過程において高い分解活性をもつセルロース分解酵素が存在することを明らかにした．これらの酵素には新規の分子も複数含まれており，その中に高い活性をもつ酵素があった．また，ルーメン前処理・メタン発酵処理において経時的な16Sメタゲノム解析を行い，ルーメン前処理からメタン発酵まで通した全過程における微生物叢の動態が明らかになりつつある．これらの結果は，非食用バイオマスの効率的なバイオガス化システムの開発における基礎的な知見となるものであった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，ルーメン前処理における高活性セルラーゼに注目して，その酵素と発現する微生物種の同定に取り組んだ（課題１）．またルーメン前処理とメタン発酵処理の両過程における微生物群集構造の動態を解析にした（課題２）．
課題1）高活性セルロース分解酵素とそれを発現する微生物の同定
カルボキシメチルセルロース（CMC）をモデルとしたルーメン前処理を行い，分解速度がルーメン処理12時間目から24時間目にかけて最大となり，それ以降は急激に低下することを明らかにした．またSDS-PAGEおよびザイモグラム用よる解析では，分子量やCMC分解活性が異なる複数のCMCaseが存在しており，前処理を通じて酵素ごとに異なる消長を示した．これらの結果から，ルーメン前処理過程においてセルロースを効率的に分解するCMCaseの存在が明らかになった．
課題2）リグノセルロース分解微生物の群集構造解析
これまでルーメン処理において植物細胞壁を分解する微生物種が示されている（Baba et al., 2017. J Biosci Bioeng. 123. 489）．そこで，ルーメン処理後のメタン発酵槽内におけるこれらの微生物の消長を明らかにするため，ルーメン処理液からメタン発酵にかけて，経時的にショットガンメタゲノムシーケンスを行った．これより各時点において1000万リード以上の配列が得られた．得られたリードを用いた 16S rRNA 遺伝子のメタゲノム解析では，ルーメン処理からメタン発酵液にかけた微生物種の動態，とくに前処理からメタン発酵にかけて持ち越される微生物叢が捉えられた（論文投稿前であるため詳細な結果は割愛）．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究結果に基づき，引き続き課題1), 2)について研究を進める．
課題1）高活性セルロース分解酵素とそれを発現する微生物の同定
高活性セルロース分解酵素とそれを発現する微生物の同定については，明らかになった高活性 CMCase に注目して質量分析を行い，また課題 2 で得た次世代シーケンスを配列情報を活用して，高活性 CMCase の特定と生化学的特徴の解明，さらに高活性 CMCase を発現する微生物種を同定する．
課題2）リグノセルロース分解微生物の群集構造解析
リグノセルロース分解微生物の群集構造解析については，本年度の結果に基づいて，ルーメン液の濃縮における指標となる微生物を選定する．またリードのアノテーションも進めており，各々の処理における酵素や機能性微生物の解析を行う．
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