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Recovery of rare metals from wastewaters by bioreactor

Rare metals, including rare earth are highly necessary for modern technologies but the natural reserve of them is limited. The demand for rare metals is increasing and then recycling and recovery technologies are required. Biological recovery process has several advantages over the physicochemical system, such as lower energy requirement and none of the production of by-products. While several researches on the removal of manganese (Mn) by biological processes, also on the adsorption of heavy metals to Mn oxides have done, promising system for biological removal and recovery of rare metals has not yet been proposed.

Products of dissolved Mn oxidation by bacteria refer to biogenic Mn oxides. These oxides are well known to have high adsorptive capacities and therefore can adsorb a wide range of ions (Tebo et al., 2005). Enrichment of Mn oxidizing bacteria (MnOB), which produce Mn oxides for rare metal adsorption, will probably be a key technology for removal and recovery of rare metals in the future.

Down-flow hanging sponge (DHS) reactor, which has been developed for low cost wastewater treatment without imposing external aeration, is applicable to enrich MnOB in our laboratory. Beside the enrichment of MnOB, we also enrich sulfate-reducing bacteria and other biological processes using DHS reactor for removal and recovery of rare metals.











レアアースを含むレアメタルは現代のテクノロジーに欠かせない資源であるが、天然に存在する量は限られている。レアメタルの需要は増加しており、レアメタルの回収およびリサイクル技術の開発が強く求められている。生物学的な回収プロセスは化学的なものと比べ、いくつか利点があることが知られている。例えば、低エネルギーであることや副産物を出さないことなどである。研究者たちは生物学的プロセスによるマンガン除去や、マンガン酸化物に重金属を吸着させる研究を行なってはいるが、レアメタルの生物学的除去・回収の有望なシステムは開発されていない。微生物反応によるマンガン酸化物を生物学的マンガン酸化物という。生物学的マンガン酸化物は多くのイオンに対して高い吸着性能を有することが知られている (Tebo et al., 2005)。マンガン酸化細菌はレアメタル吸着作用のあるマンガン酸化物を生成する微生物である。このマンガン酸化細菌が将来、レアメタルの除去・回収技術の鍵となる可能性がある。DHS (down-flow hanging sponge)リアクターはエアレーションが不要であり、低コストかつ低ネルギーで廃水を処理できるシステムである。我々はDHSリアクターを用いてマンガン酸化細菌の培養を試みた。マンガン酸化細菌の培養に加え、DHSリアクターを用いた硫酸還元菌と他の生物学的プロセスによるレアメタルの回収技術の研究も行なっている。


Phosphorus recovery from wastewater using Polyphosphate Accumulating Organisms (PAOs)

Phosphorus is an essential element for all organisms, and is utilized mostly as fertilizers in human society. To establish sustainable use of resources, phosphorus must be recovered during sewage treatment. In wastewater treatment processes, biological phosphorus removal is achieved through phosphorus accumulation by bacteria in activated sludge. The main objective of this study is to develop a novel phosphorus recovery process from wastewater (Figure 1). We focused on the polyphosphate accumulating organisms (PAOs) ecology. The process allows the recovery of phosphate as highly phosphate-concentrated solutions by controlling PAOs to absorb and release phosphate. We are operating a pilot scale reactor using actual sewage (Figure 2) and investigating several important parameters for high performance of phosphorus recovery. In addition, we study and cultivate marine PAOs for phosphorus recovery form high salinity environments (e.g. sea water, factory effluents).


リンは全ての生命にとって重要な元素であり、我々の社会においては農業肥料として使用されている。持続可能なリン供給を達成するためには下水からのリン回収が必須となる。下水処理プロセスにおいてリン除去はリンを蓄積する微生物によって達成されている。本研究の目的は排水からの新規リン回収プロセスの開発である(Figure 1)。我々はリン蓄積細菌(PAOs)の生態に注目し新たなリン回収方法を考案した。本プロセスではPAOsのリン吸着、放出をコントロールする事でリンを高濃度濃縮液として回収する事を可能としている。現在、実下水を用いたリン回収リアクターを運転しており(Figure 2)、リン回収を高効率化するためのパラメータを調査している。更に、高塩分環境(海洋や工場廃水)からのリン資源回収を目的として海洋性PAOsの調査、培養を行っている。


Investigation PAHs environment dynamics

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) are a group of organic compounds composed of two or more fused benzene rings that have been linked to carcinogenicity and mutagenicity. PAHs primarily originate from the incomplete combustion of fossil fuels, which results in their emission into the atmosphere and subsequently into water environments. In terms of preservation of water environment, we measure PAHs content at each stage to clarify PAHs environment dynamics.




Environmental behaviors of polycyclic musks and triclosan

Polycyclic musks and triclosan are compound used as fragrance and antibacterial agent respectively. These compounds are used in consumer products for cleaning or personal care, thus a large part of the used amount is disposed of with waste water. In the waste water treatment processes, these compounds are decomposed biologically or volatilized or attached sludge. Residues are discharged into water environment or soil with compost. We investigate environmental fates by measurement of the compounds content at various fields. Also, photolysis is an important decomposition process and we investigate photolysis of these compounds. We measure the photolytic decomposition of OTNE, HHCB, AHTN and triclosan, by laboratory experiments.



Kinetic elucidation for bioavailability of dissolved iron by using the cyanobacterium Microcystis aeruginosa

Iron is one of the essential element for living organism in water environments. On discussing the biological roles of Fe in aquatic ecological system, it is important to know its forms and dynamics. In this study, we cultivate the cyanobacterium Microcystis aeruginosa to logarithmic growth rate and put them into river water sample and measure the total dissolved iron in water at fixed interval. At the same time, we put Ferrozine into another river water sample and measure its absorbancy. Comparing them, we know how M.aeruginosa take iron from water and what form of iron they can take. 

鉄は、生物にとって必須の元素であり、窒素やリンと同様に河川や海洋の生態系を特徴づける重要な元素のひとつである。現在、生物が利用可能な鉄の形態は溶存鉄であると考えられている。溶存鉄にはコロイド鉄、キレート鉄及びイオン鉄があり、その中でも二価鉄(Fe(Ⅱ))、三価鉄(Fe(Ⅲ))に分かれて存在している。水圏生態系中での鉄の役割を議論するためには、水中の生物にとってどの形態の鉄が栄養素として生物利用性があるのかを知る必要があるが、その実態が明らかではないというのが現状である。本研究では、藍藻類のMicrocystis aeruginosaの鉄摂取速度に注目して、M.aeruginosaの鉄摂取を一種のリガンド結合反応とみなし、Ferrozineと鉄の結合速度と比較することによって、溶存態の鉄がどのように利用されているのかを解明することを目的とする。


Nitrogen removal from wastewater using anaerobic ammonium oxidation (anammox) bacteria

The nitrogen removal from wastewater is essential for preventing eutrophication of environments. To remove the ammonium from wastewater, anaerobic ammonium oxidation (anammox) is an efficient biological process in which ammonium is directly converted to dinitrogen gas with nitrite as an electron accepter under anoxic conditions. Anammox process is promising alternative to the conventional nitrogen removal process; nitrification-denitrification process. However, it is difficult to cultivate anammox bacteria because of its slow growth rate, therefore there is limited information on physiological characteristics of this bacteria especially marine species. The membrane bioreactor (MBR) would be efficient for start up of anammox reactor because of preventing biomass washout. The objectives of this study are (1) to evaluate the performance of MBR (2) to analyze the membrane fouling in anammox MBR (3) physiological characteristics of marine anammox bacteria.




Substrate uptake pattern of candidate division TM7 in different wastewater treatment plant

Candidate division TM7, a recognized phylum-level lineage in the bacterial domain, has been detected in many natural habitats and are almost always found in significant members from wastewater treatment plants (WWTPs) throughout the world. The details of phylogeny and physiology of TM7 are not clear at present. A better understanding of the microbiology, ecology and population dynamics of uncultured filamentous bacteria in WWTPs is essential for understanding their role and improving process performance and control for bulking incidences.



Candidate division TM7とは分離培養の報告はないが、遺伝子配列から門レベルの系統を構成する細菌群として認知されている細菌グループである。下水処理場の活性汚泥を含む多くの自然環境に生息しているが、TM7の細かな系統樹や生理機能は現在明らかになっていない。この糸状性を示す細菌群の生理学的特性を明らかにすることは、微生物学的にも重要であるが、下水処理場内の多く存在する糸状性細菌のひとつであり、汚泥バルキングの原因微生物の疑いもあるため、その生理・生態学的な役割を解明することは環境工学的にも重要なことである。


Cultivation of unculturables as an approach for comprehensive understanding microbial eco-systems


1) development of new cultivation methods
2) to culture previously uncultured and environmentally important microbial types
3) puzzling out the mechanism of unculturability


Overwhelming majority of microorganisms do not grow in culture, especially in pure culture. Cultivation-independent molecular based approaches have recently been significantly advanced and brought huge impact on the field of environmental microbiology. On the other hand, for more than 100 years, since “agar plating technique” was developed, there are little advances in the cultivation method. The cultivation is still essential approach to analyze variety of characteristics of microorganisms and for industrial application. Therefore, trials to widen the range of cultivable types among vast majority of unculturables are important for comprehensive understandings of microbial eco-systems. This trial will connect to the “Holy Grail” application, that is controlling the microbial ecosystem by manipulating specific function or activity.

Specific aims

1) Development of several new cultivation methods based on new concepts. 

2) Cultivation of unculutured microbes playing a important role in environmental protection and global nitrogen cycle, such as ammonia, nitrite oxidizing bacteria (archaea), and anaerobic ammonia oxidizing bacterial (ANNAMOX), Polyphosphate accumulating microorganisms (PAO). These isolates are used for comparative physiological analysis to understand their eco-physiology.

3) Understanding the unculturability of environmental microorganisms using above previously uncultured microorganisms isolated by newly designed method as a model.


地球上には、極限環境から人の体内にまで膨大な数・種類の微生物(細菌・古細菌)が存在していますが、それら環境中の微生物の99%以上は未だ培養できないことが知られています。このため、環境微生物の正しい理解に基づく「制御」や「バイオリソースとしての開拓」は、幅広い分野における重要課題であるにも関わらず, そのほとんどが未解明・未利用のまま残されていると言えます。一方で、培養を伴わない分子生態解析手法の著しい進展に比べて、分離培養(単一種類の微生物を獲得し純粋培養する)の方法論は150年前から全くと言っていいほど進展していません。また、なぜ環境中の微生物が培養困難であるのか、統一的なルールやモデルが存在し得るのかについては、全く解明されていません。そこで、そのほとんどが培養困難と言われている環境中の微生物を対象にして、①分離培養手法の革新(様々なタイプの新しい分離培養手法の開発を行う)、②未培養・重要微生物の分離培養とその生態学的機能の解明、③難培養性をつかさどるメカニズム(ほとんどの微生物が培養できない統一的な理由)を解明することを目指します。