2019 Fiscal Year Research-status Report
バイオカソード型MFCを利用した新規脱窒プロセスに関する挑戦的研究
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19K22919
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
井上 千弘 東北大学, 環境科学研究科, 教授 (30271878)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 微生物燃料電池 / 脱窒反応 / カソード反応 / 排水処理 / 電流消費菌 / 電流産生菌 / 電極の表面構造 / 処理効率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
有機性廃棄物の処理と電気の生産を同時に行うことのできるシステムとして微生物燃料電池（MFC）が注目を集めている。現在のMFCでは、カソードでの電流消費反応には白金などの化学触媒を利用している。一方、細胞外から直接電子を取り込み、化学物質を還元する細菌の存在が知られており、このような細菌を用いることによって、カソードでの電流消費反応にも微生物を用いたバイオカソード型MFCを構築することが可能と考えられる。本研究は微生物燃料電池を改良し、カソード側でも微生物反応を利用して有害物質を処理するバイオカソード型MFCを開発することを目指すものである。
本年度は、高能力電流消費菌の探索と装置の改良による処理効率の改善の検討を行った。高能力電流消費菌の探索では、国内数ヶ所の嫌気的な環境から採取した細菌群集を接種源として硝酸還元能力を有する硫黄酸化細菌の集積培養を作成することができた。この単離株の得られた集積培養から、平板培地を用いて候補細菌の単離を行い、その単離に成功した。現在16SrRNA遺伝子解析による菌の同定を進めている。一方、電気培養による集積培養からは電流消費菌の候補は得られなかった。
電極への細菌の付着量を増大させるために電極表面の微細構造の検討を行い、孔径が10ミクロン程度のピンクッション状の構造であるPincushion film（PCF）を作製して大腸菌と枯草菌の担持特性を調べたところ、両細菌とも構造内に良く担持されることが示された。今後この構造を有するカソード電極の作成と評価を行っていく。
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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
当初予定していた計画通りに研究は進捗できていないが、以下のように研究目的達成のために必要な結果は順調に生まれてきており、研究は概ね順調に進展していると判断した。具体的には、電気培養系での集積培養では電流消費菌の集積は達成できなかったものの、嫌気硫黄酸化細菌の集積培養から目的の電流消費菌の候補となる細菌を単離することができている。また、電気培養装置の改良に先駆けて、電極の表面構造の検討を行い、電極表面に多くの細菌を担持できる構造を明らかにしている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は、電気培養による装置の運転条件の検討を中心に行う。T. denitrificansを用いた電気培養を行い、硝酸イオン濃度、pH、共存物質濃度を変化させて、硝酸および亜硝酸イオン濃度の変化と消費電流量を追跡し、カソード側の運転条件の最適化を検討する。本年度検討したPincushion film構造を有する電極を試作し、その効果の検証を行う。また、本年度に単離させた細菌の生理学的特徴を明らかにし、電流消費反応に対する
T. denitrificansとの比較を行う。
2021年度は 高能力電流消費菌を用いたバイオカソード型MFCの運転を中心に研究を行う。前年度の結果に基づき改良したバイオカソード型MFC装置を用い、獲得した高能力電流消費菌をカソードに接種して、最適条件の下で運転し、脱窒効率と起電力を評価する。次いでアノード側の有機物濃度と液組成を変化させながら、バイオカソード型MFC装置の最適な運転条件を見出していく。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた電気培養装置の改良に先駆けて、電極の表面構造の検討を行ったため、装置改良に必要な半透膜、電極材料などの部品購入を行わなかったため差額が生じた。これらの部品は次年度に購入する予定である。また、新型コロナウィルス感染拡大防止対策のため、3月に参加予定の国内学会がキャンセルとなったため、その経費分も未使用となった。この分に関しては次年度秋以降開催の学会に参加・発表を予定する。
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