2021 Fiscal Year Annual Research Report

生物学的電気化学技術を利用した汚染底質の改善メカニズムの解明とその応用技術の創成

Research Project

Project/Area Number	20H03096
Research Institution	Gunma University
Principal Investigator	窪田恵一群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (50707510)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	見島伊織埼玉県環境科学国際センター, 水環境担当, 専門研究員 (00411231) 渡邉智秀群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (60251120) 珠坪一晃国立研究開発法人国立環境研究所, 地域環境保全領域, 副領域長 (80293257) 松浦哲久金沢大学, 地球社会基盤学系, 准教授 (90771585)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	堆積物微生物燃料電池 / 底質改善 / 微生物菌相解析 / 放射光分析
Outline of Annual Research Achievements	本年度では、堆積物微生物燃料電池（SMFC）のスケールアップ化とその効果的な運用方法に関する知見収集を目的として、本技術の諸性能が底質性状や汚染状況に受ける影響の評価を行った。異なる湖沼より採取した底質にSMFCをそれぞれ適用し発電性能や浄化性能の影響を評価した。SMFCの発電性能への影響について、その最大の発電量は有機物濃度に依存する可能性が示唆されたが、発電性能が定常に至るまでのスタートアップに要する時間などは有機物濃度以外の要素の影響が大きい可能性が示唆された。また、SMFCによる底質の改善効果は底質の汚濁状況が高いほどその効果が高く、濃度依存性がある可能性が示された。底質内の発電に関する微生物の同定を16S RNA遺伝子を標的とした次世代シーケンスに加え、mRNA遺伝子による解析を試みた。SMFCでは、Georgfuchsia属の増殖が確認されたが、底質内微生物の多様性の高さからその十分な解析には至らなかった。 SMFCによる底質内の鉄形態への影響について透過法でのXAFS分析を行うため、試料の前処理方法の確立を行った。一般的な凍結乾燥によるサンプル調製では窒素雰囲気下でも底質中の鉄が酸化し、正しい分析が不可能であった。一方で、新たに検討した濾紙を用いた濾過による前処理方法では、凍結乾燥法に比べ還元的な形態のピーク形状が観察された。実際に嫌気的な底質を凍結乾燥および本方法で前処理を行ったサンプルのXAFS分析を行った。その結果、凍結乾燥では別に用意した好気的な環境にあった底質とほぼ同じピーク形状が観察された一方で、濾過による方法では、ピークが明らかに還元的なピーク位置で確認されており、より実際の環境に近い形での測定が可能であった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初目的であった底質性状による底質改善や栄養塩溶出への影響を評価し、有機物濃度以外の影響について明らかにするなど予定通り実施可能であった。菌相解析については、その詳細を評価するまでには至らなかったものの、SMFCの発電に寄与する微生物群の推定が行えた。底質内の鉄の形態解析は、底質の透過法でのXAFS分析に向けた前処理方法の確立が出来、計画通りに進捗が出来た。総じて概ね当初の計画通りに実施出来ており、概ね順調に進展しているといえた。
Strategy for Future Research Activity	SMFCによる底質内での鉄形態の変化について本年度確立した前処理方法を用いてSMFCを適用した実底質の放射光分析を行い鉄形態変化の詳細の把握を行う。SMFCに寄与する底質内微生物についてmRNAを標的とした遺伝子解析を行い、より底質内での活性が高い微生物群の解析を行うことで同定を行い、SMFCの底質改善との関連性を評価する。SMFCから得られる発電についてその有効活用法の検討を進める。電極面積が0.5 m2サイズ程度の堆積物微生物燃料電池を実環境に適用し、実環境での発電量を評価し、環境計測機器などの駆動するための検討を行う。また、最終年度であるため研究総括を行う。