低温環境下における堆肥化のスタートアップに重要な基質および微生物の解析

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K05880
• Research Institution: National Agriculture and Food Research Organization
• Principal Investigator: 花島 大 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 北海道農業研究センター, グループ長 (20414708)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前田 武己 岩手大学, 農学部, 准教授 (40333760)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 堆肥 / 低温環境 / 微生物 / 温度 / 基質

Outline of Annual Research Achievements

寒地の低温期には、堆肥化反応が起こらない、または反応が遅延する傾向にある。しかし堆肥温度を中温域まで上昇させることができれば、その後は加速度的に温度上昇が始まる現象が認められている。そこで本研究では低温環境下の堆肥化反応のスタートアップに重要な役割を果たす微生物および基質の特定を目的に掲げた。
昨年度の結果では、堆肥温度が5℃から12℃まで上昇する際に存在比が有意に増加する７つの微生物種が検出されたが、うち１つは未分類と判定されている。遺伝子配列の相同性検索では未培養細菌の16S rRNA遺伝子以外にも、真核生物のミトコンドリアDNA配列との相同性も高いという結果が得られたことから、本年度は最初にこの未分類と判定された微生物種の特定を試みた。昨年度採取したRNAサンプルについて、次世代シーケンサーによる18S rRNAをターゲットとしたアンプリコンシーケンスを実施した結果、堆肥温度が上昇する際に真菌叢が変化すること、また未分類と判定された遺伝子配列はMucoromycotina亜門に属する真菌に由来する可能性が示された。
堆肥原料に炭素源として、ペプトン、デンプン、およびオレイン酸を添加し、低温環境下における堆肥温度上昇効果を比較した。現在のところ、ペプトンおよびデンプンは、オレイン酸の添加に比較して低温環境下での温度の立ち上がりを早める傾向が認められているが、試験途中で温度制御に用いる低温恒温槽１台が動作不良となったため、新たに機器を購入し、次年度も引き続き炭素源添加効果を検証する。最終年度に実施予定の炭素源を原料に添加したパイロットスケール試験の予備試験として、秋から冬にかけての寒冷期に受動通気による堆積型堆肥化試験を実施した。強制通気を伴わない堆肥化処理においても、50℃以上の温度上昇が認められたことから、次年度は受動通気方式によるパイロット試験を実施する予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

計画立案時の仮説では、堆肥化過程での温度上昇は主として細菌の代謝活性に起因するものと予想していたが、細菌以外にも真菌の関与を示唆する結果が得られており、より広い微生物種をモニタリングする必要性が出てきている。堆肥原料への炭素源の添加試験については、低温環境を保持に使用する低温恒温槽の不調により、試験を一時中断せざるを得ない時期が生じた。堆肥温度の制御は、低温については低温恒温槽からの冷水の循環、高温についてはヒーターによる水の加熱により温度を制御しているが、堆肥の温度上昇局面では冷却と加熱が拮抗し、低温恒温槽のコンプレッサーに過度な負荷がかかることで機器のトラブルが生じたと推測された。よって制御プログラムの一部を改変し、次年度も引き続きデータの積み重ねを行う予定である。このように機器の不調、制御システムの改変、仮説と異なる結果が得られていることから回り道を余儀なくされており、予定よりも遅れているとの評価とした。

Strategy for Future Research Activity

今年度の結果から、低温環境下の堆肥における温度上昇は細菌だけではなく真菌の関与についても考慮する必要があることから、次年度からは両者のモニタリングを実施する予定である。また当初の予定では、低温環境下において温度上昇効果が認められる炭素源を特定し、その炭素源について安定同位体標識された基質を用いた堆肥化試験を実施予定であったが、機器の不調により見込みのある炭素源の絞り込みが十分でないため、その特定を急ぐこととする。

Causes of Carryover

今年度実施予定のSIP（Stable Isotope Probing）法に使用する安定同位体試薬購入の為に持ち越していた予算であるが、有望な炭素源を絞り込むことができなかったため、次年度に実施する試薬購入の為に執行する予定である。