広島大学大学院 先進理工系科学研究科（工学系）
社会基盤環境工学プログラム
環境保全工学研究室

Research

研究室

嫌気性アンモニア酸化（アナモックス）による生物学的窒素除去

閉鎖性水域の富栄養化防止、硝酸性窒素による地下水汚染への対策の観点から効率的な窒素除去技術の確立が求められている。自然界には微生物よる窒素循環が存在している（下図左）。その中でも嫌気性アンモニア酸化（アナモックス）は窒素循環をショートカットする反応であり、従来の生物学的窒素除去法（硝化・脱窒法）と比べて高効率・省エネルギーな窒素除去法として注目されている。しかし、アナモックス反応を担うアナモックス細菌は増殖が遅く、培養することが難しいという課題がある。我々の研究室では、対象微生物を高濃度に保持できるカラム型の培養装置（下図右）を用いて、下水処理場の活性汚泥や広島湾の底泥を由来とするアナモックス細菌の培養に成功している。各アナモックス細菌の特徴を生かして、各種工業排水や畜産排水、閉鎖循環式陸上養殖の排水などへの適用を目指している。

図：嫌気性アンモニア酸化（アナモックス）による生物学的窒素除去

主な発表論文

  • Amin Mojiri, Kazuma Nishimoto, Takanori Awata, Yoshiteru Aoi, Noriatsu Ozaki, Akiyoshi Ohashi, Tomonori Kindaichi*: Effects of salts on the activity and growth of “Candidatus Scalindua sp.”, a marine anammox bacterium. Microbes and Environments, Vol. 33, No. 3, pp. 336-339. (2018 Sep.) https://doi.org/10.1264/jsme2.ME18068
  • Suguru Hosokawa, Kyohei Kuroda, Takashi Narihiro, Yoshiteru Aoi, Noriatsu Ozaki, Akiyoshi Ohashi, Tomonori Kindaichi*: Cometabolism of the superphylum Patescibacteria with anammox bacteria in a long-term freshwater anammox column reactor. Water, Vol. 13, No.2, 208. (2021 Jan.) https://doi.org/10.3390/w13020208
  • Takanori Awata, Yumiko Goto, Hisashi Kuratuska, Yoshiteru Aoi, Noriatsu Ozaki, Akiyoshi Ohashi, Tomonori Kindaichi*: Reactor performance and microbial community structure of single-stage partial nitritation anammox membrane bioreactors inoculated with Brocadia and Scalindua enrichment cultures. Biochemical Engineering Journal, Vol. 170, 107991. (2021 Mar.) https://doi.org/10.1016/j.bej.2021.107991
  • Jonathan A.C. Roques, Federico Micolucci, Suguru Hosokawa, Kristina Sundell, Tomonori Kindaichi*: Effects of recirculating aquaculture system wastewater on anammox performance and community structure. Processes, Vol. 9, No. 7, 1183. (2021 Jul.) https://doi.org/10.3390/pr9071183

都市下水処理場の活性汚泥に生息する微生物ダークマターの機能

下水処理場で生活排水の浄化に使われている活性汚泥は、多種多様な微生物から構成される人工複合微生物系である。活性汚泥を用いた排水処理は100年以上の実績があり、水環境の保全に貢献しているが、処理を担う細菌の85％以上は単離されていない（学名記載のない）細菌群であり、代謝機能が未解明であることから、宇宙を占める暗黒物質になぞらえて【微生物ダークマター】と呼ばれている。活性汚泥には、門レベルの系統分類群を構成するPatescibacteria又はCPR（Candidate Phyla Radiation）と呼ばれる細菌群が無視できない割合で存在している。本研究では培養を介さずに解析が可能なDNAの塩基配列に基づく系統解析、蛍光検出技術（下図）、微生物の高濃度保持が可能なバイオリアクターやこれまでの培養法とは一線を画する新規分離培養手法を適用する。

図：都市下水処理場の活性汚泥に生息する微生物ダークマターの機能

主な発表論文

  • Tomonori Kindaichi, Shiro Yamaoka, Ryohei Uehara, Noriatsu Ozaki, Akiyoshi Ohashi, Mads Albertsen, Per Halkjær Nielsen, Jeppe Lund Nielsen*: Phylogenetic diversity and ecophysiology of candidate phylum Saccharibacteria in activated sludge. FEMS Microbiology Ecology, Vol. 92, No. 6, pp. 1-11. (2016 Jun.) https://doi.org/10.1093/femsec/fiw078
  • Ryota Takenaka, Yoshiteru Aoi, Noriatsu Ozaki Akiyoshi Ohashi, Tomonori Kindaichi*. Specificities and efficiencies of primers targeting candidatus phylum Saccharibacteria in activated sludge. Materials, Vol. 11, No. 7, 1129. (2018 Jul.) https://doi.org/10.3390/ma11071129

ゲノム情報に基づく微生物分離技術の開発

環境中には、物質循環や水質浄化に重要な役割を果たす多様な微生物が生息している。しかし、その多くは分離・培養されておらず、実際にどのような条件で増殖し、どのような機能を発揮するかは十分に分かっていない。近年のゲノム解析によって、培養できていない微生物の存在や代謝能力を推定できるようになったが、その情報を実際の微生物の獲得と機能検証につなげることが課題となっている。私たちは、微生物のゲノム情報を手掛かりとして、目的の微生物を「狙って」分離する技術の開発を進めている。微生物ごとの塩基配列の違いや、プラスミドが維持される宿主の違いを利用し、多種多様な微生物が混在する集団から目的の微生物を選択的に回収することを目指す。モデル微生物の混合系で得られた原理実証を基盤として、環境由来の微生物群集への適用条件を検討している。また、複数の培養条件でコロニーの出現や増殖を画像解析し、目的微生物の検出と生育条件の探索を進める。得られた分離株のゲノムと生理的性質を調べることで、環境中で推定されてきた微生物の機能を直接検証し、環境保全や資源循環に利用できる微生物の探索につなげる。

ゲノム情報に基づく微生物分離技術の開発

主な発表論文

微生物の電子利用機構の解明と二酸化炭素の資源化

微生物の中には、電極や金属に由来する還元力を利用し、二酸化炭素から有機物を生産するものが存在する。このような微生物の働きを理解し制御することは、電気エネルギーを物質生産へつなげる技術や、二酸化炭素を原料として利用する生物学的プロセスの開発につながる。一方、外部から供給される電子が、微生物の細胞内でどのように炭素固定やエネルギー獲得に利用されるのかには、未解明の点が多い。私たちは、二酸化炭素から酢酸を生産する酢酸生成細菌などの嫌気性微生物を対象として、外部の還元力と細胞内代謝を結ぶ仕組みを研究している。電極、金属および水素を用いた培養条件を比較し、増殖と物質生産の変化を調べるとともに、遺伝子操作技術の整備やゲノム解析を通じて、電子の利用に関わる因子とその役割を明らかにする。これらの研究を基盤として、微生物による二酸化炭素の資源化や、金属腐食に関わる微生物反応の理解を進める。さらに、外部から供給される還元力と炭素固定の関係を調べることで、初期生命のエネルギー代謝がどのように成立したのかという、生命起源に関わる問いにも取り組んでいる。

微生物の電子利用機構の解明と二酸化炭素の資源化

主な発表論文

バイオリアクターによる排水からのレアメタル回収

レアアースを含むレアメタルは現代のテクノロジーに欠かせない資源であるが、天然に存在する量は限られている。レアメタルの需要は増加しており、レアメタルの回収およびリサイクル技術の開発が強く求められている。生物学的な回収プロセスは化学的なものと比べ、低エネルギーであることや副産物を出さないことなど、いくつか利点があることが知られている。多くの研究者たちは生物学的プロセスによるマンガン除去や、マンガン酸化物に重金属を吸着させる研究を行なってはいるが、レアメタルの生物学的除去・回収の有望なシステムは開発されていない。微生物反応によるマンガン酸化物を生物学的マンガン酸化物という。生物学的マンガン酸化物は多くのイオンに対して高い吸着性能を有することが知られている。マンガン酸化細菌はレアメタル吸着作用のあるマンガン酸化物を生成する微生物である。このマンガン酸化細菌が将来、レアメタルの除去・回収技術の鍵となる可能性がある。DHS (down-flow hanging sponge)リアクターはエアレーションが不要であり、低コストかつ低エネルギーで廃水を処理できるシステムである。我々の研究グループではDHSリアクターを用いてマンガン酸化細菌を培養し、マンガン酸化物を利用して微量に存在する自然や排水からレアメタルを回収する方法を提案している。培養したマンガン酸化細菌の代謝機能やマンガン酸化物を利用し、窒素循環を行う微生物に関する研究も行っている。

図：バイオリアクターによる排水からのレアメタル回収

主な発表論文

  • Linh Thi Thuy Cao, Hiroya Kodera, Kenichi Abe, Hiroyuki Imachi, Yoshiteru Aoi, Tomonori Kindaichi, Noriatsu Ozaki, Akiyoshi Ohashi*: Biological oxidation of Mn(II) coupled with nitrification for removal and recovery of minor metals by downflow hanging sponge reactor. Water Research, Vol. 68, No. 1, pp. 545-553. (2015 Jan.) https://doi.org/10.1016/j.watres.2014.10.002
  • Shunji Matsushita, Daisuke Komizo, Linh Thi Thuy Cao, Yoshiteru Aoi, Tomonori Kindaichi, Noriatsu Ozaki, Hiroyuki Imachi, Akiyoshi Ohashi*: Production of biogenic manganese oxides coupled with methane oxidation in a bioreactor for removing metals from wastewater. Water Research, Vol. 130, pp. 224-233. (2018 Mar.) https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.11.063
  • Shuji Matsushita, Takafumi Hiroe, Hiromi Kambara, Ahmad Shoiful, Yoshiteru Aoi, Tomonori Kindaichi, Noriatsu Ozaki, Hiroyuki Imachi, Akiyoshi Ohashi*: Anti-bacterial effects of MnO2 on the enrichment of manganese-oxidizing bacteria in downflow hanging sponge reactors. Microbes and Environments, Vol. 35, ME20052. (2020 Sep.) https://doi.org/10.1264/jsme2.ME20052
  • Ha Thi Thu Dinh, Hiromi Kambara, Yoshiki Harada, Shuji Matsushita, Yoshiteru Aoi, Tomonori Kindaichi, Noriatsu Ozaki, Akiyoshi Ohashi*: Bioelectrical methane production with an ammonium oxidative reaction under the no organic substance condition. Microbes and Environments, Vol. 36, No. 2, ME21007. (2021 Jun.) https://doi.org/10.1264/jsme2.ME21007

ポリリン酸蓄積細菌（PAOs）を用いた排水からのリン回収

リンは全ての生命にとって重要な元素であり、我々の社会においては農業肥料として使用されている。持続可能なリン供給を達成するためには下水からのリン回収が必須となる。下水処理プロセスにおいてリン除去はリンを蓄積する微生物によって達成されている。本研究の目的は排水からの新規リン回収プロセスの開発である(Figure 1)。我々はリン蓄積細菌(PAOs)の生態に注目し新たなリン回収方法を考案した。本プロセスではPAOsのリン吸着、放出をコントロールする事でリンを高濃度濃縮液として回収する事を可能としている。現在、実下水を用いたリン回収リアクターを運転しており(Figure 2)、リン回収を高効率化するためのパラメータを調査している。更に、高塩分環境(海洋や工場廃水)からのリン資源回収を目的として海洋性PAOsの調査、培養を行っている。

図：バイオリアクターによる排水からのレアメタル回収

主な発表論文

  • Awaluddin Nurmiyanto, Hiroya Kodera, Tomonori Kindaichi, Noriatsu Ozaki, Yoshiteru Aoi, Akiyoshi Ohashi*: Dominant Candidatus Accumulibacter phosphatis enriched in response to phosphate concentrations in EBPR process. Microbes and Environments, Vol. 32, No. 3, pp. 260-267. (2017 Sep.) https://doi.org/10.1264/jsme2.ME17020
  • 小寺 博也, 間口 暢之, 金田一 智規, 尾崎 則篤, 大橋 晶良: 高塩分環境下に生息するポリリン酸蓄積細菌. 土木学会論文集G(環境), Vol. 69, No. 7, pp. III_523-III_530. (2013 Nov.) https://doi.org/10.2208/jscejer.69.III_523
  • Hiroya Kodera, Masashi Hatamoto, Kenichi Abe, Tomonori Kindaichi, Noriatsu Ozaki, Akiyoshi Ohashi*: Phosphate recovery as concentrated solution from treated wastewater by a PAO-enriched biofilm reactor. Water Research, Vol. 47, No. 6, pp. 2025-2032. (2013 Apr.) https://doi.org/10.1016/j.watres.2013.01.027
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