2021 Fiscal Year Annual Research Report
Developent of a MFC driven anammox MEC system for self-sustaining wastewater treatment
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19H00776
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
岡部 聡 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10253816)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北島 正章 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30777967)
佐藤 久 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80326636)
押木 守 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (90540865)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 生物電解セル（MEC） / Nitrosomonas europaea / NH2OH酸化 / 生物電気化学的アンモニア酸化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、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ことである。
本年度は昨年度に引き続き、研究開発項目として提示した、①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、②MFCを部分硝化-Anammox MECの補助電源として用いることは可能か？について検討した。複合微生物群集である活性汚泥とNitrosomonas europaeaの純粋株（ATCC19718)を用いて生物電解セル（MEC）を構築し、ポテンシオスタットを用いてMECアノード電極の標準還元電位を+0.8V (vs SHE)に制御し、NH4+および中間生成物であるNH2OHの酸化速度および発生電流量を測定した。また、１５Nでラベルした窒素化合物を添加して気相中のN2, NO, N2OをGC/MSを用いて分析した。その結果、活性汚泥およびNitrosomonas europaeaの両者は、生物電気化学的にNH4+をNH2OHへ酸化することができなかった。一方、NH2OHは電気化学的にN2へ、また、生物学的および電気化学的にN2Oへ変換されることが確認された。以上のことより、既往の研究等で報告されている生物電気化学的アンモニア酸化反応は、リアクターに混入した微量の酸素により、NH4+がNH2OHまで酸化された後、生成したNH2OHが生物電気化学的にN2,またはN2Oへ変換されている可能性を明らかにすることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究開発項目として提示した、①アンモニア酸化細菌（AOB）Nitrosomonas europaea 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？について、これまでに解明されてこなかった独立栄養性のアンモニア酸化細菌（AOB）の関与およびNH4+除去メカニズムを実験的に解明することができた。本研究成果は、既往の研究等で報告されている生物電気化学的アンモニア酸化反応は、リアクターに混入した微量の酸素により、NH4+がNH2OHまで酸化された後、生成したNH2OHが生物電気化学的にN2,またはN2Oへ変換されている可能性を示唆するものであり、極めて重要な成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究においてこれまでに、独立栄養性のアンモニア酸化細菌の電気生物学的NH4+酸化反応の可能性を検討してきた。従属栄養性のアンモニア酸化細菌については検討していない。下水を対象とした窒素除去を報告する既往の研究では、独立栄養性のアンモニア酸化細菌と比較して従属栄養性アンモニア酸化・好気的脱窒細菌が優占的に存在していたとの報告もある。今後は、従属栄養性アンモニア酸化・好気的脱窒細菌による電気化学的アンモニア酸化およびカソード脱窒の可能性について検討を行う必要がある。さらに、これまでに構築したＭＥＣ内で生じているアンモニア性窒素除去のメカニズムについても解明する。
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