JP2012050381A - 窒素代謝微生物の活性化方法及びバイオリアクタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】亜硝酸還元能を有する亜硝酸還元微生物及び亜硝酸酸化能を有する亜硝酸酸化微生物の少なくともいずれか一方の窒素代謝微生物と有機物と酸化還元物質とを含む培養液に電極を浸し、培養液に亜硝酸イオンを溶解させたときの亜硝酸イオンの低減速度が電極へ電位を印加していない場合よりも向上する電位を電極に印加しながら窒素代謝微生物を培養するようにした。
【選択図】図1
Description
処理に必要な機能を有する微生物を選択的に且つ高濃度に処理槽に存在させて機能させることが重要となる。しかしながら、微生物による窒素サイクルを利用した従来の廃水処理方法では、処理に必要な機能を有する微生物を選択的に且つ高濃度に処理槽に存在させて機能させることには限界があり、その改善が望まれていた。
[数式1] E=E0+RT/nF×ln(Cox/Cred)
第一の実施形態にかかる窒素代謝微生物の活性化方法は、亜硝酸還元能を有する亜硝酸還元微生物2a及び亜硝酸酸化能を有する亜硝酸酸化微生物2bの少なくともいずれか一方の窒素代謝微生物2と有機物5と酸化還元物質3とを含む培養液4に作用電極9を浸し、培養液4に亜硝酸イオンを溶解させたときの亜硝酸イオンの低減速度が作用電極9へ電位を印加していない場合よりも向上する電位を作用電極9に印加しながら窒素代謝微生物2を培養するようにしている。本実施形態では、培養液4にイオン交換膜6を介して電解液4aを接触させ、作用電極9と対をなす電極10(対電極10)を電解液4aに浸すようにしている。
図2に示すバイオリアクタ1は、密閉構造の容器20を培養槽7とし、容器20に収容可能な密閉構造の小容器21を対電極槽8とし、小容器21は少なくとも一部にイオン交換膜6を備え、培養槽7には被処理液導入部18、処理液排出手段16及び窒素ガス排出手段15を備えるものとしている。
図3に示すバイオリアクタ1は、上方が開放されている容器23をイオン交換膜6で仕切ることにより開放された二つの槽が形成され、培養槽7としての一方の槽の上方開放部がガス不透過膜またはガス不透過部材24により塞がれているものとしている。同様に、対電極槽8としての他方の槽の上方開放部もガス不透過膜またはガス不透過性部材24により塞がれているものとしている。培養槽7には被処理液導入部18、処理液排出手段16及び窒素ガス排出手段15を備えるものとしている。尚、図3に示すバイオリアクタ1においては、容器23の密閉性が確保されていれば、培養槽7のヘッドスペースと対電極槽8のヘッドスペースとを完全に仕切る必要はない。
図4に示すバイオリアクタ1は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器25aと25bがイオン交換膜6を介して開口部で連結されてU字型の容器25が形成され、一方の容器25aを密閉構造として培養槽7とし、他方の容器25bも密閉して対電極槽8としている。この場合、培養液4と電解液4aがイオン交換膜6を介して接触すると共に、培養槽7の培養液4の液面よりも上部の空間と対電極槽8の電解液4aの液面よりも上部の空間とが容器25自体のU字型構造によって隔てて配置される。図4に示すバイオリアクタ1によれば、図2に示すバイオリアクタ1と同様、活性化された窒素代謝微生物2を含む培養液4中で亜硝酸イオン含有液を処理することができるので、亜硝酸イオン含有液の亜硝酸イオン濃度を効率よく低減することができる。
図5に示すバイオリアクタ1は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器26aと26bがイオン交換膜6を介して開口部で連結されてH字型の容器26が形成され、一方の容器26aを密閉構造として培養槽7とし、他方の容器26bも密閉して対電極槽8としている。この場合にも、培養液4と電解液4aがイオン交換膜6を介して接触すると共に、培養槽7の培養液4の液面よりも上部の空間と対電極槽8の電解液4aの液面よりも上部の空間とが容器26自体のH字型構造によって隔てて配置される。図5に示すバイオリアクタ1によれば、図2に示すバイオリアクタ1と同様、活性化された窒素代謝微生物2を含む培養液4中で亜硝酸イオン含有液を処理することができるので、亜硝酸イオン含有液の亜硝酸イオン濃度を効率よく低減することができる。
第二の実施形態にかかる窒素代謝微生物の活性化方法は、亜硝酸還元能を有する亜硝酸還元微生物2a及び亜硝酸酸化能を有する亜硝酸酸化微生物2bの少なくともいずれか一方の窒素代謝微生物2と有機物5と酸化還元物質3とを含む培養液4に作用電極9を浸し、培養液4に亜硝酸イオンを溶解させたときの亜硝酸イオンの低減速度が作用電極9へ電位を印加していない場合よりも向上する電位を作用電極9に印加しながら窒素代謝微生物2を培養するようにしている。本実施形態では、培養液4にイオン交換膜6を介して対電極9を接触させるようにしている。つまり、第一の実施形態における窒素代謝微生物の活性化方法とは、電解液4aを用いることなく対電極10を直接イオン交換膜6に接触させている点が異なっている。しかしながら、第一の実施形態のように電解液4aを用いずとも、作用電極9と対電極10との間でイオン交換膜6を介してイオン電流は流れるので、第二の実施形態にかかる窒素代謝微生物の活性化方法によれば、第一の実施形態と同様に作用電極9の電位を制御して、同様の効果を得ることが可能である。
図8に示す電気培養装置1により実験を行った。培養槽7としての容器20は250mL容のガラスバイアル瓶(Duran製)とした。培養液4は200mL収容した。容器20には蓋30をした。蓋30の上面30aにはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極、管と通した際の密閉性を確保した。
培養槽7には、以下の組成の培養液を収容した。尚、以下の組成のうち、KHCO3とプロピオン酸が微生物2の炭素源として機能する。
[培養液組成]
・KHCO3 :500ppm
・KH2PO4 :27ppm
・MgSO4・7H2O :300ppm
・CaCl2・2H2O :180ppm
・プロピオン酸 :1mM
・微量元素(Zn、Co、Mn、Cu、Mo、Ni、Se、B、Fe) :1mL
後述する酸化還元物質3(アントラキノン2,6−ジスルホン酸:AQDS)を含まないことを除いて培養液4と同一成分とした。
アンモニウムイオンの酸化還元特性について検討した。
亜硝酸イオンの酸化還元特性について検討した。
培養液4に、微生物2として(九十九里、2009年04月18日)から採取した水田土壌を 2g、酸化還元物質3としてアントラキノン2,6−ジスルホン酸(AQDS)を2mM添加した。作用電極9と対電極10は炭素電極とした。また、培養液4にはスポンジ(東和産業株式会社製、商品名:ピカるちゃんキューブ)を200mLの培養液4に対して10mm×10mm×15mmに切ったスポンジ16個を添加して、試験期間中の培養液4の抜き取りの際の微生物2の流出や減少を抑制した。
・通電無し(73mV)
・+0.2V
・+0.6V
・−0.6V
培養液中の菌数、亜硝酸還元反応を担う遺伝子であるnirK及びnirSについて、遺伝子学的に解析を実施した。
試験終了後に培養液4を50mL採取し、遠心分離して菌体を回収した。そして回収した菌体からPowerMicrobial Maxi DNA isolation kit (MO BIO)を用いてゲノムDNAの抽出を行い、最終的に2mlの精製DNAを得た。また、参照データとして、試験開始前の培養液4を50mL採取して、上記と同様、ゲノムDNAの抽出を行った。
培養液中に含まれる亜硝酸還元(脱窒プロセス)に関わる微生物の定量を行うために、Light Cycler ST300(Roche)を用いてリアルタイムPCRを行った。
プライマー及びプローブは以下の通りとした。
・Uni340F:CCTACGGGRBGCASCAG(配列番号1)
・Uni806R:GGACTACNNGGGTATCTAAT(配列番号2)
・Uni516F (TaqMan probe):TGYCAGCMGCCGCGGTAAHACVNRS(配列番号3)
(5'6-FAM、3'TAMRA)
PCR条件は、以下の通りとし、(ii)〜(iv)を40サイクル実施した。
・(i)95℃10分→(ii)95℃10秒→(iii)50℃45秒→(iv)72℃1秒
プライマーは以下の通りとした。
・nirK876 : ATYGGCGGVAYGGCGA(配列番号4)
・nirK1040 : GCCTCGATCAGRTTRTGGTT(配列番号5)
PCR条件は、以下の通りとし、(ii)〜(iv)を32サイクル実施した。
・(i)95℃10分→(ii)95℃10秒→(iii)60℃30秒→(iv)72℃30秒
プライマーは以下の通りとした。
・nirSCd3aF : AACGYSAAGGARACSGG(配列番号6)
・nirSR3cd : GASTTCGGRTGSGTCTTSAYGAA(配列番号7)
PCR条件は、以下の通りとし、(ii)〜(iii)を40サイクル実施した。
・(i)95℃10分→(ii)95℃10秒→(iii)65℃20秒
試験終了後の培養液の微生物叢解析を実施した。
・forward primer 5’-CCTACGGGAGGCAGCAG-3’
(Escherichia coli 由来16S rRNA 遺伝子における341番目に相当、配列番号8)
・reverse primer 5’-ATTACCGCGGCTGCTGG-3’
(Escherichia coli 由来16S rRNA 遺伝子における517番目に相当、配列番号9)
2 窒素代謝微生物
2a 亜硝酸還元微生物
2b 亜硝酸酸化微生物
3 酸化還元物質
4 培養液
4a 電解液
5 有機物
6 イオン交換膜
7 培養槽
8 対電極槽
9 作用電極
10 対電極
12 定電位設定装置
15 窒素ガス排出手段
16 処理液排出手段
18 被処理液導入部
Claims (16)
- 亜硝酸還元能を有する亜硝酸還元微生物及び亜硝酸酸化能を有する亜硝酸酸化微生物の少なくともいずれか一方の窒素代謝微生物と有機物と酸化還元物質とを含む培養液に電極を浸し、前記培養液に亜硝酸イオンを溶解させたときの亜硝酸イオンの低減速度が前記電極へ電位を印加していない場合よりも向上する電位を前記電極に印加しながら前記窒素代謝微生物を培養することを特徴とする窒素代謝微生物の活性化方法。
- 前記培養液にイオン交換膜を介して電解液を接触させ、前記電極と対をなす電極を前記電解液に浸漬する請求項1に記載の窒素代謝微生物の活性化方法。
- 前記培養液にイオン交換膜を介して前記電極と対をなす電極を接触させる請求項1に記載の窒素代謝微生物の活性化方法。
- 前記電極に印加する電位を、亜硝酸イオンの低減速度が向上する結果として窒素ガスの生成速度が向上する電位とすることにより、前記亜硝酸還元微生物を活性化する請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒素代謝微生物の活性化方法。
- 前記電位を、銀・塩化銀電極電位基準で−0.6Vを含んで−0.6Vよりもマイナス側に大きな電位とする請求項4に記載の窒素代謝微生物の活性化方法。
- 前記電極に印加する電位を、亜硝酸イオンの低減速度が向上する結果として硝酸イオン生成速度が向上する電位とすることにより、前記亜硝酸酸化微生物を活性化する請求項1〜3のいずれか1つに記載の窒素代謝微生物の活性化方法。
- 前記電位を、銀・塩化銀電極電位基準で+0.6Vを含んで+0.6Vよりもプラス側に大きな電位とする請求項6に記載の窒素代謝微生物の活性化方法。
- 請求項1〜7のいずれか1つに記載の方法により活性化された窒素代謝微生物を含む培養液中で亜硝酸イオン含有液を処理することを特徴とする亜硝酸イオン含有液の処理方法。
- 請求項1〜7のいずれか1つに記載の方法により活性化された窒素代謝微生物を含む培養液中に亜硝酸イオンを生成する亜硝酸生成微生物を添加し、前記亜硝酸生成微生物により生成された亜硝酸イオンを前記活性化された窒素代謝微生物に還元または酸化させて低減し、亜硝酸イオンの毒性による生育阻害を回避しながら前記亜硝酸生成微生物を培養することを特徴とする亜硝酸生成微生物の培養方法。
- イオン交換膜によって仕切られた対電極槽及び密閉構造の培養槽と、前記培養槽に収容された培養液と、前記対電極槽に収容された電解液と、前記培養液に浸された作用電極と、前記電解液に浸された対電極と、前記作用電極と前記対電極とが結線されて前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えて前記作用電極の電位を設定する定電位設定装置と、前記培養槽に亜硝酸イオン含有液を導入する被処理液導入部と、前記培養槽から処理液を排出する処理液排出手段とを有し、前記培養液には亜硝酸還元能を有する亜硝酸還元微生物及び亜硝酸酸化能を有する亜硝酸酸化微生物の少なくともいずれか一方の窒素代謝微生物と酸化還元物質と有機物とが含まれ、前記培養液に亜硝酸イオンを溶解させたときの亜硝酸イオンの低減速度が前記作用電極に電位を印加しない場合よりも向上する電位が前記作用電極に印加されながら前記窒素代謝微生物が培養されるものとしたことを特徴とするバイオリアクタ。
- 培養槽としての密閉構造の容器と、前記容器に収容可能な対電極槽としての密閉構造の小容器と、前記培養槽に収容された培養液と、前記対電極槽に収容された電解液と、前記培養液に浸された作用電極と、前記電解液に浸された対電極と、前記作用電極と前記対電極とが結線されて前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えて前記作用電極の電位を設定する定電位設定装置と、前記培養槽に亜硝酸イオン含有液を導入する被処理液導入部と、前記培養槽から処理液を排出する処理液排出手段とを有し、前記小容器は前記培養液と接触する位置の少なくとも一部にイオン交換膜を備えるものとし、前記培養液には亜硝酸還元能を有する亜硝酸還元微生物及び亜硝酸酸化能を有する亜硝酸酸化微生物の少なくともいずれか一方の窒素代謝微生物と酸化還元物質と有機物とが含まれ、前記培養液に亜硝酸イオンを溶解させたときの亜硝酸イオンの低減速度が前記作用電極に電位を印加しない場合よりも向上する電位が前記作用電極に印加されながら前記窒素代謝微生物が培養されるものとしたことを特徴とするバイオリアクタ。
- イオン交換膜を少なくとも一部に備える容器と、前記容器に収容された培養液と、前記培養液に浸された作用電極と、前記イオン交換膜の前記容器の外側の面の少なくとも一部に接触している対電極と、前記作用電極と前記対電極とが結線されて前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えて前記作用電極の電位を設定する定電位設定装置と、前記培養槽に亜硝酸イオン含有液を導入する被処理液導入部と、前記培養槽から処理液を排出する処理液排出手段とを有し、前記イオン交換膜は前記容器の前記培養液と接触する位置に備えるものとし、前記培養液には亜硝酸還元能を有する亜硝酸還元微生物及び亜硝酸酸化能を有する亜硝酸酸化微生物の少なくともいずれか一方の窒素代謝微生物と酸化還元物質と有機物とが含まれ、前記培養液に亜硝酸イオンを溶解させたときの亜硝酸イオンの低減速度が前記作用電極に電位を印加しない場合よりも向上する電位が前記作用電極に印加されながら前記窒素代謝微生物が培養されるものとしたことを特徴とするバイオリアクタ。
- 前記作用電極に印加される電位が、亜硝酸イオンの低減速度が向上する結果として窒素ガスの生成速度が向上する電位とされて前記亜硝酸還元微生物が活性化され、亜硝酸イオンが還元されて生じた窒素ガスを前記培養槽から排出する窒素ガス排出手段が備えられている請求項10〜12のいずれか1つに記載のバイオリアクタ。
- 前記電位は、銀・塩化銀電極電位基準で−0.6Vを含んで−0.6Vよりもマイナス側に大きな電位である請求項13に記載のバイオリアクタ。
- 前記作用電極に印加される電位が、亜硝酸イオンの低減速度が向上する結果として硝酸イオン生成速度が向上する電位とされて前記亜硝酸酸化微生物が活性化されている請求項10〜12のいずれか1つに記載のバイオリアクタ。
- 前記電位は、銀・塩化銀電極電位基準で+0.6Vを含んで+0.6Vよりもプラス側に大きな電位とする請求項13に記載のバイオリアクタ。
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