未培養ルーメン微生物による非食用バイオマスの分解機構の解明とメタン発酵の高効率化

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H04749
• Research Institution: Niigata Agro-Food University
• Principal Investigator: 中井 裕 新潟食料農業大学, 食料産業学科, 教授 (80155655)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 福田 康弘 東北大学, 農学研究科, 助教 (50527794) ; 馬場 保徳 石川県立大学, 生物資源環境学部, 講師 (70747823) ; 阿部 憲一 新潟食料農業大学, 食料産業学科, 講師 (80618835) ; 浅野 亮樹 新潟食料農業大学, 食料産業学科, 准教授 (20646137)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Keywords: メタン発酵 / ルーメン微生物 / リグノセルロース / 集積培養 / 微生物群集解析

Outline of Annual Research Achievements

食肉処理場から採取した牛ルーメン液に対して酵素の発現と微生物群集の遷移を観察した結果、ルーメン液中にはリグノセルロース（LC）分解酵素産生種またはその近縁種の微生物が存在して、LC分解酵素を産生していることが示されたが、どの微生物がどのような酵素を産生しているのかという紐付けはできていない。これまでに、本研究課題期間中に構築したLC分解微生物の選択的培養法を用いて、食肉処理場にて採取した牛ルーメン液中から、種レベルで新規なFibrobacter属細菌の集積培養（微生物群集解析結果の相対的存在割合でおよそ50%）に成功している。本年度は、本培養法の再現性の確認と、牛ルーメン液および食物繊維系有機性廃棄物を投入したメタン発酵処理槽内の試料について広く微生物群集解析を実施し、LC分解への関与が窺える微生物種の把握を試みた。
過年度に報告した牛ルーメン液濃縮物のPacBioシーケンス解析結果を精査したところ、Prevotella属に分類されたASVの全てにおいて、既知の配列との遺伝子配列の相同性が90%前半であることが判明した。
同一の食肉処理場から別時期に採取した牛ルーメン液16試料のアンプリコンシーケンス解析結果、既知のLC分解細菌としては、多くの試料において0.5%以下の相対存在割合でXylanibacter（Prevotella）属細菌種が確認された。比較的高い存在割合を示したASVで既知種との相同性が高いものの多くは、ペプチドやアミノ酸、糖の分解に関与する細菌種であった一方、既知種との相同性が90%前半のASVも複数確認された。
食物繊維系有機性廃棄物複数種をそれぞれ単一で投入したメタン発酵処理槽内の試料については、とある試料において相対的存在割合が30%を超えるASVが確認されたが、既知種との相同性は低く、メタン発酵プロセスへの関与を推定することはできなかった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

LC分解微生物の選択的培養法の再現性を確認することはできたが、シングルセルゲノム解析用の試料としては確保できていないことから、当初の計画と比べてやや遅れていると判断した。一方で、未だ分離培養・同定されていない細菌種が優占している可能性がある試料を、食物繊維系有機性廃棄物のメタン発酵処理で牛ルーメン液の添加効果を検証した試験から得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

食肉処理場で採取した牛ルーメン液、および複数種の食物繊維系有機性廃棄物のメタン発酵処理槽内の試料の微生物群集解析の結果、既知種との16S rRNA遺伝子配列の相同性が90%台前半かつ解析試料中の相対的存在量で上位を占めるASVが複数確認された。これらの試料について、本研究課題で構築したLC分解微生物の選択的培養法を応用することで、目的の細菌種の分離培養を見据えた集積培養を実施する。その過程で、シングルセルゲノム解析に用いる試料にも用いる予定である。加えて、牛ルーメン液濃縮物を添加した食物繊維系有機性廃棄物のメタン発酵連続処理における微生物叢の変遷も追跡し、LC分解への関与が窺える微生物種の解明を試みる。