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2016 年度 実施状況報告書

フロート型バイオリアクターによる藍藻と光合成細菌による水素生産

研究課題

研究課題/領域番号 15K00642
研究機関神奈川大学

研究代表者

井上 和仁  神奈川大学, 理学部, 教授 (20221088)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード再生可能エネルギー / 光合成 / 水素 / シアノバクテリア / 光合成細菌 / 太陽光 / バイオリアクター
研究実績の概要

藍藻や植物のような酸素発生型光合成を行う生物は光化学系Iおよび光化学系IIと呼ばれる二つのタイプの光化学反応中心を持っている。これら二つの光化学系は反応中心複合体の主要な光を補足する色素としてクロロフィル(Chl)aを使用し、400 ~700 nmの波長領域の可視光を利用することができる。太陽光のうち、この波長領域に該当する部分は光合成有効放射(Photosynthetically active radiation、PAR)として知られ、地球表面が受ける太陽光エネルギー全体の45%を占める。そして、残りの55%の多くは近赤外光が占めている。Chl aを持つ光合成生物は、近赤外光の大部分を利用できないが、紅色光合成細菌は主要な光合成色素としてバクテリオクロロフィル(BChl)aを持ち、400 ~900 nm付近の波長領域の光を光合成に利用することができる。今年度は、まず、紅色光合成細菌Rubrivivax gelatinosusの取り込み型ヒドロゲナーゼHupを不活化した株を作成し、破壊株の水素生産性が向上することを確認した。次に、二層のバイオリアクターの上層に藍藻Anabaena sp. PCC 7120ΔHup株を、下層に紅色光合成細菌R. gelatinosusΔHup株を入れ、一定量の光量で白熱灯照射した。上層や下層で培養する藍藻の培養濃度や、上層と下層で培養する株の組み合わせなどを変えて、上層および下層から発生する水素量を調べた。その結果、単位面積当たりの水素生産量は上層に藍藻、下層に紅色光合成細菌を培養した場合に、光エネルギーの利用効率が有意に向上することが確認された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

概ね順調に進展している。取り込み型ヒドロゲナーゼHupを破壊した紅色光合成細菌の作成を行い、の水素生産性や水素生産に影響する要因の解析を行った。水素低透過性プラスチックバッグを用いて試作した小型フロート型バイオリアクター内部に紅色光合成細菌を入れて培養し水素の蓄積が起こることを確認した。バイオリアクターを二層化し、上部に藍藻、下部に紅色光合成細菌を入れて培養し、単位面積当たりの水素生産量は上層に藍藻、下層に紅色光合成細菌を培養した場合に、光エネルギーの利用効率が有意に向上することが確認された。以上の観点から研究は概ね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

ニトロゲナーゼの活性部位がバナジウム、Feのみで構成されているタイプに置き換えた株の作成を継続中であり、スクリーニングを進める。これらの代替ニトロゲナーゼ発現株やヘテロシスト形成頻度を変えた藍藻と水素生産性を高めた紅色光合成細菌を培養できる多層型バイオリアクターに入れ、模擬太陽光照射システムの下に模擬海水(硫酸マグネシウムで比重を調整)を入れた大型水槽(水温制御装置付き)を設置し、その上にフロート型バイオリアクターを浮かべ、屋外をシュミレートした環境条件下での水素生産性を調べる。

次年度使用額が生じた理由

当初、購入を予定していたソーラーシュミレーターは24時間の明暗差の日周リズムを出すことが困難だったので、神奈川大学に設置されている太陽光模擬照射装置を代用して行ったため。当該機種を購入せず、代替機種を運転するための消耗品等に振り替えたため。

次年度使用額の使用計画

最終年度では、研究の総まとめを行い、論文校閲料、学会発表等の経費に充てる。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 図書 (2件)

  • [国際共同研究] ロシア科学アカデミーIBBP研究所(ロシア連邦)

    • 国名
      ロシア連邦
    • 外国機関名
      ロシア科学アカデミーIBBP研究所
  • [雑誌論文] Effect of growth conditions on advantages of hup- strain for H2 photoproduction by Rubrivivax gelatinosus2017

    • 著者名/発表者名
      Tatyana Laurinavichene, Masaharu Kitashima, Kenji V. P. Nagashima, Takeshi Sato, Hidehiro Sakurai, Kazuhito Inoue, Anatoly Tsygankov
    • 雑誌名

      Int. J. Hydrogen Energy.

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2016.12.074

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Effects of stacked bioreactors using cyanobacteria and purple bacteria for improved light energy utilization in photobiological hydrogen production2017

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Sato, Yuki Uchida, Kenji Nagashima, Hajime Masukawa, Masaharu Kitashima, Hidehiro Sakurai, Kazuhito Inoue
    • 学会等名
      第58回日本植物生理学会年会
    • 発表場所
      鹿児島
    • 年月日
      2017-03-16 – 2017-03-18
  • [学会発表] Improved Light Energy Efficiency of Photobiological Hydrogen Production in Stacked Bioreactors using Cyanobacteria and Purple Bacteria2017

    • 著者名/発表者名
      Kazuhito Inoue, Masaharu Kitashima, Kenji V. P. Nagashima, Hidehiro Sakurai, Takeshi Sato
    • 学会等名
      2017 International Conference on Artificial Photosynthesis
    • 発表場所
      Kyoto, Japan
    • 年月日
      2017-03-02 – 2017-03-05
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] シアノバクテリアおよび紅色細菌のニトロゲナーゼに基づく光生物学的水素生産の諸特性と持続性と光及び培養条件の検討2016

    • 著者名/発表者名
      櫻井英博、北島正治、白木麻里、増川一、佐藤剛、永島咲子、永島賢治、Evgeny Shastik,Tatyana Laurinavichene, Anastasiya Gavrisheva , Ekaterina Petushkova, Anatoly Tsygankov, 井上和仁
    • 学会等名
      第36回水素エネルギー協会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2016-11-28 – 2016-11-29
  • [学会発表] 光合成細菌Rubrivivax gelatinosus取り込み型ヒドロゲナーゼ破会株の水素生産特性2016

    • 著者名/発表者名
      佐藤剛、Tatyana Laurinavichene、永島賢治、北島正治、永島咲子、櫻井英博、井上和仁
    • 学会等名
      日本植物学会第80回大会
    • 発表場所
      那覇
    • 年月日
      2016-09-16 – 2016-09-19
  • [学会発表] シアノバクテリア、紅色光合成細菌の屋外条件下での水素生産実用化のための活性向上と評価2016

    • 著者名/発表者名
      櫻井英博、北島正治、佐藤剛、花本光、永島咲子、永島賢治、増川一、Anastasiya Gavrisheva, Evgeny Shastik, Ekaterina Petushkova, Tatyana Laurinavichene, Anatoly Tsygankov, 井上和仁
    • 学会等名
      第18回マリンバイオテクノロジー学会大会
    • 発表場所
      函館
    • 年月日
      2016-05-28 – 2016-05-29
  • [図書] 光触媒/光半導体を利用した人工光合成「ヘテロシスト形成型シアノバクテリアを利用した光生物学的水素生産法」2017

    • 著者名/発表者名
      井上和仁
    • 総ページ数
      230(84-91)
    • 出版者
      NTS
  • [図書] 再生可能エネルギーによる水素製造「シアノバクテリアからの高効率水素生産」2016

    • 著者名/発表者名
      北島正治、櫻井英博、井上和仁、増川一
    • 総ページ数
      193(143-151)
    • 出版者
      S&T出版

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公開日: 2018-01-16   更新日: 2022-02-16  

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