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Establishment of Stable Granular Symbiosis of Microalgae and Bacteria with Well Separated Oxygenic Photosynthesis and N2 Fixation in Its Layered Structure

研究課題

研究課題/領域番号 22K19863
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分64:環境保全対策およびその関連分野
研究機関筑波大学

研究代表者

雷 中方  筑波大学, 生命環境系, 准教授 (30634505)

研究分担者 原 田  筑波大学, 生命環境系, 助教 (80868258)
張 振亜  筑波大学, 生命環境系, 名誉教授 (20272156)
研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
キーワードAlgal-bacterial granule / Nitrogen fixation / Carbon neutrality / Resource recovery / N2 fixation / Functional biomass
研究開始時の研究の概要

This research for the first time will establish a well separated oxygenic photosynthesis and N2 fixation in the outer and inner layers of algal-bacterial aerobic granular sludge biosystem that can efficiently treat waste/wastewater with no C and/or N, and simultaneously produce functional biomass.

研究実績の概要

(1) Cyanobacteria cells and its granules exhibited higher nitrate than ammonia removal capacity, in which cyanobacteria granules can uptake 100% of nitrate and fix a large amount of N2 into granular biomass, especially under N2 recirculation condition.
(2) Dissolved oxygen and pH were found the two crucial parameters for the stable operation of granule system. The proposed future algal-bacterial granule-based wastewater treatment plants can remove all CO2 produced in the plants.
(3) Besides three invited reports in international conferences/seminars, seven high-quality papers with a total impact factor of 87.9 were published.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

We have already achieved the expected targets of the project, i.e. N fixation and carbon neutrality with no need of mechanical aeration, the most energy-intensive operation in wastewater treatment plants if algal-bacterial granules are applied in their biological treatment units.

今後の研究の推進方策

(1) Examine the sensitivity of algal-bacterial granules to different types of carbon and nitrogen sources and different salinity levels;
(2) Search a simple and feasible means to maintain the stable granule's layered structure with less or no greenhouse gases (GHGs) emission from the established algal-bacterial granule system; and
(3) Figure out the role of microalgae and/or cyanobacteria in reduced GHGs emission from the granule system.

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 9件、 査読あり 12件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 18件、 招待講演 5件) 備考 (6件)

  • [雑誌論文] A preliminary test for nitrogen recovery potential of nitrogen fixing cyanobacteria and its granules treating wastewater containing different nitrogen species2024

    • 著者名/発表者名
      Zhao Y., Li Z., Fan Y., Santisouk L., Lei Z.*, Yuan T., Shimizu K., Utsumi M.
    • 雑誌名

      Chemical Engineering Journal

      巻: 490 ページ: 51765-51765

    • DOI

      10.1016/j.cej.2024.151765

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energy and resource recovery from a future aerobic granular sludge wastewater treatment plant and benefit analysis2024

    • 著者名/発表者名
      Chen X., Wang X., Wang Q., Wang J., Lei Z., Yuan T., Zhang Z., Lee D.-J.
    • 雑誌名

      Chemical Engineering Journal

      巻: 401 ページ: 150558-150558

    • DOI

      10.1016/j.cej.2024.150558

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Disintegration and re-granulation of aged algal-bacterial aerobic granular sludge in wastewater treatment2024

    • 著者名/発表者名
      Wang J., Li Z., Lei Z.*, Qian X., Zhang Z., Liu X., Lee D.-J.
    • 雑誌名

      Journal of Water Process Engineering

      巻: 57 ページ: 104614-104614

    • DOI

      10.1016/j.jwpe.2023.104614

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Use of photo-driven algal-bacterial aerobic granular sludge system to close carbon cycle in biological wastewater nutrients removal and sludge anaerobic digestion units in wastewater treatment plants2023

    • 著者名/発表者名
      Wang J., Li Z., Wang Q., Lei Z.*, Qian X., Zhang Z., Liu X., Lee D.-J.
    • 雑誌名

      Chemical Engineering Journal

      巻: 475 ページ: 145999-145999

    • DOI

      10.1016/j.cej.2023.145999

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Photosynthetic oxygen-supported algal-bacterial aerobic granular sludge can facilitate carbon, nitrogen and phosphorus removal from wastewater: Focus on light intensity selection2023

    • 著者名/発表者名
      Li Z., Wang J., Liu W., Zhao Y., Lei Z.*, Yuan T., Shimizu K., Zhang Z., Lee D.-J.,
    • 雑誌名

      Bioresource Technology

      巻: 388 ページ: 129752-129752

    • DOI

      10.1016/j.biortech.2023.129752

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhanced alginate-like exopolymers recovery from algal-bacterial aerobic granular sludge: Optimal cultivation condition and contribution of bacteria and microalgae during the transport/storage period2023

    • 著者名/発表者名
      Chen X., Mai J., Dong X., Wang Q., Li Z., Yuan T., Lei Z.*, Zhang Z., Shimizu K., Lee D.-J.
    • 雑誌名

      Bioresource Technology

      巻: 382 ページ: 129155-129155

    • DOI

      10.1016/j.biortech.2023.129155

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly efficient carbon assimilation and nitrogen/phosphorus removal facilitated by photosynthetic O2 from algal-bacterial aerobic granular sludge under controlled DO/pH operation2023

    • 著者名/発表者名
      Li Z., Wang J., Liu J., Chen X., Lei Z.*, Yuan T., Shimizu K., Zhang Z., Lee D.-J., Lin Y., Adachi Y., van Loosdrecht M.C.M.
    • 雑誌名

      Water Research

      巻: 238 ページ: 120025-120025

    • DOI

      10.1016/j.watres.2023.120025

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Revealing calcium ion behavior during anaerobic phosphorus release process in aerobic granular sludge system2023

    • 著者名/発表者名
      Wang J., Li Z., Wang Q., Chen X., Lei Z.*, Shimizu K., Zhang Z., Adachi Y., Lee D.-J.
    • 雑誌名

      Bioresource Technology

      巻: 369 ページ: 128474-128474

    • DOI

      10.1016/j.biortech.2022.128474

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Transition of biological wastewater treatment from flocculent activated sludge to granular sludge systems towards circular economy2023

    • 著者名/発表者名
      Semaha P., Lei Z.*, Yuan T., Zhang Z., Shimizu K.
    • 雑誌名

      Bioresource Technology Reports

      巻: 21 ページ: 101294-101294

    • DOI

      10.1016/j.biteb.2022.101294

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A review on recovery of extracellular biopolymers from flocculent and granular activated sludges: Cognition, key influencing factors, applications, and challenges2022

    • 著者名/発表者名
      Chen X., Lee Y.-J., Yuan T., Lei Z.*, Adachi Y., Zhang Z., Lin Y., van Loosdrecht M.C.M.
    • 雑誌名

      Bioresource Technology

      巻: 363 ページ: 127854-127854

    • DOI

      10.1016/j.biortech.2022.127854

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Energy saving and rapid establishment of granular microalgae system from tiny microalgae cells: Effect of decrease in upflow air velocity under intermittent aeration condition2022

    • 著者名/発表者名
      Wang Q., Yang Y., Shen Q., Chen X., Li F., Wang J., Zhang Z., Lei Z.*, Yuan T., Shimizu K.
    • 雑誌名

      Bioresource Technology

      巻: 363 ページ: 127860-127860

    • DOI

      10.1016/j.biortech.2022.127860

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Nitrous oxide emission mitigation from biological wastewater treatment - A review2022

    • 著者名/発表者名
      Lee Y.-J., Lin B.-l., Lei Z.*
    • 雑誌名

      Bioresource Technology

      巻: 362 ページ: 127747-127747

    • DOI

      10.1016/j.biortech.2022.127747

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Response of nitrogen fixing cyanobacteria and its granules to different nitrogen species for nitrogen recovery2023

    • 著者名/発表者名
      Yankai Zhao, Zejiao Li, Yunqiang Fan, Lathdavong Santisouk, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Motoo Utsumi
    • 学会等名
      The 1st International Conference on the Practical Zero Emissions Technologies and Strategies (PZETS 2023) and the 2nd Workshop on Water Sustainability & Green Technology
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Biogranulation for Wastewater Treatment: Achievements and Perspectives2023

    • 著者名/発表者名
      Zhongfang Lei
    • 学会等名
      China-Japan Seminar on Interfacial Processes and Control Measures of Combined Pollutants
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ongoing Research Advancements in Biogranulation for Wastewater Treatment and Resource Recovery2023

    • 著者名/発表者名
      Zhongfang Lei
    • 学会等名
      2023 Joint Seminar on Environmental Sciences between Zhengzhou University (China) and University of Tsukuba (Japan)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Response of Broken Microalgae Granules to Different Influent Phosphorus Concentrations: Re-granulation, Granule Stability, and Phosphorus Recovery2023

    • 著者名/発表者名
      Qian Wang, Hui Li, Xingyu Chen, Qingyue Shen, Jixiang Wang, Fengmin Li, Zhenya Zhang, Zhongfang Lei*, Tian Yuan
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Re-granulation and Performance of Anaerobically Digested Bacterial and Algal-bacterial Aerobic Granular Sludge2023

    • 著者名/発表者名
      Xingyu Chen, Xinyue Wang, Jinfei Mai, Xiaochuan Dong, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Zhenya Zhang, Duu-Jong Lee
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Application of Algal-bacterial Aerobic Granular Sludge Process for Saline Wastewater Treatment: A Review2023

    • 著者名/発表者名
      Xiaochuan Dong, Ziwen Zhao, Ke Jin, Xingyu Chen, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Motoo Utsumi, Zhenya Zhang
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Influence of Heavy Metals on Granular Sludge during Wastewater Treatment and Corresponding Sustainable Solutions: A Review2023

    • 著者名/発表者名
      Yankai Zhao, Zejiao Li, Yunqiang Fan, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Motoo Utsumi
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Nitrogen Recycling via Nitrogen-fixation Bacterium for Sustainable Wastewater Treatment: A Review.2023

    • 著者名/発表者名
      Yankai Zhao, Zejiao Li, Yunqiang Fan, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Motoo Utsumi
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Methane Production and Nutrients Recovery from Bacterial and Algal-bacterial Aerobic Granular Sludge2023

    • 著者名/発表者名
      Xinyue Wang, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Kazuya Shimizu, Zhenya Zhang
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Use of Algal-bacterial Granular Sludge for Sustainable Wastewater Treatment: A Review on Mechanisms, Applications, and Challenges2023

    • 著者名/発表者名
      Ge Gao, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Motoo Utsumi
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Comparative Sustainability Evaluation of Conventional Flocculent Activated Sludge, Bacterial and Algal-bacterial Aerobic Sludge Systems toward Successful Circular Economy Integration2023

    • 著者名/発表者名
      Philip Semaha, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Zhenya Zhang, Kazuya Shimizu
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Stable and High-efficacy Nitrogen Removal from Wastewater by Algal-bacterial Aerobic Granular Sludge under No Mechanical Aeration2023

    • 著者名/発表者名
      Zejiao Li, Jixiang Wang, Yankai Zhao, Jialin Liu, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Kazuya Shimizu, Zhenya Zhang, Duu-Jong Lee
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optimal Operating Conditions and Contribution of Bacteria and Microalgae to Alginate-like Exopolymers Production in Algal-bacterial Aerobic Granular Sludge System2023

    • 著者名/発表者名
      Jinfei Mai, Xingyu Chen, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Kazuya Shimizu, Zhenya Zhang
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Discussion on Potentials of Algal-bacterial Aerobic Granular Sludge as Feed in Aquaculture2023

    • 著者名/発表者名
      Wenjun Liu, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Motoo Utsumi
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Potentials of O2 Production and Demand in Algal-bacterial Aerobic Granular Sludge System under No Mechanical Aeration2023

    • 著者名/発表者名
      Jialin Liu, Zejiao Li, Jixiang Wang, Zhongfang Lei*, Tian Yuan,Kazuya Shimizu, Zhenya Zhang
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Disintegration and Self-recovery Potential of Algal-bacterial Aerobic Granular Sludge2023

    • 著者名/発表者名
      Jixiang Wang, Zejiao Li, Xingyu Chen, Zhongfang Lei*, Tian Yuan, Zhenya Zhang, Duu-Jong Lee, Xiaoyong Qian
    • 学会等名
      The 1st International Conference on Bioprocess and Sustainability (ICBS2023)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microalgae Biogranulation and Its Potentials for Energy Recovery and Biomaterials Accumulation from Wastewater2022

    • 著者名/発表者名
      Zhongfang Lei
    • 学会等名
      International Conference on Biotechnological Advances towards Sustainable Developments (BIOSPECTRUM-2022)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Phosphorus Recovery from Wastewater via Aerobic Granular Sludge Process2022

    • 著者名/発表者名
      Zhongfang Lei
    • 学会等名
      The 10th International Forum on Industrial Bioprocesses (IBA-IFIBiop)
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 筑波大学研究者総覧

    • URL

      https://trios.tsukuba.ac.jp/en/researcher/0000003223

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] Researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/Lei_Zhongfang

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
  • [備考] ResearchGate

    • URL

      https://www.researchgate.net/profile/Zhongfang-Lei

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] Google Scholar

    • URL

      https://scholar.google.com/citations?user=VLVoKUsAAAAJ&hl=en

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書
  • [備考] 筑波大学研究者総覧

    • URL

      https://trios.tsukuba.ac.jp/ja/researcher/0000003223

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Researchgate

    • URL

      https://www.researchgate.net/profile/Zhongfang-Lei

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-07-05   更新日: 2024-12-25  

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