| 研究課題/領域番号 |
19K04672
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
中野 和典 日本大学, 工学部, 教授 (30292519)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 堆積物微生物燃料電池 / 防虫 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、下水汚泥の脱水と発電を同時に行う堆積物燃料電池において観察されるチョウバエの発生抑制現象と下水汚泥からの金属溶離現象の解明と応用に挑む。これらの現象はミリボルトレベルの微弱な発電に伴って同時に起きており、チョウバエの発生抑制が電気ショックによるものでなく、汚泥から溶離した金属により引き起こされていることが考えられる。この仮説を検証するため、下水汚泥に含まれる金属の中で含量が最大である鉄を選択し、4系列（開回路Fe（3価）添加、閉回路鉄無添加、閉回路Fe（3価）添加、閉回路Fe（2価）添加）の堆積物燃料電池を作製し、鉄濃度を2mmol/Lとして、チョウバエ抑制試験を実施した結果、閉回路では鉄の価数に関わらずチョウバエの発生は抑制されたが、開回路Fe（3価）添加系では抑制されず、同濃度の鉄が存在しても発電が伴っていなければチョウバエ発生抑制効果は発揮されないことが明らかになった。次いで下水汚泥に含まれる金属の中で濃度の高い金属6種類を選択し、それぞれ濃度を5mmol/Lとして同様のチョウバエ抑制試験を実施した結果、Na添加系以外ではすべてチョウバエの発生が抑制された。Cu、Zn、Ni、Cr添加系の発電量はFe添加系と比べ微小であったが抑制効果が発揮されたのに対し、発電量が同様なレベルであったNa添加系では抑制効果がなかったことから、金属毒性の直接的な影響がチョウバエ抑制作用として反映された可能性が示唆された。これらのチョウバエ抑制試験は、扱いが容易な蛹を投入する新手法により実施した。その結果、投入したチョウバエの蛹は発電の有無に関わらず羽化するが、発電条件下では二世代目のチョウバエの発生は抑制されることが分かった。この結果より、堆積物燃料電池によるチョウバエの発生抑制がチョウバエのライフサイクルの中で卵から幼虫にかけての段階に対して起きていることが明らかとなった。
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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
令和元年度に計画していた研究課題(1)金属非存在条件におけるチョウバエの発生抑制効果の検証については、Na添加系ではチョウバエの発生抑制効果が発揮されないという結果を得たことで、発電単独ではチョウバエの発生抑制効果が発揮されないことをほぼ確定することができた。研究課題(2)チョウバエの発生抑制に必要な金属条件の解明については、発電量が微小で同等レベルであったNa添加系とCu、Zn、Ni、Cr添加系で異なる結果となり、Cu、Zn、Ni、Cr添加系ではチョウバエ発生抑制効果を確認することができたことから、各金属種の持つ生物毒性がチョウバエ抑制作用を与えていることを示唆する結果を得ることができた。一方、金属の濃度による効果の違いの検証については次年度に持ち越すことになった。研究課題(5)脱水を同時に行う堆積物微生物燃料電池の金属溶離特性の解明については、一連の本研究で開発してきたろ過濃縮型堆積物燃料電池の発電性能が汚泥の投入回数に伴い低下し、持続性に問題があることが明らかとなり、計画通りの検証を行うことができなかった。また、研究課題(1)(2)におけるチョウバエ発生抑制試験を扱いが容易な蛹を投入する新手法により実施したことで、堆積物燃料電池によるチョウバエの発生抑制がチョウバエのライフサイクルの中で卵から幼虫にかけての段階に対して起きていることが明らかとなり、令和2年度に計画していた研究課題(4)チョウバエのライフサイクルと発生抑制効果の関係の解明において求めていた答えを先行して得ることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究課題(2)チョウバエの発生抑制に必要な金属条件の解明の中で、金属の濃度による効果の違いの検証については持ち越しとなっており、令和2年度に実施する。研究課題(3)pH条件がチョウバエの発生抑制に及ぼす影響の解明（令和2年度）については、計画通りに異なるpH条件に調整した堆積物燃料電池を使用してチョウバエ発生抑制試験を実施し、pHが及ぼす影響を明らかにする。研究課題(4)チョウバエのライフサイクルと発生抑制効果の関係の解明（令和2年度）については、令和元年度に実施した研究課題(1)(2)において、扱いが容易な蛹を投入する新手法によりチョウバエ抑制試験を行ったことで、堆積物燃料電池によるチョウバエの発生抑制がチョウバエのライフサイクルの中で卵から幼虫にかけての段階に対して起きていることが明らかとなり、研究課題(4)において求めていた答えを先行して得ることができた。このため、研究課題(4)については令和2年度に実施する必要がなくなった。研究課題(5)脱水を同時に行う堆積物微生物燃料電池の金属溶離特性の解明（令和元年度）及び研究課題(6)pH条件が金属溶離特性に及ぼす影響の解明（令和2年度）については、ろ過濃縮型堆積物燃料電池の発電性能が汚泥の投入回数に伴い低下し持続性に欠けるという問題を解決しなければ計画通りの検証が行えない。このため計画を変更し、ろ過濃縮型堆積物燃料電池の発電性能の持続性の改善を図ることを優先し、課題を実施可能な持続性を得られ次第、当初計画を実施する方針とする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和元年10月12日に来襲した台風19号に伴う大雨により阿武隈川の水位が国土交通省の計画水位を1m以上超えたことにより、福島県郡山市にキャンパスがある日本大学工学部は大きな浸水被害を受けた。本研究課題の実施場所である環境生態工学研究室の実験室は床上90cmの浸水被害を受け、進行中であった実験すべてが中止を余儀なくされ、実験室の復旧には4か月余りを要した。令和2年4月現在においても完全な復旧には至っていない。これが令和元年度の当初計画が十分に実施できなかった最大の理由である。令和2年度は、今後の研究の推進方策に記述したとおりに当初計画を変更し、本研究の当初目的である下水汚泥の脱水と発電を同時に行う堆積物微生物燃料電池において観察されるチョウバエの発生抑制現象と下水汚泥からの金属溶離現象の解明と応用に挑む予定である。
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