成果報告書詳細
管理番号20140000000585
タイトル平成22年度-平成25年度成果報告書 最先端研究開発支援プログラム (Mega-ton Water System) 無薬注海水淡水化システム 微生物過程の基礎調査
公開日2015/3/5
報告書年度2010 - 2013
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約Seawater reverse osmosis (SWRO)システムによる海水淡水化は多くの国々で急速に普及し,淡水の供給に重要な役割を果たしつつある。しかし,このシステムに使われるRO膜はしばしばファウリングを起こし,運転効率を著しく低下させる。このファウリングは主に微生物活動によって生じるため,これまで次亜塩素酸ナトリウムを添加してバイオフィルムの形成を抑制しようとしてきた。しかしそれは必ずしもバイオフィルムの形成を抑える結果に至らず,微生物学的な視点からその原因究明が待たれてきた。本研究はバイオフィルム形成に関わる微生物過程を明らかにし,その成果を効率良い運用に活かしていくことを目指して行われたものである。具体的には以下のような課題を設定した。(1)SWROシステムのバイオフィルムはどのような微生物群集から構成されているのか。また薬品の添加はそれにどのような影響を与えるのか。(2)SWROシステムの微生物群集は環境要因にどのように応答しているのか。群集構造に加えて,その遺伝子群,代謝産物はどのように変化しているのか。(3)抗菌剤は微生物群集の生死にどのような影響を与えているのか。さらに,一般に水界中の微生物の現存量が捕食者としてのウイルスによって規定される例が知られているが,SWROシステムではウイルスはどのような寄与をしているのか。(4)SWROシステムにおけるバイオフィルムの形成はどのように進んで行くのか。それぞれの疑問に答えるために高知県海洋深層水研究所内にパイロット施設を設置し,さらに実験室での解析を加えて,以下の知見を得た。(1)いわゆる次世代シーケンサーを用いてSWROシステムの各ステップにおける微生物群集構造および薬品添加あるいは無添加のシステムでの比較から,次亜塩素酸ナトリウムの添加は群集構造に大きな影響を与えることが明らかになった。また,SWROシステムの中では典型的にProteobacteria門,Bacteroidetes門に属す菌群が優占的となることが分かった。次世代シークエンサーを使ってSWROシステムの微生物群集に対する薬品の影響を見た研究例はこれが初めてである。(2)微生物の群集構造解析に加え,微生物群集の遺伝子構造および代謝産物の解析を加えたマルチオミックス解析を行った。これにより,微生物群集構造に差異があるのに機能遺伝子群のカテゴリー別の構成には差がないこと,代謝産物ではトリエタノールアミンとグリセリンが約3/4を占めており,脂質の生合成,浸透圧調整,硫黄代謝などへの寄与が推定される。いわゆるマルチオミックス解析をSWROシステムに適用したのは本研究が始めてである。(3)培養実験を行って次亜塩素酸の添加効果を見ることにより,その添加は必ずしも細菌群集全てを殺菌し得ないこと,しかし,培養法を用いてこの検証を行うと,みかけ上,殺菌がなされたかのような結果を得ることを明らかにした。また,次亜塩素酸の添加が一部の細菌内の溶原ウイルスの活性化を促進して溶菌に至ることが初めて確認された。薬品添加で死滅した細菌は残存する細菌の増殖基質として利用されることによってそれらの増殖を促進すると推定される。(4)高解像度の光学機器を使ってバイオフィルムの形成過程を詳細に観察することにより、バイオフィルムの形成はSWROシステムの膜面の一部で始まり、それらが島状のフィルムを作るとともに成長しながら互いに会合して大きくなっていくプロセスが確認できた。このようにバイオフィルム形成プロセスを視覚的に観察したのは初めてのことである。
英文要約This present investigations were undertaken to understand the microbial processes on the biofilm formation on SWRO systems. We raised the following questions.
1. What kind of community structures is formed in the SWRO system, and how does the addition of chlorine affect them-
2. How do microbial communities respond to environmental factors in the SWRO system- What genetic structures and metabolic materials are seen in the system-
3. How efficient is chlorine for killing the microbial cells- Does it affect temperate viruses-
4. How does biofilm formation proceed in the SWRO system-
In order to answer these questions, pilot plant was established in Kochi Deep Seawater Laboratory and investigations were conducted in combination with some experimental approaches in laboratory. The followings are results for each question.
1. The microbial community structures were clarified by using pyrosequencing technique. The addition of the chemical caused marked change in the structure. The communities are typically dominated by phylum Proteobacteria and Bacteroidetes. To our knowledge, this is the first report on the effect of chemical on the community structure by using pyrosequencing technique.
2. In addition to community structure analyses, meta genome and metabolome analyses were conducted. Although the community structures between two systems (with and without chemical) were different, metagenomic structures were quite similar, indicating that similar functional genes are involved in each system. In addition, metabolome approach indicated the quantitatively dominant presence of triethanol amine and glycerin indicating that lipid biosynthesis, osmotic regulation, sulfur metabolism are going on in the biofilm. To our knowledge, this is the first report on multiomics approach to biofilm developing in SWRO system.
3. The effect of chemicals on bacterial cells was examined in culture experiment. By combining microscopic and culture methods, it was clarified that the addition of the chemical does not completely kill bacterial cells, but always leave a few resistant cells. If only culture method is applied, it is misleadingly interpreted that the chemical was effectively kill all the bacterial cells. It was also clarified that some temperate bacteriophage are induced by the addition of chemicals. It is expected all the killed bacterial cells serve as nutrition for surviving cells, leading to the development of biofilm.
4. In order to clarify the initial step of biofilm formation, the biofilm was observed under high-resolution optical devices. The results indicated that the development of biofilm starts from the formation of small patchy structures. Each of them then grows bigger and starts to combine with neighbor structures. Sometimes, there appeared fine fibrous structure between two or multiple structures. To our knowledge, this is the first observation of biofilm formation in SWRO system at fine scale.
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