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谷本, 祐一

筑波大学University of Tsukuba博士（環境学）Doctor of Philosophy in Environmental Studies2014【要旨】thesi

Tsukuba Repository  (Tulips-R)

硫黄化合物の嫌気微生物代謝とメタン発酵への影響著者 谷本 祐一発行年 2015学位授与大学  筑波大学 (University of Tsukuba) 学位授与年度 2014報告番号 12102甲第7377号URL http://hdl.handle.net/2241/00126106  氏名（本籍）     谷本 祐一   学位の種類      博 士（環境学）  学位記番号      博 甲 第  7377   号  学位授与年月日    平成 27 年 3 月 25 日  学位授与の要件    学位規則第４条第１項該当  審査研究科      生命環境科学研究科  学位論文題目     硫黄化合物の嫌気微生物代謝とメタン発酵への影響   主査       筑波大学教授     博士（農学）  張 振亜  副査       筑波大学准教授    工学博士    雷 中方  副査       筑波大学准教授    博士（工学）  山路 恵子   副査       筑波大学准教授    博士 (学術)   水野谷 剛     論   文   の   要   旨  有機性排水、あるいは廃棄物のバイオガス変換については、様々な取組がなされている。バイオガス化変換の最終段階は、嫌気性微生物であるメタン生成細菌と呼ばれる微生物群が担うが、同じ嫌気性微生物である硫酸還元菌との間で、基質競合が生じる場合がある。硫酸還元菌の影響が軽度の場合は、ガス収率の低下等で済むが、硫酸還元菌による硫酸呼吸で生じる硫化物等の影響が重なると、より重度のガス変換支障に陥ることもある。本研究はメタン生成の過程における基質競合に起因するメタン収率低下を防止するためメタン生成細菌への影響が少ない硫酸還元菌生育阻害剤のスクリーニングを行った。  まずは、高温(55℃)メタン生成細菌としてMethanosarcina sp(DSM2906)を、同様に高温性の硫酸還元菌として Desulfotomaculum nigrificans (DSM574)を用いて、試験管スケールにて薬剤のスクリーニングを行った結果、硫酸還元菌の方により感受性の高い薬剤数種を見出すことができた。この中で、特に有効性が高いと判断された Gentamicin を実際のメタン発酵槽に投入して効果の検証を行った。固定床連続発酵装置に、1日間のみ Gentamicin 50 mg/Lを含む培養液を供給し、その後の嫌気性発酵の推移を検証したところ、バイオガスの生産性が向上し、供給後、3週間以上にわたり、流出液中の硫酸イオン濃度が高く保持され、硫酸還元菌の生育抑制が観察された。 また、紙・パルプ排水中には、パルプ製造時に蒸解釜に大量の硫化物を投入してパルプの抽出を行うため、硫化物とリグニンのメトキシ基との反応で、硫化メチル等が大量に生じる。これらの物質のバイオガス変換時の挙動は、排水処理のコストに直接影響する有機物処理負荷に深く影響する。また、硫化メチルは自然界にも幅広く存在し、グローバルな気候変動にも影響を与える可能性がある物質として位置づけられており、その分解等の挙動解明には高い関心が持たれている。  メチルメルカプタンや硫化メチルなど、低分子量の有機硫黄化合物の嫌気的な生分解については、これまで情報が全くなかったため、日本国内でメチルメルカプタンや硫化メチルを多く含む紙・パルプ排水のメタン発酵実験を行っていた生物相から、これら物質の分解に関わる微生物の単離・同定を試みた。単離された菌を同定した結果、硫酸還元能は保持するが性質がそれぞれ異なる 3種の新株を得た（MTS5株、TDS2株、SDN4株）。これら 3株は、いずれも 55～60 ℃付近に生育至適温度を持つ Desulfotomaculum 属に属する菌株であった。このうち SDN4株のみ、硝酸還元能も有していた。利用できる電子供与体の特徴としては、MTS5株においては、メチルメルカプタンは利用できるものの、硫化メチル、メタノールの利用ができず、TDS2株では、硫化メチル、メタノールの利用はできるものの、メチルメルカプタンは利用できなかった。SDN4株においては、メチルメルカプタン、硫化メチル、メタノールのいずれも利用できる菌株であった。酢酸、酪酸などの一般的な硫酸還元菌の電子供与体に際立った特徴は見られなかったが、MTS5株、TDS2株においては、グルコース、フラクトースの糖資化性を有していた。 メタン生成細菌に影響が少なく、硫酸還元菌の生育を阻害できる物質として、数種の物質をスクリーニングできたが、そのほとんどは抗生物質とされる物質であった。その抗生物質の作用機作を比較したところ、メタン生成細菌が属する古細菌と、硫酸還元菌が属する真正細菌における細胞壁の構成、細胞膜組成、リボゾームのサブユニット構成の違いにより、両者の生育阻害に差が生ずるものと考えられた。 有機硫黄化合物を嫌気的に分解する 3株は、硫酸還元菌による有機硫黄化合物の分解を初めて直接的に証明しただけでなく、メチル化硫黄化合物の前駆体である、3,4,5,トリメトキシ安息香酸を電子供与体として利用できるなど、興味深い性質も示した。また、紙パルプ廃水を嫌気的処理する際に、これら物質の嫌気的環境における挙動に知見を与えるだけでなく、地球規模での硫黄化合物循環の鍵を握っている硫化メチルの微生物的な分解と挙動についても示唆を与えるものである。  審   査   の   要   旨  本研究はメタン生成の過程における基質競合に起因するメタン収率低下を防止するためのメタン生成細菌に影響の少ない硫酸還元菌生育阻害剤のスクリーニングを行った。硫酸還元菌の方により感受性の高い薬剤数種をスクリーニングし、特に有効性が高いと判断された Gentamicin を実際のメタン発酵槽に投入し、バイオガス生産性の向上を検証した。また、硫酸還元菌による有機硫黄化合物の分解を初めて直接的に証明しただけでなく、メチル化硫黄化合物の前駆体である、3,4,5,トリメトキシ安息香酸を電子供与体として利用できるなど、興味深い性質も示し、紙パルプ廃水を嫌気的処理する際に、これら物質の嫌気的環境における挙動に知見を与えるだけでなく、微生物の嫌気的環境における挙動を解明することによって、地球規模での硫黄化合物循環の鍵を握っている硫化メチルの微生物的な分解と挙動についても新たなる知見を与えるものである。 本研究は貴重な実験データが得られ、バイオエネルギーや環境浄化技術研究開発分野への応用に科学的かつ技術的な助言が提供できた点をオリジナリティに富む研究として高く評価できる。 平成 27年 1月 26日、学位論文審査委員会において、審査委員全員出席のもとに論文の審査および最終試験を行い、本論文について著者に説明を求め、関連事項について質疑応答を行った。その結果、審査委員全員によって合格と判断された。 よって、著者は博士（環境学）の学位を受けるのに十分な資格を有するものとして認める。    

硫黄化合物の嫌気微生物代謝とメタン発酵への影響

筑波大学University of Tsukuba博士（環境学）Doctor of Philosophy in Environmental Studies2014doctoral thesi

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