Control of unregulated organic matter in water environment and water use
水利用を考慮した水環境中の未規制有機物の管理
Overview/概要
Dissolved Organic Matter (DOM) in water is a mixture of unknown complex compounds. Certain molecules among them cause various water quality problems such as generation of disinfection byproducts, bacterial regrowth in distribution systems, membrane fouling and so on. However, conventional analysis such as TOC, COD, BOD can just evaluate quantity of comprehensive DOM. The "composition" of DOM has not been taken into consideration. Although advanced methods such as UV-Vis spectrometry, fluorescence property, FTIR, molecular size distribution, resin fractionation have been applied, those methods just extract one aspect of DOM. The molecular composition of DOM have not been revealed yet. Therefore, we are working on a research to characterize DOM composition by high resolution and high accuracy mass spectrometry such as Orbitrap MS. Orbitrap MS can resolve complex mixture of DOM and assign a molecular formula to each molecule based on its accurate mass data. Combination of Orbitrap MS with fragmentation can predict the structure of an unknown molecule. We apply this technique to evaluate changes in DOM in water treatment processes. Moreover, unknown screening of specific molecules serving as unknown disinfection byproducts precursors in drinking water and dissolved COD in lake water. We are also interested in screening of unknown risk factors in source water and searching for chemical candidates that should be monitored with high priority for water environment conservation.
水中の溶存有機物（Dissolved Organic Matter: DOM）は多様な未知成分の混合物です。これらの中の特定の成分が、消毒副生成物の前駆物質として、細菌再増殖の基質として、あるいは膜ファウリングの要因として、様々な水質障害に関与しています。しかし、従来の有機物分析の視点は、TOC、COD、BODのように包括的な量の評価にとどまっており、「組成」は考慮されてきませんでした。紫外可視吸光度、蛍光特性、赤外吸収特性、分子量分布、樹脂分画などの分析手法により、DOMの特性の解明は進められてきてはいるものの、これらの手法もDOMの一面を切り出しているに過ぎず、個々の分子組成の解明には至っていません。
そこで我々は、分解能、質量精度ともに優れたOrbitrap質量分析計を活用して、DOMの組成評価を進めています。Orbitrap質量分析計では、極めて複雑な成分を質量のみで分離することが可能です。また、個々の分子イオンの精密質量に基づいて分子式を推定すること、フラグメンテーション技術を活用することで分子構造を推定することも可能であり、DOM評価のパラダイムシフトをもたらすポテンシャルを有しています。この技術を用いて、水処理プロセスにおいてDOMの特性がどのように変化するのかを詳細に評価する研究を行っています。また、水質障害を引き起こすDOMとして、未知の消毒副生成物や湖沼における溶存CODの原因成分、更には細菌再増殖を引き起こす生分解性有機物の特定を進めています。未知の成分をトップダウンに測定できるという利点を活用して、水道原水に含まれる未知リスク因子のスクリーニングや、水環境保全に向けた要調査項目候補物質の探索にも取り組んでいます。
Keywords
Orbitrap MS, DOM composition, Unknown screening
Orbitrap質量分析計、溶存有機物組成、水質障害成分、未知スクリーニング
主なテーマ
- Changes in DOM compotioon in water/waste water treatment processes/浄水処理、下水再生水処理における溶存有機物の組成評価
- Monitoring of source water risk factors by comprehensive analysis of DOM/溶存有機物の網羅的分析による水道原水リスク因子の監視
- Unknown screening of regulation candidates for water environment conservation/水環境保全に向けた要調査項目候補物質の未知スクリーニング
- Molecular library of molecules contributing to dissolved COD in different lakes/全国の湖沼を対象とした湖沼溶存COD成分の分子ライブラリーの構築
Control of microbial function and microbial community in water distribution system
水処理プロセスの微生物機能や給配水システムの微生物群集の管理
Overview/概要
Environmental purification and water treatment technologies utilizing the power of microorganisms is widely applied. However, the basic mechanisms of these technologies remain unknown since most of them have been established empirically. We are trying to explore key players and their functions in environmental microbiological technologies. Regarding bioremediation, we are interested in the microorganisms capable of degrading organic chlorinated compounds and benzene in soil and ground water under anaerobic condition. So far, we have succeeded in accumulating benzene degradation culture under methanogenic condition. By revealing the mechanism, we are applying this culture to remediate complex pollution.
Regarding water treatment, we are intensively studying biological activated carbon (BAC) that is applied for an advanced water purification process. It has been known that BAC has potential to degrade biodegradable organic matter such as AOC and nitrification. However, no information is available for key microorganisms associated with BAC. So far, we have revealed that novel ammonia oxidizing archaea (AOA) were involved in nitrification in BAC and some specific groups could contribute to degrade carboxylic acids. In addition, biological stability of drinking water and reclaimed water is intensively studied to manage bacterial regrowth in distribution system. We extend our scope to microbial loop in lake environments to reveal key bacteria shaping the quality of dissolved organic matter.
微生物を活用した環境浄化、水処理技術は広く普及しています。しかし、こうした技術の多くは経験的に構築されてきたものが多く、どのような微生物がどのような機能を発現しているのか、という基本的なメカニズムについてはブラックボックスのままにされているのが現状です。そこで我々は、分子生物学的手法を中心として、生物学的作用に基づく環境浄化や水処理技術の機構解明に資する研究を多角的に進めています。
バイオレメディエーション技術としては、嫌気的な土壌・地下水中で有機塩素化合物やベンゼンなどの人為汚染物質を分解する微生物に着目しています。これまでに、我々はメタン生成条件下でのベンゼン分解系の集積に成功しています。省コスト・省エネルギー型の技術であるバイオレメディエーションの利点を生かすためにも、嫌気条件下におけるベンゼン分解微生物の同定、複合汚染への適用を含んだ浄化技術への展開を進めています。
また、水処理については、主に高度浄水処理として活用されている生物活性炭処理に着目しています。活性炭表面に定着した様々な微生物が示す溶存有機物の生分解能や硝化能は概念的な理解にとどまっています。我々は、これまでに生物活性炭において、アンモニア酸化古細菌（AOA）が硝化の主要な役割を担っていること、また、特定の微生物が、オゾン処理の副生成物でもある低級カルボン酸の分解に関与していることなどを明らかにしています。また、こうした処理を受けた上水、下水、更には再生水が、生物学的にどの程度安定な水質であるか、という点も新たな評価軸として考慮し、再増殖微生物の特性や制御技術についても研究を行っています。
Keywords
Bioremediation,Biological activated carbon, Bacterial regrowth, Microbial loop, molecular biological techniques
環境微生物工学、バイオレメディエーション、生物活性炭、細菌再増殖、微生物ループ、分子生物学
Major topics
- Anaerobic benzene degradation in soil and groundwater under methanogenic condition/メタン生成条件下における土壌・地下水の嫌気ベンゼン分解（バイオレメディエーション）
- AOC removal and nitrification potential of biological activated carbon in an advanced water purification process/高度浄水処理生物活性炭における生物学的浄化機構の解明
- Monitoring and control of bacterial regrowth in water distibution systems/水道給配水系における細菌再増殖の監視と制御
- Elucidation of bacterial groups actively involved in shaping DOM in lake microbial loop/湖沼微生物ループにおける炭素フローに関与する細菌群の多様性の解明