New development of dynamics and characterization dissolved organic nitrogen in freshwater environments by molecular weight fractionation using nanofiltration
Project/Area Number |
21K12232
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 63010:Environmental dynamic analysis-related
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Research Institution | Lake Biwa Environmental Research Institute |
Principal Investigator |
早川 和秀 滋賀県琵琶湖環境科学研究センター, 総合解析部門, 部門長 (80291178)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山口 保彦 滋賀県琵琶湖環境科学研究センター, 総合解析部門, 主任研究員 (50726221)
布施 泰朗 京都工芸繊維大学, 分子化学系, 准教授 (90303932)
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Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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Keywords | 溶存態有機窒素 / 分子量分画 / ナノ膜 / 窒素枯渇 / 湖沼 / 溶存有機態窒素 / 限外ろ過 / 湖沼水質 / 溶存有機物 / 生分解 / 窒素動態 |
Outline of Research at the Start |
湖沼や海洋では、無機窒素に加えて、溶存有機窒素(DON)が水域の生物生産を支える栄養源となっている可能性があるが、実態には謎が多い。水域への栄養塩流入負荷の効果的な管理のためにも、DONの生分解性(=分解されて窒素栄養塩を供給する能力)の変動要因の解明が必要である。本研究では、水圏DONの動態を決める因子として分子量を新たな切り口に、DON生分解性が変動するメカニズムを解明する。ナノ膜等の技術を駆使するDONの高精度定量法と分子量分画法、生分解実験、最先端化学分析法(FT-ICR-MS、TOC-SEC等)を組み合わせて、DONの分子量分布、生分解性、化学組成の関係を明らかにする。
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Outline of Annual Research Achievements |
DONの定量法として、ナノ濾過膜による限外ろ過法を用いた方法の開発を進めてきた。前年度に判明したナノ濾過膜が急速に劣化する現象に対して検討を重ねた結果、膜ではなくポンプの脈動および流路に問題がみつかった。そのため、脈動をおさえるダンパーを装着したろ過システムへと改善した。また、使用するナノ濾過膜およびろ過プロトコルも見直し、0.6k Daのナノ濾過膜を用いた新たなプロトコルを開発した。これにより、ろ過時間や精度が大幅に改善されて、ルーチンの分析が可能となった。 改善されたろ過システムを用いて、琵琶湖水を30kDa, 0.6kDaで分画し、高分子量、中分子量、低分子量とする測定を行った。各画分の溶存態有機窒素(DON)は溶存態全窒素量に対して、高分子量で10%、中分子量で43%(n = 5)を占めた。琵琶湖水では、硝酸態窒素が夏季に枯渇する現象があり、全窒素に占めるDONの割合が増えていると考えられた。低分子量の解析を残しているため、全体像の考察にはまだ至っていない。 湖水のDON化学組成について調べるため、大量の湖水(約40L)をナノ濾過膜で回収濃縮した試料のCE-TOFMS分析を行った。その結果、各種アミノ酸のほかヌクレオシド、アミン類などが検出された。その特性を評価するには、試料の回収率がまだ十分でなく、検出数も充分でない。そのため、回収率を上げる前処理の検討を行う必要がある。
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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
2021年度に進捗が遅れていたDONの定量法と分子量別分画法の開発は、2022年度の方法改善によっておおむね確立できた。いくつかの琵琶湖水試料について測定を実施しており、今後にデータ数を増やすことができる。マイクロコスム生分解実験による分子量別DONの分解速度推定は、分子量分画法の開発を待っていたため、今後、実験を行い、生分解によるDONの変動を解析する。 分子量別のDON化学組成の包括的解析について、先行して、CE-TOFMSの分析を行ったが、反応熱分解ガスクロマトグラフ質量分析、高速液体クロマトグラフ蛍光検出分析についても、分析条件の調整は終了しており、逐次データを測定する予定である。
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Strategy for Future Research Activity |
琵琶湖水や琵琶周辺の内湖試料について分子量別DON分画の測定を実施する。そのDONの各画分の濃度変動や季節性変動から、湖水中のDONの生成と分解にかかる特性を把握する。 また、同湖水にて生分解実験を行い、生分解前後よるDONの変動も解析して、先の季節性の解析とあわせたDONの動態を考察する。 中規模限外ろ過システムにより湖水を濃縮して、分子量別のDON化学組成の包括的解析について、反応熱分解ガスクロマトグラフ質量分析等の試験を行う。以上により、水圏DONの分子量分布と生分解性の関係について、成分を含めた動態解析を実施する。
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Report
(2 results)
Research Products
(17 results)
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[Presentation] Biodegradation kinetics and molecular-size distribution of freshwater dissolved organic matter during long-term incubations2021
Author(s)
Yamaguchi, Y. T., Shimotori, K., Imai, A., Okazaki, Y., Ohara, T., Nakamura, M., Hichiri, S., Okamoto, T., and Hayakawa K.
Organizer
ASLO 2021 Aquatic Sciences Meeting
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[Presentation] Biodegradation kinetics of different molecular-size classes of freshwater dissolved organic matter during long-term incubations2021
Author(s)
Yamaguchi, Y. T., Shimotori, K., Imai, A., Okazaki, Y., Ohara, T., Nakamura, M., Hichiri, S., Okamoto, T., and Hayakawa K.
Organizer
SIL 2021: 35th Congress of the International Society of Limnology
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