2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of novel environmental eco-biotechnologies using DHS reactor suitable for enrichment of useful microbes
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21H04576
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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)
青井 議輝 広島大学, 統合生命科学研究科(先), 准教授 (40386636)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| Keywords | エコバイオテクノロジー / 環境技術 / 資源回収 / 省エネ / 水処理 / 微生物 / DHSリアクター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
途上国に適用可能なエアレーションを要さない省エネ型のDHS（Down-flow Hanging Sponge）リアクターの研究を通して，下水処理としての機能だけでなく，新規の環境技術の創生が明らかになってきた。微生物は多種多様でそれぞれ特別の機能を有しており，難分解性排水処理等への適用も可能である。しかし実用化には，如何にしてある特別の機能を有している細菌をバイオリアクター内に優占的に集積培養し，高濃度に保持することができるか，が課題である。
本研究では，微生物の混入を防げない自然開放系の処理システムにおいて，優占的に細菌を培養する技術・エコバイオテクノロジーを利用し，新規の微生物の機能・特性を明らかにすることで，実用化・実装化の可能性が高い環境技術：1.難分解性排水処理，2.新規窒素処理プロセスの開発，3.排水等からの資源回収，4.温室効果ガスの分解による放散防止，5.途上国の普及に資するDHSバイオリアクターの改善，の5つの新規環境技術に特化し研究開発を行うことを目的としている。
初年度は主にその内の3つ，難分解性排水処理，新規窒素処理プロセスの開発，途上国の普及に資するDHSバイオリアクターの改善について実施した。その結果，次のような研究成果を得た。難分解性物質である染料はマンガン酸化物と微生物との併用により，脱色が可能であり，染料の分解機構を明らかにした。世界に先駆けて新規窒素サイクルによる窒素排水処理プロセス用いてアンモニアから窒素ガスに除去できることを実証した。スポンジ担体コスト削減が可能なDHS変法の処理性能を評価し，従来のDHSと同等の処理性能を有す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) 難分解性排水処理：従来の生物学的手法では難分解性有機物の分解は困難である。しかし，マンガン酸化細菌が難分解性の固形性有機物を利用して増殖できることを発見し，染料などの脱色・分解の可能性が示唆されていた。そこで，この分解機構を明らかにするために，分解生成物の質量分析を実施した。その結果，マンガン酸化物が染料を分解し，生成された分解物が生物学的作用によってさらに分解されるという難分解性物質の分解特性を明らかにした。
(2) 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：既存の窒素排水処理は，酸素がある好気性環境下でアンモニアを硝酸塩に酸化する硝化細菌と，酸素のない嫌気性環境下で硝酸塩を窒素ガスに変換する脱窒細菌によって処理が行われている。ところが，まだ新規の窒素サイクルがありそうで，本研究では，世界に先駆けて新規窒素サイクルによる窒素排水処理プロセスを提案し，DHSバイオリアクターを用いた排水処理実験により，新規窒素サイクルを実験的に実証した。さらに，新規の嫌気性アンモニア酸化細菌および好気脱窒細菌の分離培養を試みている。
(3) 途上国の普及に資するDHSバイオリアクターの改善：インドにDHS下水処理システムが実装され，途上国での下水処理に目処がついてきた。しかし，中南米の多くの国において導入したいと考えているが普及していない。その原因は，ランニングコストは安いもののDHS建設のイニシャルコストが阻害になっている。DHSリアクター内のスポンジは潰れないように，プラスチックのフレームで囲っている。このフレームのコストが原因である。そこで，スポンジ担体コスト削減が可能なDHSの変法を考案し，従来のDHSと同等の処理性能を有するかを長期の模擬下水処理実験で実施した。その結果，同等の処理能力を有することが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度は3つの開発技術を実施する。
1. 極低濃度メタンガスの分解：大気中のメタンを利用して増殖する微生物の知見は乏しい。しかし，これまでの研究においてpH3という強酸性下の条件で，メタン濃度5ppmでも増殖するメタン酸化細菌の生存を確認している。そこで，本研究では分離培養を実施すると共に，極低濃度メタンガスを分解除去するDHSリアクターの運転方法を確立する。増殖できたサンプルについては，ゲノム解析を行うと共に，新規の方法等で分離・培養を行い，特異的なメタン酸化酵素の特定と特性を調査する。
2. 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：既存の窒素排水処理は，硝化細菌と脱窒細菌によって処理が行われている。しかし，新規の窒素サイクルがありそうで，令和3年度の研究において，淡水での新規窒素サイクルによる窒素排水処理プロセスを実証することができた。そこで令和4年度では，海水でも新規窒素サイクルがあるかどうかを調査する。
3. メタンからの生分解性プラスチック原料PHA（ポリヒドロキシアルカノエート）の生成・回収：下水処理場からPHAを生産することが可能である。嫌気・好気環境を作り，PHAを蓄積する細菌を高濃度に集積してPHAを生成することができる。一方，これとは別に下水処理場から発生するバイオガス（主成分はメタン）を利用してPHAを生成することもできる。メタンを酸化する細菌（メタン酸化細菌）は２種類（Type IとII）に大別され，その内のType IIのメタン酸化細菌がPHAを生成すると報告されている。そこで本研究では，Type II（特に高PHA含有率の種）を集積培養する至適な条件(pH，メタン濃度など)，PHA含有量を高める培養条件（無機塩濃度など），メタン酸化細菌の機能・生態を調査し，その実験結果に基づいて高PHA含有Type II細菌にとって快適な環境を明らかにする。
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