細胞外電子伝達現象を利用した有機性廃水の安定的嫌気処理法の開発

• 研究課題/領域番号: 22K05926
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分41050:環境農学関連
• 研究機関: 山形大学
• 研究代表者: 加来 伸夫 山形大学, 農学部, 教授 (80359570)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2024年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2024年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

本研究では、VFA（揮発性脂肪酸）分解によって生じる還元力を、導電性固形物を介して遠方の微生物に伝達する電気共生や、電極で回収して電力として利用する微生物燃料電池（MFC）の活用により、VFA蓄積によるメタン発酵プロセスの崩壊を防止する技術の開発を目指した。
メタン発酵槽と2槽式MFCを用いてVFAの蓄積に対する耐性を比較した結果、MFCの方が高い耐性を示すことが明らかとなった。次に、MFCの負極微生物および正極微生物の間の電気共生の構築を試みた。その結果、負極で酢酸やプロピオン酸の分解によって得られた還元力が正極へと移動し、メタン生成により消費されるMFCシステムの構築に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、VFAの蓄積により不安定化しやすい食品廃水や畜産排水などの難分解性廃水に対し、安定的かつ省エネルギーな処理技術の開発に資する基礎的知見を提供するものである。MFCがVFAに高い耐性を示すこと、また外部電力なしでメタン生成と連携可能であることを実証し、新たなバイオリアクター設計の可能性を示した。さらに、既存の嫌気性処理の課題を克服する方策としても有望である。本成果は、持続可能な資源循環型社会の構築や、地域分散型エネルギーシステムの確立、低炭素社会の実現に貢献する意義を有する。