研究内容

Current researches

　　当研究室は、メタン/アンモニアの酸化を担う微生物を研究している。面白いことに、メタンとアンモニアは物質構造が似ているため、それぞれを酸化する酵素や酸化を担う微生物にも類似点が多く存在している。

　　環境中のメタン酸化とアンモニア酸化過程はそれぞれ炭素と窒素の循環において極めて重要な役割を果たしており、これらの過程を駆動する微生物は地球規模の気候変動にも影響を及ぼしている。さらに、アンモニア酸化は排水処理においても不可欠な処理ステップであるため、さらなる効率化と省エネ化が求められている。

　　当研究室は、現在以下の３つのチームに分け、研究を展開している。

In our laboratory, we primarily study on microorganisms involved in the oxidation processes of methane and ammonia. Notably, due to the structural similarities between methane and ammonia, there are serveral similarities in the enzymes that catalyze these processes, as well as in the functional microbial groups associated with them. In the environment, both methane and ammonia oxidation play crucial roles in the cycling of carbon and nitrogen, thereby exerting a substantial impact on global biogeochemical cycles. Furthermore, these processes have important implications for the advancement of biological water treatment technologies. In addition to emploring their characteristics in the natural environments, our research is focused on optimizing ammonia oxidation for applications in water treatment.

Currently, we are conducting researches in the following three divisions.

・霞ヶ浦での研究　（メタン酸化）

Methane oxidation in eutrophicated lakes

　　メタンは二酸化炭素よりも強力な温室効果ガスであり、大気中の僅かな濃度変化は地球規模の気候変動に大きな影響を及ぼしている。富栄養化が進行している淡水生態系では、藻類の一次生産に伴う有機物供給量が大きいため、潜在的に底泥中のメタン生成を促進している。ある予測では、富栄養化の深刻化に伴い、淡水生態系からの温室効果ガスの放出量は今後100 年間で最大5 倍近くまで増加し、現在の化石燃料排出量の約38～53％に相当する温暖化効果を及ぼすと予想されている(DelSontro et al., 2018; Beaulieau et al., 2019)。

　　一方、大気中へのメタンの放出は、メタン生成と酸化による消失の正味の結果である。底泥中で生成されたメタンの一部は水圏環境に遍在しているメタン酸化微生物（好気性・嫌気性）の働きによって分解されている。これらのメタン酸化微生物は好気的環境では酸素を、嫌気的環境では硝酸/ 亜硝酸/ 硫酸イオン等を末端電子受容体とし、異なる酵素反応によってメタンを二酸化炭素まで酸化することが確認されている（Bussmann, 2005; Lopes et al., 2011）。これらの好気性・嫌気性メタン酸化過程は水圏環境でのメタン放出調節機構として大気中への放出量を制約している。

　　しかし、既知のメタン酸化微生物の分布と実測されたメタン酸化活性の間に不均衡が存在しており、メタン酸化過程の生物学的反応機構とその制御要因には不確実性がまだ多く残っている。特に、浅い富栄養化湖沼及びその底泥中の情報は極めて不足しており、陸域生態系のメタン収支を把握する際のブラックボックスとされている。当研究室は、日本第二の淡水湖霞ヶ浦に着目し、富栄養化淡水湖沼におけるメタン放出調節機構の解明に努めている。

Methane, a greenhouse gas with a higher global warming potential than carbon dioxide, can significantly influence global climate change even with minor fluctuations in its atmospheric concentration. In freshwater ecosystems experiencing eutrophication, the substantial influx of organic matter from algal primary production may enhance methane generation in the benthic sediments. It is projected that, with the intensification of eutrophication, greenhouse gas emissions from these freshwater systems could increase by nearly fivefold over the next century, contributing to a global warming effect comparable to approximately 38-53% of present fossil fuel emissions (DelSontro et al., 2018; Beaulieau et al., 2019).

On the other hand, methane emissions into the atmosphere represent the net balance between methane production and its removal through oxidation processes. A portion of the methane generated in bottom sediments is decomposed by methane-oxidizing microorganisms, which are prevalent in aquatic environments and include both aerobic and anaerobic types. It has been established that these microorganisms utilize oxygen in aerobic conditions, and nitrate, nitrite, or sulfate ions as terminal electron acceptors in anaerobic conditions, to oxidize methane to carbon dioxide via distinct enzymatic pathways (Bussmann, 2005; Lopes et al., 2011). These aerobic and anaerobic methane oxidation processes function as regulatory mechanisms for methane emissions in aquatic environments, thereby limiting the quantity of methane released into the atmosphere.

Nevertheless, a discrepancy exists between the distribution of identified methane-oxidizing microorganisms and the observed methane oxidation activity. And there are still numerous uncertainties regarding the biological mechanisms underlying the methane oxidation process and the factors influencing it. In particular, there is a significant paucity of information regarding shallow eutrophic lakes and their benthic sediments, which are considered a black box when it comes to understanding the methane balance in terrestrial ecosystems. Our research laboratory focuses on Lake Kasumigaura, Japan's second largest freshwater lake, with the aim of elucidating the regulatory mechanisms governing methane emissions in eutrophic freshwater lakes.

・東京湾岸水系での研究　（アンモニア酸化）

Nitrification in coastal riverine environments

　　窒素はすべての生物にとって必須元素であるが、生活排水等に起因する窒素の過剰負荷は都市流域の生態系に大きな攪乱を与え、富栄養化等の環境問題を引き起こしている。人為由来の窒素負荷は硝化-脱窒を経て水圏から除去されるが、その過程の進行速度は硝化に強く依存する。そのため、排水負荷の高い水域における硝化過程の解明は、該当水域の窒素収支を把握するために不可欠である。

　　さらに、硝化と脱窒はいずれも強力な温室効果ガスである亜酸化窒素の放出に寄与しているため、水圏への窒素負荷は長期的に気候変動に影響していることが懸念される。本研究室は、人為的排水負荷を多く受けている隅田川～運河部周辺を対象に、硝化速度を制御する生物的・非生物的要因を研究している。

Nitrogen is a critical element for all living organisms; however, excessive nitrogen inputs from domestic wastewater and other anthropogenic sources disrupt ecosystems in urban watersheds, leading to environmental issues such as eutrophication. Nitrogen of anthropogenic origin is removed from the hydrosphere primarily through the nitrification-denitrification process, but the efficiency of this process is heavily dependent on the rate of nitrification. Consequently, elucidating the nitrification process in water bodies with significant wastewater inputs is crucial for understanding their nitrogen balance. Moreover, since both nitrification and denitrification contribute to the emission of nitrous oxide, a potent greenhouse gas, there are concerns regarding the long-term impact of nitrogen loads in the hydrosphere on climate change. Our laboratory is investigating the biotic and abiotic factors influencing the nitrification rate in the Sumida River and canal areas, which are subject to substantial anthropogenic wastewater inputs.

・水処理のラボ試験　（アンモニアの処理）

Optimization of biological removal of ammonia in wastewater

　　現在、人為由来の窒素化合物の排出量は年間18Tg を及んでおり、これらの窒素負荷は水圏富栄養化など複合的な問題を引き起こしている。現在主流となっている活性汚泥法は有機物の処理に有効だが、アンモニアをはじめとする無機窒素成分の処理能力が不足している。排水中の窒素の処理に最も経済的で有効なのは硝化‐脱窒と呼ばれる生物処理法である。しかし、硝化‐脱窒による窒素処理速度は前段階の硝化に律速しているため、安定した硝化処理が水処理現場で求められている。さらに、硝化は持続的な曝気が必要で、大量な電力を消費している。また、副産物として生成される亜酸化窒素の減量化も課題となっている。

　　一方、硝化を担う微生物について、2015年に発見されたコマモックス菌（van Kessel et al., 2015）によって再定義された。コマモックス菌は、溶存酸素に対する親和性（Lawson et al., 2018; Roots et al., 2019など）が従来の硝化菌（eg.アンモニア酸化細菌、AOB）に比べて高く、そして亜酸化窒素の放出量（Han et al., 2021など）が顕著に低いため、排水処理の省エネ化・温室効果ガス（GHG）排出量の減量化の実現に応用性が高い。

　　本研究室は、硝化処理の最適化（効率化、省エネ化、GHGの減量化）を目指し、硝化を担う微生物群集の制御方法を研究している。

Currently, the annual discharge of anthropogenic nitrogen compounds amounts to 18 Tg, contributing to various environmental issues, including aquatic eutrophication. The widely adopted activated sludge process effectively treats organic matter but is inadequate for addressing inorganic nitrogen compounds, such as ammonia. The most cost-effective and efficient approach for nitrogen removal in wastewater is the biological nitrification-denitrification process. However, since the rate of nitrogen treatment by the nitrification-denitrification process is constrained by the nitrification phase, necessitating stable nitrification treatment at water treatment facilities. Furthermore, nitrification requires continuous aeration, leading to substantial electricity consumption. Additionally, minimizing the production of nitrous oxide as a by-product remains a significant challenge.

On the other hand, the microbial nitrification process were redefined by the discovery of the comammox bacteria (van Kessel et al., 2015). Comammox bacteria exhibit a higher affinity for dissolved oxygen compared to canonical ammonia-oxidizing bacteria (AOB) (Lawson et al., 2018; Roots et al., 2019), and produce significantly lower levels of nitrous oxide emissions (Han et al., 2021). These characteristics render them particularly suitable for enhancing energy efficiency and mitigating greenhouse gas (GHG) emissions in wastewater treatment processes.

Our laboratory is currently investigating strategies to regulate the microbial community responsible for nitrification, with the objective of optimizing treatment efficiency, energy conservation, and GHG reduction.

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