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2018 Fiscal Year Annual Research Report

バイオセメントと木質バイオマスを利用した重金属汚染の統合バイオレメディエーション

Research Project

Project/Area Number 18H03395
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

中島 一紀  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50540358)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 川崎 了  北海道大学, 工学研究院, 教授 (00304022)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Keywordsバイオミネラル / 環境修復 / 微生物
Outline of Annual Research Achievements

本研究では,高濃度の重金属で汚染された土壌をバイオセメント技術により封じ込めを行い,流出した低濃度の重金属汚染水を重金属結合性バイオマスにより完全浄化することが可能なバイオレメディエーションシステムを開発することを目的とした。
バイオセメントに最適な微生物を単離することが可能な新規スクリーニング手法をベースとして,重金属耐性の選択圧をかけることでバイオセメントに適する重金属耐性微生物の探索を行った。ザンビア共和国のKabwe地区は高濃度の鉛やカドミウムによる重金属汚染が広がる地域であり,そこの土壌から高いウレアーゼ活性と砂の固化能力を示し,かつ重金属イオン耐性を示すグラム陽性バクテリア Oceanobacillus profundus KBZ 2-5株の単離に成功した。
次に,モデル重金属汚染土壌を用いた固化試験を行った。これまでの研究において高い固化能力が確認されているPararhodobacter sp.を用いて重金属を添加した珪砂(モデル汚染土壌),および実際の重金属汚染土壌の固化実験を行い,いずれの試料も微生物による固化が可能であることが示された。カチオン性のポリペプチドであるポリリジン(poly-Lys)を添加し,砂粒子とバクテリアのバインダーとしての機能・効果を検討した。その結果,ポリリジン添加系では砂の一軸圧縮強度(UCS)が30%増大することが分かった。ポリリジンの添加により析出するCaCO3の結晶形態が変化し,それが砂の固化強度に影響したことが考えられる。
一方,金属結合性バイオマスの作製を目的として,重金属結合タンパク質とセルロース結合モジュールを融合した新規融合タンパク質分子をデザインし,発現ベクターの構築,およびタンパク質発現を行った。この新規融合タンパク質は大腸菌を用いて可溶性発現が可能であり,セルロースを吸着剤としたタンパク質精製が可能であった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は,微生物の探索,モデル汚染土壌を用いた固化実験,セルロース結合性・重金属結合性融合タンパク質の創製を行った。新規スクリーニング法を改変することにより,バイオセメンテーションが可能かつ重金属耐性を示すバクテリアを取得することに成功している。現在は,そのバクテリアの特性(培養特性,ウレアーゼ活性,ウレアーゼ分泌性,等)を評価しており,基礎特性の取得が終わり次第,固化実験に用いる予定である。重金属汚染土壌の固化実験は,これまでに高い固化能力が示されている当研究室が単離したバクテリアを用いて行い,現時点では固化供試体の強度が目標値(10 MPa)までは到達していないが,降雨を想定した浸漬実験においても固化体が破壊されないこと,および供試体への送風下でも砂微粒子の飛散がないことを確認しており,本来の目的には十分利用できると考えている。また,バイオポリマー(poly-Lys)の添加により供試体の固化強度が増大することが明らかになり,学術的にも非常に興味深い結果が得られた。また,重金属結合性かつセルロース結合性の融合タンパク質のデザインと発現に成功し,セルロース結合性が確認された。一方,融合タンパク質の相対位置や数によっては,セルロース結合能が著しく低下することが分かり,セルロース結合における重要ファクターについての重要な知見が得られた。
以上より,本研究課題はおおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

汚染土壌より単離した重金属耐性を示すバイオセメンテーション用バクテリアを用いて,実際の汚染土壌の固化実験を行い,重金属の封じ込め効果を検討する。また,種々の顕微鏡(SEM/EDX,蛍光顕微鏡,共焦点レーザー顕微鏡,等)を用いて供試体中での微生物と重金属の分布を調査する。2018年度の研究において単離した微生物が細胞外高分子物質(EPS)を分泌することが分かり,それが重金属除去にどのように影響するかについても従来の予定に加えて検討を行う。一方,融合タンパク質を吸着したセルロースを用いて溶液中の重金属が除去できるかについて検討する。

  • Research Products

    (16 results)

All 2019 2018 Other

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Factors Affecting the Urease Activity of Native Ureolytic Bacteria Isolated from Coastal Areas2019

    • Author(s)
      Md Al Imran, Kazunori Nakashima, Niki Evelpidou, and Satoru Kawasaki
    • Journal Title

      Geomechanics and Engineering

      Volume: 17(5) Pages: 421-427

    • DOI

      10.12989/gae.2019.17.5.421

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Microbial induced slope surface stabilization using industrial-grade chemicals: A preliminary laboratory study2019

    • Author(s)
      Sivakumar Gowthaman, Shumpei Mitsuyama, Kazunori Nakashima, Masahiro Komatsu and Satoru Kawasaki
    • Journal Title

      International Journal of GEOMATE

      Volume: 17(60) Pages: 110-116

    • DOI

      10.21660/2019.60.8150

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Efficacy of biocementation of lead mine waste from the Kabwe Mine site evaluated using Pararhodobacter sp.2019

    • Author(s)
      Mwandira Wilson、Nakashima Kazunori、Kawasaki Satoru、Ito Mayumi、Sato Tsutomu、Igarashi Toshifumi、Banda Kawawa、Chirwa Meki、Nyambe Imasiku、Nakayama Shouta、Ishizuka Mayumi
    • Journal Title

      Environmental Science and Pollution Research

      Volume: 印刷中 Pages: 印刷中

    • DOI

      10.1007/s11356-019-04984-8

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effects of Cationic Polypeptide on CaCO3 Crystallization and Sand Solidification by Microbial-Induced Carbonate Precipitation2018

    • Author(s)
      Nawarathna Thiloththama H. K.、Nakashima Kazunori、Fujita Masahiro、Takatsu Momoko、Kawasaki Satoru
    • Journal Title

      ACS Sustainable Chemistry & Engineering

      Volume: 6 Pages: 10315~10322

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.8b01658

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Soil improvement using plant-derived urease-induced calcium carbonate precipitation2018

    • Author(s)
      Dilrukshi R.A.N.、Nakashima Kazunori、Kawasaki Satoru
    • Journal Title

      Soils and Foundations

      Volume: 58 Pages: 894~910

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.sandf.2018.04.003

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A State-of-the-Art Review on Soil Reinforcement Technology Using Natural Plant Fiber Materials: Past Findings, Present Trends and Future Directions2018

    • Author(s)
      Gowthaman Sivakumar、Nakashima Kazunori、Kawasaki Satoru
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 11 Pages: 553~553

    • DOI

      10.3390/ma11040553

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 炭酸塩の析出能力に着目した新たな微生物スクリーニング法2018

    • Author(s)
      菅原雄太,八重樫彩,中島一紀,川﨑了
    • Organizer
      資源・素材 2018
  • [Presentation] バイオ-無機界面を考慮したタンパク質デザイン2018

    • Author(s)
      中島一紀
    • Organizer
      資源・素材2018
    • Invited
  • [Presentation] 外膜表層に金属結合ペプチドを提示した微生物の無機固体表面に対する選択的な吸着特性2018

    • Author(s)
      岩田至叡, 中島一紀, 川﨑了
    • Organizer
      第70回日本生物工学会大会
  • [Presentation] セルロースをベースとした金属イオン吸着剤の開発2018

    • Author(s)
      東郷祐樹, 岩田至叡, 岡本知之, 中島一紀, 川﨑了
    • Organizer
      平成30年度資源・素材学会北海道支部春季講演会
  • [Presentation] 生物機能を用いた炭酸塩析出における炭酸脱水酵素の影響2018

    • Author(s)
      志賀敏英, 藤田賢大, 菅原雄太, 中島一紀, 川﨑了
    • Organizer
      平成30年度資源・素材学会北海道支部春季講演会
  • [Presentation] The Strength and Microstructure of lead-contaminated mine waste materials stabilized by Pararhodobacter sp.2018

    • Author(s)
      W. Mwandira, S. K. Nakashima, S. Kawasaki, M. Ito, T. Igarashi, T. Sato, M. Chirwa, K. E. Banda, I. Nyambe, M. Ishizuka
    • Organizer
      Bio-mediated and Bio-inspired Geotechnics (B2G-Atlanta 2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Enzyme mediated CaCO3 crystallization in the presence of natural polysaccharides2018

    • Author(s)
      T.H.K. Nawarathna, Kazunori Nakashima, Satoru Kawasaki
    • Organizer
      14th International Chitin and Chitosan Conference (ICCC) & 12th Asia-Pacific Chitin and Chitosan Symposium (APCCS )
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Biocementation using ureolytic bacteria: an eco-friendly alternative for treatment of mine waste in Kabwe Mine site2018

    • Author(s)
      W. Mwandira, K. Nakashima, S. Kawasaki, M. Ito, T. Sato, T. Igarashi, M. Chirwa, K. E. Banda, I. Nyambe, M. Ishizuka
    • Organizer
      2nd International KAMPAI Symposium & JST Mid-term Evaluation Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bio-based cementation using urease-producing bacteria: sand solidification and kinetics2018

    • Author(s)
      K. Nakashima, M. Fujita, T. H. K. Nawarathna, S. Kawasaki
    • Organizer
      European Congress on Biotechnology (ECB2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 北海道大学・工学部・資源生物工学研究室HP

    • URL

      http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/bio-res/www/index.html

URL: 

Published: 2019-12-27  

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