Development of a stable anaerobic treatment process for organic wastewater using extracellular electron transfer

• Project/Area Number: 22K05926
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 41050:Environmental agriculture-related
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 加来 伸夫 山形大学, 農学部, 教授 (80359570)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 細胞外電子伝達 / 廃水処理 / 嫌気発酵 / メタン生成 / 微生物燃料電池

Outline of Research at the Start

微生物の機能を利用して有機性廃棄物（バイオマス）を分解浄化しながらエネルギーとして利用可能なメタンを回収できる嫌気発酵が注目されている。嫌気発酵の中間産物である酢酸やプロピオン酸といった揮発性脂肪酸の分解は、熱力学的には本来進行し得ない反応だが、揮発性脂肪酸分解細菌がメタン生成古細菌と水素を介した共生関係を構築することで進行可能となる。しかし、しばしばその分解能力を超えて揮発性脂肪酸が蓄積してしまい、pHが低下するなどして発酵プロセスが崩壊する。本課題では、揮発性脂肪酸分解菌とメタン生成古細菌の間に電気を介したより効率的な共生関係を構築することで発酵プロセスの崩壊を防ぐ技術の開発を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、VFAが蓄積しやすい「難処理廃水」を対象に、VFA分解で生じる還元力を、導電性の固形物を通して遠方の微生物に受け渡す「電気共生」や還元力を電極で受け取って電力として除去する「微生物燃料電池」を利用して、発酵プロセスの崩壊を防ぐ技術の開発を目指す。
令和5年度は、前年度に引き続き、揮発性脂肪酸分解とメタン生成の安定化を目指して、プロピオン酸、ペプトン、イーストエキスを含む合成廃水を用いて電気共生系の確立を目指した。
まず、合成廃水に水田土壌、アスファルト掘削跡地堆積物、牛舎廃水汚泥、豚舎廃水汚泥、都市下水嫌気消化槽汚泥あるいは鶏糞を微生物源として接種して嫌気的に保温することでメタン発酵を開始した。このときに、グラファイトフェルトの有無の異なる2条件（以下、グラファイト＋とグラファイト－と表す）で保温し、メタン生成やプロピオン分解に違いがあるかを確認したところ、両者の間に大きな違いはなかった。
次に、二槽式微生物燃料電池の負極槽にメタン生成阻害剤である2-ブロモエタンスルホン酸を添加した合成廃水、正極槽に有機物を含まない無機培地を入れて、両方に微生物源を接種して嫌気的に保温することで、負極で有機物が分解されて生じた電子が正極のメタン生成古細菌に流れてメタンが生成されるか確認した。水田土壌、アスファルト掘削跡地堆積物、豚舎廃水汚泥および鶏糞を接種したMFCではほとんど発電せず、正極槽におけるメタン生成と負極槽におけるプロピオン酸分解もわずかだった。一方、牛舎廃水汚泥を添加したMFCでは、一時的な15 mV程度の発電と継続的な1 mV程度の発電が1ヶ月程度継続し、負極槽におけるプロピオン酸分解と正極槽におけるメタン生成が確認された。このことから、試験した接種源の中で最も電気共生系を構築しやすいのは牛舎廃水汚泥であることが分かった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和5年度は、揮発性脂肪酸分解とメタン生成の安定化を目指して、プロピオン酸、ペプトン、イーストエキスを含む合成廃水を用いて電気共生系を確立することが目標だった。
もともとの計画では揮発性脂肪酸が蓄積して酸性化しやすい実廃水（食品工場からの洗米廃水やシロップ廃水、廃棄不凍液）を用いて電気共生系を確立し、効率的で安定した嫌気発酵を達成するところまで行う予定だったが、その手前の合成廃水を用いた実験にとどまった。
水田土壌、アスファルト掘削跡地堆積物、牛舎廃水汚泥、豚舎廃水汚泥、都市下水嫌気消化槽汚泥あるいは鶏糞の各微生物源を用いてメタン発酵を行い、それらにグラファイトフェルトを入れただけでは、揮発性脂肪酸分解やメタン生成は活発にならず、容易に電気共生系を構築できないことが明らかになった。電気共生系の構築は、微生物燃料電池を使って構築した方が、より簡単であることが分かった。試験した微生物源の中では、牛舎廃水汚泥で最も電気共生系を構築しやすく、プロピオン酸分解やメタン生成が細胞外電子伝達を介して進行することが示された。
今後は実廃水でも実験を行い、研究の遅れを取り戻す予定である。

Strategy for Future Research Activity

令和6年度には、実廃水での実験も行う予定である。揮発性脂肪酸分解やメタン生成を担っている微生物の特定は重要なので、微生物群集構造解析も行なって発酵槽内で起こっている現象について詳細に理解する。これらの実験は揮発性脂肪酸の中でも酢酸およびプロピオン酸の分解に焦点を当ててすすめる。
微生物燃料電池の装置は高価なので、コストを下げるために、廃水処理の段階では微生物燃料電池を使用しないことが望ましい。そのため、微生物燃料電池を用いるのは電気共生系を構築する段階のみとする技術の開発を試みる。具体的な手順は以下の通りである: １）微生物燃料電池をつかって、負極上に発電性の揮発性脂肪酸分解菌を高密度で集積し、２）正極上に電子を受け取るメタン生成古細菌を高密度で集積し、３）負極および正極を微生物燃料電池から取り出して結合し、４）揮発性脂肪酸を高濃度で含む合成廃水または実廃水のメタン発酵槽に入れてメタン発酵の効率化や安定化を実現できるか試験する。基質の濃度を様々に変えた条件で試験を行い、得られた結果からどれくらい嫌気処理を効率化・安定化できるか総合考察を行う。
本課題においては、多様な電流発生細菌の分離を試みる。分離した菌株については16S rRNA遺伝子の塩基配列に基づいた系統解析を行い、新種の可能性があるかどうか明らかにする予定である。