2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of novel nature-technology for biological wastewater treatment to remove metals and persistent substances
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17H06214
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
大橋 晶良 広島大学, 工学研究科, 教授 (70169035)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金田一 智規 広島大学, 工学研究科, 助教 (10379901)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 排水処理技術 / 金属資源回収 / 生物学的手法 / ネイチャーテクノロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マンガン酸化細菌により生成されるバイオMn酸化物は多様な金属の吸着性に優れていることが知られている。しかし，なぜMn(II)イオンを酸化するのか，どのようなメカニズムでバイオMn酸化物を生成するのか，など不明なことが未だ多い。また，開放系においては，マンガン酸化細菌を培養してバイオリアクター内に保持することが困難であった。そこで，本研究代表者はマンガン酸化細菌を利用した排水処理の研究を進めていて，新規の方法でマンガン酸化細菌を培養し，排水から金属を除去することに成功している。この研究の過程で，染料などの難分解性有機物の除去，および金属との同時除去の可能性が明らかになった。マンガン酸化細菌を利用した金属および難分解性排水の新規処理技術を開拓し構築するには，さらなる研究が必要であり，本研究では５つの研究項目からなり，2年目は次の研究成果を得た。
1.オーダーメイドの金属吸着とバイオMn酸化物結晶構造
バイオMn酸化物は多様な金属排水処理に適用できる。しかし悪く言えば，目的以外の有害でもなく有用でもない金属までも吸着して，目的の金属の除去・回収率が低下する。また，処理から回収に着目すると，目的の金属だけを特異的に吸着させるオーダーメイドの金属の除去・回収技術への進展で必要である。そのため，マンガン酸化細菌をpHの異なる環境下で培養させ，バイオMn酸化物の金属吸着性を調べた。
2.バイオMn酸化物耐性細菌と非耐性細菌の阻害・耐性メカニズム
Mn酸化物の従属栄養細菌阻害効果を利用した新規の方法でバイオMn酸化物耐性細菌，非耐性細菌，マンガン酸化細菌を網羅的に分離し，金属耐性・非耐性の微生物生態を調べた。
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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
1.オーダーメイドの金属吸着とバイオMn酸化物結晶構造
バイオMn酸化物は層状の結晶構造をしており，その層間に金属が入り込み吸着することで，優れた多様な金属除去・回収が可能である。この結晶構造の層間距離によって吸着される金属は異なる。すなわち，吸着される金属の特異性に影響する。生成される結晶構造は，生成時のpHによって影響されると考えられるため，１年目に分離した数株のマンガン酸化細菌をpHの異なる環境下で培養させ，同時にMn(II)イオンを酸化させてバイオMn酸化物を生産させた。それらのバイオMn酸化物の金属吸着性を調べた。その結果，Co，Niの順に吸着性が高く，この特性はpHによる影響は見られなかった。また。分離株での違いも観察されなかった。これまでの結果では，結晶構造をコントロールするまでには至っておらず，今後は温度の影響について調べる必要がある。
2.バイオMn酸化物耐性細菌と非耐性細菌の阻害・耐性メカニズム
Mn酸化物の従属栄養細菌阻害効果を利用した新規の方法でバイオMn酸化物耐性細菌をまず網羅的に分離した。この中にマンガン酸化細菌が含まれており，Mn(II)酸化能を有する細菌であるマンガン酸化細菌をMn（Ⅳ）酸化物検出試薬（LBB）を用いて検出し，分離株を取得した。Mn酸化物耐性細菌，非耐性細菌の系統的なグループ化を行い，活性汚泥中にはMn酸化物耐性細菌は2％程度であることが明らかになった。また，マンガン酸化細菌はその1割程度と僅かにしか生存しておらず，金属耐性・非耐性の微生物生態を明らかにした。Mn酸化物の阻害あるいは耐性のメカニズムは，活性酸素などのラジカル成分が影響していると考えられ，今後，調べる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，残された次の研究課題について実施する。
1. 難分解性物質の分解特性；アゾ染料の分解は，好気性環境下で起きるが能力は高くないことが分かった。一方，嫌気環境下ではアゾ染料が分解され，脱色される結果を得た。しかし，完全な分解ではなく，有機物濃度としての除去は低い状況である。もし，好気と嫌気を繰り返せば，完全なアゾ染料の分解が期待でき，これを実証する連続実験を行う。また，アントラキノンの染料についても同様に実施する。
2. 金属除去・回収の実証と性能評価：これまで得られた知見を基に，実メッキ排水を用いて，早期にマンガン酸化性能を発揮し，レアメタルの回収が可能であるのか，連続処理実験を実施して実証すると共に，その性能を調べる。
3.バイオMn酸化物生成機構：マンガン酸化細菌は，好気性環境下でマンガンを酸化するのみならず，嫌気性環境下でMn酸化物を還元して生存することができることを明らかにした。また，このMn酸化物の還元において電子を流していることを発見しており，電子とバイオMn酸化物の生成・還元との関係を調べ，バイオMn酸化物生成機構について検討する。
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