Biogas biodesulfurization and simultaneous valorization into high–value bioproducts by Rhodopseudomonas telluris

技術要約：Rhodopseudomonas telluris によるバイオガスの生物学的脱硫および高付加価値化

問題提起
硫化水素（$H_2S$）は、嫌気性消化の過程で生じる毒性、腐食性、および悪臭を伴う副産物であり、通常、バイオガス中に700〜2000 ppmの濃度で存在している。その存在は人体への健康リスクをもたらし、機器の腐食を引き起こし、バイオガスの利用前に除去する必要がある。物理化学的な脱硫法も存在するが、それらはしばしば高いエネルギー消費、化学コスト、および廃棄物の発生という課題を抱えている。生物学的な脱硫はより持続可能な代替案を提供するが、現在の商業化は技術的な限界によって阻まれている。具体的には、$H_2S$を除去するだけでなく、循環型経済の枠組みの中でそれを高付加価値のバイオ製品へと変換できる微生物を評価する必要がある。

方法論
本研究では、紫様非硫黄細菌（PNSB）であるRhodopseudomonas tellurisの、$H_2S$を酸化して高付加価値化合物をも同時に生産する代謝能力を評価した。

• 菌株および同定: メキシコの廃水ラグーンから単離されたこの菌株は、グラム染色（グラム陰性、運動性のある桿菌）および16S rRNA系統解析により、R. telluris (MW010429.1) と密接にクラスターを形成することが確認された。
• 実験セットアップ: 実験は、300 mLのボトルを用いた半回分培養モードで行われた。ボトルには、光自栄養条件を強制するために（アセテートと酵母エキスを除いた）改変ミネラル培地が使用された。菌は20% (v/v) の割合で接種され、312時間にわたり、24時間ごとに3分間、毎分2 $\text{mL}$ の流量で嫌気性共消化プロセスから得られたバイオガスが供給された。
• 条件: 培養は、温度35°C、光強度1500 lux、攪拌速度150 rpmの条件下で行われた。pHおよび酸化還元電位（ORP）をモニタリングした。
• 分析測定:
  • $H_2S$除去量は、携帯型マルチガス検出器を用いて測定した。
  • 硫酸塩の生成量は、比濁法を用いて定量化した。
  • バイオマス増殖は、吸光度（$\text{OD}_{630}$）を通じて追跡した。
  • 高付加価値製品（カロテノイド、バクテリオクロロフィル、およびポリヒドロキシ酪酸［PHB］）を抽出し、分光光度計を用いて定量化した。
• モデリング: $H_2S$除去の動力学データは、修正ゴンペルツモデルに適合させた。微生物増殖の動力学は、基質阻害および生成物阻害項を組み込んだ修正モノ式を用いてモデル化した。

主な結果

• 生物学的脱硫性能: R. tellrisは、$H_2S$酸化に対する顕著な代謝能力を示した。この菌株は、最大累積除去量 2917.36 ± 38.77 ppm を達成し、これは供給された全$H_2S$の約35%に相当する。最大除去速度は 28.0 ± 0.28 $\text{ppm h}^{-1}$ であり、誘導期（ラグフェーズ）は66.44時間であった。非生物的コントロール（対照群）では除去が無視できる程度（<0.4%）であったことから、このプロセスの生物学的な性質が確認された。
• 代謝経路および硫酸塩生成: 硫酸塩が 336.80 ± 7.21 $\text{mg L}^{-1}$ 検出されたことは、$H_2S$が硫酸塩へと完全に酸化されたことを裏付けており、硫黄酸化酵素系（例：硫化物キノン酸化還元酵素およびSOXシステム）の活性を示している。
• 最適操作条件: 最大の増殖および除去効率を得るための最適なpH範囲は 6.0–7.0、およびORP範囲は -162.6 to -132.3 mV であることが特定された。168時間を超えると、培地の酸性化（pHが約5.0まで低下）がバイオマスおよび除去効率の低下と相関した。
• 動力学パラメータ: 修正モノ式による推定では、最大比増殖速度（$\mu_{\text{max}}$）は 0.20 ± 0.01 $\text{h}^{-1}$ であった。基質飽和定数（$K_s$）は 3047.48 ppm、および$H_2S$の阻害定数（$K_i$）は 4632.74 ppm であった。硫酸塩の臨界生成物濃度（$P_{\text{CRIT}}$）は 338.57 $\text{ppm}$ であった。最終的な硫酸塩レベルはこの閾値付近に留まり、これを大幅に超えることはなかったため、硫酸塩の蓄積が成長阻害の主要な要因ではなかった。
• 高付加価値化（高付加価値製品）: バイオガスを用いた光自栄養条件下において、本菌株は以下の物質を蓄積した：
  • カロテノイド: 最大濃度 1.06 ± 7.64E⁻⁰² $\text{mg g}^{-1}$。
  • バクテリオクロロフィル: 最大濃度 0.43 ± 1.29E⁻⁰² $\text{mg g}^{-1}$。
  • ポリヒドロキシ酪酸 (PHB): 192時間における最大濃度 200.69 ± 9.78 $\text{mg L}^{-1}$。
    これらの化合物生成は、バイオマスの増殖および$H_2S$除去速度と相関していた。PHBの蓄積は$H_2S$除去が漸近相に近づく際にピークに達しており、その一時的な炭素貯蔵としての役割を示唆している。

意義および主張
本論文は、Rhodopseudomonas tellurisが、高付加価値製品（色素およびPHB）を同時に生成しながら、バイオガス精製のための生物触媒として機能する代謝的多様性を備えていると結論づけている。本研究は、この菌株が電子供与体として$H_2S$を、炭素源として$\text{CO}_2$を利用して光自栄養的に増殖できることを確認しており、毒性ガスの除去と色素および生分解性ポリマー（PHB）の生産を効果的に実現している。

著者らは、これらの知見が循環型経済の枠組みに沿ったバイオガス精製プロセスにおけるR. tellurisの活用可能性を支持するものであると主張している。廃棄物である汚染物質（$H_2S$）を高付加価値の化学物質（色素およびPHB）へと変換することで、このプロセスは環境修復と経済性の両面に対処している。研究では、本菌株が高い潜在能力を示す一方で、培地の酸性化による効率の低下が観察されたことから、商業的応用を完全に実現するためにはプロセス最適化（例：pH制御）が必要であることを控えめに述べている。本研究は、即時の産業的準備性を主張するものではなく、将来の開発に必要な基礎的な代謝能力および動力学パラメータを確立するものである。