〈一般研究課題〉 微生物燃料電池による自然環境からの殺菌剤
除去法の確立助 成 研 究 者

中部大学

後藤

裕子

微生物燃料電池による自然環境からの殺菌剤
除去法の確立後藤 裕子（中部大学）

Fungicide removal from water environment
using microbial fuel cells
Yuko Goto(Chubu University)

Abstract：
In this study, the removability and effects of isoprothiolane (ISO), which is a type of fungicide,on exoelectrogens and electricity production in a microbial fuel cell (MFC) were investigated.
First, electrochemical cultivation (EC) was carried out under anaerobic conditions at +200 mV (vs.
Ag/AgCl) using a pesticide-free soil as a source of microorganisms for 8 days. EC produced amaximum current of 6. 0 µA/cm 3 from 6 mg-ISO/kg water, which was higher than that produced
from 0 mg-ISO/kg water. After EC, 22% of ISO was removed from 6 mg-ISO/kg water. Next, forwater treatment, MFCs, which use graphite felts as electrodes and pesticide-free soil as a sourceof microorganisms were polarized via an external resister of 10 Ω for 40 days at the following
concentrations: 6 mg-ISO/kg and 0 mg-ISO/kg. The MFC produced an average of 0.23 mW/m 2 anode with 6 mg-ISO/kg, which was significantly higher than that produced with 0 mg-ISO/kg.
Simultaneously, the MFC removed an average of 48% of the ISO present in the water samples. In
contrast, the concentration of ISO in unpolarized water with 6 mg-ISO/kg did not decrease. Genus
Geobacter, a type of exoelectrogen, was detected in the soil at less than 1% before using the MFC,
and was increased by polarization to 6% in the MFC with 0 mg-ISO/kg. However, it was detected
at 3% after polarization in the MFC with 6 mg-ISO/kg. These results indicate that MFCs can be
efficiently used to promote the fungicide removal from water and produce electricity, even though－ 57 －

the fungicide negatively affects the growth of the exoelectrogens.
１．はじめに汚染物質の中でも農薬は、労力の軽減や生産性の向上のために環境中へ意図的に放出される化学物質である。現在使用されている農薬は、環境への影響を配慮して少量の散布でも有効な効果が得られる低量化が進み、残留性、毒性とも低くなっている [1]。しかしながら、季節的に集中して使用されるため、短期間に多量の農薬成分が環境中に放出されることになる。環境中に放出された農薬は光や微生物によって分解を受け、分解を受けずに残った成分は大気や水系に移流するか、土壌に残留する [2, 3]。
日本を含むアジアにおいては水田農業に伴う水利用が多く、途上国では農薬の過剰使用による水環境の汚染が問題となっている [4]。また、還元的空間が生まれやすい湖沼などにおいては、低濃度ではあるが農薬が1年以上残留することもある [5]。農薬による水環境の汚染によって、タラの仲間やシシャモなどの水生生物から現在も使用されている複数の農薬やその代謝物が0.3-5.1 ng/
g-lipid wt.で検出された報告例もある [6]。そこで、本研究では農薬に汚染された水資源からの残留農薬除去を促進する新たな手法の一つとして、微生物燃料電池（MFC）に着目した。
MFCは、微生物を触媒にして有機物を分解した際に出た電子を電極へと回収するデバイスであり、化石燃料に代わる新しいエネルギーとして注目されている [7]。一般的なMFCは1つから2つのコンパートメントに正極と負極を備えた構造をとる。微生物による有機物の酸化により生じた電子は負極から外部抵抗を介して正極へと移動し、正極でプロトンとともに大気中の酸素の還元に利用される [8]。
MFCの排水処理への応用は1990年頃から注目されている [9]。近年の報告では、微生物が利用する有機物源として人工透析廃水、蒸留施設や家庭からの実排水、もしくはその模擬排水をMFCに用いて、水の入れ替えを半日から9日間隔で行いながら処理した場合、有機物が65-96％除去され、同時に40-1500 mW/m 2 の電力および67-1990 mW/m 2 の最大出力密度（Pmax）が得られたとの報告がある [10-19]。有機物以外にも、9時間から260時間のMFC処理により、電力生産と同時に電気めっき排水から重金属（Cr6+）が99.5％、製菓排水からの色素が80％以上、畜産排水からの臭気成分
が99.8％で除去された報告がある [20-22]。
MFCに 有 用 で あ る 電 流 生 産 菌 は 100 年 以 上 前 か ら 報 告 さ れ て お り [ 23]、Geobacterお よ び
Shewanella属細菌が代表的である [24]。しかしながら、農業排水中に含まれる農薬を有機物源としてMFCに利用する場合には、農業排水中に含まれる農薬の一種である殺菌剤が電流生産菌に影響を与えると推測される。そこで、本研究では、電気培養により嫌気的条件下での電流生産および殺菌剤の除去を検討した後、MFC内の電流生産菌および電力生産性に殺菌剤が与える影響を明らかにして、MFCによる殺菌剤の除去の可能性について検討した。
2．試料および実験方法
2.1 対象とした殺菌剤
実験には殺菌剤であるイソプロチオラン（C12 H18 O4 S2、ISO）を用いた。イソプロチオランは育苗箱や水田にて現在も使用されており、リン脂質生合成阻害に基づく菌糸生育阻害作用による殺菌活－ 58 －

性を有する [25]。イソプロチオランの化学名と物性値を表1に示した [25]。イソプロチオランは加水分解性、水中光分解性ともに安定であることから、水環境中での分解が遅い殺菌剤であると考え考えられた。
考えられた。
られた。

表 1. 実験に使用した殺菌剤の物性
表 1. 実験に使用した殺菌剤の物性
表 1 . 実験に使用した殺菌剤の物性
物性
ジイソプロピル-1,3-ジチオラン-2物性
ジイソプロピル-1,3-ジチオラン-2イリデン-マロネート
加水分解性（pH5、7、9）
加水分解性（pH5、7、9）
水中光分解性（25℃、280-500 nm）
水中光分解性（25℃、280-500 nm）
水溶解度（μg/L）
水溶解度（μg/L）
オクタノール/水分配係数
オクタノール/水分配係数
標準施用濃度（土壌深 10 cm、mg/kg）
標準施用濃度（土壌深 10 cm、mg/kg）

イリデン-マロネート
安定
安定
殆ど分解しない
殆ど分解しない
4.85×104
4.85×104
2.8
2.8
6
6

2.2 電気培養
2.2 電気培養
2.2 電気培養
湛水状態にした無農薬水田の畦畔土壌（有機物含量
3.3％、pH 5.9）200g を 930 mL 容のガラス瓶
湛水状態にした無農薬水田の畦畔土壌（有機物含量3.3％、pH 5.9）200 gを930 mL容のガラス瓶
湛水状態にした無農薬水田の畦畔土壌（有機物含量5.9）200g
を 930 mL 容のガラス瓶に入れ、グラファイトフェルトと白金線からなる負極（直径 3.3％、pH
8.5 cm、厚さ
1 cm）を土壌に挟んだ。
に入れ、グラファイトフェルトと白金線からなる負極（直径8.5 cm、厚さ1 cm）を土壌に挟んだ。
に入れ、グラファイトフェルトと白金線からなる負極（直径 8.5 cm、厚さ 1 cm）を土壌に挟んだ。
その後、殺菌剤を含む純水を満水になるまで注ぎ、正極として白金線、参照電極として
Ag/AgCl
その後、殺菌剤を含む純水を満水になるまで注ぎ、正極として白金線、参照電極としてAg/AgCl
その後、殺菌剤を含む純水を満水になるまで注ぎ、正極として白金線、参照電極として
Ag/AgCl
電極を設置して密閉した。密閉後、ポテンショスタット（HA151B、北斗電工）により電極電位を電極を設置して密閉した。密閉後、ポテンショスタット（HA151B、北斗電工）により電極電位を参電極を設置して密閉した。密閉後、ポテンショスタット（HA151B、北斗電工）により電極電位を
参照電極に対して+200
mV に設定し、電流値をデータロガー（T&D Corporation）により 60 分間隔
照電極に対して+200 mVに設定し、電流値をデータロガー（T&D Corporation）により60分間隔で記
参照電極に対して+200
mV に設定し、電流値をデータロガー（T&D
Corporation）により 60 分間隔で記録した。試料水の殺菌剤濃度は土壌深10 cm の土壌に均一に散布した場合の標準施用濃度（6録した。試料水の殺菌剤濃度は土壌深10 cmの土壌に均一に散布した場合の標準施用濃度（6 mg/
で記録した。試料水の殺菌剤濃度は土壌深 10 cm の土壌に均一に散布した場合の標準施用濃度（6mg/kg）とし、電気培養後の試料水を殺菌剤濃度の測定に供した。対照として、殺菌剤を含まないkg）とし、電気培養後の試料水を殺菌剤濃度の測定に供した。対照として、殺菌剤を含まない水でmg/kg）とし、電気培養後の試料水を殺菌剤濃度の測定に供した。対照として、殺菌剤を含まない
水でも同様に電気培養を行った。どちらも培養期間は8 日間とした。電流の計算は負極体積あたりも同様に電気培養を行った。どちらも培養期間は8日間とした。電流の計算は負極体積あたりに換
水でも同様に電気培養を行った。どちらも培養期間は 8 日間とした。電流の計算は負極体積あたりに換算して行った。
算して行った。
に換算して行った。
2.3 微生物燃料電池の構築および運転
2.3
2.3微生物燃料電池の構築および運転
微生物燃料電池の構築および運転データ
微生物燃料電池を図1 のように構築した。正極、
ロガー データ
微生物燃料電池を図1のように構築した。正
微生物燃料電池を図 1 のように構築した。正極、負極ともに、グラファイトフェルト（7.5×12.5cm）
ロガー
極、負極ともに、グラファイトフェルト
（7.5×
外部抵抗
負極ともに、グラファイトフェルト（7.5×12.5cm）を使用した。微生物源として電気培養に用いた土壌
外部抵抗
12.5
cm）を使用した。微生物源として電気培養を使用した。微生物源として電気培養に用いた土壌と同様の無農薬水田の畦畔土壌
200g を 930 mL 容の正極に用いた土壌と同様の無農薬水田の畦畔土壌と同様の無農薬水田の畦畔土壌 200g を 930 mL 容のプラスチックの水槽に負極を挟むようにして入れ、正極200
gを930 mL容のプラスチックの水槽に負極
プラスチックの水槽に負極を挟むようにして入れ、殺菌剤を含む純水（670mL）を注いだ。試料水の殺試料水を挟むようにして入れ、殺菌剤を含む純水（670
殺菌剤を含む純水（670mL）を注いだ。試料水の殺菌剤濃度は6 mg/kg とした。水試料液面に正極を浮
試料水
mg/kg
菌剤濃度は
6 mg/kg 40とした。水試料液面に正極を浮かべ、mL）
10Ωを注いだ。試料水の殺菌剤濃度は6の抵抗を介して日間通電した。通電中
土壌とした。水試料液面に正極を浮かべ、10Ωの通電中負極
かべ、10 Ω の抵抗を介して
40 日間通電した。
はデータロガー（T&D
Corporation）により60 分間隔土壌
負極
図 1 . 微生物燃料電池の構造
抵抗を介して40日間通電した。通電中はデータ
はデータロガー（T&D Corporation）により 60 分間隔
で電圧を記録した。殺菌剤濃度を維持するため、週図 1. 微生物燃料電池の構造
ロガー（T&D
Corporation）
により60分間隔で電で電圧を記録した。殺菌剤濃度を維持するため、週図 1. 微生物燃料電池の構造に 1 回、試料水 400 mL を採水して同量の試料水と入に 1 回、試料水 400 mL を採水して同量の試料水と入圧を記録した。殺菌剤濃度を維持するため、週に1回、試料水400
mLを採水して同量の試料水とれ替えを行った。土壌なし、通電なしの標準施用濃度の試料水も水槽に入れ静置し、MFCと同様れ替えを行った。土壌なし、通電なしの標準施用濃度の試料水も水槽に入れ静置し、MFC入れ替えを行った。土壌なし、通電なしの標準施用濃度の試料水も水槽に入れ静置し、MFCと同に採水した。採水後の試料水は殺菌剤濃度の測定まで4˚C で保存した。また、Pmax を測定するた と同様に採水した。採水後の試料水は殺菌剤濃度の測定まで 4˚C で保存した。また、Pmax を測定するた
3 － 59 －3

様に採水した。採水後の試料水は殺菌剤濃度の測定まで4℃で保存した。また、Pmaxを測定する
ため、週に1回10-33000 Ωの抵抗をつなぎ変えて電圧を測定し、電流密度曲線を求めた。対照として、殺菌剤を含まない水で無殺菌剤MFCを構築し、同様に通電および測定を行った。いずれのMFCでも通電から28日で正極の交換を行った。通電終了後にMFC内の土壌を採取して微生物群集
め、週に1 回 10-33000 Ω の抵抗をつなぎ変えて電圧を測定し、電流密度曲線を求めた。対照とし構造解析まで-20℃で保存した。電力の計算は負極面積あたりに換算して行った。
て、殺菌剤を含まない水で無殺菌剤
MFC を構築し、同様に通電および測定を行った。いずれの
2.3 農薬濃度の測定
MFC
でも通電から 28 日で正極の交換を行った。通電終了後に MFC 内の土壌を採取して微生物群
水試料中の殺菌剤濃度の定量は以下の方法で行った。水試料4mLをセルロース繊維ろ紙（孔径約集構造解析まで-20˚Cで保存した。電力の計算は負極面積あたりに換算して行った。
1 µm）
でろ過後、固相カートリッジ（InertSep PLS-3、ジーエルサイエンス）に負荷し、夾雑物を除2.3
農薬濃度の測定

水試料中の殺菌剤濃度の定量は以下の方法で行った。水試料
4 mL をセルロース繊維ろ紙（孔径去した。その後、アセトニトリルで溶出し、5mLに定容した。この方法による回収率は90.4±
約1 μm）でろ過後、固相カートリッジ（InertSep PLS-3、ジーエルサイエンス）に負荷し、夾雑物
13.3％であった。
を除去した。その後、アセトニトリルで溶出し、5mL に定容した。この方法による回収率は 90.4 ±水試料中の殺菌剤濃度の定量には液体クロマトグラフィー質量分析計を用いた。液体クロマトグ
13.3％であった。
ラフィーにはACQUITY UPLC SYSTEM（Waters社製）、分析カラムにはACQUITY UPLC BEH
水試料中の殺菌剤濃度の定量には液体クロマトグラフィー質量分析計を用いた。
液体クロマトグ
C18（内径1.0 mm、長さ100 mm）を用い、流量は0.1 mL/min、カラム温度は40℃とした。移動相にラフィーにはACQUITY UPLC SYSTEM（Waters社製）、分析カラムには ACQUITY UPLC BEH C18
はA：0.01％ギ酸水溶液/アセトニトリル（9：1）
およびB：0.02％ギ酸アセトニトリルを用い、グ（内径1.0 mm、長さ 100mm）を用い、流量は
mL/min、カラム温度はとした。移動相にラジエント条件はA
100％→30％（0-10分）、A0.1
30％→0％（10-13分）、A 40˚C
100％
（13-15分）で分析
はA：0.01％ギ酸水溶液/アセトニトリル（9：1）および
B：0.02％ギ酸アセトニトリルを用い、グを行った。質量分析装置にはAB
SCIEX 4000 QTRAP（ABSCIEX社製）を用いた。対象物質はラジエント条件はA
100％→30％（0-10分）、A
30％→0％（10-13分）、A 100％（13-15 分）で分析
ESI法のポジティブモードで測定した。定量限界は1 ng/mLであった。
を行った。質量分析装置には
AB SCIEX 4000 QTRAP（AB SCIEX 社製）を用いた。対象物質は ESI
2.4 微生物群集構造解析
法のポジティブモードで測定した。定量限界は
1 ng/mL であった。
採取した土壌の微生物群集構造を明らかにするため、ISOIL（Nippon gene）によりDNAを抽出し2.4
微生物群集構造解析
た。抽出したDNAから古細菌および真正細菌の16S
rRNA遺伝子のV4領域（約300塩基対）を標的
採取した土壌の微生物群集構造を明らかにするため、ISOIL（Nippon gene）により DNA を抽出にしたプライマー（5’-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3’および5’-GGACTACHVGGGTWTCTAした。抽出した DNA から古細菌および真正細菌の 16S rRNA 遺伝子の V4 領域（約 300 塩基対）を
AT-3’）を用いてMiSeq用にライブラリ調整を行った。調整したサンプルを250塩基対のペアエン標的にしたプライマー（5’-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3’および 5’-GGACTACHVGGGTWTCTA
ド解析に供し、土壌試料中に含まれる微生物の種構成を推定した。
AT-3’）を用いて MiSeq 用にライブラリ調整を行った。調整したサンプルを 250 塩基対のペアエンド解析に供し、土壌試料中に含まれる微生物の種構成を推定した。
3. 実験結果

8電流（μA/cm3）

3.1 電気培養
3. 実験結果
3.1.1電流生産
3.1 電気培養
電気培養中の電流生産を図2に示
3.1.1 電流生産した。標準施用濃度の試料水は培養
電気培養中の電流生産を図 2 に示し
開始から5日間は無殺菌剤と同様のた。標準施用濃度の試料水は培養開始
電流生産であったが、5日以降は電から 5 日間は無殺菌剤と同様の電流
流生産が増加し、7日で最大値の6生産であったが、5 日以降は電流生産µA/cm 3 に達した。無殺菌剤では培が増加し、7 日で最大値の 6 μA/cm3
養から8日目まで電流生産が緩やかに達した。無殺菌剤では培養から 8に増加し、最大で3.5 µA/cm 3 に達
日目まで電流生産が緩やかに増加し、した。
最大で 3.5 μA/cm3 に達した。

6
4
2
0

0

2

4
時間（日）

標準施用濃度68

無殺菌剤

図 2 . 電気培養中の電流生産

図 2. 電気培養中の電流生産

3.1.2 殺菌剤濃度
電気培養に使用した標準施用濃度の試料水のイソプロチオランの濃度の平均値は 5 mg/L であっ－ 60 －
た。電気培養後のイソプロチオラン濃度は、標準施用濃度で3.9 mg/L で、22％のイソプロチオラン

3.1.2 殺菌剤濃度
電気培養に使用した標準施用濃度の試料水のイソプロチオランの濃度の平均値は5 mg/Lであった。電気培養後のイソプロチオラン濃度は、標準施用濃度で3.9 mg/Lで、22％のイソプロチオランが除去された。1日当たりの除去濃度は標準施用濃度で0.14
mg/L/日で、1日あたり2.8％のイソが除去された。1 日当たりの除去濃度は標準施用濃度で 0.14 mg/L/日で、1日あたり 2.8％のイソプ
プロチオランが除去された。
ロチオランが除去された。
3.2
3.2微生物燃料電池
微生物燃料電池

3.2.1 電力生産
電力生産
3.2.1
標準施用濃度 MFC、無殺菌剤 MFC の電力生産の経時変化を図 3A、B に示した。いずれの MFC
標準施用濃度MFC、無殺菌剤MFCの電力生産の経時変化を図3A、Bに示した。いずれのMFCもも通電直後は電流生産が見られなかったが、徐々に増加して、標準施用濃度 MFC は 9 日、無殺菌
通電直後は電流生産が見られなかったが、徐々に増加して、標準施用濃度MFCは9日、無殺菌剤
22剤 MFC は 4 日でそれぞれ最大出力であるmW/m
0.68 mW/mに達した。標準施用濃度 MFC ではその後 14
MFCは4日でそれぞれ最大出力である0.68に達した。標準施用濃度MFCではその後14日ま2
2日まで電力生産が維持された。14 日以降は出力が低下し、通電終了時には
0.1 mW/m以下まで低で電力生産が維持された。14日以降は出力が低下し、通電終了時には0.1mW/m以下まで低下し下した。無殺菌剤
MFC では 8 日まで電力生産が維持されたが、水交換のたびに出力が低下する傾た。無殺菌剤
MFCでは8日まで電力生産が維持されたが、水交換のたびに出力が低下する傾向が22向が見られた。通電期間中の平均出力は標準施用濃度 MFC で 0.23mW/m
、無殺菌剤 MFC で 0.22見られた。通電期間中の平均出力は標準施用濃度MFCで0.23mW/m、無殺菌剤MFCで0.222
mW/m2 であった。通電期間中に正極に生物膜の生成が観察されたため、通電から28日で正極の交であった。通電期間中に正極に生物膜の生成が観察されたため、通電から 28 日で正極の交mW/m換を行ったが、いずれの MFC でも出力の回復はわずかであった。
換を行ったが、いずれのMFCでも出力の回復はわずかであった。

電力（mW/m2）

1.5

A：標準施用濃度MFC

1
0.5
0

0

10

電力（mW/m2）

1.5

20

30

40

10

20

30

40

10

20

30

40

30

40

B ：無殺菌剤MFC

10.5

Pmax（mW/m2）

8
6
4
2
0

濃度（mg/L）

0

6

0
C

0
D

4
2
0

0

標準施用濃度MFC

10

20
時間（日）
無殺菌剤MFC

対照（標準施用濃度）

図3. 電力（A、B）、最大出力密度（C）、殺菌剤濃度（D）の変化
図 3.は水交換、点線はMFC処理前の標準施用濃度試料水の平均値を示した。
電力（A、B）、最大出力密度（C）、殺菌剤濃度（D）の変化
矢印（↓）

矢印（↓）は水交換、点線は MFC 処理前の標準施用濃度試料水の平均値を示した。

－ 61 －

電流密度曲線から得られたPmaxの経時変動を図3Cに示した。標準施用濃度MFCでは通電開始
か ら 7 日 で は 1. 4 mW/m 2 で あ っ た が、21 日 に は 5. 9 mW/m 2 ま で 上 昇 し た。 そ の 後Pmaxは 1. 5
mW/m2まで大きく減少した。一方、無殺菌剤 MFCでは通電開始から8日で2.7 mW/m2に達したが、以降はPmaxの上昇は見られずほぼ一定であった。通電から28日で正極の交換を行ったが、いずれのMFCでもPmaxは回復しなかった。
3.2.2 殺菌剤濃度
MFC中の試料水のイソプロチオランの濃度を図3Dに示した。MFCおよび対照に使用した試料水は電気培養に用いたものと同様で、イソプロチオランの濃度の平均値は5 mg/Lであった。標準施
用濃度MFCでは通電7日で70％が除去され、1.5 mg/Lにまで減少した。その後、標準施用濃度
MFCでは通電21日と28日で除去率が12-30％に低下した。通電中の平均除去率は標準施用濃度
MFCで48％であった。対照とした土壌なし、通電なしの標準施用濃度の試料水では、イソプロチ
オランの減少は見られなかった。
3.2.3微生物群集構造解析
MFCに用いる前の土壌およびMFC（標準施用濃度、無殺菌剤）に用いた後の土壌から1％以上で検出された微生物群集の構成を表1に示した。MFCに用いる前の土壌からは34の系統型が1％以上で検出され、いずれも4％以下であった。無殺菌剤MFCの土壌からは23の系統型が1％以上で検出された。10％以上で検出された系統型はBacteroidals科、Symbiobacterium属で、それぞれ15％、20％であった。標準施用濃度MFCの土壌からは25の系統型が1％以上で検出された。10％以上で検出された系統型はSporomusa属、Desulfosporosinus属で、それぞれ32％と13％であった。電流生産菌として知られるGeobacter属は、MFCに用いる前の土壌では0.04％であったが、無殺菌剤MFCの土壌では6％で検出された。標準施用濃度MFCの土壌からはGeobacter属が3％で検出された。
4．考察
電気培養の結果、無殺菌剤の試料水では最大で3.5 µA/cm 3 の電流が生産された。これは、土壌中の有機物から電流生産が行われたと推測された。標準施用濃度のイソプロチオランを含む試料水では最大で6.0 µA/cm3 の電流が生産され、有意差は見られなかったものの、イソプロチオランを含む方が高い電流生産を示した。また、電気培養により標準施用濃度の試料水から8日間で22％のイソプロチオランが除去された。これらの結果から、嫌気的条件下での通電により電力生産およびイソプロチオランの除去が可能であり、MFCにおいても同様の効果が期待できると考えられた。
標 準 施 用 濃 度MFC、 無 殺 菌 剤MFCの 通 電 期 間 中 の 電 力 生 産 は そ れ ぞ れ0.23 mW/m 2、0.22
mW/m2 で同程度であったが、比較すると標準施用濃度MFCの電力生産は有意に高い値となった（t検定、p < 0.05）。電気培養と同様に、無殺菌剤MFCは土壌中の有機物から電力生産が行われたと推測され、イソプロチオランを含むMFCではイソプロチオランが電力生産に寄与した可能性が示唆された。
標準施用濃度MFCでは21-28日に電力生産が低下した。これは標準施用濃度MFCで除去率の低い期間（21-28日前後）に一致した。この結果からも、除去されたイソプロチオランが電力生産に利用された可能性が示唆された。

－ 62 －

表 2.MFC 使用前の土壌およびMFC 内の土壌から検出された微生物表 2 .MFC使用前の土壌およびMFC内の土壌から検出された微生物
界門
Unassigned Unassigned
Crenarchaeota
Archaea
Euryarchaeota
Chlorobi

鋼
Unassigned
Thaumarchaeota
Methanobacteria
Thermoplasmata
Ignavibacteria

Alphaproteobacteria

科
Unassigned
Nitrososphaeraceae
Methanobacteriaceae
Methanomassiliicoccaceae
Ignavibacteriaceae
Sphingomonadaceae
Hyphomicrobiaceae
Rhodospirillaceae
Oxalobacteraceae
Comamonadaceae
Methylophilaceae

Proteobacteria

Bacteria

Betaproteobacteria

Gammaproteobacteria

Deltaproteobacteria

Rhodocyclaceae
Unassigned-1
Unassigned-2
Unassigned-3
Unassigned-4
Crenotrichaceae
Moraxellaceae
Unassigned
Geobacteraceae
Syntrophobacteraceae
Unassigned
Symbiobacteriaceae
Clostridiaceae

Firmicutes

Clostridia

Gracilibacteraceae
Mogibacteriaceae
Peptococcaceae
Ruminococcaceae
Veillonellaceae

Actinobacteria
Planctomycetes

Bacilli

Bacillaceae

Thermoleophilia

Gaiellaceae

Actinobacteria
Planctomycetia
Acidobacteriia
Solibacteres
Unassigned-1

Unassigned
Gemmataceae
Koribacteraceae
Solibacteraceae
Unassigned
Unassigned-1
Unassigned-2
Unassigned-3
Unassigned-4
Unassigned-5
Unassigned-6
Unassigned-7
Unassigned-8
Unassigned-9

Acidobacteria
Unassigned-2

Bacteria

Unassigned-10

Bacteroidetes

Blastocatellia

Unassigned

Chitinophagia

Chitinophagaceae

Flavobacteriia

Weeksellaceae

Bacteroidia

OthersBacteroidales

Verrucomicrobia

Spartobacteria

Lentimicrobiaceae
Chthoniobacteraceae

Nitrospirae

Nitrospira

Unassigned

属
Unassigned
Unassigned
Methanobacterium
Unassigned
Unassigned
Kaistobacter
Rhodoplanes
Azospirillum
Magnetospirillum
Unassigned
Unassigned-1
Unassigned-2
Unassigned
Methylotenera
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Crenothrix
Perlucidibaca
Unassigned
Geobacter
Unassigned
Unassigned
Symbiobacterium
Clostridium
Caloramator
Oxobacter
Unassigned
Anaerovorax
Desulfosporosinus
Unassigned-1
Unassigned-2
Sporomusa
Unassigned-1
Unassigned-2
Bacillus
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Gemmata
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned
Unassigned-1
Unassigned-2
Unassigned
Flavisolibacter
Sediminibacterium
Unassigned-1
Unassigned-2
Chryseobacterium
Unassigned-1
Unassigned-2
Unassigned-3
Lentimicrobium
Unassigned
Unassigned-1
Unassigned-2

土壌

無殺菌剤MFC
1%

標準施用濃度MFC

4%

1%

1%
3%
3%

4%
2%
2%
1%
1%

2%

3%
1%
2%
1%
3%
2%

1%
1%
2%

1%

1%
1%
1%
1%
2%
1%
9%
6%

3%

2%
1%
20%

1%

1%
2%
3%
2%
2%
1%
13%
1%

1%
32%
1%
1%
1%

1%
1%
1%

1%
1%
1%
2%
1%
2%
4%
3%
3%
1%
1%
1%
1%
1%
1%
1%
2%

1%

1%
1%
1%
1%
15%

1%
1%
2%
1%

2%
3%
1%
1%
54%

26%

21%

微生物群集構造解析の結果、電流生産菌であるGeobacter属の割合はMFCに用いる前の土壌では1％以下であったが、無殺菌剤MFCでは6％、標準施用濃度MFCでは3％で、MFC処理により微生物群集構造解析の結果、電流生産菌である Geobacter 属の割合は MFC に用いる前の土壌でGeobacter属の割合が増加した。しかしながら、無殺菌剤MFCに比べて標準施用濃度MFCではは 1％以下であったが、無殺菌剤 MFC では 6％、標準施用濃度 MFC では 3％で、MFC 処理によりGeobacter属が半減したことから、イソプロチオランの影響を受けたと考えられた。無殺菌剤MFC
Geobacter 属の割合が増加した。しかしながら、無殺菌剤 MFC に比べて標準施用濃度 MFC では
ではGeobacter属の割合が高いにも関わらず電力生産が低いことからも、イソプロチオランが電力
Geobacter 属が半減したことから、イソプロチオランの影響を受けたと考えられた。無殺菌剤 MFC生産に寄与した可能性が示唆された。
では Geobacter 属の割合が高いにも関わらず電力生産が低いことからも、イソプロチオランが電力
標準施用濃度MFCのみから13％で検出されたDesulfosporosinus属は、硫酸塩還元菌である。イソ生産に寄与した可能性が示唆された。
プロチオラン（CMFCは硫黄系化合物であり、Desulfosporosinus属が水試料からのイソプロチ
12 H 18 O 4 S 2）
標準施用濃度のみから13％で検出された Desulfosporosinus 属は、硫酸塩還元菌である。イ
オラン除去に寄与した可能性が考えられた。イソプロチオランを有機物源として酸化することにより生じた電子による電力生産を想定していたが、電子がイソプロチオランの還元に利用されたこと

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で、電力生産と電子の利用が競合した可能性が考えられた。また、標準施用濃度MFCからはメタン生成に関わる古細菌（Methanomassiliicoccaceae科およびMethanobacterium属）が4％で検出されたことから、電子が電力生産ではなくメタン生成にも利用された可能性が考えられた。
実排水や模擬排水を用いたMFCでは40-1500 mW/m2 の電力生産が報告されているのに比べ、本研究のMFCの電力生産は低値（0.2 mW/m2）を示した [12, 13, 17, 19]。MFCでの電力生産の影響要因として微生物群集構造、負極の材質や構造、正極や電池の構造などが挙げられる [8]。本研究ではDesulfosporosinus属やメタン生成菌などの存在以外にも、用いた試料水に純水を利用したためイ
オン強度が不足し、正極での酸化反応の律速となり電力生産が低くなった可能性が考えられた[26]。また、本研究では将来的に発展途上国などの現地で簡便に農薬除去を行うことを想定し、高価なPtの使用や曝気、メディエーターの添加などを行わなかったため、電力生産が低くなったと考えられた。
しかしながら、本研究により、標準施用濃度の殺菌剤が含まれる環境水の場合、電流生産菌は殺菌剤により半減するが、MFCにより殺菌剤の除去を促進しながら電力生産ができる可能性が示唆された。今後はMFCでの電力生産や殺菌剤除去の再現性を確認するとともに、実際の農業排水には多種の農薬が含まれることから、複数の農薬を含む試料水や実排水でさらに試験を行い、電流生産菌への影響および電力生産や農薬の除去との関係性を明らかにすることが課題である。将来的に実際の環境でMFC処理を行うには、正極での生物膜の生成など、電力生産を低下させる要因への対策も必要であると考えられる。
参考文献[1] R. H. Phipps and J. R. Park, Environmental benefits of genetically modified crops: global andEuropean perspectives on their ability to reduce pesticide use, J. Anim. Feed Sci., 11, 1- 18,
2002[2] M. Gavrilescu, Fate of pesticides in the environment and its bioremediation, Eng. Life. Sci., 5.
497-526, 2005[3] M. Arias- Estévez, E. López-Periago, E. Martínez-Carballo, J. Simal-Gándara, J. Mejuto, L.
García-Río, The mobility and degradation of pesticides in soils and the pollution of groundwater
resources, Agricult. Ecosys. Environ., 123, 247-260, 2008[4] D. Tilman, J. Fargione, B. Wolff, C. D′Antonio, A. Dobson, R. Howarth, D. Schindler, W.H.
Schlesinger, D. Simberloff, D. Swackhamer, Forecasting agriculturally driven global
environmental change, Science, 292, 281-284, 2002.
[5] M. Sudo, T. Kawachi, Y. Hida, T. Kunimatsu, Spatial distribution and seasonal changes ofpesticides in Lake Biwa, Japan, Limnology, 5, 77-86, 2004[6] A.D. Morris, D.C.G Muir, K.R. Solomon, R.J. Letcher, M.A. McKinney, A.T. Fisk, B.C.
McMeans, G.T. Tomy, C. Teixeira, X. Wang, M. Duric, Current-use pesticides in seawater andtheir bioaccumulation in polar bear-ringed seal food chains of the Canadian Arctic Current-use
pesticides in the Canadian Arctic, Environ. Toxicol. Chem., 35, 1695-1707, 2016[7] B. E. Logan, B. Hamelers, R. Rozendal, U. Schröder, J. Keller, S. Freguia, P. Aelterman, W.

－ 64 －

Verstraete, and K. Rabaey, Microbial fuel cells: methodology and technology, Environ. Sci.
Technol., 40, 5181–5192, 2006.
[8]K. Watanabe, Recent developments in microbial fuel cell technologies for sustainable bioenergy, J.
Biosci. Bioeng., 106, 528–536, 2008.
[9] W. Habermann, E.-H. Pommer, Biological fuel cells with sulphide storage capacity, Appl.
Microbiol. Biotechnol., 35, 128-133, 1991
[10]Y. Ahn, B.E. Logan, Effectiveness of domestic wastewater treatment using microbial fuel cells
at ambient and mesophilic temperatures, Bioresour. Technol., 101, 469-475, 2010[11]H. Bermek, T. Catal, S. S. Akan, M. S. Ulutaş, M. Kumru, M. Özgüven, H. Liu, B. Özçelik, andA. T. Akarsubaşı, Olive mill wastewater treatment in single-chamber air-cathode microbial fuelcells, World J. Microbiol. Biotechnol., 30, 1177–1185, 2014[12] Y. Feng, X. Wang, B. E. Logan, H. Lee, Brewery wastewater treatment using air-cathodemicrobial fuel cells, Appl. Microbiol. Biotechnol., 78, 873–880, 2008[13] Y. Goto, N. Yoshida, Preliminary evaluation of a microbial fuel cell treating artificial dialysis
wastewater using graphene oxide, AIP Conf. Proc., 1709, 020007, 2016[14] N. Lua, S. Zhou, L. Zhuang, J. Zhanga, J. Ni, Electricity generation from starch processing
wastewater using microbial fuel cell technology, Biochem. Eng. J., 43, 246-251, 2009[15]S. Venkata Mohan, G. Mohanakrishna, S. Srikanth, P.N. Sarma, Harnessing of bioelectricity inmicrobial fuel cell (MFC) employing aerated cathode through anaerobic treatment of chemical
wastewater using selectively enriched hydrogen producing mixed consortia, Fuel, 87 , 2667 2676, 2008[16]G. Mohanakrishna, S. Venkata Mohan, P.N. Sarma, Bio-electrochemical treatment of distillery
wastewater in microbial fuel cell facilitating decolorization and desalination along with power
generation, J. Hazard. Mater., 177, 487-494, 2010[17]S.A. Patil, V. P. Surakasi, S. Koul, S. Ijmulwar, A. Vivek, Y. S. Shouche, and B. P. Kapadnis,
Electricity generation using chocolate industry wastewater and its treatment in activated sludge
based microbial fuel cell and analysis of developed microbial community in the anode chamber,
Bioresour. Technol., 100, 5132–5139, 2009[18] J. Sun, Y. Hu, Z. Bi, and Y. Cao, Improved performance of air-cathode single-chambermicrobial fuel cell for wastewater treatment using microfiltration membranes and multiple
sludge inoculation, J. Power Sources 187, 471–479, 2009.
[19] X. Wang, Y. J. Feng, and H. Lee, Electricity production from beer brewery wastewater using
single chamber microbial fuel cell , Water Sci. Technol., 57, 1117-1121, 2008[20] Z. Li, X. Zhang, L. Lei, Electricity production during the treatment of real electroplating
wastewater containing Cr6+ using microbial fuel cell, Process Biochem., 43, 1352-1358, 2008[21] J. Sun, Y. Hu Z. Bi, and Y. Cao, Simultaneous decolorization of azo dye and bioelectricity
generation using a microfiltration membrane air-cathode single-chamber microbial fuel cell,
Bioresour. Technol., 100, 3185–3192, 2009

－ 65 －

[22] J.R. Kim, J. Dec, M.A. Bruns, B.E. Logan, Removal of odors from swine wastewater by using
microbial fuel cells, Appl. Environ. Microb., 74, 2540-2543, 2008[23]M.C. Potter, Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds, Proc. R.
Soc. Lond. B, 84, 260-276, 1911[24] D.R. Lovely Microbial fuel cells: novel microbial physiologies and engineering approaches,
Curr. Opin. Biotech., 17, 327-332, 2012[25] 環境省、水産動植物の被害防止に係る農薬登録保留基準の設定に関する資料、2011（http://
www.env.go.jp/water/sui-kaitei/kijun/rv/a13_isoprothiolane.pdf）[26] F. Zhao, F. Harnisch, U. Schröder, F. Scholz, P. Bogdanoff, I. Herrmann, Challenges andconstraints of using oxygen cathodes in microbial fuel cells, Environ. Sci. Technol., 40, 5193–
5199, 2006

－ 66 －