2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of novel wastewater treatment technologies by Mn-oxidizing bacteria using nature technolog
| Project/Area Number |
20K20540
|
|---|
| Research Institution | Hiroshima University |
|---|
Principal Investigator |
大橋 晶良 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (70169035)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金田一 智規 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (10379901)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
|
| Keywords | 排水処理技術 / 金属資源回収 / 生物学的手法 / ネイチャーテクノロジー / マンガン酸化細菌 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
微生物を利用した排水処理技術は，ここ数十年の間に徐々にではあるが進歩している。このようなことを述べると，排水処理技術は成熟したように感じられるかもしれない。しかしながら，手付かずの未解決の排水処理が残されている。従来の生物学的処理では金属，難分解性有機物，着色の排水に適用できない。これらの排水処理はお手上げ状態にある。
そこで本研究では，生物学的排水処理のブレイクスルーとなるネイチャーテクノロジー（自然模倣技術）を用いた新規排水処理技術の開拓に挑戦する。具体的には，マンガン酸化細菌と，この細菌が生成するMn酸化物を利用するネイチャーテクノロジーにより，手付かずの排水処理を解決することを目的としている。本研究の目的である，マンガン酸化細菌を利用した金属および難分解性排水の新規処理技術を構築し，従来とは異なる窒素処理および微生物による発電を提案し開拓するには，さらに科学および工学的アプローチの研究が必要であり，研究内容は次の４項目からなる。1. Bio-Mn酸化物の生成機構の解明とオーダーメイドの金属吸着・除去の把握，2. 難分解性物質の分解機構の解明，3. 新たな窒素サイクルを利用した新規窒素処理プロセスの開発, 4. 新規微生物燃料電池の開発。
研究1年目は，Bio-Mn酸化物の生成機構の解明，難分解性物質の分解試験，新たな窒素サイクルを利用した新規窒素処理実験を実施し，基礎的な知見を得た。例えば，有機物濃度が高くなるとMn酸化速度が低下する，染料の分解にはMn酸化物の存在が不可欠である，嫌気性環境下でアンモニアが硝酸塩に酸化される現象を確認した，などの成果を得た。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
マンガン酸化細菌を利用した排水からの金属回収，難分解性排水処理，窒素除去，発電の新規処理技術を開拓し構築するには，科学および工学的アプローチの研究が必要であり，5項目の実施において，それぞれ次のような成果を得た。
1.Bio-Mn酸化物の生成機構の解明とオーダーメイドの金属吸着・除去：Bio-Mn酸化物の生成機構を解明するに当たり，マンガン酸化細菌を早期に集積・培養する必要があり，Mn酸化物の存在下でマンガン酸化細菌を早期集積できることが分かった。また，マンガン酸化細菌は有機物濃度によってMn酸化速度が異なることが示唆された。この影響を連続処理実験により，有機物濃度が高くなるとMn酸化速度が低下することを明らかにした。
2.難分解性物質の分解特性：アントラキノン染料を用い，Mn酸化と還元を伴う好気処理と嫌気処理を繰り返す連続実験を実施した。その結果，染料の分解にはMn酸化物の存在が不可欠であることが分かった。
3.新たな窒素サイクルを利用した新規窒素処理プロセスの開発：Mn酸化物を投入したリアクターにアンモニアを通水して，新規の嫌気性アンモニア酸化細菌の集積培養を実施した。新規細菌の増殖速度は遅そうであるが，嫌気性環境下でアンモニアが硝酸塩に酸化される現象を確認した。
4.オーダーメイドの金属除去・回収，染料の除去，新規窒素除去，発電の実証と性能評価：人工有機性排水の連続処理実験に向けたDHSリアクターの準備をした。
5.新規微生物燃料電池の開発：一槽型のMn酸化物をアノード電極に用いた新規の微生物燃料電池を構築に向けて，装置を作成し，運転を開始した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
1. Bio- Mn酸化物の生成機構の解明とオーダーメイドの金属吸着・除去：マンガン酸化細菌であっても有機物濃度によてMn酸化速度が異なることが昨年度分かった。この結果を受けて，マンガン酸化能力の高い純菌を用い，有機物濃度が異なる条件下でのマンガン酸化に関与する遺伝子発現をトランスクリプトーム解析を実施し，有機物濃度とMn酸化の関係を明らかにする。
2.難分解性物質の分解特性：アントラキノン染料連続処理実験を継続し，処理に伴う分解生成物をLC-MS装置等で分析し，分解の特性・過程を調べる。
3.新たな窒素サイクルを利用した新規窒素処理プロセスの開発：嫌気性アンモニア酸化リアクターを継続運転して，新規の嫌気性アンモニア酸化細菌の集積培養を試みると共に，増殖したバイオマスの微生物解析を行い，新規細菌の同定を行う。
4.オーダーメイドの金属除去・回収，染料の除去，新規窒素除去，発電の実証と性能評価：鉱山排水，廃棄物処分地浸出水の人工排水の連続処理実験をDHSリアクターを用いて開始し，処理性能を調べる。
5.新規微生物燃料電池の開発：昨年度に作成した一槽型のMn酸化物をアノード電極に用いた新規の微生物燃料電池による処理実験を継続し，カソード電極に集積した微生物群の解析を行う。
|
| Causes of Carryover |
コロナ渦の影響で，研究調査，資料収集，研究打ち合わせが十分にできず，そのための旅費が使用できなかった。また，実験補助者による実験もできなかったことにより，謝金が生じなかった。今年度は，実験補助者を増やして実験を進める計画であり，そのための謝金および実験に必要な消耗品費として使用する。
|
