微生物を活用した坑廃水処理システムを開発――マンガン酸化細菌が機能産総研と秋田県立大学

産業技術総合研究所（産総研）は2024年7月3日、秋田県立大学と共同で、マンガン（Mn）酸化細菌を活用した坑廃水処理システムをパイロットスケールで開発したと発表した。微生物の栄養となる有機物を添加せずに、廃水中のMnを98％以上除去している。

休廃止鉱山では、有害金属を含む坑廃水が恒久的に発生するため、鉱害防止対策として一般的に中和剤を用いた処理を実施しているが、多くの薬剤やエネルギーの投入を必要とする。こうしたことから、自然の浄化作用を利用した、環境負荷が低く低コストの処理技術の開発が求められている。

Mnは、坑廃水に含まれる主要な有害金属の一つだが、Mn酸化細菌と呼ばれる微生物はMn（II）イオンを酸化し、Mn（IV）酸化物にすることで不溶化させるため、坑廃水処理への適用が期待されている。しかし、Mn酸化細菌を活用した廃水処理では、細菌の栄養となる有機物を添加する必要があるため、有機物に乏しい坑廃水にいかに有機物を供給するかが課題になっていた。

研究グループは2021年、700Lの処理槽を直列に配置したパイロットスケールの接触酸化処理装置を休廃止鉱山の坑道内に設置し、Mn酸化細菌を活用した有機物添加を必要としない坑廃水処理技術を開発してきた。20mg/LのMn（II）イオンを含む坑廃水を12時間の処理時間で連続通水したところ、Mn酸化細菌が処理槽内で働いた。その結果、98％以上のMn（II）がMn（IV）酸化物になって除去された。

A系列の処理槽における溶存Mn（II）濃度と除去率の経時変化。
（左）A-1槽を通過した段階でMnはほぼ全量が除去され、わずかに残存するMnはA-2槽でさらに除去されている。（右）A-1槽のMn除去性能。

坑廃水には、亜鉛（Zn（II））イオンも含まれていたが、Mn（IV）酸化物の結晶構造中に取り込まれ、ウッドルフ鉱（ZnMn₃O₇・H₂O）様の鉱物が生成。Zn（II）も98％以上除去された。

Mn酸化に寄与する微生物を特定するために、処理槽内に沈積したMn酸化物を採取し、微生物を培養したところ、多様な従属栄養性のMn酸化細菌株が得られた。また、DNAを沈積したMn酸化物試料から抽出し、微生物群集の機能推定を試みたところ、最もMn除去効率が高かったA-1槽内部では、微生物群集の30％以上を特定の細菌群が構成していた。

この細菌群は、金属由来の電子を直接細胞に取り込んでエネルギー代謝するための遺伝子セット、カルビン-ベンソン回路により二酸化炭素を固定して有機物に変換するための遺伝子セットを保有していた。これらから、細菌群が独立栄養性であることが示唆された。

この処理システムでは、2つの異なる微生物機能が働くことで、外部からの有機物の供給なしで、高効率の処理が達成できていると考えられる。

処理槽内において推定される、独立栄養性および従属栄養性Mn酸化細菌の関係性

今後、処理システムのスケールアップやガイドライン作成により、実用化に向けた展開が期待される。また、処理槽内で優占化していた電子取り込み型とみられる細菌群の処理槽内での機能や生態を解明することで、坑廃水処理システムの効率化や各地のMn含有坑廃水処理への展開が期待できる。

微生物を活用した坑廃水処理システムを開発――マンガン酸化細菌が機能　産総研と秋田県立大学