非無菌培養での5種の緑色微細藻類による液状消化粕の処理可能性

廃棄物を資源へ変える

嫌気性消化施設は食品や農業残渣をバイオガスという再生可能燃料に変える。しかし同時に、窒素やリンを多く含む水様の副産物—液状消化粕—が残る。これを適切に処理しなければ河川や土壌を汚染するおそれがある。本研究は、自然に存在する緑色微細藻類が細菌と共生した状態でこの難しい液体を浄化し、栄養塩を有用なバイオマスへ変換できるかを検証する。

残留物が問題となる理由

世界的にバイオガス生産が拡大するにつれ、消化粕の量も増加する。体積の大部分を占める液相は植物にとって有用な養分に富むが、同時に有機残留物や場合によっては重金属・病原体も含む。農地への散布は肥料として役立つこともあるが、過剰な投入は水質汚濁や土壌負荷を招く。従来の処理法はコストが高く、特に小規模や独立型のバイオガス施設では効率が低いことが多い。より優れた解決策は、この液体を微細藻類の培地として利用し、養分を回収して水を浄化し、動物飼料やバイオ燃料などの製品向けバイオマスを生成することだ。

野生の微細藻類を試験する

研究者たちは、トウモロコシ、エンドウ、豆類などの野菜系廃棄物を処理するパイロットプラントから液状消化粕を採取した。消化粕は水で5倍に希釈しただけで滅菌は行わず、現実に近い条件を意図的に維持した。培養コレクション由来ではなく自然水域から分離した5株の緑色微細藻類を、小型の照明付きリアクターで4か月間培養した。これらの培養は“非無菌（non-axenic）”であり、藻類は自然に伴う細菌群と共に生育した。研究チームは窒素の形態、リン酸塩、有機物などの主要な汚濁指標に加え、藻類の成長と細菌群集の変化をモニターした。

pH制御がもたらした変化

実験は二つの主要な段階に分けられた。最初の60日間ではpHを制御せずに消化粕をリアクターに供給した。混合コミュニティが二酸化炭素を放出し窒素を変換するにつれてpHは徐々に低下し、やや酸性になったため成長が鈍化した。このため汚濁除去能力は限定され、総窒素はおおむね55～70％低下した一方、リン酸塩の除去は約50％未満にとどまった。次の60日間では、研究チームは少量の水酸化ナトリウムを用いてpHを中性より上に上げ維持した。よりアルカリ側の条件下では藻類は活発に育ち、クロロフィル濃度が上昇し、リアクターは窒素とリン酸塩のより大きな除去を達成したが、一部の有機化合物の除去効率は低下した。

藻類、細菌、そしてバランスの妙

試験した5種のうち、Desmodesmus communisが優れていた。pH制御段階で総窒素をほぼ90％、リン酸塩を90％以上除去したが、細胞数は最高には達していなかった。その利点は大型で多細胞の構造や共生細菌との相互作用に起因するようだ。遺伝子解析はpHを上げた際に細菌群集のバランスが変化することを示した：減少するグループもあれば、アルカリで栄養塩が豊富な環境を好むグループが増加した。ある種の細菌は複雑な有機物を分解する役割を担い、別の種は窒素やリンの除去を助けたり、藻類が利用しやすい形に変換していた。全体の性能は単独の藻類ではなく、この混合で協調的なコミュニティの働きによるものであった。

汚染排水からよりクリーンな循環へ

要するに、本研究は藻類–細菌混合体にただ任せるだけでは不十分であり、pHの慎重な制御がそれらの浄化能力を引き出すために重要であることを示している。適切な条件下では、野生由来の緑色微細藻類が細菌と共に、わずかな希釈と無滅菌で液状消化粕から過剰な窒素とリンの大部分を除去できる。これにより処理後の液はバイオガス施設での再利用や環境への放流の可能性が高まり、生成された藻類バイオマスは二次的な製品となり得る。このようなシステムは栄養塩循環を閉じ、廃棄物を削減し、バイオガス生産の持続可能性を高める助けとなるだろう。

引用: Sobolewska, E., Borowski, S. & Nowicka-Krawczyk, P. Liquid digestate treatment potential of five green microalgae in non-axenic cultures. Sci Rep 16, 14589 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45636-5

キーワード: 微細藻類, 嫌気性消化粕, 栄養塩除去, バイオガス, 廃水処理