2021 Fiscal Year Research-status Report
Innovative mitigation technology of hydrogen sulfide in sewer pipe by combination of electricity producing bacteria and conductive concrete
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20K04749
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
今井 剛 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (20263791)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 発電菌 / 導電性コンクリート / 硫化水素 / 下水管 / 下水道の長寿命化 / 導電性材料 / メタゲノム解析 / Geobacter sp. |
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| Outline of Annual Research Achievements |
現在、下水管路施設の維持管理を行う上で大きな問題となっているのが下水管内で発生する硫化水素に起因する下水管（コンクリート）の腐食である。そこで、管路施設内における硫化水素の発生を抑制する技術が強く求められている。近年では、薬剤を添加する方法や曝気を行う方法等も提案（下水道協会「下水道施設計画・設計指針と解説」）されているが、継続的な維持管理コストが必要という問題点が未解決のままである。
そこで、本研究では「発電菌」の適切な制御と「導電性を付与したコンクリート下水管」との組み合わせにより、下水管内において硫化水素の発生抑制を実現できる革新的技術を開発することを目的とする。
今年度の研究実績をまとめると以下のとおりである。
①導電性材料として金属系材料の四酸化三鉄と炭素系材料の粒状アセチレンブラックを選定して、硫化水素発生抑制実験を行った結果から、新規導電性材料として粒状アセチレンブラックの有効性が明らかとなった。②昨年度に硫化水素の発生抑制効果を示した市販の導電性コンクリート（商標名：サンアース）を用いた硫化水素の発生抑制実験をおこない、その経日的な菌叢変化をPCR-DGGE法および次世代シーケンサーによるメタゲノム解析により把握した結果、どちらの解析手法からもアノード電極の極近傍で発電菌（Geobacter sp.とPelobacter sp.）の集積が確認された。③次世代シーケンサーによる定量解析から、特にGeobacter sp.が多く集積していることが明らかになった。④上記②と③の結果から、硫化水素の発生抑制実験と発電菌の分子生物学的手法による菌叢解析を通して、導電性コンクリートを用いた電子伝達経路の提供による硫化水素の発生抑制に生物学的酸化が寄与している根拠が示された。
以上から本研究は下水道の長寿命化に向けて順調に実績をあげていると考えられる。
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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
第２年度の目的である、「高い導電性を有するコンクリート下水管の開発」について、金属系材料として四酸化三鉄と炭素系材料として粒状アセチレンブラックを選定して、硫化水素発生抑制実験を行った結果から、炭素系材料である粒状アセチレンブラックの有効性を明らかにした。また、導電性コンクリートを用いた硫化水素抑制実験を実施しながら経時的にコンクリート表面に発達する生物膜の採取を行い、「硫化水素を硫黄に酸化する発電菌の集積培養方法の確立」に向けて、遺伝子工学的手法（PCD-DGGE法や次世代シーケンサー）を用いて発電菌を同定し、発電菌として知られているGeobacter sp.とPelobacter sp.の集積を確認した。特にGeobacter sp.がコンクリート表面の極近傍に多く集積していることを明らかにし、導電性コンクリートを用いた電子伝達経路の提供による硫化水素の発生抑制に生物学的酸化が寄与している根拠を示した。また、最終年度（第３年度）に実施する「実下水を用いたパイロットスケール試験（R4年度）」の準備（実際のポンプ場に実験施設を架設させてもらい、実験を行うための準備）も順調に進めている。
以上から、本研究がおおむね順調に進展していると自己評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は予定通り、以下の研究項目について計画に沿って進める。
研究内容１：R2-3年度で終了済みであるが、実際の下水管に用いるコンクリートすべてに導電性材料を混入させて導電性コンクリートを作成することはコスト的に無理があるため、下水管の内側に導電性材料を混入させたセメントペーストをライニングする方法について、H29年度から共同研究を行っている企業（下水管製造会社）と相談しつつ検討を進める（研究内容４と大きく関わる）。
研究内容２：「発電菌による硫化水素の発生抑制条件の把握」について第２年度に引き続き行う。特に、以下の研究内容３と併せて同時に進める。すなわち、導電性コンクリートを用いた硫化水素抑制実験を実施しながら経時的にコンクリート表面に発達する生物膜の採取を行い、研究内容３を並行して実施する。
研究内容３：「硫化水素を硫黄に酸化する発電菌の集積培養方法の確立」（R2-4年度）に向けて、遺伝子工学的手法（PCD-DGGE法や次世代シーケンサー）等を用いて引き続き発電菌の同定、その量的把握を行うとともに、その微生物学的性質を把握し、その集積培養方法の確立を進める。
研究内容４：「実下水を用いたパイロットスケール試験（R4年度）」：現在進めている最終年度に行うこの実験の調整（実際のポンプ場に実験施設を架設させてもらい、実験を行うための準備、下水処理場との調整）を早期に完了し、実験を進める。
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| Causes of Carryover |
今年度もコロナ禍により、計画していたすべての出張ができず（学会発表はすべてオンラインとなったため、発表自体は可能であった）旅費の支出がなかった。また謝金を予定していた学生が引き続き病気療養であったことから、謝金の支出がなかった。さらに、その他に計上していたコンクリートテストピースの輸送料について、H29年度から共同研究を行っている企業（下水管製造会社）のご厚意により今年度も負担していただいたことから、支出がなかった。以上から残額が生じた。
次年度は、今年度に引き続き遺伝子工学的手法（PCR-DGGE法や次世代シーケンサー）等を用いて発電菌を同定する研究計画があり、これに費用を要する（初期の計画よりも高額となる見通し：コロナ禍によりPCR関係の消耗品が値上がりしていること、当初計画より高頻度で菌叢解析を実施する予定に切り替えたことによる）と想定されることから、今年度の残額をそれに充ててより充実した研究を実施する予定である。
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