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2021 Fiscal Year Annual Research Report

固体腐植の細胞外電子供与を利用する酢酸生成微生物の新規な二酸化炭素固定化機構

Research Project

Project/Area Number 20H04363
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

片山 新太  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (60185808)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 笠井 拓哉  名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (00833831)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords固体腐植ヒューミン / 非光合成型二酸化炭素固定 / 細胞外電子伝達 / 酢酸生成微生物 / メタン生成微生物
Outline of Annual Research Achievements

非光合成嫌気性微生物である酢酸生成微生物による二酸化炭素から酢酸への還元は、高密度化が可能な点から二酸化炭素固定化技術として有望視されているが、水素供給が不可欠である点が省エネルギー上の課題となってきた。本申請者らは、腐植物質の中で酸アルカリに不溶な固体腐植ヒューミンを唯一の細胞外電子供与体として酢酸生成微生物群による二酸化炭素還元(=酢酸生成)に成功した。過去、外部水素供給無しで酢酸生成微生物が二酸化炭素から酢酸生成した例は知られていない。そこで、この固体腐植ヒューミンを電子供与体とする酢酸生成微生物の細胞外電子伝達と二酸化炭素還元機構を解明することを目的として研究を実施した。
研究計画2年目にあたる2021年度では、嫌気性酢酸生成微生物の分離株を微生物保存機関から購入して、分離株が固体腐植ヒューミンを電子供与体として利用できるかどうかを調べたところ、ファーミキューテス門に属するムーレラ属細菌等に、電子供与体として水素よりも還元型固体腐植ヒューミンを優先的に利用して酢酸生成する細菌がみられることが明らかとなった。また電気培養により、二酸化炭素固定-酢酸生成反応が進むために必要な固体腐植ヒューミンの電位を明らかにした。また、固体腐植ヒューミンの電気化学測定および化学的構造解析から、イオウを含む酸化還元官能基が、固体腐植ヒューミンの細胞外電子伝達能に関与していることを明らかにするとともに、ナイキストプロットのカーブフィッティングから等価回路を推定した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究2年目である令和3年度に実施予定の(A)固体腐植ヒューミンを電子供与体とする酢酸生成微生物の特定に成功するとともに、(B)固体腐植ヒューミンを電子供与体として二酸化炭素還元-酢酸生成する際に必要とされる酸化還元レベルを明らかにするとともに、(C)固体腐植ヒューミンの電気化学的特性解析を行って、固体腐植ヒューミンの電気化学特性を示す等価回路の提案を実施できたため

Strategy for Future Research Activity

遺伝子解析用の酢酸生成微生物を選抜し、固体腐植ヒューミンの細胞外電子を利用して、二酸化炭素還元-酢酸固定反応ができる酢酸微生物の培養条件を明らかにする。培養条件ごとのWood-Ljundahl 経路の遺伝子発現解析系を構築し、培養条件の効果を明らかにする。また、固体腐植ヒューミンおよびモデル化合物を用いた電気化学的解析及び化学構造解析から、固体腐植ヒューミンに形成される酸化還元に関与する官能基を推定する。

  • Research Products

    (17 results)

All 2022 2021

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 2 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Journal Article] Humin organic sulfur as a redox-active element for extracellular electron transfer2022

    • Author(s)
      Duyen Minh Pham, Hiroshi Oji, Shinya Yagi, Satoshi Ogawa, Arata Katayama
    • Journal Title

      Geoderma

      Volume: 408 Pages: 115580

    • DOI

      10.1016/j.geoderma.2021.115580

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Activation of extracelluler electron network in non-electroactive bacteria by Bombyx mori silk2022

    • Author(s)
      Duyen Minh Pham, Sujan Dey, Arata Katayama
    • Journal Title

      International Journal of Biological Macromolecules

      Volume: 195 Pages: 1-11

    • DOI

      10.1016/j.ijbiomac.2021.11.190

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of humin and chemical factors on CO2-fixing acetogenesis and methanogenesis2022

    • Author(s)
      Biec Nhu Ha, Duyen Minh Pham, Takuya Kasai, Takanori Awata, Arata Katayama
    • Journal Title

      International Journal of Environmental Health and Public Health

      Volume: 19 Pages: 2546

    • DOI

      10.3390/ijerph19052546

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 化学物質の還元反応に寄与する異種微生物館の固体腐植を介した細胞外電子伝達機構の解明2021

    • Author(s)
      片山新太
    • Journal Title

      IFO Research Communications

      Volume: 35 Pages: 45-59

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 固体腐植ヒューミンを用いた生物電気化学システムにおける酢酸生成菌よる二酸化炭素変換の促進2022

    • Author(s)
      笠井 拓哉,伊藤 啓人,Pham Minh Duyen,菰田 峰生,片山 新太
    • Organizer
      日本農芸化学会2022年度大会
  • [Presentation] Alternate functionality of humin, a solid-phase humic substance, as extracellular electron mediator in carbon dioxide-reducing acetogenesis2021

    • Author(s)
      Arata Katayama, Mahasweta Laskar, Biec Nhu Ha, Duyen Minh Pham, Takuya Kasai
    • Organizer
      American Chemical Society, Spring 2021 meeting, “Macromocular Chemicstry: the second century”
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Activation of carbon dioxide reduction by autotrophic acetogen with solid-phase humic substances2021

    • Author(s)
      Takuya Kasai, Mahasweta Laskar, Arata Katayama
    • Organizer
      World Microbial Forum, ASM and FEMS collaboration
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Activity of CO2-fixing acetogenesis and methanogenesis in mixed cultures with humin under different conditions2021

    • Author(s)
      Biec Nhu Ha, Duyen Minh Pham, Takuya Kasai, Arata Katayama
    • Organizer
      Water and Environment Technology Conference Online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Extracellular electron mediating functions discovered in fresh organic materials and changes the functionality in artificial soil2021

    • Author(s)
      Tingting Hu, Mirai Yamaura, Duyen Minh Pham, Takuya Kasai, Arata Katayama
    • Organizer
      Water and Environment Technology Conference Online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of chemical factors and microbial community on the activity of CO2-fixing acetogenesis and methanogenesis with the presence of humin as extracellular electron mediator2021

    • Author(s)
      Biec Nhu Ha, Duyen Minh Pham, Takuya Kasai, Takanori Awata, Arata Katayama
    • Organizer
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Unveiling redox-active structure in humin by synchrotron radiation-based X-ray absorption near edge structure2021

    • Author(s)
      Duyen Minh Pham, Hiroshi Oji, Shinya Yagi, Satoshi Ogawa, Arata Katayama
    • Organizer
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021, online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on extracellular electron transfer mechanism in humin promoting redox reactions of nitrogen2021

    • Author(s)
      Takuya Kasai, Sujan Dey, Takehito Noto, Ryota Ujibayashi, Arata Katayama
    • Organizer
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021, online
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Strategy of anaerobic bioremediation: design of artificial microbial community and bioelectrochemical system2021

    • Author(s)
      Arata Katayama, Takuya Kasai, Naoko Yoshida
    • Organizer
      the 41st International Symposium on Halogenated Persistent Organic Pollutants (Dioxin 2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 微生物等を利用した浄化技術2021

    • Author(s)
      片山新太
    • Organizer
      おおさかATCグリーンエコプラザ、水・土壌汚染研究部会、オンライン
    • Invited
  • [Presentation] Increase in extracellular electron mediating function of rice straw-artificial soil mixture during the humification2021

    • Author(s)
      Tingting HU, Duyen Minh PHAM, Takuya KASAI, Arata KATAYAMA
    • Organizer
      日本微生物生態学会第34回大会
  • [Presentation] 固体フミン質を適用した微生物電気化学システムの構築と最適化2021

    • Author(s)
      増田大起,Pham Duyen Minh,笠井拓哉,片山新太
    • Organizer
      第56回日本水環境学会年会、オンライン
  • [Funded Workshop] International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021 (ICMaSS2021)2021

URL: 

Published: 2024-12-25  

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