第7575回日本生物工学会大会回日本生物工学会大会 Topics
Topics ofof 20232023
第中等度酸性条件下での生物的鉱水処理に関わる微生物相の解析
金尾忠芳 1＊・八塚優衣 1・上村一雄 1・赤堀文雄 2・稲谷博征 2・公文翔一 3・佐藤王高 31

岡山大学大学院環境生命自然科学研究科，2 卯根倉鉱業株式会社，3 DOWA ホールディングス株式会社
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岡山市北区津島中 1-1-1

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岡山大学農学部

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pH 3.5で稼働する柵原E-mail:
鉱水処理システム
tkanao@okayama-u.ac.jp（試験実施期間：2019/11～12）
脱 ヒ 素鉱水 鉱山廃水

酸化工程

砒素除去工程鉄イオン源
NaOH

pH 3.7870 mgFe/L

苛 性ソー ダ

295 mL/min
NaOH

砒素除去反応槽236 mL/min

砒素
除去槽

鉄酸化細菌含有槽

ｐ H計計

シックナー

空気
残留鉄イオンを中和､除去酸化槽
51 L
pH 3.5沈殿槽
pH 調整可能な鉱水処理ミニプラントのフローチャート
340 L
P

中和殿物の成分分析 (w t%)Fe

2 .1 2Ca

1 .5 2L

pH 2.5pH 3.5

鉄殿物

各 pH での酸化槽における鉄酸化処理水の比較
図2

pH 3.82.2 mgFe /L

岡山県美咲町柵原鉱山から流出する酸性鉱山排水（AcidMine Drainage; AMD）は，好酸性鉄酸化細菌
Air 6 L/min
2+HRT=3.6を利用して鉱水に溶存する Feを予め酸化することで，中和コストの削減に成功した。しかしながら，P

3+ ウ ム
炭 酸カル
現行施設ではこの酸化処理が pH 2.5 にて行われており，鉄酸化処理後の鉱水にはFeシが溶存している。
今回，生物的鉄酸化処理を現行の pH 2.5 から pH 3.5〜4.0 にて行うことを試みた。これにより Fe3+の中和処理への混入を防ぎ，生物的鉄酸化物として回収することができ，中和殿物の削減が期待できる。
中和殿物

Al2 0 .2

SO 4 2 -9 .6 2

水 酸化カ
またそのような pH における鉄酸化処理槽において鉄酸化細菌をはじめとした微生物相の解析を行なっ
pH 4pH 7.2
ルシウム 99%以上の除鉄率を達成し、次世代シーケた。その結果，pH 3.5〜4.0 の鉄酸化処理において鉱水より

Zn

2 .8 9pH 3.5で鉄酸化処理を行うシス新規な鉄酸化細菌である可能性が高い。
テ ムでは 、炭 酸カ ルシウ ム
た。特に Ferritrophicum 属細菌は好酸性菌としての報告はなく，

Mn

0 .2 7

ンスによる菌相解析では Ferritrophicum や Acidimicrobium 属細菌が主要な鉄酸化細菌として検出されに よる中 和工 程で 中和殿 物が ほと んど生 成し ない 。水酸 化
カ ルシウ ムに よる 中和殿 物は 白色 。

はじめに酸性鉱山排水（Acid Mine Drainage; AMD）は，人間の採掘活動によって空気（酸素）を含んだ地下水が鉱床と反応することによって発生する 1)。多くの場合，強酸性で大量の二価鉄イオン（Fe2+）を含むため，そのまま流出すると環境と生態系に甚大な被害を及ぼす。
したがって AMD では「中和」と「除鉄」という２つの処理を施さなければならない。岡山県美咲町柵原鉱山から流出する AMD は，好酸性鉄酸化細菌を利用して鉱水に溶存する Fe2+ を予め酸化することで，中和コストの大幅な削減に成功している。しかしながら現行施8２設ではこの酸化処理が pH 2.5 にて行われており，鉄酸化処理後の鉱水には Fe3+ が溶存している。この Fe3+は中和処理において沈殿除去できるのだが，中和殿物の容量を増大させ，これを貯留するダムの逼迫が懸念されることからその減量化が求められた。今回，生物的鉄酸化処理を現行の pH 2.5 から Fe3+の溶解度が極端に低くなる pH 3.5〜4.0 にて行うことにより，鉄酸化処理水の溶存 Fe3+ を減少させて中和殿物の生成量の削減を試みた。
従来，好酸性の鉄酸化細菌としては Acidithiobacillus
ferrooxidans や Leptospirillum ferrooxidans など pH 3よりも低い強酸性環境で生育するものがよく利用され，研究されてきた 2)。したがって pH 3.5〜4.0 の環境において十分な鉄酸化処理が行えるのか，その際に鉄酸化槽はどのような微生物相が形成されるのか，またそこに生育する鉄酸化細菌の種類や生成する生物的鉄酸化物の特性についても解析することを目的とした。

（２）鉄酸化処理槽における微生物相の解析

ミニプラントにおいて pH3.5 と 4.0 で鉄酸化処理した処理水を採取し、さらに現行施設（pH2.5）の鉄酸化処理水における微生物相の解析を行なった。
各 pH における微生物相の比較100%

実験手法

Ferrimicrobium

Acidimicrobiia_uncultured*80%

結果および考察（１）ミニプラントにおける鉄酸化処理

柵原鉱水処理施設において脱ヒ素処理された鉱水を，ミニプラントに NaOH にて pH3.5 または 4.0 に調整し供した。その結果２〜５日で鉄酸化槽にて鉄の酸化が確認できた。鉄酸化が安定化するとその酸化効率は，99%以上となり，鉄酸化処理水からは Fe2+はほとんど検出されなかった。したがって，pH 3.5 および 4.0 においても現行設備（pH 2.5）と同様の効率で，好酸性の鉄酸化細菌を利用した鉄酸化処理が可能であることがわかった。

酸化工程

砒素除去工程

鉱山廃水
鉄イオン源
NaOH

NaOH
砒素除去反応槽

砒素
除去槽

鉄酸化細菌
含有槽

60%

Chitinophagaceae_uncultured*

Acidiphilium
50%

Micropepsaceae*
Thiomonas

40%
30%

Ferrovum③20%
10%③Sulfuricellaceae*
Ferritrophicum④Acidibacter②①0%

pH 4.0pH 3.5pH 2.5

Candidatus_Ovatusbacter
Metallibacterium
Rhodanobacteraceae
others(1%>)

図 2. 各 pH での鉄酸化槽における微生物相
その結果、pH 4.0 では Ferritrophicum 属細菌 43.8%,
Acidimicrobium 属細菌 19.2%が主な鉄酸化細菌として検出され，比較的多様性を示したのに対し，pH 3.5 では Ferritrophicum 属細菌が 88.8%と大多数を占めて鉄酸化に特化した，より単調な菌相を形成していることが明らかとなった。一方、現行設備の pH 2.5 鉄酸化槽においては，Ferrovum 属細菌が 45.5%を占め，主要な鉄酸化反応を担っていると推定された。pH 3 を下回る
強い酸性条件下では Acidithiobacillus ferrooxidans やLeptospirillum ferrooxidans が優勢な鉄酸化細菌として生育することが知られているが，本処理施設ではそれぞれ全体の 0.46%, 0.27%しか検出されなかった。
pH 3.5 の 鉄 酸 化 槽 で 約 ９ 割 に ま で 濃 縮 さ れ た
Ferritrophicum 属細菌は，これまで中性〜pH 4 付近で生育するものしか報告されておらず 3)，新種の可能性が期待できた。本ミニプラントは，本来の目的である鉱水処理だけでなく pH 調整可能な鉄酸化細菌の連続培養装置として，また生物的鉄酸化物の製造装置としても捉えることができる。
したがって、今後は本装置を利用した新規な中等度好酸性の鉄酸化細菌の分離培養装置として，また有用鉄酸化物製造装置として，その利用が期待できる。

参考文献

シックナー

残留鉄イオンを中和､除去

図 1. pH 調整可能なミニプラントのフローチャート

Mucilaginibacter

④

空気鉄殿物

②

Fimbriimonadaceae

70%

検出割合

柵原鉱山鉱水処理施設内に図１のフローチャートで示すようなミニプラントを建設した。このミニプラン
トは，鉱水処理施設において脱ヒ素処理された鉱水を引込み，鉄酸化槽の pH をモニタリングして NaOH による pH 調整が可能な装置である。鉄酸化槽はその底部から空気を供給し，オーバーフローした処理水は，シックナーにて鉄酸化物を沈殿させることができる。
この沈殿には多くの鉄酸化細菌を始めとする微生物が付着しており，これを種菌として鉄酸化槽へ供給することもできる。
菌相解析は鉄酸化槽の処理水（鉄酸化物を含む）を採取後，超音波処理して鉄酸化物に付着した菌体共々
フ ィ ル タ ー に 回 収 。 そ こ か ら DNA を 抽 出 し て
16SrRNA 遺伝子（V4 領域）を PCR 増幅した後，次世代シーケンサーによって配列を決定。データベースから配列の相同性検索を行い，菌種を同定した。

①

Acidimicrobiia_IMCC26256*

90%1)Rambabu K et al., Environ. Sci.
Ecotechnol.,2: 100024 (2020)
2) Rohwerder T et al., Appl. Microbiol.
Biotechnol.,63, 239-248 (2003)
3) Fabisch M et al., Front. Microbiol.,4: 390(2013)
図2３9