水力破砕フラックバック水から回収されたFe(III)含有固体の微生物還元：廃水処理への影響

2025-03-25 Tue
水力圧裂（hydraulic fracturing）は、非在来型貯留層から天然ガスを抽出する技術ですが、その過程で大量の返排水と生産水が発生します。これらの水には複雑な有機物や無機物が含まれており、特にこれらの流体に関連する固体物質は、鉄（Fe）、有毒な有機物、重金属、天然放射性物質（NORM）が豊富です。これらの固体物質は環境や人間の健康に潜在的な脅威をもたらす可能性がありますが、その組成や微生物群集との相互作用に関する研究はまだ限られています。また、これらの固体物質の長期的な環境中での運命についても深い理解が欠けています。
本研究は、英国のBowland頁岩（Bowland Shale）で行われた水力圧裂井からの返排水中の固体物質を分析し、これらのFe(III)を豊富に含む固体が嫌気条件下で微生物によって還元される可能性を探ることを目的としています。電子シャトル（electron shuttle）であるアントラキノン-2,6-ジスルホン酸塩（anthraquinone-2,6-disulfonate, AQDS）を使用し、研究チームは生物還元後の鉱物相を特定し、微生物群集の組成を分析しました。この研究は、微生物を利用した廃水処理戦略の開発に新たな知見を提供し、特にこれらのFe(III)固体を利用して有毒な有機物を酸化し、廃棄物の毒性を減らす方法についての洞察を提供します。
論文の出典この研究は、英国マンチェスター大学（University of Manchester）地球環境科学科のWilliamson分子環境科学研究センター（Williamson Research Centre for Molecular Environmental Science）のNatali Hernandez-Becerra、Sophie L. Nixon、Christopher Boothman、Jonathan R. Lloydによって共同で行われました。論文は2024年12月2日に受理され、『Geo-Bio Interfaces』誌に掲載され、DOIは10.1180/gbi.2024.11です。
研究のプロセスと結果1. 固体物質の回収と特性評価研究ではまず、Bowland頁岩の返排水から懸濁固体を回収しました。遠心分離法（centrifugation）を使用して固体物質を分離し、X線回折（XRD）技術を用いてその特性を評価しました。その結果、これらの固体物質は主にアカガネ鉱（akaganeite, β-FeOOH）とバリウムを含むセレスタイン（celestine, SrSO4）で構成されていることが明らかになりました。さらに、走査型電子顕微鏡（SEM）とエネルギー分散型X線分析（EDS）を使用して、これらの鉱物の形態と元素組成を確認しました。
2. 微生物還元実験研究チームは、2種類の接種物を使用して一連の微生物還元実験を設計しました。1つは純粋培養されたShewanella frigidimarina（通性嫌気性の好塩性細菌）、もう1つは返排水から分離されたFe(III)還元富集培養物です。実験は嫌気条件下で行われ、AQDSを電子シャトルとして使用しました。研究ではFe(II)の生成量をモニタリングし、XRDとSEMを使用して還元後の鉱物相を分析しました。
実験結果は、すべての接種処理でFe(III)固体がFe(II)に還元され、AQDSの添加が還元プロセスを著しく加速したことを示しました。Shewanella frigidimarinaと富集培養物では、Fe(II)濃度はそれぞれ0.5 mmol/Lと2 mmol/Lから15 mmol/Lと21 mmol/Lに増加しました。XRD分析によると、富集培養物処理では鉄白雲石（ankerite, Ca(Fe,Mg,Mn)(CO3)2）が形成され、Shewanella処理では高度に結晶化したFe(II)鉱物は検出されず、非晶質鉱物相が形成された可能性が示唆されました。
3. 微生物群集の分析16S rRNA遺伝子シーケンシングを通じて、研究チームは固体物質中の微生物群集の組成を分析しました。その結果、固体物質中の主要な微生物群集にはChromohalobacter、Caminicella、および仮定されたFe(III)還元菌属が含まれていることが明らかになりました。Shewanella処理ではShewanella属の配列が優勢であり、富集培養物処理ではFuchsiella属の配列が最も豊富でした。これらの微生物のFe(III)還元能力は、微生物を利用した廃水処理戦略の開発に潜在的な応用価値を提供します。
結論と意義この研究は、英国Bowland頁岩の水力圧裂返排水中のFe(III)固体を初めて詳細に特性評価し、これらの固体が微生物還元プロセスにおける潜在能力を持つことを証明しました。研究結果は、Fe(III)固体が微生物還元によって鉄白雲石などのより処理しやすい鉱物相に変換される可能性を示しています。さらに、微生物還元プロセスは、pHや塩分濃度などの条件を最適化することで、磁鉄鉱などの磁性鉱物の形成を促進し、廃棄物の回収効率をさらに向上させることができます。
この研究は、水力圧裂廃水の管理に新たな視点を提供し、特に微生物還元を利用してFe(III)固体を酸化し、有毒な有機物を分解し、廃棄物の毒性を減らす方法についての洞察を提供します。また、微生物群集が廃水処理において重要な役割を果たすことを強調し、将来の廃水処理戦略の設計に科学的根拠を提供します。
研究のハイライト非北米頁岩システムの返排水固体の初めての特性評価：この研究は、英国Bowland頁岩の返排水固体を初めて詳細に分析し、地理的な研究ギャップを埋めました。
微生物によるFe(III)固体の還元の可能性：研究は、Fe(III)固体が微生物還元プロセスにおける潜在能力を持つことを証明し、生物還元後の鉱物相を特定しました。
電子シャトルの応用：AQDSの添加がFe(III)の還元プロセスを著しく加速し、微生物還元条件の最適化に新たな視点を提供しました。
微生物群集の多様性：研究は、返排水固体中の豊富な微生物群集、特にFe(III)還元菌の存在を明らかにし、廃水処理戦略の設計に重要な参考資料を提供しました。
その他の価値ある情報研究ではまた、返排水中のBaとSr（おそらくRa-226も含む）がFe(III)還元プロセス中でも鉱物相に固定されたままであることを指摘し、これらの鉱物相が廃水処理において潜在的な安定性を持つことを示唆しました。さらに、研究チームは、将来の研究で微生物群集の有機物分解能力をさらに探求し、メタゲノミクスアプローチを通じて有機物分解に関連する機能遺伝子を特定することを提案しました。
この研究は、水力圧裂廃水の管理に新たな科学的根拠を提供し、微生物を利用した廃水処理戦略の開発に重要な基盤を築きました。