研究内容

窒素循環

  • 担当者:Zhang、Gao、小林香、成田

微生物燃料電池

  • 担当者:石崎、Koffi

バイオフィルム

  • 担当者:石崎、Papry

水域の糞便汚染

  • 担当者:小林真

胃腸炎ウイルス

  • 担当者:伊藤、Mohan、Andri、羽柴、宮村、門屋、河合、渡邊、Peiyi
窒素循環

anammoxプロセスの窒素除去への適用

嫌気性アンモニア酸化 (anammox) は無酸素条件下において、亜硝酸性窒素を電子受容体として用いることにより、アンモニア性窒素を直接窒素ガスに変換することのできる生物学的プロセスである。anammoxプロセスは従来の窒素除去法に代わる新規のプロセスとして期待されている。従来の窒素除去プロセスである硝化・脱窒法と比較すると、部分硝化及びanammoxプロセスを組み合わせた複合プロセスを窒素除去に適用することによって、酸素曝気及び外来電子供与体の供給により発生する費用を大幅に削減することが可能となる。

anammox細菌の生理学的特性評価

嫌気性アンモニア酸化反応 (anammox) はplanctomycetales目に属する化学合成独立栄養性細菌によって担われている。Anammox細菌は倍化時間が一週間と増殖が極めて遅い。そのため、従来の微生物学的手法による培養は困難であり、anammox細菌の生理学的な特性に関する知見はごく僅かに限られている。従って、 anammoxプロセスの実用化に向けより広範な知見を得ることが重要となる。

本研究の目的

部分硝化及びanammoxプロセスを組み合わせた複合プロセスを構築し最適化を図ることによって、効率的な窒素除去法を開発する。さらに、Anammox細菌の生理学的な特性を解析することで、プロセス実用化へ貢献し得る重要な知見を示す。

研究内容紹介

アナモックス研究チーム 研究内容紹介
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過去の学会発表

第2回国際硝化学会・第16回ヨーロッパ窒素循環会議(発表者:押木守JSPS特別研究員)
第2回国際硝化学会・第16回ヨーロッパ窒素循環会議
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論文情報

Physiological characterization of anaerobic ammonium oxidizing bacterium "Candidatus Jettenia caeni"
Ali, M., Oshiki, M., Awata, T., Isobe, K., Kimura, Z., Yoshikawa, H., Hira, D., Kindaichi, T., Satoh, H., Fujii, T. and Okabe, S.
Environmental Microbiology, 2015, 17(6), 2172-2189.

本研究は、嫌気的にアンモニアを酸化する細菌(嫌気性アンモニア酸化細菌)の一種である”Candidatus Jettenia caeni”の生理学的特性を網羅的に調査した成果になります。嫌気性アンモニア酸化細菌は地球上の無酸素環境に幅広く分布する細菌であり、窒素循環に大きな寄与をしていることが知られています。一方、嫌気性アンモニア酸化細菌は実験室で培養することが大変難しい難培養性細菌であり、どのような環境を好んで生育するのかなど、生理学的特性には未知の部分が多く残されています。特に、嫌気性アンモニア酸化細菌はこれまでに5属の系統分類が報告されていますが、本研究で調査したJettenia属の生理学的特性は全く解明されていませんでした。本研究では、古典的なバイアル試験法に加えて、タンパク質発現(プロテオーム)、金属元素含量(メタノーム)解析、電子顕微鏡観察、同位体比分析、キノン分析などを組み合わせ、”Ca. Jettenia caeni”の生理学的特性を網羅的に解明しています。2015年現時点では嫌気性アンモニア酸化細菌の生理学的特性を最も網羅的に報告する成果となっており、将来的には自然環境中での嫌気性アンモニア酸化細菌の分布および窒素循環への寄与を理解するための情報として役立てられることが期待されます。


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論文情報

Draft genome sequencing of anaerobic ammonium oxidizing bacterium, "Candidatus Brocadia sinica"
Oshiki, M., Shinyako-Hata, K., Satoh, H. and Okabe, S.
Genome Announcements, 2015, 3(2), e00267-15.

廃水処理において、窒素成分(アンモニア態窒素)を除去することは水圏での富栄養化現象を防ぐために重要である。従来、アンモニア態窒素の除去には硝化・脱窒法が用いられてきたが、本法には莫大なエネルギーが投入されてきた。我々が注目する嫌気性アンモニア酸化(anammox)プロセスはアンモニア態窒素を除去するために酸素供給が不要であり、極めて省エネルギーな次世代型廃水処理技術として期待されている。anammoxプロセスを担う微生物(anammox細菌)は典型的な難培養性微生物であり、世界中で研究が進められているものの、純粋培養に成功した例は未だない。従って、anammox細菌の生理学的特性はその多くが謎であり、本研究ではanammox細菌の生理学的特性を解明すべく、anammox細菌の一種であるCandidatus “Brocadia sinica”の全ゲノム配列を解読した。ゲノムは生命の設計図であり、ゲノム上に存在する遺伝子情報を理解することができれば対象生物の生活環を分子レベルで理解することにつながる。例えば、大腸菌は約460万塩基長からなるゲノムを持ち、ゲノム上には約4000個の遺伝子が存在する。大腸菌はこれら遺伝子を適切に転写・発現することで生命を維持している。同様にCa. “Brocadia sinica”のゲノム情報を獲得・理解することができれば、この難培養性微生物の生活環を理解し、廃水処理においてより効率的に本菌を利用することが可能になると期待される。本研究では、454 pyrosequencingとfosmidライブラリ法を併用してCa. “Brocadia sinica”のゲノム配列を解読し、最終的に403万塩基長からなるゲノム配列を3断片(contigs)まで再構築することに成功した。これまでにもanammox細菌のゲノム配列は解読されているが、それらの多くは極度に断片化しており、本研究では優れた品質のゲノム配列を獲得に成功した。本研究で得られた”Ca. Brocadia sinica”のゲノム配列はanammox細菌の生理生態学的特性を解明するための基礎的知見として役立てられることが期待される。

ゲノム配列情報は→こちら

論文情報

Physiological characteristics of the anaerobic ammonium-oxidizing bacterium 'Candidatus Brocadia sinica'
Oshiki, M., Shimokawa, M., Fujii, N., Satoh, H., and Okabe, S.
Microbiology, 2011, 157, 1706-1713.

本研究では、嫌気性アンモニア酸化(anammox)細菌の一種である'Candidatus Brocadia sinica'の生理学的特性を調査し、anammox細菌のniche speciationを理解するために役立つ知見を得た。我々はこれまでに窒素除去速度26.0 kgN m-3 day-1に及ぶ高速anammoxリアクタの運転に成功しており、この高速窒素除去反応に関与したanammox細菌が'Ca. B. sinica'であることを本研究において明らかにした。'Ca. B. sinica'の生理学的特性について、至適温度域、pH域等を調査した結果、'Ca. B. sinica'は既報のいかなるanammox細菌をも上回る増殖速度(最大倍加速度:7日)を持つ一方、基質親和性(Ks値: 28±4 μM アンモニア および 86±4 μM 亜硝酸)が他のanammox細菌よりも低いことが明らかとなった。こうした生理学的特性から、'Ca. B. sinica'は「growth rate strategists」であり、廃水処理プロセスのような基質が豊富に供給される環境において優占化する細菌種であると考えられる。Anammox細菌は未だに純粋培養株が得られていない難未培養性微生物であり、これまでに5属9種のanammox細菌が報告されている。本研究の成果はそうしたanammox細菌の環境中における棲み分けを理解するために役立つものである。

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論文情報

Development of a simultaneous partial nitrification and anaerobic ammonia oxidation process in a single reactor
Cho, S., Fujii, N., Lee, T., and Okabe, S.
Bioresource Technology, 2011, 102(2), 652-659.

 下廃水からの窒素除去は、健全な都市環境の維持及び富栄養化現象防止のための点源対策として重要である。本研究では、不織布を充塡した上向流カラムリアクタを用い、一槽式部分硝化anammoxプロセスを構築した。 カラムリアクタ内では、好気性アンモニア酸化細菌(AOB)と嫌気性アンモニア酸化(anammox)細菌が共存しており、以下の反応が同時に生ずることによって流入水に含まれる窒素成分が除去される。
1) AOBが流入水に含まれるアンモニアの一部を亜硝酸まで好気的に酸化する。
2) anammox細菌がアンモニアおよび亜硝酸から窒素ガスを生成する。
 本研究では、以下二種類の異なるリアクタの運転条件を変更することによって、一槽式部分硝化anammoxプロセスの立ち上げを試みた。
1) anammoxリアクタ
2) 部分硝化リアクタ
一槽式部分硝化anammoxプロセスへの転換は、リアクタにおける曝気速度を調整することで行った。 結果的にいずれのリアクタを用いた場合にも、一槽式部分硝化anammoxプロセスを構築することができた。一方、窒素除去能および安定性について、両者に明らかな差が生じた。anammoxリアクタから一槽式部分硝化anammoxプロセスへ転換した系では、窒素除去速度が0.35(±0.19) kgN m-3 day-1に達したのに対し、部分硝化リアクタを用いて立ち上げた系では0.23(±0.16) kgN m-3 day-1にとどまった。また、不織布内部におけるAOBおよびanammox細菌の空間分布にも差が確認された。FISH法を用いて解析した結果、anammoxリアクタから一槽式部分硝化anammoxプロセスへ転換した系では、不織布内部にanammox細菌が存在し、その外側をAOBが取り囲んでいることが確認された。一方、部分硝化リアクタを用いて立ち上げを行った系では、不織布内にanammox細菌およびAOBが不均一に混在していた。一槽式部分硝化anammoxプロセスを構築することができたものの、窒素除去性能が不安低であった。これは、曝気速度を精密に制御することが難しかったためである。一槽式部分硝化anammoxプロセスの運転では、曝気速度の精密な制御システムを導入する必要がある。

北海道大学

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論文等(2007-)

  1. Experimental evidence for in situ nitric oxide production in anaerobic ammonia-oxidizing bacterial granules
    Rathnayake, R., Oshiki, M., Ishii, S., Segawa, T., Satoh, H., Okabe, S.
    Environmental Science & Technology, accepted.
  2. Rapid cultivation of free-living planktonic anammox cells
    Zhang, L., Okabe, S.
    Water Research, 2017, 127, 204-210.
  3. Genetic diversity of marine anaerobic ammonium-oxidizing bacteria as revealed by genomic and proteomic analyses of ‘Candidatus Scalindua japonica’
    Oshiki, M., Mizuto, K., Kimura, Z., Kindaichi, T., Satoh, H., Okabe, S.
    Environmental Microbiology Reports, 2017, 9, 550-561.
  4. Microbial competition among anammox bacteria in nitrite-limited bioreactors
    Zhang, L., Narita, Y., Gao, L., Ali, M., Oshiki, M., Ishii, S., Okabe, S.
    Water Research, 2017, 125, 249-258.
  5. Enrichment and physiological characterization of an anaerobic ammonium-oxidizing bacterium 'Candidatus Brocadia sapporoensis'
    Narita, Y., Zhang, L., Kimura, Z., Ali, M., Fujii, T., Okabe, S.
    Systematic and Applied Microbiology, 2017, 40, 448-457.
  6. Anammox biomass carrying efficiency of polyethylene non-woven sheets as a carrier material
    Cho, S., Jung, M., Ju, D., Lee, Y.H., Cho, K., Okabe, S.
    Environmental Technology, accepted.
  7. Maximum specific growth rate of anammox bacteria revisited
    Zhang, L., Narita, Y., Gao, L., Ali, M., Oshiki, M., Okabe S.
    Water Research, 2017, 116, 296-303.
  8. Draft genome sequence of the anaerobic ammonium-oxidizing bacterium "Candidatus Brocadia sp. 40"
    Ali, M, Haroon, M.F., Narita, Y., Zhang, L., Rangel Shaw, D., Okabe, S., Saikaly, P.E.
    Genome Announcements, 2016, 4(6), e01377-16.
  9. Denitrification and nitrate-dependent Fe(II) oxidation in various Pseudogulbenkiania strains
    Ishii, S., Joikai, K., Otsuka, S., Senoo, K., Okabe, S.
    Microbes and Environments, 2016, 31(3), 293-298.
  10. Source identification of nitrous oxide emission pathways from a single-stage nitritation-anammox granular reactor
    Ali, M., Rathnayake, R.M., Zhang, L., Ishii, S., Kindaichi, T., Satoh, H., Toyoda, S., Yoshida, N., Okabe, S.
    Water Research, 2016, 102, 147-157.
  11. Ecology and physiology of anaerobic ammonium oxidizing (anammox) bacteria
    Oshiki, M., Satoh, H. and Okabe, S.
    Environmental Microbiology, 2016, 18(9), 2784-2796.
  12. Effects of dissolved oxygen and pH on nitrous oxide production rates in autotrophic partial nitrification granules
    Rathnayake M. L. D. R, Oshiki, M., Ishii, S., Segawa, T., Satoh, H. and Okabe, S.
    Bioresource Technology, 2015, 195, 15-22.
  13. Anammox-based technologies for nitrogen removal: Advances in process start-up and remaining issues
    Ali, M. and Okabe, S.
    Chemosphere, 2015, 141, 144-153.
  14. Physiological characterization of anaerobic ammonium oxidizing bacterium "Candidatus Jettenia caeni"
    Ali, M., Oshiki, M., Awata, T., Isobe, K., Kimura, Z., Yoshikawa, H., Hira, D., Kindaichi, T., Satoh, H., Fujii, T. and Okabe, S.
    Environmental Microbiology, 2015, 17(6), 2172-2189.
  15. Rapid and successful start-up of anammox process by immobilizing the minimal quantity of biomass in PVA-SA gel beads
    Ali, M., Oshiki, M., Rathnayake, L., Ishii, S., Satoh, H. and Okabe, S.
    Water Research, 2015, 79, 147–157.
  16. Draft genome sequencing of anaerobic ammonium oxidizing bacterium, "Candidatus Brocadia sinica"
    Oshiki, M., Shinyako-Hata, K., Satoh, H. and Okabe, S.
    Genome Announcements, 2015, 3(2), e00267-15.
  17. Identification of key N2O production pathways in aerobic partial nitrifying granules
    Ishii, S., Song, Y., Rathnayake, L., Tumendelger, A., Satoh, H., Toyoda, S., Yoshida, N. and Okabe, S.
    Environmental Microbiology, 2014, 16(10), 3168-3180.
  18. The nitrogen cycle in cryoconites: naturally occurring nitrification-denitrification granules on a glacier
    Segawa, T., Ishii, S., Ohte, N., Akiyoshi, A., Yamada, A., Maruyama, F., Li, A., Hongoh, Y. and Takeuchi, N.
    Environmental Microbiology, 2014, 16(10), 3250-3262.
  19. Simple, rapid and effective preservation and reactivation of an anaerobic ammonium oxidizing bacterium "Candidatus Brocadia sinica"
    Ali, M., Oshiki, M. and Okabe, S.
    Water Research, 2014, 57, 215-222.
  20. Cultivation of planktonic anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria by using membrane bioreactor
    Oshiki, M., Awata, T., Kindaichi, T., Satoh, H. and Okabe, S.
    Microbes and Environments, 2013, 28(4), 436-443.
  21. Source identification of nitrous oxide on autotrophic partial nitrification in a granular sludge reactor
    Rathnayake, L., Song, Y.-J., Tumendelger, A., Oshiki, M., Ishii, S., Satoh, H., Toyoda, S., Yoshida, N. and Okabe, S.
    Water Research, 2013, 47(19), 7078-7086.
  22. Nitrate-dependent ferrous iron oxidation by anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria
    Oshiki, M., Ishii, S., Yoshida, K., Fujii, N., Ishiguro, M., Satoh, H. and Okabe, S.
    Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(13), 4087-4093.
  23. Physiological characterization of an anaerobic ammonium-oxidizing bacterium belonging to the "Candidatus Scalindua" group
    Awata, T., Oshiki, M., Kindaichi, T., Ozaki, N., Ohashi, A. and Okabe, S.
    Applied and Environmental Microbiology, 2013, 79(13), 4145-4148.
  24. Development and characterization of the partial nitrification aerobic granules in a sequencing batch airlift reactor
    Song, Y., Ishii, S., Rathnayake, L., Ito, T., Satoh, H. and Okabe, S.
    Bioresource Technology, 2013, 139, 285-291.
  25. Analyses of three dominant membrane proteins from anammox planctomycete Candidatus 'Brocadia sinica'
    Tojo, F., Itoh, Y., Okabe, S., and Morikawa, M.
    Journal of Environmental Biotechnology, 2011, 11(1-2), 77-81.
  26. N2O emission from a partial nitrification–anammox process and identification of a key biological process of N2O emission from anammox granules
    Okabe, S., Oshiki, M., Takahashi, Y., and Satoh, H.
    Water Research, 45(19), 6461-6470.
  27. Physiological characteristics of the anaerobic ammonium-oxidizing bacterium 'Candidatus Brocadia Sinica'
    Oshiki, M., Shimokawa, M., Fujii, N., Satoh, H., and Okabe, S.
    Microbiology, 2011, 157, 1706-1713.
  28. Development of long-term stable partial nitrification and subsequent anammox process
    Okabe, S., Oshiki, M., Takahashi, K., and Satoh, H.
    Bioresource Technology, 2011, 102(13), 6801-6807.
  29. Development of a simultaneous partial nitrification and anaerobic ammonia oxidation process in a single reactor
    Cho, S., Fujii, N., Lee, T., and Okabe, S.
    Bioresource Technology, 2011, 102(2), 652-659.
  30. Nitrogen removal performance and microbial community analysis of an anaerobic up-flow granular bed anammox reactor
    Cho, S., Takahashi, Y., Fujii, N., Yamada, Y., Satoh, H., and Okabe, S.
    Chemosphere, 2010, 78, 1129-1135.
  31. Layered structure of bacterial and archaeal communities and their in situ activities in anaerobic granules
    Satoh, H., Miura, Y., Tsushima, I., and Okabe, S.
    Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(22), 7300-7307.
  32. In Situ Activity and Spatial Organization of Anaerobic Ammonium-Oxidizing (Anammox) Bacteria in Biofilms
    Kindaichi, T., Tsushima, I., Ogasawara, Y., Shimokawa, M., Ozaki, N., Satoh, H., and Okabe, S.
    Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(15), 4931-4939.
  33. Development of a super high-rate ANAMMOX reactor and in situ analysis of biofilm structure and function
    Tsushima, I., Ogasawara, Y., Shimokawa, M., Kindaichi, T., and Okabe, S.
    Water Science and Technology, 2007, 55(8/9), 9-17.
  34. Development of High-Rate Anaerobic Ammonium-Oxidizing (ANAMMOX) Biofilm Reactors
    Tsushima, I., Ogasawara, Y., Shimokawa, M., Kindaichi, T., and Okabe, S.
    Water Research, 2007, 41(8), 1623-1634.