Revealing the promoting factor of direct interspecies electron transfer by conductive materials in anaerobic digestion

揭示厌氧消化中导电材料直接种间电子转移的促进因素

• 批准号: 19J14783
• 负责人: 小寺 敏光
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Soka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J14783/
• 关键词: メタン発酵; 有機性排水処理; 導電性担体; 異種微生物間直接電子伝達; 効率化; メタン生成菌; Geobactor

メタン発酵では、しばしば酸生成菌とメタン生成菌間での電子伝達を行うH2が蓄積することで揮発性脂肪酸の分解が停止し、プロセスが不安定化することが知られている。近年、微生物間の電子伝達を導電性の線毛や担体を介して直接行う直接電子伝達によるメタン発酵の効率化が注目されている。直接電子伝達を促すためには電子を細胞外に伝達可能なGeobactor等の酸生成菌を優占する必要がある。これまで、活性炭やバイオ炭、グラファイトなどの導電性担体をメタン発酵槽に添加することで馴養を行いプロセスの効率化が行われてきたが、担体の性状とメタン発酵との関係性は明らかでない。効率的にメタン発酵プロセスを安定化するためには、担体が直接電子伝達を促す支配因子を明らかにする必要がある。そこで本研究は、導電性担体の添加濃度、粒子径、種類がメタン生成に与える影響を明らかにすることを目的とした。異なる担体を添加した実験1では、メタン発酵の効率化には比表面積が高く、微生物が付着しやすい多孔質を持つことが重要であると明らかとなった。活性炭の添加濃度および粒子径を変えた実験2では、槽内に添加した担体の表面積がメタン発酵の効率化において重要であることが明らかとなった。粒子径を統一した条件下で異なる担体を添加した実験3では、メタン生成速度などの向上が見られなかった。この要因として、比表面積が小さい担体であり、かつ担体の添加量が少なかったため、異種間直接電子伝達にかかわる微生物が順養されなかったと考えられた。これらのことから、導電性担体の添加濃度の増加や粒子径の微細化により添加表面積を増加させること、また微生物が付着しやすい細孔構造を持つことが、導電性担体によるメタン発酵の効率化において重要であることが明らかとなった。今後の課題として微生物群衆構造の解明および微生物順養条件（基質の種類、基質濃度など）の検討が挙げられる。

在甲烷发酵中，众所周知，H2的积累经常在产生酸性细菌和甲烷发育细菌之间传播电子，导致挥发性脂肪酸的降解停止，并且该过程不稳定。近年来，人们非常关注通过直接电子转移提高甲烷发酵的效率，在这种电子转移中，微生物之间的电子转移直接通过导电纤毛或载体直接进行。为了促进直接电子转移，有必要主导产生酸性的细菌，例如地理生产剂，该细菌可以将电子传播在细胞外。到目前为止，已将导电载体（例如活化的碳，生物炭和石墨）添加到甲烷发酵罐中以提高过程的效率，但是载体和甲烷发酵的性质之间的关系尚不清楚。为了有效地稳定甲烷发酵过程，有必要确定促进载体直接电子转移的管理因子。因此，这项研究旨在阐明添加的浓度，粒径和导电载体类型对甲烷产生的影响。在添加不同载体的实验1中，据表明，具有易于微生物的高比表面积和多孔材料很重要，以提高甲烷发酵的效率。在实验2中，改变了活化碳的浓度和粒径，据表明，储罐中添加的载体的表面积对于提高甲烷发酵效率很重要。在实验3中，其中在具有均匀颗粒大小的条件下添加了不同的载体，未观察到甲烷生产速率或类似载体。人们认为该因素是载体具有较小的比表面积，并且添加的载体量很小，并且没有培养与不同物种之间直接电子转移的微生物。从这些结果中可以揭示出，通过增加导电载体的浓度和粒径的微型化来增加增加的表面积，并且具有使微生物易于粘附的孔结构对于提高甲烷发酵的效率很重要。未来的问题包括阐明微生物人群结构并检查培养条件（底物类型，底物浓度等）的微生物进展。

项目成果

導電性担体によるメタン発酵・脱窒素統合プロセスの効率化

使用导电载体提高集成甲烷发酵和反硝化过程的效率

• 发表时间: 2020
• 作者: Keisuke Tomita;Yoko Yashiroda;Yasuhiro Matsuo;Jeff S Piotrowski;Sheena C Li;Reika Okamoto;Mami Yoshimura;Hiromi Kimura;Yumi Kawamura;Makoto Kawamukai;Charles Boone;Minoru Yoshida;Hideaki Nojiri;Kazunori Okada;小寺敏光
• 通讯作者: 小寺敏光