CN102428169B - 微生物活性改进剂、微生物活性改进方法及生物学废弃物处理方法 - Google Patents

微生物活性改进剂、微生物活性改进方法及生物学废弃物处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微生物活性改进剂、微生物活性改进方法及生物学废弃物处理方法。选自由4-喹诺酮及其衍生物、高丝氨酸内酯衍生物以及吲哚及其衍生物构成的组中的化合物或其盐具有微生物活性改进剂的作用，其使用于微生物活性改进方法及生物学废弃物处理方法中，所述微生物活性改进剂在使处理能力提高超过以往提高的生物学废弃物处理设备的处理能力的极限方面有用。

Description

微生物活性改进剂、微生物活性改进方法及生物学废弃物处理方法
技术领域
本发明涉及一种微生物活性改进剂、微生物活性改进方法及生物学废弃物处理方法。
背景技术
作为通过微生物的有机物分解能力净化工业废水、污水、人粪便、渗滤水、厨房废弃物、畜禽粪便等有机性废弃物(污染物质)的生物学废弃物处理技术已知有活性污泥法或甲烷发酵等。在这些生物学废弃物处理中，参与废弃物分解的微生物的活性越高且微生物的存在量越多，生物学废弃物处理的能力越高。
作为在生物学废弃物处理设备的反应槽内高浓度保持有用微生物的方法，开发了附着载体法、包括载体法、自粒化污泥法、生物膜过滤法、膜分离式活性污泥法等技术(例如参考专利文献1、2)。通过这些方法，能够用更简便的设备进行生物学废弃物处理。
作为用于实现微生物高浓度化的其他方法，还开发了将从土壤等中隔离并另外纯粹培养的、处理对象污染物质的分解活性特别高的微生物添加到反应槽中的方法。
并且，专利文献3中公开了用于调节微生物的信息传递系统的特定化合物的使用。
专利文献1：日本特开平8-52486号公报
专利文献2：日本特开2009-66505号公报
专利文献3：日本特表2005-517635号公报
然而，在附着载体法、包括载体法、自粒化污泥法、生物膜过滤法、膜分离式活性污泥法等方法中，由于受到经济性制约，微生物的高浓度化有限，因此能够用生物学废弃物处理设备处理的废弃物量以化学需氧量(Chemicaloxygen demand，COD)的容积负荷计，最多大概为10～30kg/m3/天。
并且，在向反应槽添加已纯粹培养的特定微生物的方法中，所添加的微生物大部分因反应槽中的自然淘汰而灭绝。因此，还通过将隔离的特定微生物进行制剂化且继续适当添加来维持处理能力，但其用途因经济性制约而受限制。
作为提高微生物活性的方法，还有添加营养素的方法，但赋予充分的营养素是指大量添加废弃物，有失生物学废弃物处理设备的意义，经济上也不合算。也有实施添加磷、氮、金属等微量成分的方法，虽然有防止微生物活性下降的效果，但不会有意地提高微生物活性。
发明内容
因此，本发明的目的在于使处理能力提高超过以往提高的生物学废弃物处理设备的处理能力的极限。
在一种实施方式中，本发明提供一种微生物活性改进剂，其包括选自由下述式(1)～(4)所示的化合物构成的组中的化合物或其盐。
Figure BPA00001464085700021
[式中，R1～R6分别独立地表示氢原子、羟基或C1-6烷基，R7～R17分别独立地表示氢原子或由下述式(5)～(7)中的任一化学式表示的基团，R18表示任选具有桥氧基的C9-15烷基。]
Figure BPA00001464085700031
能够通过将极少量上述微生物活性改进剂添加至生物学废弃物处理设备的反应槽中来提高废弃物的处理能力。由此，能够以低成本实现处理能力的提高，即超过由附着载体法、包括载体法、自粒化污泥法、生物膜过滤法、膜分离式活性污泥法、向反应槽中添加纯粹培养的特定微生物的方法、添加营养素的方法等以往方法带来的提高生物学废弃物处理设备的处理能力的极限。
上述微生物活性改进剂更优选包括选自由以下(a)～(g)所示的化合物构成的组中的化合物或其盐。
(a)由所述式(1)表示，R1～R6为氢原子的化合物；
(b)由所述式(1)表示，R2～R6为氢原子，R1为甲基的化合物；
(c)由所述式(1)表示，R1为甲基，R2为羟基，R3～R6为氢原子的化合物；
(d)由所述式(2)表示，R7～R12为氢原子的化合物；
(e)由所述式(2)表示，R7、R9～R12为氢原子，R8为由所述式(5)～(7)中的任一化学式表示的基团的化合物；
(f)由所述式(3)表示，R13～R17为氢原子的化合物；
(g)由所述式(4)表示，R18为C10-15烷基或2-壬烷酰基的化合物。
如后述，能够从目标污染物质的处理能力较高的污泥比较简便地制备这些化合物。并且，即使为污染物质的处理失灵的生物学废弃物处理设备，也能够通过向其反应槽添加极少量来恢复并进一步提高废弃物的处理能力。即，通常即使在废弃物的处理能力下降的条件下，也能够实现高效且稳定的废弃物处理。
在另一实施方式中，本发明提供一种微生物活性改进方法，其包含在微生物的培养环境中(微生物存在的环境中)添加一种以上上述微生物活性改进剂的步骤。微生物存在的环境是指例如培养微生物的培养基；土壤；工业废水、污水、人粪便、渗滤水、厨房废弃物及畜禽粪便等有机性废弃物；生物学废弃物处理设备的反应槽及能够形成后述的生物膜的环境中的环境。
通过该方法，能够控制例如微生物的生物膜的形成。生物膜是指通过微生物形成的结构体，附着于基质的微生物通过分泌称为细胞外多糖或EPS(Extracellar Polysaccaride S)的分泌物来形成。例如，在医疗中，在导管内由黄色葡萄球菌等形成生物膜，生物膜内的微生物有时会由于对抗生物质或免疫的抵抗性较高而出现问题。
例如，通过提高参与免疫缺陷性感染症中的生物膜的分解的微生物的代谢活性，其结果能够阻碍生物膜的形成且使抗生物质到达至病原体。
该微生物活性改进方法能够应用于海洋结构物、管道等生物膜形成所影响的各种对象。例如，能够应用于在微生物电池中的阳极及阴极形成致密的生物膜的技术。并且，能够应用于为了防止大型生物附着于海洋结构物而形成生物膜的技术。
在其他实施方式中，本发明提供一种生物学废弃物处理方法，其包含向生物学废弃物处理设备的污泥中添加一种以上上述的微生物活性改进剂的步骤。
通过该方法，能够以低成本使处理能力提高超过由以往方法带来的提高的生物学废弃物处理设备的处理能力的极限。
在其他实施方式中，本发明提供一种化合物或其盐在制造微生物活性改进剂中的使用，所述化合物或其盐选自由下述式(1)～(4)所示的化合物构成的组：
[化学式3]
Figure BPA00001464085700051
式中，R1～R6分别独立地表示氢原子、羟基或C1-6烷基，R7～R17分别独立地表示氢原子或由下述式(5)～(7)中的任一化学式表示的基团，R18表示任选具有桥氧基的C9-15烷基，
Figure BPA00001464085700052
在为了制造上述微生物活性改进剂而使用时，上述化合物或其盐更优选为由以下(a)～(g)所示的化合物：
(a)由所述式(1)表示，R1～R6为氢原子的化合物；
(b)由所述式(1)表示，R2～R6为氢原子，R1为甲基的化合物；
(c)由所述式(1)表示，R1为甲基，R2为羟基，R3～R6为氢原子的化合物；
(d)由所述式(2)表示，R7～R12为氢原子的化合物；
(e)由所述式(2)表示，R7、R9～R12为氢原子，R8为由所述式(5)～(7)中的任一化学式表示的基团的化合物；
(f)由所述式(3)表示，R13～R17为氢原子的化合物；及
(g)由所述式(4)表示，R18为C10-15烷基或2-壬烷酰基的化合物。
发明效果
通过将极少量本发明的微生物活性改进剂添加至生物学废弃物处理设备的反应槽中，从而能够以低成本实现以往方法中无法实现的废弃物处理能力的提高程度。
并且，通过本发明的微生物活性改进方法，能够控制微生物的生物膜的形成并阻碍生物膜的形成，能够在微生物电池的阳极及阴极形成致密的生物膜，并且能够在海洋结构物表面形成生物膜并防止大型生物的附着等。
附图说明
图1是表示污泥负荷的推移的图表。
图2是表示COD去除率的推移的图表。
具体实施方式
作为本发明的微生物活性改进剂，能够使用市售的化合物。或者，本发明的微生物活性改进剂能够将市售的化合物用作原始材料并通过公知的方法进行化学合成。微生物活性改进剂可以为由上述式(1)～(4)表示的化合物[式中，R1～R6分别独立地表示氢原子、羟基或C1-6烷基，R7～R17分别独立地表示氢原子或由上述式(5)～(7)中的任一化学式表示的基团，R18表示任选具有桥氧基的C9-15烷基。]或其盐。
在由上述式(1)的R1～R6表示的基团中，C1-6烷基优选为直链状烷基，尤其优选为甲基。并且，在由上述式(4)的R18表示的基团中，任选具有桥氧基的C9-15烷基优选为直链状烷基，当具有桥氧基时，桥氧基数优选为1个，优选在2位位置具有桥氧基。
进一步优选微生物活性改进剂为由下述式(8)～(21)表示的化合物或其盐。
作为盐，可以举出酸加成盐及碱加成盐。作为酸加成盐，例如，盐酸盐、氢氟酸盐、氢溴酸盐、氢碘酸盐等氢卤酸盐；硝酸盐、高氯酸盐、硫酸盐、磷酸盐、碳酸盐等无机酸盐；甲磺酸盐、三氟甲磺酸盐、乙磺酸盐等低级烷基磺酸盐；苯磺酸盐、对甲苯磺酸盐等芳基磺酸盐；及富马酸盐、琥珀酸盐、柠檬酸盐、酒石酸盐、草酸盐、马来酸盐等有机酸盐。作为碱加成盐，例如钠、钾等碱金属盐；钙、镁等碱土类金属盐；及基于铵盐、胍、三乙胺、二环己胺等有机碱的盐。
作为其他方法，本发明的微生物活性改进剂能够通过培养特定微生物并在培养基中分泌它们的化合物且从该培养液中提取来制备。作为上述分泌化合物的微生物，例如，伯克霍尔德菌、假单胞菌、弧菌、气单胞菌、杆菌、链霉菌、链球菌、乳酸杆菌等革兰氏阴性菌。
在本说明书中，微生物活性是指微生物分解特定废弃物(污染物质)的活性。微生物活性改进是指单位量的微生物分解特定污染物质的能力提高。并且，微生物活性下降是指单位量的微生物分解特定污染物质的能力下降。作为污染物质，例如，葡萄糖、麦芽糖等糖类；甲醇等醇类；甲醛等醛类；厨房废弃物等有机性固体；淀粉、蛋白质、氨、硝酸盐、二甲基亚砜(DMSO)等，但并不限定于此。
作为本发明的微生物活性改进剂有效地发挥作用的微生物，例如，弧菌、气单胞菌、链霉菌、链球菌、乳酸杆菌、产碱杆菌属(Alcaligenes)、青枯菌(Ralstonia)、无色菌属(Achromobacter)、盐单胞菌(Halomonas)、伯克霍尔德菌属(Burkholderia)、假单胞菌(Pseudomonas)、光合菌(Rhodobacter)、副球菌(Paracoccus)、鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)、黄杆菌(Flavobacterium)、酸杆菌属(Acidobacterium)、杆菌属(Bacillus)、无色菌属(achromobacter)、气杆菌属(aerobacter)、短杆菌属(Brevibacterium)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、丛毛单胞菌属(Comamonas)、微球菌属(Micrococcus)、螺旋菌属(Spirillum)、动胶菌属(Zoogloea)、梭菌属(Clostridium)、脱氯菌属(Dehalococcoides)、氨基单胞菌属(Aminomonas)、产电模式菌属(Geobacter)、脱硫单胞菌属(Desulfuromonas)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、互营杆菌属(Syntrophobacter)、葡萄球菌属(Staphylococcus)、甲烷杆菌属(Methanobacterium)、甲烷螺菌属(Methanospirillum)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷绳菌属(Methanolinea)、甲烷短杆菌属(Methanobrevibacter)、甲烷鬃菌属(Methanosaeta)等。
污泥的浓度有时用MLSS(Mixed liquor suspended solids；活性污泥浮游物质)表示。MLSS的测定例如能够通过下列方法进行。首先，将污泥样品放入离心管中，以3,000rpm进行10分钟离心分离后，去掉上清液。其次，在所得到的沉淀物中加水并充分混合后，再次与上述相同地离心分离后去掉上清液。将所得到的沉淀物倒入预先称量的蒸发皿中，在干燥机中以105～110℃干燥半天。接着，在干燥器中放冷后称量。从测定出的质量减去空蒸发皿质量后的质量为MLSS。
COD例如能够通过JISK0102中记载的方法进行测定。具体而言，在测定对象的废弃物(试料)中加入重铬酸钾和硫酸，带环流冷却器并煮沸2小时后，求出所消耗的重铬酸量并由相当的氧量表示。或者，也可以利用便携带式多项目迅速水质分析仪(HACH公司制，型号为DR/2400)通过按照制造商的手册的方法进行测定。
本发明的生物学废弃物处理方法除了通过通常的生物学废弃物处理方法实现之外，还能够通过进一步包含在生物学废弃物处理设备的反应槽中添加一种以上上述微生物活性改进剂的步骤来实现。微生物活性改进剂也可以添加至导入于生物学废弃物处理设备的反应槽的废弃物(废水)中。微生物活性改进剂中可以添加作为化学合成的化合物，也可以添加从培养上述特定革兰氏阴性菌的微生物的培养上清液中提取的提取液。每1种微生物活性改进剂的添加浓度以反应槽中的终浓度，优选为1nmol/L至1mmol/L，进一步优选为10nmol/L至100μmol/L，尤其优选在100nmol/L至10μmol/L的范围内。可以以高于1mmol/L的浓度添加，但有时在成本上不利。另外，即使以低于1nmol/L的浓度添加，有时也得不到充分的微生物活性改进效果。
本发明的微生物活性改进方法能够通过包含在微生物培养环境中以相同的浓度添加与上述生物学废弃物处理方法相同的微生物活性改进剂的步骤来实现。
实施例
以下，示出本发明的实施例来进一步具体说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例，可以在不脱离本发明的技术思想的范围内进行各种变更。
(实施例1)(包含微生物活性改进剂的提取液的制备)
从十多处Expanded Granular Sludge Bed(EGSB)反应器采取污泥，以表1所示的组成的废弃物(人工废水)进行培养。将表1中的A溶液、B溶液及C溶液的组成分别示于表2～4。从这些污泥中选择甲烷生成活性最高的污泥。甲烷生成活性的评价通过记载于实施例2中的方法进行。通过液相色谱-飞行时间质谱联用仪(LC-TOF-MS)对该污泥中所含的从微生物分泌的化合物进行分析。其结果，发现该污泥中存在由下述化学式(8)～(21)表示的化合物。从LC-TOF-MS的峰面积推断出各化合物的浓度的结果，为数百nmol/L～数十μmol/L。
[表1]
  脱脂乳   10g/L
  NaHCO3   4g/L
  K2HPO4   4g/L
  NH4Cl   1g/L
  KCl   1g/L
  A溶液   1mL/L
  B溶液   1mL/L
  C溶液   1mL/L
[表2]
A溶液的组成
  尿素   135g/L
  KH2PO4   57g/L
[表3]
B溶液的组成
  FeSO4·7H2O   25g/L
  MgSO4·7H2O   51g/L
[表4]
C溶液的组成
  CaCl2·2H2O   1.0g/L
  ZnCl2   0.2g/L
  CuCl2·2H2O   0.1g/L
  MnCl2·4H2O   0.2g/L
  AlCl3   0.2g/L
  NiCl2   0.1g/L
将该污泥放入超声波清洗器中，在25℃下用超声波来分散10分钟后，在105℃下加热5分钟，用蒸发器进行浓缩，由此提取及浓缩由下述化学式(8)～(21)表示的化合物，并作为实施例1的提取液。
[化学式5]
Figure BPA00001464085700111
Figure BPA00001464085700121
(实施例2)(污泥的甲烷生成活性的评价)
通过用RT-PCR定量对作为甲烷菌特有的酶的甲基辅酶M还原酶进行编码的mcrA基因来进行污泥的甲烷生成活性的评价。甲烷菌是指在缺氧条件下合成甲烷的微生物。各污泥样品中的mcrA基因的存在量中看到约10倍之差。作为甲烷生成活性较高的污泥选择了mcrA基因的存在量最多的污泥。
(实施例3)(微生物活性改进剂的评价)
从国内的EGSB反应器采取污泥，用筛子清除破碎的污泥，制备颗粒污泥。颗粒污泥是指微生物呈粒状的污泥。本实施例中使用的颗粒污泥的直径为约1～3mm。在该颗粒污泥中添加将葡萄糖作为碳源的COD15000mg/L的人工废弃物(人工废水)，并在污泥负荷0.3[COD(g)/MLSS(g)]的条件下培养2个月。
使用所培养的颗粒污泥，用Upflow Anaerobic Sludge Blanket(UASB)装置进行了生物学废弃物处理。所使用的UASB装置是容积为1.5L、内径为60mm、高度为1m的圆筒形。将500ml上述颗粒污泥储存到UASB装置中，并供给表5所示的组成的废弃物(人工废水)，进行生物学废弃物处理。表5中的A溶液、B溶液及C溶液的组成分别示于上述表2～4。
[表5]
  葡萄糖   15g/L
  NH4Cl   1g/L
  NaHCO3   4g/L
  K2HPO4   4g/L
  酵母膏   0.1g/L
  FeSO4·7H2O   0.3g/L
  A溶液   1mL/L
  B溶液   1mL/L
  C溶液   1mL/L
实验中使用的人工废水将葡糖糖作为唯一的碳源。因此，若对颗粒污泥赋予急剧的负荷，则甲烷发酵速度赶不上酸生成速度，蓄积酪酸、丙酸、醋酸等低级脂肪酸，引起pH下降而使废弃物处理能力下降。本实施例中，为了有目的地实现因急剧的负荷而处理能力下降的状态，赋予了高于通常的负荷。具体而言，通常赋予约0.3～0.5[COD(g)/MLSS(g)]的污泥负荷，但在本实验中，如图1所示赋予了约0.7～1.1[COD(g)/MLSS(g)]的污泥负荷。
其结果，如图2所示，从实验开始起至第27天发现处理能力下降，COD去除率低于70％。图2中，COD去除率表示赋予的负荷(COD)中被处理的污染物质的比例(％)。此时，用UASB装置进行废弃物处理后的处理水中的低级脂肪酸浓度中，醋酸为1300mg/L，丙酸为1800mg/L。
在上述废弃物处理能力有所下降的阶段中，在供给至UASB装置的人工废水中添加了实施例1的提取液。添加比例是每1L人工废水为10mL。
添加了实施例1的提取液的结果，发现在约10天期间微生物活性显著上升，COD去除率达到90％。之后，即使进一步增加污泥负荷，也未发现微生物活性的下降，COD去除率上升至95％。如图1所示，添加实施例1的提取液之前的COD去除率为约76～88％。因此，通过添加实施例1的提取液，COD去除率显著上升。该结果表示实施例1的提取液中有显著的微生物活性改进效果。人工废水中所含的由上述式(8)～(21)表示的各化合物的浓度在数nmol/L～数百nmol/L的范围。因此，这些化合物以非常低的浓度显示微生物活性改进效果。在生物学废弃物处理的污泥中这些化合物有效提高废弃物处理能力，这是发明人等首次明确的事实。并且，在本实施例中，观察20～50kg/m3/天的废弃物处理，实现了废弃物处理能力的提高。
产业上的可利用性
通过将极少量本发明的微生物活性改进剂添加至生物学废弃物处理设备的反应槽中，从而能够以低成本实现以往方法中无法实现的废弃物处理能力的提高程度。
并且，通过本发明的微生物活性改进方法，能够控制微生物的生物膜的形成并阻碍生物膜的形成，能够在微生物电池的阳极及阴极形成致密的生物膜，并且能够在海洋结构物表面形成生物膜并防止大型生物的附着等。

Claims (3)

1.一种微生物活性改进剂，其包括以下（a）～（g）的化合物或其盐，
（a）由所述式（1）表示，R1～R6为氢原子的化合物；
（b）由所述式（1）表示，R2～R6为氢原子，R1为甲基的化合物；
（c）由所述式（1）表示，R1为甲基，R2为羟基，R3～R6为氢原子的化合物；
（d）由所述式（2）表示，R7～R12为氢原子的化合物；
（e）由所述式（2）表示，R7、R9～R12为氢原子，R8为由所述式（5）～（7）中的任一化学式表示的基团的化合物；
（f）由所述式（3）表示，R13～R17为氢原子的化合物；
（g）由所述式（4）表示，R18为C10-15烷基或2-壬烷酰基的化合物。
Figure FDA0000447042590000011
2.一种微生物活性改进方法，其包含在微生物存在的环境中添加以下（a）～（g）所示的化合物或其盐：
（a）由所述式（1）表示，R1～R6为氢原子的化合物；
（b）由所述式（1）表示，R2～R6为氢原子，R1为甲基的化合物；
（c）由所述式（1）表示，R1为甲基，R2为羟基，R3～R6为氢原子的化合物；
（d）由所述式（2）表示，R7～R12为氢原子的化合物；
（e）由所述式（2）表示，R7、R9～R12为氢原子，R8为由所述式（5）～（7）中的任一化学式表示的基团的化合物；
（f）由所述式（3）表示，R13～R17为氢原子的化合物；
（g）由所述式（4）表示，R18为C10-15烷基或2-壬烷酰基的化合物。
Figure FDA0000447042590000031
3.一种生物学废弃物处理方法，其包含在生物学废弃物处理设备的反应槽中添加以下（a）～（g）所示的化合物或其盐：
（a）由所述式（1）表示，R1～R6为氢原子的化合物；
（b）由所述式（1）表示，R1、R3～R6为氢原子，R2为甲基的化合物；
（c）由所述式（1）表示，R1为甲基，R2为羟基，R3～R6为氢原子的化合物；
（d）由所述式（2）表示，R7～R12为氢原子的化合物；
（e）由所述式（2）表示，R7、R9～R12为氢原子，R8为由所述式（5）～（7）中的任一化学式表示的基团的化合物；
（f）由所述式（3）表示，R13～R17为氢原子的化合物；
（g）由所述式（4）表示，R18为C10-15烷基或2-壬烷酰基的化合物。
Figure FDA0000447042590000041
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