2023 Fiscal Year Final Research Report

Revealing the ecophysiologies of nitrous oxide-reducing bacteria towards the mitigation of greenhouse gas emissions in advanced nitrogen removal processes for wastewater treatment

Research Project

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Project/Area Number	20KK0243
Research Category	Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 64:Environmental conservation measure and related fields
Research Institution	Tokyo University of Agriculture and Technology
Principal Investigator	Terada Akihiko 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30434327)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	黒岩恵東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00761024) 徳山英昭東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10363029) 末永俊和広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (80828377) 安田昌平東京農工大学, 学内共同利用施設等, 産学官連携研究員 (10910672)
Project Period (FY)	2020-10-27 – 2024-03-31
Keywords	亜酸化窒素 (N2O) / N2O還元細菌 / Anammox細菌 / N2O消費速度 / メタゲノム解析 / 脱窒細菌 / 集積培養 / 15Nトレーサー
Outline of Final Research Achievements	Energy-saving nitrogen removal from wastewaters occasionally offsets the mitigation of greenhouse gas nitrous-oxide (N2O) emissions. To break down the trade-off, this study aimed at exploring uncultured N2O-reducing bacteria, understanding their ecophysiologies, culturing them, and harnessing them to mitigate N2O emissions from engineered systems. A fine-tuned 15N tracer method disentangled the potential of N2O-reducing bacteria and their limiting factors. Metagenomic analysis revealed that the majority of N2O-reducing bacteria in energy-saving nitrogen removal processes have a non-denitrifying nature, lacking some denitrifying genes, and a trait possessing diversified genes to synthesize vitamin B12, essential for methionine biosynthesis. Long-term enrichment, followed by isolation, attained non-denitrifying N2O-reducing bacteria. Furthermore, a design of a suitable gel-entrapment technology immobilizing N2O-reducing bacteria for N2O mitigation was established.
Free Research Field	環境バイオテクノロジー
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	富栄養化の原因物質の窒素化合物を省エネで除去可能なAnammoxプロセスは、場合によって強力な温室効果ガスである亜酸化窒素（N2O）の排出を増長させるトレードオフを有している。N2Oは排水処理施設のCO2フットプリントの大部分を占めることが知られており、排出削減が必要不可欠である。本研究では、省エネ型窒素除去プロセスにおいて安定的にN2Oを除去可能なN2O還元細菌の深層理解と有用種の獲得、および削減技術開発の基盤構築を達成した。このような成果により、従来の課題であった排水処理の省エネ化と温室効果ガスの排出削減を両立し、温室効果ガスの削減を達成する技術確立に寄与できることが期待される。