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2019 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

2018年度の研究において,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を単離している。本年度は,このバクテリアを用いた模擬鉱滓の固化実験を行った。このバクテリアは尿素に対しても比較的高い耐性を示し,1 M尿素の条件下でも尿素を分解し,炭酸カルシウムを生成した。また,固化方式について,砂供試体を閉鎖系で固化溶液に浸漬させる手法と開放系で流通させる手法を検討した結果,浸漬させる手法の方がより高いバイオセメント強度が得られることが分かり,実際の現場での施工についての重要な情報を得た。SEM観察により,生成した炭酸カルシウムにより砂粒子同士が固着してることが分かり,XRD分析により,主にカルサイトが生成していることが示された。
前年度の研究において,カチオン性バイオポリマーであるポリリジンがバイオセメントの固化強度を増大させることが分かっている。そこで本年度は,天然多糖類であるキチン由来のカチオン性多糖キトサンのバイオセメントへの効果を調査し,キトサンにおいても増強効果があることを見出した。
さらに,前年度の研究において,重金属結合タンパク質であるメタロチオネイン(MT)とセルロース結合モジュール(CBM)を融合した新規融合タンパク質分子(MT-CBM)を作製した。本年度は,融合タンパク質MT-CBMをセルロース(ろ紙)に吸着させた完全バイオベースの重金属吸着剤を開発した。バッチ吸着実験において,この吸着剤によるPbおよびZnの吸着はLangmuir型であることが推察され,それぞれ39 mg/gおよび29 mg/gの最大吸着量を示した。さらに,作製した吸着剤を用いたセミバッチ連続吸着実験システムを構築し,吸着剤が再利用可能であること,および吸着力が低下した場合に再活性化が可能であることを示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

重金属イオンへの耐性を示すバクテリアを用いた砂供試体の固化試験においては,固化した砂供試体中でのバクテリアの存在箇所を特定するまでには至らなかったものの,SEM観察によりバクテリア(実際にはバクテリア中の尿素分解酵素)の触媒機能により生成した炭酸カルシウムが砂粒子同士を結合し,固化していることが示された。また,天然バイオポリマーであるキトサンがバイオセメントの固化強度増大に効果があることも明らかとなった。
一方,セルロースを用いた重金属イオン除去システムの開発については,バッチ系でのイオン吸着実験だけでなく,連続系の実験システムを構築することができた。さらに,開発した吸着剤は重金属イオンを脱着することで再利用できることが示された。
以上より,おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究により,モデルとして用いた砂供試体のバイオセメント固化に成功している。しかし,砂供試体とは異なり,実際の土壌は非常に複雑な組成(様々な鉱物種,腐植物質,微生物種を含む)からなる。そこで,重金属で汚染された土壌サンプルを用いて,バイオセメントによる封じ込めを検討する。また,土壌中の微生物群集がどのように変化するかについて菌叢解析によりモニタリングし,バイオセメントを実施した場合の環境影響を評価する。
また,バイオポリマーの添加効果については,甲殻類の甲羅や貝殻など,天然の無機・有機複合体からヒントを得ながら,より固化強度が増加し,かつ低コストのバイオマスとタンパク質の組み合わせを探索する。
重金属吸着性セルロースに関しては,より高度な連続システムを開発する。構築したラボスケールの連続カラム吸着システムを用い,吸着速度や滞留時間などのファクターの最適化とモデル化を検討する。また,鉱山跡地から単離したバクテリアが重金属に応答して細胞外高分子物質(EPS)を分泌することが明らかとなっている。そこで,このEPSの構成成分を解析し,重金属除去への応用可能性を検討する。

  • Research Products

    (13 results)

All 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 6 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Zambia(ザンビア)

    • Country Name
      ZAMBIA
    • Counterpart Institution
      University of Zambia
  • [Journal Article] Cellulose-metallothionein biosorbent for removal of Pb(II) and Zn(II) from polluted water2020

    • Author(s)
      Mwandira Wilson、Nakashima Kazunori、Togo Yuki、Sato Tsutomu、Kawasaki Satoru
    • Journal Title

      Chemosphere

      Volume: 246 Pages: 125733~125733

    • DOI

      10.1016/j.chemosphere.2019.125733

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A novel metal adsorbent composed of hexa-histidine tag and carbohydrate-binding module on cellulose2020

    • Author(s)
      TOGO Yuki、NAKASHIMA Kazunori、MWANDIRA Wilson、KAWASAKI Satoru
    • Journal Title

      Analytical Sciences

      Volume: 36 Pages: -

    • DOI

      10.2116/analsci.19P356

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solidification of sand by Pb(II)-tolerant bacteria for capping mine waste to control metallic dust: Case of the abandoned Kabwe Mine, Zambia2019

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

      Chemosphere

      Volume: 228 Pages: 17~25

    • DOI

      10.1016/j.chemosphere.2019.04.107

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Biogeotechnical approach for slope soil stabilization using locally isolated bacteria and inexpensive low-grade chemicals: A feasibility study on Hokkaido expressway soil, Japan2019

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

      Soils and Foundations

      Volume: 59 Pages: 484~499

    • DOI

      10.1016/j.sandf.2018.12.010

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chitosan enhances calcium carbonate precipitation and solidification mediated by bacteria2019

    • Author(s)
      Nawarathna Thiloththama Hiranya Kumari、Nakashima Kazunori、Kawasaki Satoru
    • Journal Title

      International Journal of Biological Macromolecules

      Volume: 133 Pages: 867~874

    • DOI

      10.1016/j.ijbiomac.2019.04.172

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Feasibility study for slope soil stabilization by microbial induced carbonate precipitation (MICP) using indigenous bacteria isolated from cold subarctic region2019

    • Author(s)
      Sivakumar Gowthaman, Takashi Iki, Kazunori Nakashima, Koji Ebina, Satoru Kawasaki
    • Journal Title

      SN Applied Sciences

      Volume: 1 Pages: 1480

    • DOI

      10.1007/s4245 2-019-1508-y

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 尿素分解菌の細胞抽出液を用いた炭酸カルシウム形成と砂の固化2019

    • Author(s)
      川邉徹弥,中島一紀,Hiranya Nawarathna,川﨑了
    • Organizer
      2019年度資源・素材学会北海道支部春季講演会
  • [Presentation] バイオベース材料で構成された環境に優しい金属吸着材の開発2019

    • Author(s)
      東郷祐樹,中島一紀,川﨑了
    • Organizer
      日本生物工学会北日本支部2019札幌シンポジウム
  • [Presentation] Zinc and Lead Biosorption by Oceanobacillus Profundus Kbz 3-2: a Bacterial Strain Resistant to Metals Isolated from Metal polluted Soils in Kabwe, Zambia2019

    • Author(s)
      Wilson Mwandira, Kazunori Nakashima, Satoru Kawasaki, Mayumi Ito, Tsutomu Sato, Toshifumi Igarashi, Meki Chirwa, Kawawa Banda, Imasiku Nyambe, Shouta Nakayama, Mayumi Ishizuka
    • Organizer
      The 14th Asian Congress on Biotechnology (ACB2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microbially induced carbonate precipitation assisted by poly-L-lysine: ecofriendly approach inspired by nature.2019

    • Author(s)
      T.H.K. Nawarathna, K. Nakashima, S. Kawasaki
    • Organizer
      ACS Fall 2019 National Meeting & Exposition
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bio-based adsorbent composed of metal binding peptide and cellulose2019

    • Author(s)
      Y. Togo, K. Nakashima, W. Mwandira, S. Kawasaki
    • Organizer
      23rd International Biohydrometallurgy Symposium (IBS2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks]

    • URL

      https://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/bio-res/www/

URL: 

Published: 2021-01-27  

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