2022-05-13 産業技術総合研究所
ポイント
- ペットボトル原料製造の廃水で浄化が難しい芳香族化合物を、異なる工程の廃水を意図的に混合することで、微生物による分解を促進することに成功
- 難分解成分の一つ、オルソフタル酸の微生物分解の仕組みを新たに提案
- ポリエチレンテレフタレート製造の異なる工程で生じる難分解性廃水を一括して効率な浄化に目途
概要
国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という） 生物プロセス研究部門 微生物生態工学研究グループ 黒田 恭平 研究員、成廣 隆 研究グループ長らは、ペットボトルなどに用いられるポリエチレンテレフタレート（以下「PET」という）の原料となる高純度テレフタル酸（以下「PTA」という）とテレフタル酸ジメチル（以下「DMT」という）の製造過程で排出される高濃度有機性廃水の一括処理に成功し、その新しい処理機構を微生物のゲノム情報に基づき提案した。
本研究では、これまで個別に処理されていたPTA製造廃水とDMT製造廃水の2種のPET原料製造廃水を、浄化と同時にメタンガスを製造する嫌気性生物学的廃水処理法を用いて、上昇流嫌気性スラッジブランケット（以下「UASB」という）反応器で一括処理できることを実証した。加えて、ショットガンメタゲノム解析により、UASB反応器内の廃水中の芳香族化合物分解を担う微生物の代謝機能を推定し、廃水中の各種化学物質を分解する嫌気性共生細菌の進化や多様性を理解できる重要な発見である。本研究の成果は、PET製造廃水処理の高度化という実用技術と微生物の機能の学術的理解の両面に貢献する。なお本成果は、国際学術誌「Water Research」オンライン版に5月10日に掲載された。
嫌気性生物学的廃水処理法によるペットボトル原料製造過程由来の2種の廃水の一括処理の背景と研究成果
開発の社会的背景
PETはペットボトルなどに広く利用されるプラスチックの一つである。PETの製造量は年々増加しており、今後も世界規模でPET製造が継続されると考えられている。PETは石油由来のPTAもしくはDMTを主原料として製造されるが、その製造工程では高濃度な有機性廃水が排出される。これらの廃水は、しばしば嫌気性生物学的廃水処理法を用いてメタンを製造し、エネルギー回収が行われている。現在、PTAおよびDMTは個別のプラントで製造されているため、その製造過程で生じる廃水の処理プロセスも個別に設置・運用されているが、PTA製造廃水の単独処理では芳香族化合物の微生物分解は容易ではない。そのため、廃水処理後の放流基準を満たすために処理時間を長くしたり、廃水処理システムの設置面積に余裕をもたせた設計がなされており、導入や運用で余剰なコストが生じている。このような背景から、PTA製造廃水処理の効率化に向けた技術開発が求められていた。本研究では、芳香族化合物を主成分とするPTA製造廃水に、メタノールやギ酸を主成分とするDMT製造廃水を混合して処理することで、芳香族化合物の分解の鍵を握る微生物群の浄化能力を活性化することを着想し、PET原料製造廃水の一括処理システムの確立に向けた研究開発を進めた。
研究の経緯
産総研では、内閣府のバイオ戦略が目指す2030年のバイオエコノミー社会の実現に貢献するため、素材開発・高機能化・製造・分解評価・廃水処理といった一連の研究を組み合わせた「循環型社会を目指した生物資源利用技術」の社会実装を目指している。廃水処理を対象とする研究においては、分解が難しい有機性廃水処理の効率化やコスト削減を社会課題として位置付け、生物学的廃水処理の主役である微生物に着目し、有機性廃水処理技術の高度化に資する微生物機能の発見を目指している。その一環として、特に微生物ゲノム情報を活用した廃水処理技術の高度化を目指しており、微生物間の相互作用や新しい代謝経路を明らかにすることで、さまざまな有機性廃水の処理技術の開発に取り組んできた。
我々は、ペットボトルなどに利用されるPETの製造プロセスにおいて、環境負荷の高い有機性廃水が排出されるPTAおよびDMT製造廃水の効率的な一括処理方法を検討し、その処理機構を微生物ゲノム解析により推定した。
なお、本研究の一部は、日本学術振興会の科学研究費助成事業 基盤研究（B）（一般）（JP18H01576、JP21H01471）の支援を受けて実施した。
研究の内容
本研究では、嫌気性生物学的廃水処理法を用いてUASB反応器でPTA製造廃水とDMT製造廃水を一括処理する技術を考案し、DMT製造廃水中のメタノールやギ酸成分がPTA廃水の浄化を促進することを実証した。まず実験室スケールで製作したUASB反応器で段階的に有機物濃度を上昇させて518日間の長期連続処理実験を行った。廃水の有機物濃度やその90%以上を安定的に分解できる処理条件を明らかにした（図1左）。本研究では、有機物分解速度は既報のPTA製造廃水処理反応器の1.2–4.4倍を示した（図1右）。さらに、ギ酸の添加により、ギ酸や水素を利用するメタン生成アーキアと、芳香族化合物を分解する嫌気性共生細菌の反応器内での存在量が増加した。この結果から、DMT製造廃水に含まれる成分をPTA製造廃水に添加することで、UASB反応器における芳香族化合物の分解に必要不可欠な嫌気性共生細菌とメタン生成アーキアがその相互作用で活性化され、高い処理効率を示したと考えられた。このように、PTA製造廃水とDMT製造廃水の複合廃水の効率な一括処理が実現した。
図1 廃水の連続処理の実験結果。
左：518日間の有機物濃度の変化。右：本研究と既報の廃水の有機物除去速度の比較。
これら複合廃水の処理機構を解明するためショットガンメタゲノム解析を行った結果、UASB反応器内において、廃水中に高濃度で存在する芳香族化合物（テレフタル酸、イソフタル酸、オルソフタル酸など）を分解する微生物群を推定した。そのうち、特にシントロフォラブダス（Syntrophorhabdus）属に近縁の微生物は、オルソフタル酸を分解する新しい代謝経路をもつことが示唆された（図2）。
図2 ショットガンメタゲノム解析によるオルソフタル酸分解経路の推定
本研究では、PTA製造廃水とDMT製造廃水の一括処理により、既往のPTA製造廃水の処理効率を上回る廃水処理システムにつながる成果を得た。今後は、石油由来原料だけでなく、廃プラスチックや生物由来原料を利用するPET製造プロセス技術が普及し、PTAとDMTを同じ工場敷地内で生産するなどの新しい事業形態のプラントの建造が社会的に見込まれている。そのため、本研究のような異なるプロセスから排出される性質の異なる廃水を単一のプロセスで同時に処理する技術開発の需要は、今後高まることが予想される。また、新規に提案したオルソフタル酸分解経路は、嫌気性共生細菌の合成化学物質分解能力を理解する上での重要な発見である。
今後の予定
今後は、PTA製造廃水、DMT製造廃水だけでなくPET製造時に排出されるその他のPET製造廃水の一括処理を検討し、微生物学的な視点から性質の異なる廃水の一括処理技術の適用範囲の拡大を目指す。さらに、本研究で新規提案したオルソフタル酸に加え、分解経路が未解明であるその他の芳香族化合物についても微生物ゲノム情報解析を駆使した解析に取り組んでいく。これらの微生物学的情報に基づき新しい処理プロセスを設計し、将来的には石油化学プロセスから排出される廃水に含まれる難分解性化合物を効率的に分解することができる環境調和型廃水処理プロセスを創出し、バイオエコノミー社会の形成に資することを目指す。
論文情報
掲載誌：Water Research
論文タイトル：High-rate cotreatment of purified terephthalate and dimethyl terephthalate manufacturing wastewater by a mesophilic upflow anaerobic sludge blanket reactor and the microbial ecology relevant to aromatic compound degradation
著者：Kyohei Kuroda*, Takashi Narihiro*, Futaba Shinshima, Mio Yoshida, Haruka Yamaguchi, Hazuki Kurashita, Nozomi Nakahara, Masaru K. Nobu, Taro Q.P. Noguchi, Masahito Yamauchi, Masayoshi Yamada
*両著者はこの研究の共同責任著者
用語の説明
- ◆高濃度有機性廃水
- 特に化学工場や食品工場などで排出され、主に高濃度の有機物が含まれる廃水。有機物濃度が高く、難分解性物質が含まれることも多いため、環境負荷低減のためにも適切な処理が必要となる。
- ◆上昇流嫌気性スラッジブランケット
- 上昇流嫌気性スラッジブランケット（Upflow anaerobic sludge blanket）反応器は廃水処理システムの一種であり、反応器内に高濃度の微生物集塊（汚泥顆粒）を保持させ、下部から廃水を上昇流で処理することで、有機物をメタンと二酸化炭素まで分解し、エネルギーとしてメタンガスを回収できる技術。
- ◆ショットガンメタゲノム解析
- 環境中の複合微生物から抽出したDNAを断片化し、網羅的に解読することで、複合微生物の生態や機能を解析すること。
- ◆嫌気性共生細菌
- 無酸素環境下において、テレフタル酸や安息香酸といった芳香族化合物や、プロピオン酸や酪酸といった揮発性有機酸を分解する微生物。これらの化合物の分解反応は水素濃度が高い環境では進行しないが、メタン生成アーキアなどの水素利用性微生物が共存することで水素が速やかに除去され、低水素濃度環境が保たれることで分解が可能となるため、嫌気性廃水処理プロセスにおける有機物分解とメタンガス生産にとって、嫌気性共生細菌とメタン生成アーキアとの共生関係が重要となる。
- ◆バイオ戦略
- 内閣府の統合イノベーション戦略推進会議により取りまとめられている、我が国におけるバイオエコノミーの推進に関する方針で、『「2030年に世界最先端のバイオエコノミー社会を実現すること」を目標に、持続可能性、循環型社会、健康（ウェルネス）をキーワードに産業界、大学、自治体などの参画も得て推進しているイノベーション戦略（内閣府ウェブサイトより引用）』である。
- ◆バイオエコノミー
- バイオテクノロジーや再生可能な生物資源などを利活用し、持続的で、再生可能性のある循環型の経済社会を拡大させる概念を指す（内閣府ウェブサイトより引用）。経済協力開発機構(OECD)が2009年に発表した報告書「The Bioeconomy to 2030: designing a policy agenda」によりその概念が広まり、我が国におけるバイオ戦略の策定にもつながった。
- ◆メタン生成アーキア
- 無酸素環境下において、水素・二酸化炭素、メタノール、酢酸などからメタンガスを生産可能な微生物。嫌気性廃水処理に必要不可欠な微生物である。
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