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水理学的滞留時間と電気刺激が混合栄養コンソーシアムの揮発性脂肪酸生成と炭素回収に与える影響

Hydraulic Retention Time and Electric Stimuli as Key Levers for Tailoring Mixotrophic Consortia Toward Enhanced Volatile Fatty Acid Production and Carbon Capture (原題)

Zani ACB, de Andrade AR, Reginatto V

Research Squareプレプリント2026-05-14#CCUS
DOI: 10.21203/rs.3.rs-9518331/v1
原典: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-9518331/v1

🤖 gxceed AI 要約

日本語

連続式電気化学反応器において、水理学的滞留時間（HRT）の短縮が混合栄養微生物群集の特化を促進し、無機炭素除去速度を2.6倍向上させ、酢酸生成を最大化した。特に電極バイオフィルムで炭素固定経路が活性化され、酢酸の約38%は独立栄養的CO2固定に由来することが示された。この知見はHRTを実用的な制御パラメータとしてCO2資源化プロセスの効率化に貢献する。

English

This study demonstrates that reducing hydraulic retention time (HRT) in a continuous bioelectrochemical reactor enriches a specialized mixotrophic consortium, enhancing inorganic carbon removal by 2.6-fold and maximizing acetate production. Batch assays indicate ~38% of acetate exceeds heterotrophic stoichiometry, suggesting additional CO2 fixation, with carbon fixation pathways enriched in the electrode biofilm. These findings position HRT as a practical engineering lever for improving CO2 valorization.

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

📝 gxceed 編集解説 — Why this matters

日本のGX文脈において

本研究成果は、日本が推進するカーボンリサイクル技術やバイオものづくり戦略に資する。連続式電気化学システムによるCO2の酢酸への変換効率向上は、産業用カーボンリサイクルプロセスの実用化に向けた重要な知見を提供する。

In the global GX context

This research contributes to global carbon capture and utilization (CCU) efforts by demonstrating a scalable bioelectrochemical approach to convert CO2 into valuable acetate. The use of hydraulic retention time as a simple operational parameter offers a cost-effective strategy for enhancing carbon fixation, aligning with international goals for industrial decarbonization.

👥 読者別の含意

🔬研究者:This paper provides mechanistic insights into how hydraulic retention time and electric stimuli shape microbial communities and carbon flux in bioelectrochemical systems, offering a foundation for optimizing continuous CO2 conversion processes.

🏢実務担当者:The demonstrated use of HRT as a control lever for enhanced acetate production could inform the design of industrial-scale bioreactors for carbon capture and value-added chemical synthesis.

📄 抄録（日本語訳）

<title>抄録</title> <p>背景 連続式バイオ電気化学システムは、CO<sub>2</sub>を高付加価値バイオ製品へ変換する有望なプラットフォームであるが、炭素回収と生成物選択性を高める運転戦略は依然として限られている。混合栄養性電気発酵はプロセスの安定性と性能を向上させるが、連続システムにおける微生物群集の特化と無機炭素利用を形成する上での水理学的滞留時間（HRT）の役割は、十分に理解されていない。結果 連続式電気刺激バイオリアクターを、300 mVの一定電位で約1200時間、3つのHRT（33、19、14時間）条件下で運転した。HRTの短縮は、特殊化した混合栄養性コンソーシアムの集積を促進し、浮遊相では<i>Enterococcus</i>と<i>Clostridium</i>が優占し、電極バイオフィルムでは<i>Desulfovibrio</i>と<i>Enterococcus</i>が集積した。この共生組織化により、バイオマス比無機炭素（IC）除去能は2.6倍（4.92から12.88 mg g<sup>−1</sup> h<sup>−1</sup>）に向上し、炭素フラックスは酢酸生成経路の主要産物である酢酸へと振り向けられた。酢酸はHRT=14時間で1470 mg L<sup>−1</sup>に達し、体積生産性は107 mg L<sup>−1</sup> h<sup>−1</sup>であった。バッチ試験により、酢酸の約38%が従属栄養性の化学量論を超えており、追加のCO<sub>2</sub>/HCO<sub>3</sub><sup>−</sup>固定を示していることが明らかになった。機能予測により、特に電極関連バイオフィルムにおける炭素固定経路の集積がさらに明らかになり、電極関連分類群が還元当量の生成に寄与し、独立栄養代謝を支えたことが示唆された。結論 HRTの短縮は、連続式電気刺激バイオリアクターにおける無機炭素利用を向上させ、酢酸生成を選択的に増加させた。この効果は、機能的に特殊化した微生物コンソーシアムの集積と、特に電極関連バイオフィルムにおける炭素固定経路の活性化と関連しており、炭素フラックスを駆動する上での空間的組織化の役割を浮き彫りにした。これらの知見は、HRTが微生物機能を制御し、CO<sub>2</sub>/HCO<sub>3</sub><sup>−</sup>の価値化を改善するための実用的かつエネルギー効率の高い工学戦略として使用できることを実証し、選択的でスケーラブルな電気バイオテクノロジープロセスの開発を前進させる。</p>

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

📄 Abstract（原文）

<title>Abstract</title> <p> Background Continuous bioelectrochemical systems represent a promising platform for converting CO <sub>2</sub> into value-added bioproducts, yet operational strategies to enhance carbon capture and product selectivity remain limited. While mixotrophic electrofermentation improves process stability and performance, the role of hydraulic retention time (HRT) in shaping microbial community specialization and inorganic carbon utilization in continuous systems remains poorly understood. Results A continuous electrostimulated bioreactor was operated at a constant potential of 300 mV for approximately 1200 h under three HRTs (33, 19, and 14 h). Decreasing HRT promoted the enrichment of a specialized mixotrophic consortium, with <italic>Enterococcus</italic> and <italic>Clostridium</italic> dominating the planktonic phase and <italic>Desulfovibrio</italic> and <italic>Enterococcus</italic> enriched in the electrode biofilm. This syntrophic organization enhanced biomass-specific IC removal by 2.6-fold (from 4.92 to 12.88 mg g <sup>− 1</sup> h <sup>− 1</sup> ) and redirected carbon flux toward acetate, a key product of acetogenic pathways. Acetate reached 1470 mg L <sup>− 1</sup> with a volumetric productivity of 107 mg L <sup>− 1</sup> h <sup>− 1</sup> at HRT = 14 h. Batch assays revealed that ~ 38% of the acetate exceeded heterotrophic stoichiometry, indicating additional CO <sub>2</sub> /HCO <sub>3</sub> <sup>−</sup> fixation. Functional predictions further revealed the enrichment of carbon fixation pathways, particularly in the electrode-associated biofilm, suggesting that electrode-associated taxa contributed to the generation of reducing equivalents and supported autotrophic metabolism. Conclusion Reducing HRT enhanced inorganic carbon utilization and selectively increased acetate production in a continuous electrostimulated bioreactor. This effect was associated with the enrichment of a functionally specialized microbial consortium and the activation of carbon fixation pathways, particularly in the electrode-associated biofilm, highlighting the role of spatial organization in driving carbon flux. These findings demonstrate that HRT can be used as a practical and energy-efficient engineering strategy to control microbial function and improve CO <sub>2</sub> /HCO <sub>3</sub> <sup>−</sup> valorization, advancing the development of selective and scalable electrobiotechnological processes. </p>

🔗 Provenance — このレコードを発見したソース

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gxceed は公開メタデータに基づく研究支援データセットです。要約・翻訳・解説は AI 支援で生成されています。 最終的な解釈・検証は利用者が原典資料に基づいて行うことを前提とします。