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
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18H03395
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
中島 一紀 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50540358)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川崎 了 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00304022)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | バイオミネラル / 環境修復 / 微生物 |
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| 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。
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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
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。
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| 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。
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