成果報告書詳細
管理番号20120000001163
タイトル平成23年度中間年報 最先端PG(Mega-ton Water System) 資源生産型革新的下水統合膜処理システム 「資源回収型多機能膜処理システム(BMBR)の機能解析と最適システム設計」
公開日2013/7/27
報告書年度2011 - 2011
委託先名国立大学法人北海道大学環境ナノ・バイオ工学研究センター
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約前年度までの研究において、単一好気槽型の浸漬型MBRにおいて膜閉塞を引き起こしていたタンパク質を2種類同定することに成功した。同定できたタンパク質はOprF及びOprDであり、いずれもPseudomonas属に属する細菌の外膜タンパク質である。しかし、前年度までの研究では、膜閉塞タンパク質の同定に成功したのは上記のMBRにおいて膜閉塞を引き起こしていたタンパク質のみに限定されていた。MBRの運転条件を変化させることによって、膜閉塞に関与する有機物の特性が変化することをこれまでの研究で報告しているが、このことを考慮すると、運転条件の異なるMBRにおいても同様のタンパク質が膜閉塞に関与しているかは定かではない。そこで、本年度の研究では、運転条件が前年度検討したものとは大きく異なるMBRにおいて膜閉塞に関与していたタンパク質を同定することを目的とした。本年度、検討対象としたのは前年度運転したMBRと生物反応槽の設計及び膜ろ過方式が大きく異なる、槽外型のエアリフト膜モジュールを装着した仕切り板挿入型MBRである。生物反応槽の設計及び膜ろ過方式のいずれも、膜閉塞成分の組成に大きく影響すると考えられたことから、本研究で検討した2種類のMBR間において、膜閉塞に関与するタンパク質の種類が異なっていることが予測された。連続運転終了段階において、膜閉塞成分を閉塞膜より抽出し、前年度と同様の手法で分析したところ、タンパク質をほとんど検出することができなかった。これは、本年度検討したMBRにおいて膜閉塞成分中のタンパク質量が少なかったことに起因するものであった。試行錯誤的に濃縮方法を改善したところ、限外濃縮における濃縮率を高くすることによって、タンパク質を検出できるようになった。検出できたタンパク質について、N末端アミノ酸配列解析を実施したところ、分析した17種類のタンパク質のうち、10種類について、N末端アミノ酸配列を解読することができた。そのうち、8種類については、データベース解析を通じた同定には至らなかったが、2種類のタンパク質については、前年度と同様にOprF及びOprDであると同定された。本年度得られた結果は、これらのタンパク質が運転条件にかかわらず、MBRの運転において広く膜閉塞の発生に寄与している可能性を示唆するものである。
英文要約Membrane fouling is the biggest obstacle for wider application of membrane bioreactors (MBRs). Better understanding of fouling mechanism is indispensable for controlling membrane fouling. Information on details of organic foulants in MBR is useful for having deeper insights into fouling mechanisms. In this study, we developed protocols for analyzing the details of polysaccharides and proteins (major foulants in MBRs) causing membrane fouling in MBRs and applied them to the foulant obtained from pilot-scale MBRs treating real municipal wastewater.  In the analysis of proteins, we previously identified two proteins that caused membrane fouling in submerged MBRs treating real municipal wastewater, namely OprF and OprD produced by the Pseudomonas genus. Since type of foulants is expected to change depending on operating conditions, proteins responsible for membrane fouling in MBRs operated under different conditions should also be investigated. Therefore, we attempted to identify proteins obtained from side-stream membrane module equipped for baffled bioreactor (nitrification and denitrification can be achieved in a single reactor). By adjusting the degree of the crude concentration using a UF membrane, many spots of proteins that had caused membrane fouling in this MBR were detected in the polyacrylamide gel with sufficient intensity. 17 proteins that formed strong spots were recovered from the gel and subjected to the N-terminal amino acid sequencing analysis. The amino acid sequences of ten of 17 proteins were successfully determined. Among them, two proteins were identified as OprF and OprD (the same proteins as identified in the previous study) in the protein blast search against the database provided by NCBI. The results obtained in the current study imply that these proteins contribute to development of membrane fouling in wide range of MBRs irrespective to operating conditions.  The combination of partial hydrolysis of polysaccharides under mild acidic conditions and MALDI-TOF/MS analysis is a powerful tool for analyzing the details of polysaccharides. At present, however, information on appropriate conditions for partial acid hydrolysis of polysaccharides causing membrane fouling was quite limited. In the current study, we evaluated the effects of time of hydrolysis, acid concentration, and temperature on number of oligosaccharide fragments generated through the hydrolysis. In the times of hydrolysis examined in this study (30 min, 1 h, and 2 h), the number of oligosaccharide fragments generated by partial hydrolysis was greatest when hydrolysis was conducted for 1 h. No oligosaccharide fragment was detected when the partial hydrolysis was conducted with the highest TFA concentration (500 mM). With regard to temperature for partial hydrolysis, 80°C would be appropriate, because most of the oligosaccharide fragments generated were detected in hydrolysate treated at this temperature.
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