芳香族分解菌の特異的メタボリズムを利用した新奇発電システムの構築

利用芳香族降解菌的特异性代谢构建新型发电系统

• 批准号: 18H05943
• 负责人: 本間 俊将
• 金额: $ 1.75万
• 依托单位: Ichinoseki National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-08-24 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18H05943/
• 关键词: エネルギー変換; 微生物燃料電池; リグニン; 代謝反応; 燃料電池; 微生物利用; 電極反応

未利用バイオマスの一つであるリグニンから燃焼を経ずに直接電気エネルギーを得る新奇燃料電池システムを考案した。これは、芳香族分解菌の代謝反応を利用してリグニン分解物をガリック酸に変換し、生成したガリック酸を燃料電池の還元剤として利用するものである。リグニン分解物をガリック酸に効率的に変換する微生物触媒として芳香族分解菌Sphingobium SYK-6株を選択した。休止菌体を調製し、シリンガ酸をリグニン分解物のモデル物質として代謝試験を実施したところ、電気化学的に活性なガリック酸が菌体外に分泌されることが示された。変換効率のさらなる向上を狙いガリック酸代謝酵素欠損株を含む遺伝子破壊株3種を使用して同様の実験を行ったが、変換効率の向上は見られなかった。シリンガ酸からガリック酸への変換には補酵素が必要であり、遺伝子破壊株の利用に加えて補酵素再生系を活性化する培養条件の探索が変換効率の改善に効果的であると推測した。一方、微生物触媒の活性が高い中性条件におけるガリック酸の電気化学的酸化についても検討した。その結果、生成物が電極表面に堆積して電極反応を阻害することがわかった。中性条件でも電気化学的活性を示すポリアニリン／ポリアクリル酸複合膜で電極表面を修飾したところ、生成物の堆積は劇的に抑えられた。この修飾電極と白金触媒を担持した炭素電極をそれぞれアノードとカソードとして単層型燃料電池を試作し、中性条件においてガリック酸から電気エネルギーが得られることを実証した。

我们设计了一种新型的燃料电池系统，该系统直接从木质素（未使用的生物质之一）中获得电能。这是一种使用芳族分解细菌的代谢反应将木质素分解产物转化为食道酸的方法，并且所得的长石酸被用作燃料电池中的还原剂。选择芳族降解细菌菌株Syk-6作为微生物催化剂，以有效地转化木质素降解产物为食道酸。制备抗性细胞，并使用音调酸作为木质素降解的模型物质进行代谢检测，并表明电化学活性甘油在外部分泌。为了进一步提高转化效率，我们使用三个基因破坏菌株进行了类似的实验，包括缺乏长石酸代谢酶的菌株，但没有发现转化效率的提高。辅酶是将传统酸转化为甘酸所必需的，并且据推测，除了使用基因破坏菌株之外，搜索激活辅酶再生系统的培养条件有效地提高了转化效率。另一方面，我们还研究了在微生物催化剂高度活性的中性条件下的甘酸的电化学氧化。结果，发现产物沉积在电极表面并抑制电极反应。用聚苯胺/聚丙烯酸复合膜修饰电极表面，该膜即使在中性条件下也表现出电化学活性，从而极大地抑制了产品沉积。使用修饰的电极制造单层燃料电池，并分别由铂催化剂作为阳极和阴极支撑的碳电极，以证明在中性条件下可以从长石酸中获得电能。