| 研究課題/領域番号 |
19H00776
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
岡部 聡 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10253816)
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| 研究分担者 |
北島 正章 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30777967)
佐藤 久 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80326636)
押木 守 長岡工業高等専門学校, 環境都市工学科, 准教授 (90540865)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 嫌気性アンモニア酸化(Anammox)プロセス / バイオ燃料電池(MFC) / 生物電解セル(MEC) / 部分硝化 / 都市下水処理 |
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| 研究実績の概要 |
嫌気性アンモニア酸化(Anammox)プロセスは、省エネ型窒素除去プロセスとして工場排水や嫌気性消化脱水ろ液処理などに適用が始まっているが、メインストリームの都市下水処理への適用は一向に進んでいない。メインストリームの都市下水処理への適用の鍵は、前段の部分硝化(NH4+をNO2-まで酸化する)プロセスの安定化・高効率化である。
本研究では、前段に有機物除去を担うバイオ燃料電池(MFC)を設け、MFCで発生する電圧を用いてMECアノード電極電位を制御することで、アンモニア酸化細菌(AOB)がアノード電極を電子受容体としてNH4+をNO2-まで酸化し、Anammox細菌が生成されたNO2-とNH4+を窒素ガス(N2)へ変換するMFC駆動型部分硝化(PN)-Anammox 生物電解セル(MEC)システムを開発するものである。本年度は以下の2点について検討した。① MFCを補助電源とし、アンモニア酸化細菌（AOB）は、アノード電極を電子受容体としてNH4+をNO2-へ酸化できるか？さらに、Anammox細菌は、アノード電極を電子受容体としてNH4+を直接N2へ酸化できるか？
② 亜硝酸酸化細菌(NOB; NO2-をNO3-に酸化する細菌)に特異的に感染し溶菌させるバクテリオファージは存在するのか？そして、それをNOB増殖抑制剤として利用し部分硝化反応(NH4+ → NO2-)の安定化を効率的に達成できるか？その結果、①関してはMFCを補助電源とするMECを構築し、NH4+の除去性能を確認できた。②に関しては、活性汚泥などからファージを濃縮しNitrospiraのバイオマスと混合し、ファージ感染の有無を確認する実験を行ったが、NOBに特異的に感染するバクテリオファージを獲得するには至らなかった。
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| 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
本年度は以下の2点について検討した。① MFCを補助電源とし、アンモニア酸化細菌（AOB）は、アノード電極を電子受容体としてNH4+をNO2-へ酸化できるか否かを検討した。具体的には、一槽式生物電解セル（MEC）を構築し活性汚泥を植種し、都市下水を用いて連続運転を行った。MECのアノードとカソードの電位差（電圧）を、まずはポテンシオスタットを用いて0-1.2 V (vs SHE)に制御しながらNH4+酸化速度、NO2-生成速度、NO3-生成速度、T-N除去速度を測定した。その結果、電位差900mVで最大のNH4+酸化速度及びT-N除去速度を達成した。この結果は、MEC内でNH4+酸化（硝化）と脱窒の同時反応が生じていることを示すものである。次に、② NOB増殖抑制剤として部分硝化反応(NH4+ → NO2-)を安定化に達成するために、亜硝酸酸化細菌(NOB; NO2-をNO3-に酸化する細菌)に特異的に感染し溶菌させるバクテリオファージは存在するのか否かについて検討した。活性汚泥などからファージを濃縮しNitrospiraのバイオマスと混合し、ファージ感染の有無を確認する実験を行ったが、NOBに特異的に感染するバクテリオファージを獲得するには至らなかった。今回はNOBとしてNitrospiraを用いたが、他のNOBを対象として探索を続ける予定である。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年度より検討してきた① MFCを補助電源とし、アンモニア酸化細菌（AOB）は、アノード電極を電子受容体としてNH4+をNO2-へ酸化できるか？② 亜硝酸酸化細菌(NOB; NO2-をNO3-に酸化する細菌)に特異的に感染し溶菌させるバクテリオファージは存在するのか？の課題をさらに継続して検討を行う。これらに加えて、③MEC内で生じる窒素除去メカニズムを解明する。このためには、反応を担う微生物菌叢を明らかにしなければならない。
MEC内（カソード電極側）にはAnammox細菌および従属栄養性脱窒細菌が共存し窒素除去に寄与すると考えられる。両者の窒素除去への寄与率を評価し脱窒メカニズムを解明する。MECカソードおよびアノード電極上のバイオフィルムを採取し、メタゲノム解析、プロテオーム解析、およびFISH等を行い詳細な細菌群集構造および窒素代謝経路の推定を行う。加えて15Nトレーサー実験を行う。14NH4+と15NO2-をMECに添加し、29N2および30N2の生成速度をGC-MSで測定し、この生成速度の比から寄与率を求める。窒素除去のアノード電位依存性を明らかにするために、バイオフィルムが付着したアノード電極を切り出し、二層式MECを用いて回分培養実験を行い、アノード電極電位を0.2-1.0Vまで変化させた時のアンモニア酸化速度、亜硝酸生成速度、および硝酸生成速度を測定する。
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