2022 Fiscal Year Annual Research Report
低栄養細菌－マンガン酸化細菌培養系による有機物無添加の坑廃水処理技術の開拓
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21H03636
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| Research Institution | Akita Prefectural University |
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Principal Investigator |
宮田 直幸 秋田県立大学, 生物資源科学部, 教授 (20285191)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 美穂 秋田県立大学, 生物資源科学部, 助教 (70867184)
佐藤 由也 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (80711291)
所 千晴 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90386615)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | マンガン酸化細菌 / マンガン含有坑廃水 / 低栄養細菌 / 炭酸固定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
集積培養系から分離した5株の内、R1-5（Methylibium属）とR1-7（Methyloversatilis属）は以前に行ったマンガンスラッジの細菌叢解析で優占種と位置付けられていた。これらの2株のほか、R1-3（Williamsia属）及びR1-9（Rhodococcus属）は、有機性基質濃度が異なる3種類の培地で同等の比増殖速度を示した。これら4株は有機性基質無添加培地で増殖速度が大きく、活発な菌体増殖が見られたことから、貧栄養環境に適応した低栄養細菌であると判断された。さらにR1-5、R1-7、R1-9の炭酸固定能力を調べた結果、有機性基質無添加培地で増殖した菌体の総有機炭素の3.5～6.0%は炭酸固定によるものと推察され、増殖時に一定の無機炭素を固定していることが明らかになった。しかし、菌体の炭素の大部分（94%以上）は12Cであり、主要な炭素源は培地に極微量含まれる有機物であると結論付けた。有機物の乏しい坑廃水中で低栄養細菌が増殖することで、菌体成分や分泌物が生産され、マンガン酸化細菌に有機物が供給されると推察された。さらに集積培養系のメタゲノム解析を行い、RuBisCOによる炭酸固定の進行を示唆する結果が得られた。
マンガン酸化集積培養系を用いたバイオリアクターを構築し、連続式及び回分式でマンガン含有坑廃水の処理を検討した。その結果、同じマンガン負荷条件において、回分式で運転した方が安定かつ高い除去率で処理が可能であることが明らかになった。リアクター内のATP量を比較した結果、回分式の方がATP量は多く、微生物活性もしくはバイオマス量が大きくなることで処理効率が上昇する可能性が示された。また、リアクター内で生成したマンガン酸化物は粉末Ｘ線結晶回折解析によりバーネス鉱様であることが明らかになった。
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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
（1）有機物無添加培地で増殖する細菌株について、比増殖速度及び増殖菌体量に及ぼす基質濃度の影響を調査し、これらが低栄養細菌であるとの確証が得られた。
（2）低栄養細菌の増殖特性及び炭素固定能力を明らかにすることができた。有機物の乏しい坑廃水中で低栄養細菌が増殖することで菌体成分や分泌物が生産され、マンガン酸化細菌に有機物が供給されるとの本研究の仮説を支持する成果が得られた。
（3）集積培養系のメタゲノム解析により、炭酸固定に関与する細菌群及び酵素遺伝子に関する重要な知見を得ることができた。
（4）バイオリアクターを用いたマンガン含有坑廃水の処理試験を行い、回分処理において、マンガン除去効率が高くなること、このとき槽内の微生物活性が高まることが見い出され、処理方式と微生物機能に関する新しい着眼点を得ることができた。また、マンガン含有坑廃水の生物処理の安定化、高効率化に直接的につながる意義ある結果が得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
マンガン酸化集積培養系から分離した4菌株について、前年度に増殖特性及び炭素固定能力を解析し、それらが貧栄養環境で活発に増殖する低栄養細菌であり、有機物供給者としての役割をもつことを明らかにした。今後は、分離株をマンガン酸化物の存在下で培養し、貧栄養環境での増殖や炭素固定においてマンガン酸化物がどのような影響を及ぼすのかを明らかにする。さらに、これらの菌株のゲノム解析結果をもとに有機物代謝や炭素固定機能について検討する。また、集積培養系のメタゲノム解析結果を精査し、主要細菌の機能（有機物供給及びマンガン酸化）を調査する。
マンガン酸化集積培養系を導入したバイオリアクターを引き続き運転し、前年度に示された連続処理及び回分処理における処理能力の違いについて明確にするとともに、その要因を明らかにする。各処理槽内のATP量や脱水素酵素活性を調査して微生物活性を評価するとともに、アンプリコン解析により細菌群集構造を明らかにし、低栄養細菌や従属栄養マンガン酸化細菌の処理槽内での挙動を解析することとする。さらに、各処理槽内で生成するマンガン酸化物の構造特性を粉末X線回折法や透過型電子顕微鏡観察によって評価し、運転条件がマンガン酸化物生成にどのような影響を与えるのか検討する。
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