Techniques for mass-culturing microalgae using anaerobic digestion effluent from over-growing and invasive aquatic macrophytes

銭, 軍

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アイテム

Techniques for mass-culturing microalgae using anaerobic digestion effluent from over-growing and invasive aquatic macrophytes

https://usp.repo.nii.ac.jp/records/2000438

Item type

学位論文 / Thesis or Dissertati(1)

公開日

2021-07-15

タイトル

Techniques for mass-culturing microalgae using anaerobic digestion effluent from over-growing and invasive aquatic macrophytes

言語

その他のタイトル

過剰繁茂する水草と外来水草による嫌気発酵消化液を使った微細藻類大量培養技術

言語

eng

資源タイプ

資源タイプ識別子

http://purl.org/coar/resource_type/c_46ec

資源タイプ

thesis

著者

銭, 軍

学位名

言語

学位名

博士（環境科学）

学位授与機関

学位授与機関識別子Scheme

kakenhi

学位授与機関識別子

24201

言語

学位授与機関名

滋賀県立大学

学位授与年月日

2020-09-30

学位授与番号

甲第120号

内容記述

内容記述タイプ

Other

内容記述

環課第63号

言語

内容記述

内容記述タイプ

Abstract

内容記述

近年、水生植物（水草）の過剰繫茂による環境問題が世界各地で報告されるようになり、日本国内でも社会問題となって久しい。琵琶湖もその例外ではなく、1990年代後半以降、過剰繫茂した沈水植物は船舶の航行障害、漁業活動の阻害、周辺住民への悪臭被害など複合的な環境問題を引き起こしている。また、最近は外来性の水草の大量繁茂が同様の問題を引き起こすとともに在来種を駆逐することが危惧されている。この問題を解決するために、水草を嫌気発行によって分解処理し、得られたメタンからエネルギーを取り出し、さらに発酵液分残差（消化液）を用いて微細藻類を生産することによって、増えすぎた水草を循環利用するための基礎技術開発が進められている。これまでの研究において、消火液には微細藻類培養に窒素やリン等の栄養塩が十分含まれることが分かっている。しかし、水草を材料に行った嫌気発酵の消化液では、微細藻類培養においてマグネシウム（Mg）不足が観察された。しかし、実際には消化液中のMg含有量はそれほど低くないことから、消化液中のMgは微細藻類が利用しにくい化学形態で存在していることが推測された。本研究では、Mgの生物利用能を高め、微細藻類の生産性を向上させるための基礎技術として、消化液のpH調整と硝化処理の効果について検討した。
　本論文は、General introduction に続く４章によって構成される。第１章では、まず消化液を用いた培養に適した藻類種を選定するため、アンモニア耐性の高い緑藻３種を選び培養実験を行った。第２章では選定された微細藻類種を用い、Mgの生物利用能を高めて藻類生産を向上させるために、消化液の至適pH条件および連続培養方法の検討を行った。第３章では、Mgの生物利用能低下が溶存有機物（DOM）との錯成性による可能性を明らかにするため、紫外線照射によってDOMの光分解を促すことで、藻類成長量が増加するか確かめた。さらにDOMの分子量分布を調べ、Mgと結合しているDOMの分子量画分を特定した。第４章では、硝化処理によってアンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換することで、消化液の希釈とMg添加が不要になることを示した。
　第1章:アンモニア耐性の高い緑藻3種、Chlorella sorokiniana,Chlamydomonas reinhardtii、そしてBotryococcus braunii を用いて、琵琶湖南湖から採取した沈水植物と外来水生植物 (オオバナミズキンバイ) Ludwigia grandiflora を材料とした消化液で培養し、その成長特性を比較した。最も低い希釈倍率で培養できたのは、C.sorokiniana であり高いアンモニア耐性を有し、収量の最も高くなることが分かった。従って、以下の実験では主に本種を用いて実験を行った。また、いずれの消化液を使った場合でもやはり微細藻類の最大収量を得るためには Mg が不足しており、高い DOM 濃度が関係していると推測された。
　第2章:沈水植物を材料としたメタン発酵消化液を用い、これのpH調整と連続培養を併用することで、Mg の生物利用能を高め、微細藻類収量および栄養塩除去率を向上させるための至適 pHを求めた。消化液を pH 5.0, 6.0, 6.5, 7.0 に調整した培養液がフロースル装置に流入するよう設定し、C. sorokiniana を培養した。微細藻類収量および栄養塩除去率は、pH 6.5のとき最も高く、pH 6.0 では培養槽中のpHが著しく低下して収量は減少した。これはpH 6.5を下回ると培養液中の無機炭素 (DIC) のほとんどが CO2となり、 DIC 濃度が低下することによって光合成が阻害されることに起因した。また、pH 6.5 または 7.0に調整した消化液では、溶液中のMg 濃度が藻類収量の増加に伴って減少し、藻類1gに対して Mg が 7.0 mg 消費されることが分かった。これらのことから、連続培養装置を使い、消化液のpHを6.5 とすれば、Mg を添加しなくても、微細藻類収量が向上することを明らかにした。
　第3章: 消化液中でMg の生物利用能が低い理由として、消化液中に存在する DOM との結合による吸収阻害が推測された。そこで、紫外線 (UVC) 照射を行ったところ、 DOM が光分解されることにより、Mgの生物利用能が向上し、微細藻類収量が促進されることを確認した。あらかじめUVCを0~9時間照射した消化液、UVCを照射せずに Mg を追加した消化液(対照区)、そして藻類培養液 (C培地)のそれぞれでC.sorokinianaを培養した。UVC 3時間以上照射した実験区での微細藻類収量と、対照区あるいはC培地で培養したときの値に有意差は認められなかった。培養期間中の Mg 濃度の低下は藻類収量に依存しており、また UVC 照射による溶存有機炭素 (DOC) 濃度の低下にも依存していた。これらの結果は、UVC 照射によって光分解された1mgのDOCから0.09mgのMgが遊離して微細藻類に利用されたことを示した。さらに、サイズ排除型液体クロマトグラフィーを用いて、消化液中のDOM の分子量分布を調べ、Mg がどの分子量画分に結合しているのか調べた。結果は、Mg 初期濃度のおよそ6割が400~1170 Da の比較的小さい分子量画分に結合していることを明らかにした。残りの4割は240 Da 以下の画分にあり、 1170 Da 以上の画分には結合していなかった。
　第4章: 消化液を硝化処理することによって、アンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換し、希釈することなく消化液を藻類培養に利用する方法について検討した。実験は、第1章と同じ3種の緑藻を用い、バッチ培養と連続培養にて行った。いずれの藻類でも希釈しない. とき最も高い収量が得られ、 C. sorokiniana の収量が最も高かった。本種を用いた連続培養では、滞留時間が14日のとき最も高い生産速度 (110mg/L/d) が得られたものの、栄養塩除去率は50%を大きく下回った。これは用いた光量あるいは水温によるものと考えられ、光量あるいは水温の増加によって、より高い収量の得られる可能性が考えられた。

言語

著者版フラグ

出版タイプ

VoR

出版タイプResource

http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85

アクセス権

metadata only access

アクセス権URI

http://purl.org/coar/access_right/c_14cb

書誌情報

p. 1