茗溪学園高等学校科学部生物班
山口幸大，小澤一毅，山田亘騎，平塚葵，三木麻衣（顧問：鈴木朋子）

日本農芸化学会

霞ヶ浦の底泥で発電は可能か

本 研 究 は 日 本 農 芸 化 学 会 2019 年 度 大 会（開 催 地： 東 京 農 業
である．様々な能力を有し人類によって様々に利用されてい●る 微 生 物 は， 燃 料 電 池 に 利 用 す る こ と も で き る． 本 研 究 で化学と生物

採泥と微生物燃料電池の作製

大学）での「ジュニア農芸化学会」において発表されたもの

は，霞ヶ浦の底泥を研究素材として，底泥を利用して実際に発電が可能であることを示し，また泥中には発電能力を利用

【方法】
1.

発電量の計測霞ヶ浦西浦の湖岸で採泥した（図 1）．プラスチック容可能な細菌が普遍的に棲息していることを強く示唆する結果器（容量 4 L）を用いて発電装置を組んだ（図 2）．電極を得た．本研究は，発電への微生物利用を切り開く可能性をにはグラファイトフェルトのクレハ F-205（黒鉛系）と秘めており，研究の将来性が学会から高く評価された．

本研究の目的・方法および考察【目的】

F-105（炭素系）の 2 種類を用いた．発電条件は，10 kΩの抵抗を挟んで 20 C および 25 C の恒温器内で運転し，経時的に電圧を測定した．
2.

微生物燃料電池は，酸素の代わりに負極に電子を渡す電池としての性能評価
霞ヶ浦で生物相の状態や環境条件，さらに泥の性状のことで呼吸する微生物を用いて，有機物の保有する化学異なる 3 地点で泥を採取した（図 1）．

エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である．実

①ヨシ群生地点の泥（2018 年 6 月採取）
：ヨシの群生地用化にあたり最も有望と考えられているのが，廃水処であり，ヨシの根元の泥を表土ごと採取した．

理・下水処理への適用である．発電した電力をその水処②ラクスマリーナの港の底泥（2018 年 5 月採取）
：エク理に利用しながら，同時に汚泥有機物が削減できる．常マン・バージ採泥器を用いて，湖底より採取した．

温運転が可能で持続的にエネルギーが取り出せる微生物③人工の砂防の泥（2018 年 6 月に採取）：表土ごと採取

燃料電池は，エネルギー問題の解決への大きな将来性をもつと考える．この発電細菌としてはが有名である(1, 2)．

また，私たちの学校がある茨城県には，日本第 2 位のした．
対照：有機肥料入り園芸培土（市販品）
それぞれの泥を用いた発電装置を組み（図 2），①と③は 25 日，②は約 86 日断続的に運転したものを試料と面積を有する霞ヶ浦がある．富栄養湖であり，水質の浄化を中心に多くの環境保全対策が取り組まれている．私たちはこの霞ヶ浦の豊富な有機物を積極的に有効利用できないかと考え，微生物燃料電池に着目した．霞ヶ浦の底泥を用いて発電ができれば，新たな資源利用の可能性が広がるのではないかと考え，微生物燃料電池としての可能性を探ることを目的とした．

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図 1 ■ 霞ヶ浦の底泥の採取地点

化学と生物 Vol. 57, No. 12, 2019

として優れている．この観点から電池としての性能を比した．電極は F-205 を用いた．
電池性能の評価は分極曲線と出力曲線を作成し，起電較すると，ヨシ群生地の泥が最も電池としての性能が高力，内部抵抗，最大出力を調べることで行った．1 回のく，その有効利用に可能性があると考えられる（図 4，測定ごとに抵抗を付け替え，電流を測定した．付け替え

表 1）．ヨシ群生地の泥についでラクスマリーナ港の底た抵抗の種類は 15 種類である．
（0.2, 0.47, 0.68, 1, 2, 3, 4,泥，その次に人工砂防の泥の順で電池性能が劣り，対照

5, 10, 20, 47, 51, 68, 100, 220［kΩ］）の園芸培土では発電が認められなかった．園芸培土にはさらに，①および対照の風乾土を，埼玉大学総合技術

発電細菌がいないかもしくは数が少ないと考えられる．

支援センターに委託して元素分析（C％, H％, N％）を行った．
【結果および考察】
1.

発電量の計測日本農芸化学会

発電が確認でき，泥中には発電細菌が存在していると考えられる（図 3）．電極 F-205（黒鉛系）においては運転開始直後から発電が確認された．35 日後に最大量となり，その後 1 カ月間はほぼ安定した電圧値を示した．
電極については，導電率の高い黒鉛系の電極のほうが炭素系の電極よりも高い発電量となった．炭素系のグラファイトフェルトの方が生物との親和性が高く良い発電●環境を形成するのではないかと予測したが，予測とは異なる結果となった．また，温度については，25 C よりも 20 C のほうが発電量がやや高く，発電細菌の生息適温は 25 C よりも低温にあると推測される．

化学と生物

2.

図 3 ■ ヨシ群生地の泥での発電量の変化

電池としての性能評価
内部抵抗が低く，起電力と最大出力が高いほうが電池

図 2 ■ 実験装置図 4 ■ ヨシ群生地の泥での分極曲線と出力曲線

表 1 ■ 泥別の電池としての性能評価①ラクスマリーナ港②ヨシ群生地③人工砂防

対照（園芸培土）

0.1581280.23369350.121135
3.60
測定不可
0起電力（V）
内部抵抗（Ω）
最大出力（μW）

化学と生物 Vol. 57, No. 12, 2019773

ヨシの群生地点の泥での発電量が多い理由としては，低下した．特に塩化ナトリウムを加えた区では，pH のこの場所にはたくさんのヨシが生息しており，そのヨシ低下が著しく，硝酸イオン濃度の上昇を確認した（表 3）．の枯死体が泥中に有機物として蓄積されていること，ま電解質の添加は，pH や浸透圧を変化させ，細菌バランた生育個体からも有機物が溶脱していることより，そのスや活性を変化させた結果，発電量が低下したと考えら

豊富な有機物を発電細菌が分解し，多くの電子を放出しれる．ているからと考えられる．風乾土の全炭素（％）が約2.

コンデンサーでの蓄電は可能か4.5％であり，この数値は対照の有機肥料入りの園芸培

放電曲線は ＝16.15e−9E-04 （ ：秒， ：電流 µA,2

土と比較すると 6 割程度であるものの，黒ボク土に匹敵＝0.9999）となり，量は少ないが蓄電することは可能でする高い値であり，泥中に多くの有機物が存在することあることが明らかになった（図 5）．

を支持するものである (3)（表 2）．
底泥中の微生物の解析●

日本農芸化学会

微生物燃料電池の性能評価

【方法】

【方法】

1.

電解質の添加による電池としての性能評価

1.

方法 2 で用いた装置（試料①〜③および対照）の陽極電解質を添加し，内部抵抗の変化を調べた．泥が NaClと陰極付近の泥 5 g を無菌水 10 mL に入れて撹拌し，そ（0.6％ と 1.2％ の 2 濃 度） と 乳 酸（15 と 30 mM の 2 濃 度）

れぞれの懸濁液を固体細菌用寒天培地（LB 培地）上にの水溶液に浸かるように調整した．10 kΩの抵抗をつな

100 µL ずつまき，好気条件下と嫌気条件下の 2 条件でいで運転し，NaCl を添加した電池は 16 日後，乳酸を添

シャーレ 3 枚ずつ培養した（25 C・24 時間）．その後コ加した電池は 6 日後に分極曲線と出力曲線を作成した．

ロニーの形態・色・数を計測した．嫌気条件は，密閉容

泥はヨシ群生地点の泥を用いた．

器ジャーに酸素吸収・炭酸ガス発生剤（三菱ガス化学アコンデンサーでの蓄電は可能か2.

ネロパックケンキ）を入れて設定した．

方法 3 で電池としての性能が一番高かった［蒸留水‒化学と生物

底泥中に存在する細菌の実態

2.

細菌の違いによる発電量の比較

黒鉛系電極（F-205）］の装置を用いて，コンデンサー

方法 5 の試料①の負極付近の泥から培養された細菌の（1F）で 24 時間 1 MΩの抵抗をつないで蓄電したのち，うち，コロニーの形や色の違う細菌を 5 種（a〜e）を単

1 時間 1 kΩの抵抗をつないで放電し，放電曲線を作成し蓄電量を試算した．
【結果および考察】
電解質の添加による電池としての性能評価

1.

電解質の添加により内部抵抗は下がったが，起電力も表 2 ■ 元素分析結果（ヨシ群生地泥 ＝4，園芸培土 ＝5）

ヨシ群生地の泥（標準偏差）
園芸培土（標準偏差）

C％

H％

N％

4.48（0.379）
7.63（0.899）

1.20（0.168）
2.80（0.0508）

0.38（0.0432）
0.46（0.0261）

図 5 ■ ヨシ群生地の泥での放電曲線

表 3 ■ 電解質添加区の計測値
乳酸 15 mM（F105） 乳酸 30 mM（F105） NaCl 0.6％（F105） NaCl 1.2％（F105） 蒸留水（F205） 蒸留水（F105）
電気伝導度［mS/cm］
pH
硝酸濃度［ppm］
起電力［V］
内部抵抗［Ω］
最大出力［μW］

774

1.18
6.7
未測定
0.043
30≧3.4

1.52
6.3
未測定
0.0419
600
0.72

15.9
4.7
490
0.0253
1200
0.14

224.8
810
0.1095
400
6.8

0.006
6.9
360.252400≧340.1357.0
230.2002
1400
7.4

化学と生物 Vol. 57, No. 12, 2019

図 6 ■ 各条件でのコロニー数（左：好気条件

右：嫌気条件）

日本農芸化学会

横軸表記：Ct.（対照：園芸培土），ヨシ（ヨシ群生地泥），ラク（ラクスマリーナ港泥），砂防（人工砂防泥）陰（陰極），陽（陽極）離した．発電装置はガラス瓶を用い，泥の代わりに直径ちで突出して発電量が多い菌はなかったが，5 種すべて

8 mm の滅菌ガラスビーズを電極間に挟み，LB 液体培地の細菌の発電を確認した．泥の中には複数の発電細菌が（400 mL）でガラスビーズを満たして作成した．この装存在していることがわかった．

置において空気と接する場所は，培地の液面のみとな

3.に入れて培養した．100 kΩの抵抗を並列に挟み，経時●的に電圧の変化を測定した．

化学と生物

細菌の同定
ヨシ群生地の泥の負極から単離した細菌は，a, b, d, e

る．LB 培地にそれぞれの細菌を移植し，20 C の恒温器

3.

細菌の同定が属の細菌であり，c が属の細菌であると同定した．
【今後の課題】

方法 6 で使用した 5 種類の細菌の菌体よりDNA を抽出電池としての性能を向上させ電気産生量を高めるこ

し，細菌16S rRNA 遺伝子に特異的なプライマー（27F: 5′-と，さらに連続運転時間が長くなるような条件を探るこ

AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG, 1492R: 5 ′-GGYTACとが必要である．

CTT GTT ACG ACT T）を用いて PCR 増幅し，シーク

現時点では電気産生量も蓄電量も非常に小さいが，エンスにより塩基配列を決定して，NCBI の GenBank で霞ヶ浦の底泥を有効利用できる可能性について，その一BLAST 検索を行った．

歩を示すことができたのではないかと考える．「霞ヶ浦【結果および考察】は巨大な電池」であると大きな魅力を感じ，その有効性

1.

底泥中に存在する細菌の実態出現した細菌のコロニー数は園芸培土が最も多いが，霞ヶ浦で採取した泥には嫌気条件下で生きる細菌の割合が高い（図 6）．これは，霞ヶ浦の泥は湛水・半湛水下にあり，酸素濃度が乾土より低い環境であるからと考える．ヨシ群生地の泥は，ほかの 2 地点の泥より好気条件下で出現する細菌が多いのは，半湛水状態でさらにヨシの根が土壌に酸素を供給することによると考える．発電
細菌は嫌気条件下で負極に電子を放出して呼吸し生きていくことができると知られているので，嫌気条件で出現した細菌コロニーの中に発電細菌がいると考える．
2.

細菌の違いによる発電量の比較
ヨシ群生地の泥の負極から単離した細菌（a〜e）のう

化学と生物 Vol. 57, No. 12, 2019をさらに提示できることが希望である．
謝辞：本研究は，東京薬科大学の渡邉一哉先生に実験のご指導をいただ
きました．霞ヶ浦の底泥の採取に当たり，霞ヶ浦環境科学センターの沼澤篤先生，細田直人先生のご指導をいただきました．霞ヶ浦市民協会様より採泥器をお借りし，ラクスマリーナの秋元昭臣様にご指導とご協力をいただきました．この場をお借りして感謝申し上げます．

文献1) 高妻篤史，宮原盛夫，渡邉一哉：化学と生物，50, 150(2012).
2) 高妻篤史，橋本和仁，渡邉一哉：環境バイオテクノロ
ジー，9, 105 (2009).
3) 小林 久，陳 杰：農業土木学会論文集，230, 217 (2004).
Copyright © 2019 公益社団法人日本農芸化学会DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.57.772

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