2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of novel wastewater treatment technologies by Mn-oxidizing bacteria using nature technolog
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20K20540
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
大橋 晶良 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (70169035)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2024-03-31
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| Keywords | ネイチャーテクノロジー / マンガン酸化細菌 / Mn酸化・還元 / 微生物 / 排水処理 / 資源回収 |
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| 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2年目は，Bio-Mn酸化物の生成機構，難分解性物質の分解機構，新たな窒素サイクル現象，新規の微生物燃料電池の5項目について実施した。その結果，次のような基礎的な知見を得た。有機物濃度が高くなるとMn酸化速度が低下し，有機物高濃度阻害があることを発見。Mn酸化物による染料の分解生成物を同定し，物理的な分解機構が分かった。嫌気性環境下でアンモニアだけでなく亜硝酸塩も硝酸塩に酸化される現象を確認した。メッキ工場排水のDHSリアクターによる処理性能を評価,新規の微生物燃料電池による処理性能を評価した。
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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
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分離培養し，低濃度の有機物環境下でMn酸化速度が高まることが分かった。また，マンガン酸化に菌体外酵素が関与していることが示唆された。
2.難分解性物質の分解特性：微生物はアントラキノン染料を直接に分解することができないが，Mn酸化物によってアントラキノン染料が分解され，その分解生成物は微生物によって生分解される特性・過程をLC-MS装置等で分析し，明らかにした。
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：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分離培養を継続して実施した。また，嫌気性環境下でアンモニアだけでなく亜硝酸塩も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：難分解性有機物であるメッキ工場排水のDHSリアクターによる連続処理実験を開始し，処理性能が明らかになった。
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た。
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| 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ってMn酸化速度が異なることが令和3度に分かった。この結果を受けて，分離したマンガン酸化能力の高い純菌を用いて，有機物濃度が異なる条件下でのマンガン酸化および還元に関与する遺伝子発現をトランスクリプトーム解析により実施し，有機物濃度とMn酸化・還元の関係を明らかにする。
2.難分解性物質の分解特性：令和3年度は好気環境下でのアントラキノン染料連続処理実験を実施し，処理に伴う分解生成物をLC-MS装置等で分解の特性・過程を調べた。令和4年度は嫌気環境での挙動を調査する。
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：令和3年度は淡水での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ったが，令和4年度は海水で嫌気性アンモニア酸化リアクターの性能を調べる。
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：DHSリアクターによるアントラキノン染料の処理性能を調べる。
5.新規微生物燃料電池の開発：令和3年度に実施した一槽型の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の処理性能を整理し，微生物群集の解析を行う。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響で，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。令和4年度は，ポスドクを雇用して実験を進める計画であり，そのための人件費および実験に必要な消耗品費として使用する。
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