JP2012200200A - Method for controlling metabolic pathway of microorganism - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control the pyruvic acid metabolism pathway of a microorganism, in association with the method for controlling the metabolism pathway of the microorganism.SOLUTION: The metabolism of the microorganism, having a starting point of pyruvic acid is controlled by making an electrode in contact with a culturing environment comprising the microorganism producing metabolites from the pyruvic acid, and culturing while controlling the potential of the electrode. More specifically, the method is provided by using the microorganism having the metabolism pathways having a reducing pathway of reducing the pyruvic acid to lactic acid and an oxidation pathway of oxidizing the pyruvic acid to an acetyl coenzyme (A), as a controlling objective microorganism, making the electrode in contact with the culturing environment containing the microorganism, and by culturing the microorganisms while controlling the potential of the electrode to the reducing potential to prompt the reducing reaction in the reducing pathway and to decrease the oxidation reaction in the oxidizing pathways. Oppositely, by culturing while controlling the potential of the electrode to the oxidizing potential, the reducing reaction in the reducing pathway is decreased and the oxidation reaction in the oxidizing pathway is prompted.

Description

本発明は、微生物の代謝経路制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物の代謝経路を制御する方法に関する。   The present invention relates to a method for controlling metabolic pathways of microorganisms. More specifically, the present invention relates to a method for controlling a metabolic pathway of a microorganism that produces a metabolite from pyruvic acid.

微生物が様々な代謝経路を経て様々な代謝産物を産生し得ることはよく知られている。例えば、大腸菌(E.coli)は、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物である。より具体的には、ピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物である。アセチル補酵素Aは最終的には酢酸及びエタノールに変換される(図1及び非特許文献1参照)。   It is well known that microorganisms can produce various metabolites via various metabolic pathways. For example, E. coli is a microorganism that produces metabolites from pyruvate. More specifically, it is a microorganism having, as metabolic pathways, a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A. Acetyl coenzyme A is finally converted into acetic acid and ethanol (see FIG. 1 and Non-Patent Document 1).

J.Bacteriol(2000), vol182, 3, p620-626J. Bacteriol (2000), vol182, 3, p620-626

大腸菌の代謝経路において、還元経路におけるピルビン酸の乳酸への還元反応を促進させることができれば、生分解性プラスチックであるポリ乳酸の原料として有用な乳酸の産生量を増加させることが可能となる。逆に、酸化経路におけるピルビン酸のアセチル補酵素Aへの酸化反応を促進させることができれば、バイオ燃料として有用なエタノールの産生量を増加させることが可能となる。   If the reduction reaction of pyruvic acid to lactic acid in the metabolic pathway of E. coli can be promoted, the amount of lactic acid useful as a raw material for polylactic acid, which is a biodegradable plastic, can be increased. Conversely, if the oxidation reaction of pyruvate to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway can be promoted, the production amount of ethanol useful as a biofuel can be increased.

また、加水分解菌は、メタン発酵槽内において、水素資化性メタン菌がメタンを産生する際に必要な水素を生育時に産生する機能を有している微生物である。しかし、その一方で、加水分解菌はピルビン酸のアセチル補酵素Aへの酸化経路を代謝経路として有しており、アセチル補酵素Aが最終的に変換されて生じる酢酸がメタン発酵槽の酸敗の要因となり得る。そこで、酸化経路におけるピルビン酸のアセチル補酵素Aへの酸化反応を減退させることができれば、メタン発酵槽の酸敗を引き起こし得る酢酸の産生量を低下させることが可能となり、メタン発酵槽の長期安定化を実現することも可能となる。   In addition, the hydrolyzing bacterium is a microorganism having a function of producing hydrogen necessary for hydrogen-utilizing methane bacterium during growth in the methane fermentation tank. On the other hand, however, the hydrolyzing bacterium has an oxidation pathway of pyruvate to acetyl coenzyme A as a metabolic pathway, and acetic acid produced by the final conversion of acetyl coenzyme A is the acid of the methane fermenter. Can be a factor. Therefore, if the oxidation reaction of pyruvic acid to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway can be reduced, it becomes possible to reduce the amount of acetic acid produced that can cause rancidity in the methane fermenter, and long-term stabilization of the methane fermenter Can also be realized.

このように、微生物のピルビン酸を起点とする代謝経路を制御することで、種々の利点が生み出され得るものと考えられる。   Thus, it is considered that various advantages can be produced by controlling the metabolic pathway starting from pyruvic acid of microorganisms.

そこで、本発明は、微生物のピルビン酸を起点とする代謝経路を制御する方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for controlling a metabolic pathway starting from pyruvic acid of a microorganism.

かかる課題を解決するため、本願発明者等が鋭意研究を行った結果、大腸菌を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を還元電位に制御することで、乳酸の産生量が増加すると共に酢酸及びエタノールの産生量が減少することを知見した。逆に、電極の電位を酸化電位に制御することで、乳酸の産生量が減少すると共に酢酸及びエタノールの産生量が増加することを知見した。   As a result of intensive studies by the inventors of the present invention in order to solve such problems, the amount of lactic acid produced is increased by bringing the electrode into contact with a culture environment containing E. coli and controlling the potential of the electrode to a reduction potential. It was found that the production amount of acetic acid and ethanol decreased. Conversely, it has been found that by controlling the electrode potential to the oxidation potential, the production amount of acetic acid and ethanol increases while the production amount of lactic acid decreases.

さらに、本願発明者等は、超好熱性の加水分解菌であるサーモトガ マリティマ(Thermotoga maritima)を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を還元電位に制御することで、通常は殆ど産生されない乳酸が産生されると共に酢酸の産生量が減少することも知見した。   Furthermore, the inventors of the present application usually do not produce almost anything by bringing the electrode into contact with a culture environment containing Thermotoga maritima, which is a hyperthermophilic hydrolyzing bacterium, and controlling the potential of the electrode to a reduction potential. It was also found that the amount of acetic acid decreased as lactic acid was produced.

本願発明者等は、これらの知見に基づき、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物全般について、その培養環境に電極を接触させ、電極の電位を制御することで、ピルビン酸を起点とする代謝経路を制御することが可能であることが導き出されることを知見するに至り、さらに種々検討を重ねて、本発明を完成するに至った。   Based on these findings, the inventors of the present invention made metabolic pathways starting from pyruvate by bringing the electrodes into contact with the culture environment and controlling the potential of the microorganisms that produce metabolites from pyruvate. As a result, it has been found that it is possible to control the above, and various studies have been made to complete the present invention.

即ち、本発明の微生物の代謝経路制御方法は、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を制御しながら培養することにより、微生物のピルビン酸を起点とした代謝を制御するようにしている。   That is, the method for controlling a metabolic pathway of a microorganism of the present invention starts with pyruvic acid of a microorganism by bringing the electrode into contact with a culture environment containing a microorganism that produces a metabolite from pyruvic acid and culturing while controlling the potential of the electrode. I try to control the metabolism.

ここで、本発明の微生物の代謝経路制御方法において、ピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物を制御対象微生物とし、この微生物を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を還元電位に制御しながら培養することにより、還元経路における還元反応を促進させると共に酸化経路における酸化反応を減退させることが好ましい。   Here, in the metabolic pathway control method for microorganisms of the present invention, a microorganism having as a metabolic pathway a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A is set as a control target microorganism. It is preferable to promote the reduction reaction in the reduction pathway and reduce the oxidation reaction in the oxidation pathway by bringing the electrode into contact with a culture environment containing microorganisms and culturing while controlling the potential of the electrode to the reduction potential.

また、本発明の微生物の代謝経路制御方法において、ピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物を制御対象微生物とし、この微生物を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を酸化電位に制御しながら培養することにより、還元経路における還元反応を減退させると共に酸化経路における酸化反応を促進させることが好ましい。   In the method for controlling metabolic pathways of microorganisms of the present invention, a microorganism having as a metabolic pathway a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A is defined as a microorganism to be controlled. It is preferable to reduce the reduction reaction in the reduction pathway and promote the oxidation reaction in the oxidation pathway by bringing the electrode into contact with the culture environment containing

本発明によれば、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物について、ピルビン酸を起点とする代謝経路を人為的に制御することが可能となる。したがって、この代謝経路からの代謝産物の産生量を増加させたり減少させたりする制御を所望の条件に応じて実施することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to artificially control a metabolic pathway starting from pyruvic acid for a microorganism that produces a metabolite from pyruvic acid. Therefore, it is possible to perform control for increasing or decreasing the production amount of the metabolite from this metabolic pathway according to desired conditions.

例えば、大腸菌を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を還元電位に制御することで、還元経路におけるピルビン酸の乳酸への還元反応を促進させて、生分解性プラスチックであるポリ乳酸の原料として有用な乳酸の産生量を増加させることが可能となる。逆に、電極の電位を酸化電位に制御することで、酸化経路におけるピルビン酸のアセチル補酵素Aへの酸化反応を促進させて、バイオ燃料として有用なエタノールの産生量を増加させることが可能となる。   For example, the electrode is brought into contact with a culture environment containing Escherichia coli, and the potential of the electrode is controlled to the reduction potential, thereby promoting the reduction reaction of pyruvic acid to lactic acid in the reduction pathway, and polylactic acid, a biodegradable plastic, The production amount of lactic acid useful as a raw material can be increased. Conversely, by controlling the electrode potential to the oxidation potential, it is possible to promote the oxidation reaction of pyruvate to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway and increase the amount of ethanol useful as a biofuel. Become.

また、加水分解菌を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を還元電位に制御することで、酸化経路におけるピルビン酸のアセチル補酵素Aへの酸化反応を減退させ、還元経路におけるピルビン酸の乳酸への還元反応を促進させることができるので、例えば培養環境をメタン発酵槽とした場合には、メタン発酵槽の酸敗を引き起こし得る酢酸の産生量を低下させることが可能となり、メタン発酵槽の酸敗を防いで長期安定化を実現することも可能となる。   Further, the electrode is brought into contact with a culture environment containing hydrolyzing bacteria, and the potential of the electrode is controlled to the reduction potential, thereby reducing the oxidation reaction of pyruvate to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway, and pyruvate in the reduction pathway Since the reduction reaction of lactic acid to lactic acid can be promoted, for example, when the culture environment is a methane fermenter, it is possible to reduce the amount of acetic acid produced that can cause the methane fermenter to lose acid, It is also possible to achieve long-term stabilization by preventing the rancidity.

大腸菌の代謝経路を示す図である。It is a figure which shows the metabolic pathway of colon_bacillus | E._coli. サーモトガ マリティマ(Thermotoga maritima)の代謝経路を示す図である。It is a figure which shows the metabolic pathway of Thermotoga maritima (Thermotoga maritima). 第一の実施形態Aにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the electroculture apparatus concerning 1st Embodiment A. 第一の実施形態Bにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the electroculture apparatus concerning 1st Embodiment B. 第一の実施形態Cにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the electroculture apparatus concerning 1st Embodiment C. 第一の実施形態Dにかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the electroculture apparatus concerning 1st Embodiment D. 第二の実施形態にかかる電気培養装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the electroculture apparatus concerning 2nd embodiment. 本発明を実施するための電気培養装置の他の構成の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the other structure of the electroculture apparatus for implementing this invention. 菌体密度の経時変化を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows a time-dependent change of a microbial cell density (Example 1). 培養液中のスターチ残存量を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the starch remaining amount in a culture solution (Example 1). ガス発生量を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the gas generation amount (Example 1). 培養液のpHの経時変化を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the time-dependent change of pH of a culture solution (Example 1). 培養液の酢酸濃度の経時変化を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the time-dependent change of the acetic acid concentration of a culture solution (Example 1). 培養試験における培養液の乳酸濃度の経時変化を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the time-dependent change of the lactic acid density | concentration of the culture solution in a culture test (Example 1). 培養期間中の電流値の測定結果を示す図である(実施例1)。It is a figure which shows the measurement result of the electric current value during a culture | cultivation period (Example 1). 培養液の乳酸濃度を示す図である(実施例2)。It is a figure which shows the lactic acid density | concentration of a culture solution (Example 2). 培養液の酢酸及びエタノール濃度を示す図である(実施例2)。It is a figure which shows the acetic acid and ethanol density | concentration of a culture solution (Example 2). 実施例において使用した電気培養装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the electroculture apparatus used in the Example. 実施例において使用した電気培養装置の小容器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the small container of the electroculture apparatus used in the Example.

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の微生物の代謝経路制御方法は、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を制御しながら培養することにより、微生物のピルビン酸を起点とした代謝を制御するようにしている。   The microorganism metabolic pathway control method of the present invention is based on pyruvic acid of microorganisms by bringing the electrode into contact with a culture environment containing microorganisms that produce metabolites from pyruvic acid and culturing while controlling the potential of the electrode. It tries to control metabolism.

より具体的には、ピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物を制御対象微生物とし、この微生物を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を還元電位に制御しながら培養することにより、還元経路における還元反応を促進させると共に酸化経路における酸化反応を減退させるようにしている。逆に、電極の電位を酸化電位に制御しながら培養することにより、還元経路における還元反応を減退させると共に酸化経路における酸化反応を促進させるようにしている。   More specifically, a microorganism having, as metabolic pathways, a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A is set as a control target microorganism, and an electrode is attached to the culture environment containing the microorganism. By contacting the cells and culturing while controlling the electrode potential to the reduction potential, the reduction reaction in the reduction pathway is promoted and the oxidation reaction in the oxidation pathway is reduced. Conversely, by culturing while controlling the potential of the electrode to the oxidation potential, the reduction reaction in the reduction pathway is reduced and the oxidation reaction in the oxidation pathway is promoted.

本発明を適用する対象となり得る微生物としては、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物であれば特に限定されない。例えば、好適には、大腸菌、加水分解菌が挙げられるが、他にも、ヘテロ乳酸発酵を行う乳酸菌 (例えばLactobacillus brevis, Lactobacillus fermentum, Lactococcus cremoris, L. buchnerii, L. cellobisous, Lactobacillus casei, Lactococcus lactis subsp. diacetylactis, Lactococcus lactis, Lactobacillus plantarum, Lactobacillus curvatus, Lactobacillus sakei, Lactobacillus buchneri, Lactobacillus helveticus, Leuconostoc mesenteroides, Leuconostoc dextranicum, Leuconostoc oenos等) や、 ホモ乳酸発酵を行う乳酸菌(Lactobacillus delburueckii, Lactobacillus lactis, Lactobacillus bulgaricus, Lactobacillus casei, Lactobacillus curvantus, Lactobacillus plantarum, Sporolactobacillus inulinus, Lactococcus lactis, Enterococcus faecalis, Pdeiococcus damnosus, Streptococcus acidominimus, Streptococcus agalactiae, Streptococcusequinus, Streptococcus milleri, Streptococcus mutans, Streptococcus salivarius, Streptococcus sanguinis, Streptococcus thermophilus, Streptococcus uberis等)、 Bacillus subtilis, Bacillus caldolyticus, Bacillus megaterium, Carnobacterium divergens, Lactosphaera pasteurii, Oenococcus oeni, Enterococcus faecium, Klebsiella pneumoniae, Clostridium perfringens, Clostridium thermocellum, Salmonella enterica, Shigella sonnei, Enterobacter aerogenes, Erwinia amylovora, Serratia marcescens, Thermus thermophilus, Thermus caldophilus, Geobacillus stearothermophilus, Thermoanaerobacter ethanolicus, Bacillus caldolyticus, Nocardia asteroids, Selenomonas ruminantium, Actinomyces viscosus, Butyrivibrio fibrisolvens, Staphylococcus aureus, Rhizopus oryzae, Acinetobacter calcoaceticus等が挙げられる。   The microorganism to which the present invention can be applied is not particularly limited as long as it is a microorganism that produces a metabolite from pyruvic acid. For example, preferably, Escherichia coli and hydrolyzing bacteria are mentioned, but other lactic acid bacteria that perform heterolactic fermentation (for example, Lactobacillus brevis, Lactobacillus fermentum, Lactococcus cremoris, L. buchnerii, L. cellobisous, Lactobacillus casei, Lactococcus lactis subsp. Lactobacillus casei, Lactobacillus curvantus, Lactobacillus plantarum, Sporolactobacillus inulinus, Lactococcus lactis, Enterococcus faecalis, Pdeiococcus damnosus, Streptococcus acidominimus, Streptococcus agalactiae, Streptococcusequinus, Stroccoccusequinus, Strocto ilus, Streptococcus uberis, etc.), Bacillus subtilis, Bacillus caldolyticus, Bacillus megaterium, Carnobacterium divergens, Lactosphaera pasteurii, Oenococcus oeni, Enterococcus faecium, Klebsiella pneumoniae, Clostridium perfringens, Clostriella thermoacter marcescens, Thermus thermophilus, Thermus caldophilus, Geobacillus stearothermophilus, Thermoanaerobacter ethanolicus, Bacillus caldolyticus, Nocardia asteroids, Selenomonas ruminantium, Actinomyces viscosus, Butyrivibrio fibrisolvens, Staphylococcus aureus, Rhizopusto

ここで、好適な微生物として例示した大腸菌の代謝経路(図1)に基づいて本発明を説明する。ピルビン酸はグルコースからホスホエノールピルビン酸を経て産生される。このピルビン酸は還元経路を経て乳酸に還元され、酸化経路を経てアセチル補酵素A(アセチル−CoA)に酸化される。アセチル補酵素Aはアセチルアルデヒドを経てエタノールに変換され、アセチル−Pを経て酢酸に変換される。即ち、大腸菌は、ピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物である。   Here, the present invention will be described based on the metabolic pathway of E. coli exemplified as a suitable microorganism (FIG. 1). Pyruvate is produced from glucose via phosphoenolpyruvate. This pyruvic acid is reduced to lactic acid via a reduction pathway, and is oxidized to acetyl coenzyme A (acetyl-CoA) via an oxidation pathway. Acetyl coenzyme A is converted to ethanol via acetyl aldehyde, and is converted to acetic acid via acetyl-P. That is, Escherichia coli is a microorganism having, as metabolic pathways, a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A.

大腸菌を含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を還元電位に制御すると、還元経路におけるピルビン酸から乳酸への還元反応が促進され、酸化経路におけるピルビン酸からアセチル補酵素Aへの酸化反応が減退する。これにより、乳酸の産生量が増加し、酢酸及びエタノールの産生量が減少する。この場合、生分解性プラスチックであるポリ乳酸の原料として有用な乳酸を大腸菌により多く産生させることが可能となる。   When the electrode is brought into contact with a culture environment containing E. coli and the potential of the electrode is controlled to the reduction potential, the reduction reaction from pyruvate to lactic acid in the reduction pathway is promoted, and the oxidation reaction from pyruvate to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway Will decline. Thereby, the production amount of lactic acid increases, and the production amounts of acetic acid and ethanol decrease. In this case, a large amount of lactic acid useful as a raw material for polylactic acid, which is a biodegradable plastic, can be produced in E. coli.

これとは逆に、電極の電位を酸化電位に制御すると、還元経路におけるピルビン酸から乳酸への還元反応が減退し、酸化経路におけるピルビン酸からアセチル補酵素Aへの酸化反応が促進される。これにより、乳酸の産生量が減少し、酢酸及びエタノールの産生量が増加する。この場合、バイオ燃料として有用なエタノールを大腸菌により多く産生させることが可能となる。   On the contrary, when the potential of the electrode is controlled to the oxidation potential, the reduction reaction from pyruvate to lactic acid in the reduction pathway decreases, and the oxidation reaction from pyruvate to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway is promoted. Thereby, the production amount of lactic acid decreases, and the production amounts of acetic acid and ethanol increase. In this case, a large amount of ethanol useful as a biofuel can be produced in E. coli.

次に、好適な微生物として例示した加水分解菌のうち、超好熱性の加水分解菌であるサーモトガ マリティマ(Thermotoga maritima、以下、サーモトガと呼ぶこともある)の代謝経路(図2)に基づいて本発明を説明する。ピルビン酸はグルコースからグリセルアルデヒド 3−ホスフェート及び1,3−ビスホスホグリセリン酸を経て産生される。このピルビン酸は酸化経路を経てアセチル補酵素A(アセチル−CoA)に酸化される。アセチル補酵素Aは酢酸に変換される。また、通常はピルビン酸からの乳酸の産生が殆ど起こらないが、培養条件等によってはピルビン酸から乳酸が産生され得る。したがって、サーモトガは、ピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物である。   Next, among the hydrolyzing bacteria exemplified as preferred microorganisms, the present is based on the metabolic pathway (Fig. 2) of Thermotoga maritima (hereinafter, also referred to as thermotoga), which is a hyperthermophilic hydrolyzing bacterium. The invention will be described. Pyruvate is produced from glucose via glyceraldehyde 3-phosphate and 1,3-bisphosphoglycerate. This pyruvate is oxidized to acetyl coenzyme A (acetyl-CoA) via an oxidation pathway. Acetyl coenzyme A is converted to acetic acid. Usually, lactic acid is hardly produced from pyruvic acid, but lactic acid can be produced from pyruvic acid depending on the culture conditions. Therefore, Thermotoga is a microorganism having, as metabolic pathways, a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A.

サーモトガを含む培養環境に電極を接触させ、電極の電位を還元電位に制御すると、還元経路におけるピルビン酸から乳酸への還元反応が促進され、酸化経路におけるピルビン酸からアセチル補酵素Aへの酸化反応が減退する。これにより、通常は殆ど乳酸を産生することのないサーモトガが、ピルビン酸を還元して乳酸を産生するようになると共に、酢酸の産生量が減少する。これにより、例えば培養環境をメタン発酵槽とした場合に、メタン発酵槽の酸敗を引き起こし得る酢酸の産生量を低下させることが可能となり、メタン発酵槽の酸敗を防いで長期安定化を実現することが可能となる。   When the electrode is brought into contact with a culture environment containing thermotoga and the potential of the electrode is controlled to the reduction potential, the reduction reaction from pyruvate to lactic acid in the reduction pathway is promoted, and the oxidation reaction from pyruvate to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway Will decline. As a result, Thermotoga, which normally produces little lactic acid, reduces pyruvic acid to produce lactic acid and reduces the amount of acetic acid produced. As a result, for example, when the culture environment is a methane fermenter, it is possible to reduce the amount of acetic acid produced that can cause rancidity in the methane fermenter, and to prevent long-term stabilization by preventing rancidity in the methane fermenter Is possible.

また、ヘテロ乳酸発酵を行う乳酸菌もピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物であり、電極の電位を還元電位とすることで、還元経路におけるピルビン酸から乳酸への還元反応が促進され、酸化経路におけるピルビン酸からアセチル補酵素Aへの酸化反応が減退する。逆に、電極の電位を酸化電位とすることで、還元経路におけるピルビン酸から乳酸への還元反応が減退し、酸化経路におけるピルビン酸からアセチル補酵素Aへの酸化反応が促進される。ヘテロ乳酸発酵においても、アセチル補酵素Aを経て酢酸やエタノールが産生される。したがって、大腸菌の場合と同様、電極の電位を還元電位とすることで、生分解性プラスチックであるポリ乳酸の原料として有用な乳酸を乳酸菌により多く産生させることが可能となる。逆に、電極の電位を酸化電位とすることで、バイオ燃料として有用なエタノールを乳酸菌により多く産生させることが可能となる。   In addition, lactic acid bacteria that perform heterolactic fermentation are microorganisms that have a reduction pathway that reduces pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway that oxidizes pyruvate to acetyl coenzyme A as metabolic pathways, and the potential of the electrode is the reduction potential. Thus, the reduction reaction from pyruvate to lactic acid in the reduction pathway is promoted, and the oxidation reaction from pyruvate to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway decreases. Conversely, by setting the potential of the electrode to the oxidation potential, the reduction reaction from pyruvate to lactic acid in the reduction pathway decreases, and the oxidation reaction from pyruvate to acetyl coenzyme A in the oxidation pathway is promoted. In heterolactic fermentation, acetic acid and ethanol are produced via acetyl coenzyme A. Therefore, as in the case of Escherichia coli, it is possible to produce more lactic acid bacteria useful as a raw material for polylactic acid, which is a biodegradable plastic, by setting the electrode potential to a reduction potential. Conversely, by setting the electrode potential to the oxidation potential, it is possible to produce more ethanol useful as a biofuel in lactic acid bacteria.

また、ホモ乳酸発酵を行う乳酸菌においても、培養条件等によっては酢酸等の副産物が微量ではあるが産生され得ることから、本発明における制御対象微生物とすることで、ヘテロ乳酸発酵を行う乳酸菌と同様の効果が奏され得る。また、ホモ乳酸発酵を行う乳酸菌のピルビン酸からの代謝経路がピルビン酸から乳酸への代謝経路に限定される場合であっても、電極の電位を還元電位とすることで、ピルビン酸から乳酸への還元反応を促進して乳酸の産生量を増加させ得る。逆に、電極の電位を酸化電位とすることで、ピルビン酸から乳酸への還元反応を減退して乳酸の産生量を減少させ得る。   Further, even in a lactic acid bacterium that performs homolactic fermentation, a by-product such as acetic acid can be produced in a very small amount depending on the culture conditions and the like. The effect of can be produced. Even if the metabolic pathway from pyruvic acid of lactic acid bacteria performing homolactic fermentation is limited to the metabolic pathway from pyruvic acid to lactic acid, the potential of the electrode is reduced to pyruvic acid to lactic acid. The production of lactic acid can be increased by promoting the reduction reaction. Conversely, by setting the electrode potential to the oxidation potential, the reduction reaction from pyruvic acid to lactic acid can be reduced to reduce the amount of lactic acid produced.

ここで、本発明において、電極電位の還元電位への制御は、電極電位を培養環境の酸化還元電位よりも小さくすることで実現される。逆に、電極電位の酸化電位への制御は、電極電位を培養環境の酸化還元電位よりも大きくすることで実現される。   Here, in the present invention, the control of the electrode potential to the reduction potential is realized by making the electrode potential smaller than the oxidation-reduction potential of the culture environment. Conversely, control of the electrode potential to the oxidation potential is realized by making the electrode potential larger than the oxidation-reduction potential of the culture environment.

即ち、培養環境の酸化還元電位をA(V)とし、電極電位をX(V)とすると、電極電位Xの還元電位への制御は、X<Aとすることで実現される。逆に、電極電位Xの酸化電位への制御は、X>Aとすることで実現される。   That is, when the oxidation-reduction potential of the culture environment is A (V) and the electrode potential is X (V), the control of the electrode potential X to the reduction potential is realized by setting X <A. Conversely, the control of the electrode potential X to the oxidation potential is realized by setting X> A.

具体的には、電極電位Xの還元電位への制御は、銀・塩化銀電極電位基準で、X≦−0.6(V)とすることが好適であり、X<−0.6(V)とすることがより好適であり、X≦−0.8(V)とすることがさらに好適である。但し、電極電位Xを低くし過ぎると、例えば培養環境において水の電気分解等が生じることにより、投入した電気エネルギーが代謝経路の制御以外にも消費され得るので、X≧−1.4(V)とすることが好適であり、X≧−1.2(V)とすることがより好適であり、X≧−1.0(V)とすることがさらに好適である。   Specifically, the control of the electrode potential X to the reduction potential is preferably X ≦ −0.6 (V) on the basis of the silver / silver chloride electrode potential, and X <−0.6 (V ) And more preferably X ≦ −0.8 (V). However, if the electrode potential X is set too low, for example, electrolysis of water occurs in the culture environment, so that the input electric energy can be consumed in addition to the control of the metabolic pathway. Therefore, X ≧ −1.4 (V ), X ≧ −1.2 (V) is more preferable, and X ≧ −1.0 (V) is more preferable.

尚、X≦−0.6(V)とすることで、加水分解菌を制御対象微生物とした場合に、微生物の増殖開始時間が短縮される効果が得られることが本願発明者等の実験により確認されている。また、X≦−0.8(V)とすることで、上記効果に加えて、有機物の分解促進効果及び水素発生量の顕著な増加効果、さらには培養環境のpHの中性維持効果が奏され得ることから、加水分解菌を制御対象微生物とした場合には、X≦−0.6(V)、特にX≦−0.8(V)とすることが極めて好適であると言える。   It should be noted that, by setting X ≦ −0.6 (V), when hydrolyzing bacteria are controlled microorganisms, it is possible to obtain an effect of shortening the growth start time of the microorganisms by experiments of the present inventors. It has been confirmed. Further, by setting X ≦ −0.8 (V), in addition to the above-mentioned effects, there are an effect of promoting the decomposition of organic matter, a significant increase in the amount of hydrogen generation, and an effect of maintaining the neutrality of the pH of the culture environment. Therefore, when the hydrolyzing bacterium is a control target microorganism, it can be said that X ≦ −0.6 (V), particularly X ≦ −0.8 (V) is extremely suitable.

次に、電極電位Xの酸化電位への制御は、銀・塩化銀電極電位基準で、X≧−0.3(V)とすることが好適であり、X>−0.3(V)とすることがより好適であり、X≧0(V)とすることがさらに好適である。但し、電極電位Xをプラス側に大きくしすぎると、培養環境からの水の電気分解等が生じ、代謝産物の制御以外にも投入した電気エネルギーが消費され得るので、X≦+1.4(V)とすることが好適であり、X≦+1.2(V)とすることがより好適であり、X≦+1.0(V)とすることがさらに好適である。   Next, the control of the electrode potential X to the oxidation potential is preferably X ≧ −0.3 (V) on the basis of the silver / silver chloride electrode potential, and X> −0.3 (V). It is more preferable that X ≧ 0 (V). However, if the electrode potential X is increased too much on the positive side, electrolysis of water from the culture environment and the like occur, and the input electric energy can be consumed in addition to the control of metabolites. Therefore, X ≦ + 1.4 (V ), X ≦ + 1.2 (V) is more preferable, and X ≦ + 1.0 (V) is more preferable.

ここで、培養環境(培養液)には、微生物の代謝を阻害することのない酸化還元物質を添加するようにしてもよい。酸化還元物質を添加することで、培養環境の電位を制御し易くできる。酸化還元物質としては、鉄イオン、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンなどのビオロゲン誘導体等を用いることができる。尚、酸化還元物質として鉄イオンを用いる場合には、鉄イオンをキレート剤に配位させて、鉄イオンを培養液中で安定に存在させるようにすることが好ましい。キレート剤としては、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸(DTPA)、エチレンジアミンテトラ酢酸(EDTA)、テトラエチレントリアミン(TET)、エチレンジアミン(EDA)、ジエチレントリアミン(DETA)、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチン等、鉄イオンを配位し得る任意のキレート剤を挙げることができる。   Here, an oxidation-reduction substance that does not inhibit the metabolism of microorganisms may be added to the culture environment (culture solution). By adding a redox substance, the potential of the culture environment can be easily controlled. As the redox substance, iron ions, potassium ferrocyanide, quinone compounds such as sodium anthraquinone disulfonate, viologen derivatives such as methyl viologen, and the like can be used. In addition, when using an iron ion as a redox substance, it is preferable to coordinate an iron ion to a chelating agent so that an iron ion can exist stably in a culture solution. Examples of the chelating agent include diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA), tetraethylenetriamine (TET), ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (DETA), citric acid, oxalic acid, crown ether, nitrilotetraacetic acid, Mention may be made of any chelating agent capable of coordinating iron ions such as disodium edetate, sodium edetate, trisodium edetate, penicillamine, trisodium pentetate calcium, pentetate, succimer and trientine edetate.

また、電極電位を制御する際には、電極(作用電極)を培養環境(例えば培養液)と接触させ、この電極と対を成す電極(対電極)をイオン交換膜を介して培養環境と接触させるようにしてもよい。また、対電極とイオン交換膜は直接接触させてもよいし、電解液を介して間接的に接触させてもよい。イオン交換膜は酸化還元物質を透過させることなく培養液に留めることができるものとすることが好ましい。この場合、培養液全体の電位を制御し易いものとできる。但し、イオン交換膜を設けずとも、作用電極の周辺の電位は制御されるので、本発明の効果は奏され得る。したがって、イオン交換膜の使用は必須ではない。また、イオン交換膜に代えて、透析膜を使用するようにしてもよい。   When controlling the electrode potential, the electrode (working electrode) is brought into contact with the culture environment (for example, a culture solution), and the electrode (counter electrode) paired with this electrode is brought into contact with the culture environment via the ion exchange membrane. You may make it make it. In addition, the counter electrode and the ion exchange membrane may be in direct contact with each other or indirectly through an electrolytic solution. It is preferable that the ion exchange membrane can be retained in the culture solution without allowing the redox material to permeate. In this case, the potential of the entire culture solution can be easily controlled. However, since the potential around the working electrode is controlled without providing an ion exchange membrane, the effects of the present invention can be achieved. Therefore, the use of an ion exchange membrane is not essential. Further, a dialysis membrane may be used instead of the ion exchange membrane.

本発明の微生物の代謝経路制御方法は、例えば、図3〜7に示す電気培養装置により実施される。以下、第一の実施形態を図3〜図6に基づいて説明し、第二の実施形態を図7に基づいて説明する。   The microorganism metabolic pathway control method of the present invention is carried out by, for example, an electroculture apparatus shown in FIGS. Hereinafter, the first embodiment will be described based on FIGS. 3 to 6, and the second embodiment will be described based on FIG. 7.

<第一の実施形態>
第一の実施形態にかかる微生物の代謝経路制御方法は、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物を培養液に投入し、培養液と電解液とをイオン交換膜を介して接触させ、培養液に作用電極と参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、作用電極の電位を3電極方式で制御して、微生物の代謝経路を制御するようにしている。
<First embodiment>
The method for controlling the metabolic pathway of microorganisms according to the first embodiment is performed by introducing a microorganism that produces a metabolite from pyruvate into a culture solution, bringing the culture solution and an electrolyte solution into contact with each other via an ion exchange membrane, and The working electrode and the reference electrode are brought into contact, the counter electrode is brought into contact with the electrolyte, the working electrode, the counter electrode and the reference electrode are connected to a constant potential setting device, and the potential of the working electrode is controlled by a three-electrode system to It tries to control the metabolic pathway.

第一の実施形態にかかる微生物の代謝経路制御方法は、例えば図3〜6に示す電気培養装置1により実施される。即ち、図3〜図6に示す電気培養装置1は、イオン交換膜6によって仕切られた二つの槽のうちの一方の槽を培養槽7とし、他方の槽を対電極槽8とし、培養槽7には微生物と酸化還元物質とを含む培養液4が収容されると共に作用電極9と参照電極11が浸され、対電極槽8には電解液4aが収容されると共に対電極10が浸され、作用電極9と対電極10と参照電極11は定電位設定装置12に結線され、定電位設定装置12により作用電極9の電位を3電極方式で制御するようにしている。   The method for controlling the metabolic pathway of microorganisms according to the first embodiment is performed by, for example, the electric culture apparatus 1 shown in FIGS. That is, in the electroculture apparatus 1 shown in FIGS. 3 to 6, one of the two tanks partitioned by the ion exchange membrane 6 is a culture tank 7, and the other tank is a counter electrode tank 8. 7 contains the culture solution 4 containing microorganisms and redox substances, and the working electrode 9 and the reference electrode 11 are immersed therein. The counter electrode tank 8 contains the electrolyte solution 4a and the counter electrode 10 is immersed therein. The working electrode 9, the counter electrode 10 and the reference electrode 11 are connected to a constant potential setting device 12, and the constant potential setting device 12 controls the potential of the working electrode 9 in a three-electrode system.

このように、3電極方式で作用電極9の電位を制御することで、作用電極9の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置(ポテンシオスタット)12により、作用電極9と参照電極11との間の電位差を測定し、この電位差が設定電位に達するように作用電極9と対電極10との間に電流を流し、基準となる参照電極11には一切電流が流れないようにしている。尚、3電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法(上)、技報動出版株式会社、第1版15刷、2004年6月発行の6〜9ページにその詳細が記載されている。但し、作用電極9と対電極10の極間電圧のみで作用電極9の電位を制御できる場合には、3電極方式とせずともよい。   In this way, by controlling the potential of the working electrode 9 by the three-electrode method, the potential of the working electrode 9 can be strictly controlled to the set potential. Specifically, a potential difference between the working electrode 9 and the reference electrode 11 is measured by a constant potential setting device (potentiostat) 12, and the working electrode 9 and the counter electrode 10 are adjusted so that the potential difference reaches the set potential. A current is passed between them so that no current flows through the reference electrode 11 serving as a reference. The details of the potential control by the three-electrode method are described in, for example, pages 6 to 9 of Electrochemical Measurement Method (above), Technical Bulletin Publishing Co., Ltd., 1st edition 15 printing, published in June 2004. ing. However, when the potential of the working electrode 9 can be controlled only by the voltage between the working electrode 9 and the counter electrode 10, the three-electrode system may not be used.

また、図3〜図6に示す電気培養装置1では、培養槽7内の培養液4の液面よりも上部の空間(ヘッドスペース)に滞留するガスを培養槽7の外(電気培養装置1の外)へ導くガス排出管15aを備え、このガス排出管15aをバルブ15bにより開閉可能としたガス回収手段15により、培養槽7内のガスを回収するようにしている。但し、ガスの回収方法は、この方法に限定されない。例えば、ガス回収手段15を備えることなく、培養槽7の上部に開口部を設けて合成ゴム等(例えばシリコーンゴム)の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからガスを回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がる。したがって、ガスの回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、培養槽7からガスが漏れ出すことがない。このようにしてガスを回収することで、ガスや揮発物を産生する微生物、例えば水素を産生する加水分解菌を対象として代謝経路制御を行った場合に発生する水素を漏れなく回収することができる。そして、加水分解菌を対象として代謝経路制御を行った場合に奏され得る水素発生量の顕著な増加効果により、ヘッドスペースに多量に滞留し得る水素ガスを漏れなく回収することが可能となる。また、代謝産物がエタノールや酢酸等のように揮発性物質の場合には、ヘッドスペースに滞留する揮発分を回収することも可能となる。   Moreover, in the electric culture apparatus 1 shown in FIGS. 3-6, the gas which stays in the space (head space) above the liquid level of the culture solution 4 in the culture tank 7 is outside the culture tank 7 (the electric culture apparatus 1). A gas exhaust pipe 15a that leads to the outside of the culture tank 7 is provided, and the gas in the culture tank 7 is recovered by a gas recovery means 15 that can be opened and closed by a valve 15b. However, the gas recovery method is not limited to this method. For example, without providing the gas recovery means 15, an opening is provided in the upper part of the culture tank 7, the opening is closed with an elastic material such as synthetic rubber (for example, silicone rubber), and the syringe is injected into the elastic material that closes the opening. You may make it collect | recover gas from a head space with a needle. The elastic material such as synthetic rubber closes the hole when the injection needle is pulled out. Therefore, when the gas is not collected, the gas does not leak from the culture tank 7 even if the injection needle is pulled out. By recovering the gas in this way, it is possible to recover the hydrogen generated when the metabolic pathway is controlled for microorganisms that produce gas and volatiles, for example, hydrolyzing bacteria that produce hydrogen, without leakage. . Then, the hydrogen gas that can be retained in a large amount in the head space can be recovered without leakage due to the remarkable increase effect of the amount of hydrogen generation that can be achieved when metabolic pathway control is performed on hydrolyzing bacteria. In addition, when the metabolite is a volatile substance such as ethanol or acetic acid, it is possible to recover the volatile matter staying in the head space.

さらに、図3〜図6に示す電気培養装置1では、培養槽7内の培養液4の液面よりも下部に、培養槽7内の培養液4を培養槽7の外に導く培養液排出管16aを備え、この培養液排出管16aをバルブ16bにより開閉可能とした培養液採取手段16により、培養槽7内から培養液4を採取するようにしている。但し、培養液4の採取方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、培養液採取手段16を備えることなく、培養槽7に開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺して培養液4を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管の一端の注射器に接続し、他端を培養液4に浸けて、管を介して培養液4を採取するようにしてもよい。このようにして培養液4を回収することで、培養液4に含まれる微生物2の代謝産物を回収することができる。   Furthermore, in the electric culture apparatus 1 shown in FIG. 3 to FIG. 6, the culture solution discharge that guides the culture solution 4 in the culture vessel 7 to the outside of the culture vessel 7 below the liquid level of the culture solution 4 in the culture vessel 7. The culture solution 4 is collected from the inside of the culture tank 7 by a culture solution collecting means 16 provided with a tube 16a and opening and closing the culture solution discharge tube 16a by a valve 16b. However, the method for collecting the culture solution 4 is not limited to this method. For example, without providing the culture solution collecting means 16, an opening may be provided in the culture tank 7, closed with an elastic material such as synthetic rubber, and the culture solution 4 may be collected by inserting a syringe needle. Alternatively, it may be connected to a syringe at one end of a tube having both ends opened, and the other end is immersed in the culture solution 4 to collect the culture solution 4 through the tube. By recovering the culture solution 4 in this manner, the metabolite of the microorganism 2 contained in the culture solution 4 can be recovered.

また、ガス回収手段15や培養液採取手段16とは別に、培養液4に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、培養槽7の外部から培養液4に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、培養液4に栄養源、中和剤、物質生産に必要な物質等を必要に応じて添加することができる。勿論、微生物2をこの導入管から供給することもできる。また、嫌気条件とするためのガス(窒素ガス等)を供給することもできる。但し、培養液4に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段15や培養液採取手段16を培養液4に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んで培養液4に物質を添加・供給するようにしてもよい。   In addition to the gas recovery means 15 and the culture medium collection means 16, means for adding and supplying substances to the culture medium 4 may be provided. Specifically, an openable and closable substance introduction tube that can add and supply substances to the culture solution 4 from the outside of the culture tank 7 may be provided. In this case, nutrient sources, neutralizing agents, substances necessary for substance production, and the like can be added to the culture solution 4 as necessary. Of course, the microorganism 2 can also be supplied from this introduction tube. Moreover, gas (nitrogen gas etc.) for making it anaerobic conditions can also be supplied. However, the means for adding and supplying the substance to the culture solution 4 is not necessarily provided, and the gas recovery means 15 and the culture solution collecting means 16 may be used together as means for adding and supplying the substance to the culture solution 4. . Further, as described above, the injection needle of the syringe may be inserted into the elastic material, and the substance may be added to and supplied to the culture solution 4.

以下、図3に示す電気培養装置を用いた場合を第一の実施形態Aとして説明し、図4に示す電気培養装置を用いた場合を第一の実施形態Bとして説明し、図5に示す電気培養装置を用いた場合を第一の実施形態Cとして説明し、図6に示す電気培養装置を用いた場合を第一の実施形態Dとして説明する。   Hereinafter, the case where the electroculture apparatus shown in FIG. 3 is used will be described as a first embodiment A, and the case where the electroculture apparatus shown in FIG. 4 is used will be described as a first embodiment B, which is shown in FIG. The case where the electroculturing apparatus is used will be described as a first embodiment C, and the case where the electroculturing apparatus shown in FIG. 6 is used will be described as a first embodiment D.

(第一の実施形態A)
図3に示す電気培養装置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を備えると共にガス(対電極10から発生するガス)を容器20の外に排出するガス排出管22を備えるものとしている。また、対電極10と定電位設定装置12を結線する配線は、ガス排出管22の中を通過させている。尚、図3に示す電気培養装置1では、対電極10と定電位設定装置12を結線する配線は、ガス排出管22の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管22を通さずに定電位設定装置12と結線するようにしてもよい。
(First embodiment A)
The electric culture apparatus 1 shown in FIG. 3 uses a sealed container 20 as a culture tank 7 and a sealed small container 21 that can be accommodated in the container 20 as a counter electrode tank 8. The small container 21 is at least partially ion-exchanged. In addition to the membrane 6, a gas discharge pipe 22 that discharges gas (gas generated from the counter electrode 10) to the outside of the container 20 is provided. The wiring connecting the counter electrode 10 and the constant potential setting device 12 passes through the gas exhaust pipe 22. In the electroculture device 1 shown in FIG. 3, the wiring connecting the counter electrode 10 and the constant potential setting device 12 passes through the gas discharge pipe 22, but is not necessarily limited to this configuration. May be connected to the constant potential setting device 12 without passing through the gas discharge pipe 22.

培養槽7としての密閉構造の容器20は、対電極槽8としての密閉構造の小容器21を収容可能な大きさの容器であり、形状は特に限定されない。容器の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過性の膜材をヒートシール等により袋状に形成した容器を培養槽7として用いるようにしてもよい。   The sealed container 20 as the culture tank 7 is a container having a size capable of accommodating the small container 21 with the sealed structure as the counter electrode tank 8, and the shape is not particularly limited. Examples of the material of the container include, but are not limited to, glass, plastic, an insulating metal, concrete, and the like. Moreover, you may make it use the container which formed the gas impermeable membrane material in the bag shape by the heat seal etc. as the culture tank 7. FIG.

対電極槽8としての密閉構造の小容器21は、培養槽7としての容器20に収容可能な大きさの容器であり、少なくとも一部にイオン交換膜6を備えるものとしている。ここで、小容器21はその全体をイオン交換膜6で形成した袋状の容器としてもよいが、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜6で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜6のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜6を用いる場合には、その他の部分は容器20と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜6以外の膜材、例えばガス不透過性の膜材により構成してもよい。   The small container 21 having a sealed structure as the counter electrode tank 8 is a container of a size that can be accommodated in the container 20 as the culture tank 7, and includes the ion exchange membrane 6 at least partially. Here, the small container 21 may be a bag-like container formed entirely by the ion-exchange membrane 6, but only one side of the bag-like container may be constituted by the ion-exchange membrane 6, or a part of one surface may be further formed. You may make it comprise only the ion exchange membrane 6. FIG. When the ion exchange membrane 6 is partially used, other portions may be made of the same material as that of the container 20, or may be made of a membrane material other than the ion exchange membrane 6, such as a gas-impermeable membrane material. It may be configured.

このように、容器20に小容器21を収容することで、容器20に収容されている培養液4に小容器21が浸され、小容器21の少なくとも一部に備えられているイオン交換膜6は培養液4と接触する。換言すれば、培養液4はイオン交換膜6を介して電解液4aと接触する。   Thus, by accommodating the small container 21 in the container 20, the small container 21 is immersed in the culture solution 4 accommodated in the container 20, and the ion exchange membrane 6 provided in at least a part of the small container 21. Is in contact with the culture broth 4. In other words, the culture solution 4 comes into contact with the electrolyte solution 4 a through the ion exchange membrane 6.

ここで、第一の実施形態Aでは、小容器21を密閉構造とすることが好ましい。この場合、小容器21において発生するガスを容器20の外に排出するガス排出管を備えるようにすることで、対電極10から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく回収することができる。但し、小容器21は必ずしも密閉構造とせずともよい。   Here, in the first embodiment A, it is preferable that the small container 21 has a sealed structure. In this case, when a useful gas is generated from the counter electrode 10 by providing a gas discharge pipe that discharges the gas generated in the small container 21 to the outside of the container 20, the gas is recovered without omission. Can do. However, the small container 21 does not necessarily have a sealed structure.

また、培養槽7(容器20)は、密閉構造とすることが好ましい。この場合には、培養槽7を嫌気条件に制御し易い。さらに、微生物がガスを産生する場合には、培養槽7を密閉構造とし、且つ上述のガス回収手段15等を備えることが好ましい。この場合には、微生物が産生するガスを容器20の外に漏れ出させることなく、ガスによる容器20内の圧力上昇を防ぎながらその全量を回収し易いものとできる。但し、培養槽7を密閉構造とすることは必須条件ではない。即ち、微生物がガスを産生して培養液4の液面からガスが発生することによって、培養液4の液面への遊離酸素の接触が抑制され、培養槽7の嫌気条件が維持され得るような場合には、培養槽7を密閉構造とせずとも構わない。   Moreover, it is preferable that the culture tank 7 (container 20) has a sealed structure. In this case, it is easy to control the culture tank 7 to anaerobic conditions. Furthermore, when microorganisms produce gas, it is preferable that the culture tank 7 has a sealed structure and includes the gas recovery means 15 described above. In this case, the gas produced by the microorganisms can be easily recovered without leaking out of the container 20 and while preventing an increase in pressure in the container 20 due to the gas. However, it is not an essential condition that the culture tank 7 has a sealed structure. That is, when microorganisms produce gas and gas is generated from the liquid surface of the culture solution 4, contact of free oxygen to the liquid surface of the culture solution 4 is suppressed, and the anaerobic condition of the culture tank 7 can be maintained. In such a case, the culture tank 7 may not have a sealed structure.

本実施形態において使用できる作用電極9は、特に限定されるものではなく、その表面にて酸化反応または還元反応が生じ得る電極、例えば炭素電極や白金電極等を適宜用いることができる。また、対電極10としては、作用電極9における酸化反応または還元反応を補完する反応が生じ得る電極、例えば炭素電極や白金電極等を適宜用いることができる。   The working electrode 9 that can be used in the present embodiment is not particularly limited, and an electrode capable of causing an oxidation reaction or a reduction reaction on its surface, such as a carbon electrode or a platinum electrode, can be used as appropriate. As the counter electrode 10, an electrode capable of generating a reaction that complements the oxidation reaction or the reduction reaction in the working electrode 9, such as a carbon electrode or a platinum electrode, can be used as appropriate.

(第一の実施形態B)
図4に示す電気培養装置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。つまり、図4に示す電気培養装置1は、イオン交換膜6による培養槽7と対電極槽8の仕切り構成以外は、実質的には図3と同一の構成であり、図3に示す電気培養装置を用いた場合と同様の効果が奏され得る。
(First embodiment B)
In the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 4, two tanks opened by partitioning a container 23 whose upper side is opened by an ion exchange membrane 6 are formed, and an upper open part of one tank as the culture tank 7 is formed. The gas impervious film or the gas impervious member 24 is used. That is, the electroculturing apparatus 1 shown in FIG. 4 has substantially the same configuration as that of FIG. 3 except for the partition configuration of the culture tank 7 and the counter electrode tank 8 by the ion exchange membrane 6. The same effects as when using the apparatus can be achieved.

尚、図4に示す電気培養装置1において、対電極槽8は、開放したままでもよいが、培養槽7と同様に密閉構造とし、対電極槽8において発生するガスを対電極槽8の外に排出するガス排出管を備えるようにしてもよい。このように構成することで、対電極10から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく回収することができる。   In the electroculture device 1 shown in FIG. 4, the counter electrode tank 8 may remain open, but it has a sealed structure like the culture tank 7, and the gas generated in the counter electrode tank 8 is discharged from the counter electrode tank 8. A gas discharge pipe for discharging may be provided. By comprising in this way, when useful gas generate | occur | produces from the counter electrode 10, this can be collect | recovered without a leak.

また、図4に示す電気培養装置1において、培養槽7のヘッドスペースと対電極槽8のヘッドスペースは連通させてもよいし、隔壁等により仕切って連通させないようにしてもよい。   4, the head space of the culture tank 7 and the head space of the counter electrode tank 8 may be communicated with each other, or may be separated from each other by a partition wall or the like.

また、培養槽7は、第一の実施形態Aと同様、密閉構造とすること、及びガス回収手段15等を備えることが好ましいが、必ずしもこれらの構成を採らずともよい。   Further, the culture tank 7 preferably has a sealed structure and includes the gas recovery means 15 and the like, as in the first embodiment A, but these configurations are not necessarily employed.

図4に示す電気培養装置1において、ガス不透過膜またはガス不透過部材24としては、各種分野で一般に用いられているものを適宜用いることができる。例えば、ガス不透過部材としては、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過膜としては、例えばイオン交換膜6を用いることもできるがこれに限定されるものではない。   In the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 4, as the gas impermeable membrane or the gas impermeable member 24, those generally used in various fields can be appropriately used. For example, examples of the gas impermeable member include, but are not limited to, glass, plastic, an insulating metal, concrete, and the like. Further, as the gas impermeable membrane, for example, the ion exchange membrane 6 can be used, but is not limited thereto.

尚、本実施形態において使用できる容器23の材質は、第一の実施形態Aと同様である。本実施形態において使用できる作用電極9と対電極10についても、第一の実施形態Aと同様である。   The material of the container 23 that can be used in this embodiment is the same as that of the first embodiment A. The working electrode 9 and the counter electrode 10 that can be used in this embodiment are the same as those in the first embodiment A.

(第一の実施形態C)
図5に示す電気培養装置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を開放して対電極槽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。つまり、図5に示す電気培養装置1は、容器25の形状以外の構成については、実質的には図4と同一の構成である。したがって、図4(さらには図3)に示す電気培養装置を用いた場合と同様の効果が奏され得る。
(First embodiment C)
The electroculture apparatus 1 shown in FIG. 5 is a U-shaped container in which two containers 25a and 25b each having an opening below the liquid level of the liquid to be accommodated are connected via the ion exchange membrane 6 at the opening. 25, one container 25a is used as a culture tank 7 with a sealed structure, and the other container 25b is opened as a counter electrode tank 8. In this case, the culture solution 4 and the electrolyte solution 4a are in contact with each other through the ion exchange membrane 6, and the space above the liquid level of the culture solution 4 in the culture tank 7 and the liquid level of the electrolyte solution 4a in the counter electrode tank 8 are used. Also, the upper space is spaced apart by the U-shaped structure of the container 25 itself. That is, the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 5 has substantially the same configuration as that of FIG. 4 except for the configuration of the container 25. Therefore, the same effect as that obtained when the electroculture apparatus shown in FIG. 4 (and FIG. 3) is used can be obtained.

ここで、第一の実施形態Cにおける電気培養装置1の他方の容器25bの開放とは、例えば他方の容器25bの端部を完全に開放した場合は勿論のこと、図5に示すように、一方の容器25aと同様に密閉構造としつつ、対電極槽8において発生するガスを対電極槽8の外の排出するガス排出管22を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管22を備えることで、対電極槽8から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく容易に回収することが可能となる。   Here, the opening of the other container 25b of the electroculture apparatus 1 in the first embodiment C is, for example, when the end of the other container 25b is completely opened, as shown in FIG. This means that the case includes a gas discharge pipe 22 that discharges the gas generated in the counter electrode tank 8 outside the counter electrode tank 8 while having a sealed structure like the one container 25a. By providing the gas discharge pipe 22, when useful gas is generated from the counter electrode tank 8, it can be easily recovered without leakage.

また、培養槽7は、第一の実施形態Aと同様、密閉構造とすること、及びガス回収手段15等を備えることが好ましいが、必ずしもこれらの構成を採らずともよい。   Further, the culture tank 7 preferably has a sealed structure and includes the gas recovery means 15 and the like, as in the first embodiment A, but these configurations are not necessarily employed.

尚、本実施形態において使用できる容器25の材質は、第一の実施形態Aと同様である。本実施形態において使用できる作用電極9と対電極10についても、第一の実施形態Aと同様である。   The material of the container 25 that can be used in this embodiment is the same as that of the first embodiment A. The working electrode 9 and the counter electrode 10 that can be used in this embodiment are the same as those in the first embodiment A.

(第一の実施形態D)
図6に示す電気培養装置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を開放して対電極槽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。つまり、図6に示す電気培養装置1は、容器25の形状以外の構成については、実質的には図4と同一の構成である。したがって、図4(さらには図3)に示す電気培養装置を用いた場合と同様の効果が奏され得る。
(First embodiment D)
The electroculture apparatus 1 shown in FIG. 6 is an H-shaped container in which two containers 26a and 26b each having an opening below the liquid level of the liquid to be stored are connected via the ion exchange membrane 6 through the opening. 26 is formed, one container 26a is used as a culture tank 7 with a sealed structure, and the other container 26b is opened as a counter electrode tank 8. Also in this case, the culture solution 4 and the electrolyte solution 4a are in contact with each other through the ion exchange membrane 6, and the space above the liquid level of the culture solution 4 in the culture vessel 7 and the solution of the electrolyte solution 4a in the counter electrode vessel 8 are also shown. The space above the surface is separated by the H-shaped structure of the container 26 itself. That is, the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 6 has substantially the same configuration as that of FIG. 4 except for the configuration of the container 25. Therefore, the same effect as that obtained when the electroculture apparatus shown in FIG. 4 (and FIG. 3) is used can be obtained.

ここで、第一の実施形態Dにおける電気培養装置1の他方の容器26bの開放とは、例えば他方の容器26bの上部等を完全に開放した場合は勿論のこと、図6に示すように、一方の容器25aと同様に密閉構造としつつ、対電極槽8において発生するガスを対電極槽8の外の排出するガス排出管22を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管22を備えることで、対電極槽8から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく容易に回収することが可能となる。   Here, the opening of the other container 26b of the electroculture apparatus 1 in the first embodiment D is, for example, when the upper part of the other container 26b is completely opened, as shown in FIG. This means that the case includes a gas discharge pipe 22 that discharges the gas generated in the counter electrode tank 8 outside the counter electrode tank 8 while having a sealed structure like the one container 25a. By providing the gas discharge pipe 22, when useful gas is generated from the counter electrode tank 8, it can be easily recovered without leakage.

また、培養槽7は、第一の実施形態Aと同様、密閉構造とすること、及びガス回収手段15等を備えることが好ましいが、必ずしもこれらの構成を採らずともよい。   Further, the culture tank 7 preferably has a sealed structure and includes the gas recovery means 15 and the like, as in the first embodiment A, but these configurations are not necessarily employed.

尚、本実施形態において使用できる容器26の材質は、第一の実施形態Aと同様である。本実施形態において使用できる作用電極9と対電極10についても、第一の実施形態Aと同様である。   The material of the container 26 that can be used in the present embodiment is the same as that in the first embodiment A. The working electrode 9 and the counter electrode 10 that can be used in this embodiment are the same as those in the first embodiment A.

<第二の実施形態>
第二の実施形態にかかる微生物の代謝経路制御方法は、ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物を培養液に投入し、培養液に作用電極と参照電極を接触させ、培養液と対電極とをイオン交換膜を介して接触させ、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、作用電極の電位を3電極方式で制御して、微生物の代謝経路を制御するようにしている。つまり、第一の実施形態における微生物の代謝経路制御方法とは、電解液を用いることなく対電極を直接イオン交換膜に接触させている点のみが異なっている。
<Second Embodiment>
In the method for controlling the metabolic pathway of microorganisms according to the second embodiment, a microorganism producing a metabolite from pyruvic acid is introduced into a culture solution, the working electrode and the reference electrode are brought into contact with the culture solution, and the culture solution and the counter electrode are used. Contact with the ion exchange membrane, connect the working electrode, the counter electrode, and the reference electrode to a constant potential setting device, and control the potential of the working electrode in a three-electrode system to control the metabolic pathway of microorganisms. Yes. That is, the method for controlling the metabolic pathway of microorganisms in the first embodiment is different only in that the counter electrode is brought into direct contact with the ion exchange membrane without using an electrolytic solution.

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微生物の代謝経路制御方法によれば、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。   However, since the ion current flows between the working electrode 9 and the counter electrode 10 via the ion exchange membrane 6 without using the electrolytic solution 4a as in the first embodiment, the microorganism according to the second embodiment. According to this metabolic pathway control method, it is possible to obtain the same effect by controlling the potential of the working electrode 9 as in the first embodiment.

第二の実施形態にかかる微生物の代謝経路制御方法は、例えば図7に示す電気培養装置により実施される。図7に示す電気培養装置1は、イオン交換膜6を少なくとも一部に備える密閉構造の容器5内に作用電極9と参照電極11が配置され、容器5の外側に対電極10が配置され、容器5に培養液4が収容されると共に作用電極9と参照電極11が培養液4に浸され、容器4のイオン交換膜6は容器5に培養液4が収容されたときに少なくともその一部がイオン交換膜6と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜6の培養液4の接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極10が接触して配置されているものとしている。図7に示す電気培養装置1では、容器5の培養液4の液面よりも下部に開口部5aが設けられ、開口部5aがイオン交換膜6で塞がれ、容器5の外側のイオン交換膜6の表面の少なくとも一部に対電極10が接触して配置されているものとしている。つまり、図7に示す電気培養装置1では、容器5全体が培養槽7として機能することとなる。   The method for controlling the metabolic pathway of microorganisms according to the second embodiment is performed by, for example, an electroculture apparatus shown in FIG. In the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 7, the working electrode 9 and the reference electrode 11 are arranged in a sealed container 5 having at least a part of the ion exchange membrane 6, and the counter electrode 10 is arranged outside the container 5. The culture solution 4 is accommodated in the container 5, the working electrode 9 and the reference electrode 11 are immersed in the culture solution 4, and the ion exchange membrane 6 of the container 4 is at least a part when the culture solution 4 is accommodated in the container 5. Is provided at a position where it can come into contact with the ion exchange membrane 6, and the counter electrode 10 is arranged in contact with at least a part of the surface of the ion exchange membrane 6 opposite to the contact surface of the culture solution 4. . In the electric culture device 1 shown in FIG. 7, an opening 5 a is provided below the liquid level of the culture solution 4 in the container 5, the opening 5 a is closed with the ion exchange membrane 6, and ion exchange outside the container 5 is performed. It is assumed that the counter electrode 10 is disposed in contact with at least a part of the surface of the film 6. That is, in the electric culture apparatus 1 shown in FIG. 7, the entire container 5 functions as the culture tank 7.

したがって、図7に示す電気培養装置1によれば、容器5を密閉構造としているので、容器5からガスが漏洩することがない。また、第一の実施形態と同様、容器5内を嫌気条件に制御し易い利点もある。   Therefore, according to the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 7, since the container 5 has a sealed structure, no gas leaks from the container 5. Further, as in the first embodiment, there is an advantage that the inside of the container 5 can be easily controlled to an anaerobic condition.

尚、図7に示す電気培養装置1では、第一の実施形態と同様に、ガス回収手段15、培養液採取手段16を備えるようにしているが、上記の通り、ガス回収方法、培養液採取方法は、これらの手段を利用したものには限定されない。また、第一の実施形態と同様、培養液4に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。   7 is provided with the gas recovery means 15 and the culture medium collection means 16 as in the first embodiment, but as described above, the gas recovery method and the culture medium collection are provided. The method is not limited to those using these means. Further, as in the first embodiment, a means for adding and supplying a substance to the culture solution 4 may be provided.

以下、図7に示す電気培養装置1の詳細について説明する。但し、以下に説明する以外の構成については、第一の実施形態と実質的に同一であり、説明は省略する。   Hereinafter, the details of the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 7 will be described. However, configurations other than those described below are substantially the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

容器5は、イオン交換膜6を少なくとも一部に備える密閉構造としている。容器5の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。尚、図7では、密閉構造の容器5の培養液4の液面よりも下部に設けられた開口部5aをイオン交換膜6により塞ぐようにしているが、容器5の形態や構造は特に限定されない。例えば容器5全体をイオン交換膜6で形成した袋状の容器としてもよいし、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜6で構成してもよいし、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜6のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜6を用いる場合には、その他の部分はガラス等の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜6以外の膜材、例えば培養液4と培養液4中の成分の双方を透過させることがない膜材により構成してもよい。要は、容器5に収容される培養液4が容器5の少なくとも一部を構成するイオン交換膜6と接触しうる構造の容器とすればよい。   The container 5 has a sealed structure including at least a part of the ion exchange membrane 6. Examples of the material of the container 5 include, but are not limited to, glass, plastic, metal subjected to insulation treatment, concrete, and the like. In FIG. 7, the opening 5a provided below the liquid level of the culture solution 4 in the sealed container 5 is closed by the ion exchange membrane 6. However, the form and structure of the container 5 are particularly limited. Not. For example, the entire container 5 may be a bag-shaped container formed of the ion-exchange membrane 6, or only one surface of the bag-shaped container may be formed of the ion-exchange membrane 6, or a part of one surface may be ion-exchanged. You may make it comprise only with the film | membrane 6. FIG. When the ion exchange membrane 6 is partially used, the other portions may be made of the above-mentioned material such as glass, or other membrane materials other than the ion exchange membrane 6, such as the culture solution 4 and the components in the culture solution 4. You may comprise by the film | membrane material which does not permeate | transmit both. In short, the culture solution 4 accommodated in the container 5 may be a container having a structure that can come into contact with the ion exchange membrane 6 constituting at least a part of the container 5.

対電極10は、イオン交換膜6の培養液4との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に接触させるようにしている。本実施形態において、対電極10は板状の炭素電極としているが、対電極10の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、イオン交換膜6との接触が可能な形状であり、且つ作用電極9における酸化反応に対して電子の授受を補完する還元反応を進行させることが可能な材質、つまり、作用電極9において還元反応が生じる際に酸化反応を進行させることが可能な材質の電極とすればよい。また、本実施形態では、対電極10の面積をイオン交換膜6の面積よりも大きなものとしてイオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うようにし、イオン交換膜6と対電極10とを接触させるようにしているが、イオン交換膜6の培養液4との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極10を接触させれば、イオン交換膜6を介して培養液4から対電極10にイオンが伝達するので、必ずしもイオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うようにしてイオン交換膜6と対電極10とを接触させずともよい。但し、イオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆うことで、対電極10をイオン交換膜6の保護材としても機能させることができると共に、培養液4からのイオンの伝達面が増大する結果として、培養液4の電位制御性を高めることができる利点があり、好適である。イオン交換膜6全体を対電極10で完全に覆う方法としては、例えば、容器5の開口部5aの周囲に接着剤を塗布して対電極10を接着することにより、開口部5aを塞ぐイオン交換膜6全体と対電極10とを接触させるようにしてもよいし、容器5の開口部5aの周囲に接着剤を塗布して対電極10の表面の少なくとも一部に塗布形成されたイオン交換膜6を接着することにより、開口部5aをイオン交換膜6で塞ぎつつ、開口部5aを塞ぐイオン交換膜6全体と対電極10とを接触させるようにしてもよい。イオン交換膜6を塗布形成するための薬剤としては、例えばナフィオン分散液が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、対電極10の表面にナフィオン分散液を塗布し、ナフィオン分散液が乾燥する前にイオン交換膜6を貼り付けるようにしてもよい。この場合には、イオン交換膜6の対電極10の表面への接着性と接触性とを十分なものとすることができる。   The counter electrode 10 is brought into contact with at least a part of the surface opposite to the contact surface of the ion exchange membrane 6 with the culture solution 4. In the present embodiment, the counter electrode 10 is a plate-like carbon electrode, but the shape and material of the counter electrode 10 are not limited to this, and the shape is that the contact with the ion exchange membrane 6 is essential. And a material capable of proceeding with a reduction reaction that complements the exchange of electrons with respect to the oxidation reaction at the working electrode 9, that is, the oxidation reaction can proceed when the reduction reaction occurs at the working electrode 9. A material electrode may be used. In the present embodiment, the counter electrode 10 has a larger area than the ion exchange membrane 6 so that the entire ion exchange membrane 6 is completely covered with the counter electrode 10, and the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 are covered. If the counter electrode 10 is brought into contact with at least a part of the surface opposite to the contact surface of the ion exchange membrane 6 with the culture solution 4, the culture solution 4 is passed through the ion exchange membrane 6. Therefore, it is not always necessary to bring the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 into contact with each other so that the entire ion exchange membrane 6 is completely covered with the counter electrode 10. However, by completely covering the entire ion exchange membrane 6 with the counter electrode 10, the counter electrode 10 can function as a protective material for the ion exchange membrane 6, and the ion transmission surface from the culture solution 4 increases. As a result, there is an advantage that the potential controllability of the culture solution 4 can be improved, which is preferable. As a method of completely covering the entire ion exchange membrane 6 with the counter electrode 10, for example, ion exchange is performed by closing the opening 5 a by applying an adhesive around the opening 5 a of the container 5 and bonding the counter electrode 10. The entire membrane 6 and the counter electrode 10 may be brought into contact with each other, or an ion exchange membrane formed by applying an adhesive around the opening 5a of the container 5 and applying it to at least a part of the surface of the counter electrode 10 By bonding 6, the counter electrode 10 may be brought into contact with the entire ion exchange membrane 6 that closes the opening 5 a while closing the opening 5 a with the ion exchange membrane 6. Examples of the agent for coating and forming the ion exchange membrane 6 include a Nafion dispersion, but are not limited thereto. Alternatively, a Nafion dispersion may be applied to the surface of the counter electrode 10 and the ion exchange membrane 6 may be attached before the Nafion dispersion is dried. In this case, the adhesion and contact properties of the ion exchange membrane 6 to the surface of the counter electrode 10 can be made sufficient.

ここで、対電極10は多孔質体とすることが好適である。この場合には、イオン交換膜6と対電極10との接触面で発生したガスを接触面とは反対側の面に通過させやすくなる。尚、対電極10を多孔質体とし、ナフィオン分散液を用いてイオン交換膜6を貼り付けることで、ナフィオン分散液の多孔質体の孔への侵入によりイオン交換膜6と対電極10との接触面積を増大させて電気化学反応をより進行させやすくすることができ、好適である。   Here, the counter electrode 10 is preferably a porous body. In this case, the gas generated at the contact surface between the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 can easily pass through the surface opposite to the contact surface. In addition, the counter electrode 10 is made a porous body, and the ion exchange membrane 6 is attached using a Nafion dispersion liquid, whereby the ion exchange membrane 6 and the counter electrode 10 are separated by the penetration of the Nafion dispersion liquid into the pores of the porous body. The contact area can be increased to facilitate the progress of the electrochemical reaction, which is preferable.

また、培養槽7として機能する容器5は、第一の実施形態と同様、密閉構造とすること、及びガス回収手段15等を備えることが好ましいが、必ずしもこれらの構成を採らずともよい。また、容器5の外側の対電極10をガス不透過部材等で覆って密封構造とし、対電極10から発生するガスを回収するためのガス回収手段を設けてもよい。このように構成することで、対電極10から有用なガスが発生する場合には、これを漏れなく回収することができる。   Moreover, although the container 5 functioning as the culture tank 7 is preferably provided with a sealed structure and the gas recovery means 15 and the like, as in the first embodiment, these configurations are not necessarily employed. Further, the counter electrode 10 outside the container 5 may be covered with a gas impervious member to form a sealed structure, and a gas recovery means for recovering the gas generated from the counter electrode 10 may be provided. By comprising in this way, when useful gas generate | occur | produces from the counter electrode 10, this can be collect | recovered without a leak.

上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、図8に示すように、培養液4と電解質4aをイオン交換膜6ではなく、イオンや微生物を一切透過させることのない不透過部材40で隔て、あるいは培養槽7と対電極槽8を別の容器で形成し、塩橋41(寒天等にKCl等の飽和電解質溶液を入れたもの)を介して培養液4と電解質4aを接触(液絡)させるようにしてもよい。この場合にも、塩橋41によってイオン電流の流れが許容され、上述の実施形態と同様の効果が得られる。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, as shown in FIG. 8, the culture solution 4 and the electrolyte 4a are separated not by the ion exchange membrane 6 but by the impervious member 40 that does not allow any permeation of ions or microorganisms, or the culture vessel 7 and the counter electrode vessel 8 are separated. It may be formed in a separate container, and the culture solution 4 and the electrolyte 4a may be brought into contact (liquid junction) via the salt bridge 41 (agar or the like containing a saturated electrolyte solution such as KCl). Also in this case, the flow of ion current is allowed by the salt bridge 41, and the same effect as the above-described embodiment can be obtained.

以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

<実験装置>
(1)実施例1において使用した電気培養装置
実施例1では、図6に示す電気培養装置を用いて実験を行った。250mL容の2つのガラスバイアル瓶(Duran製)のうちの一方を培養槽7とし、他方を対電極槽26bとし、下部開口部において陽イオン交換膜(ナフィオンK、デュポン製)106を介して2つのバイアル瓶を接続し、H字型の容器26とした。培養槽7には蓋をし、蓋の上面にはシリコーンゴム栓を設けて、配線や電極を通した際の密閉製を確保した。
<Experimental equipment>
(1) Electroculture apparatus used in Example 1 In Example 1, an experiment was performed using the electroculture apparatus shown in FIG. One of two 250 mL glass vials (manufactured by Duran) is used as a culture tank 7 and the other is used as a counter electrode tank 26b, and 2 through a cation exchange membrane (Nafion K, manufactured by DuPont) 106 at the lower opening. Two vials were connected to form an H-shaped container 26. The culture tank 7 was covered, and a silicone rubber stopper was provided on the upper surface of the lid to ensure a sealed product when wiring and electrodes were passed.

培養期間中に培養槽7から発生したガスは、ガス回収手段15に接続したアルミニウム製サンプリングバッグ(ジーエルサイエンス製、商品名:アルミニウムバッグ、1L)に回収した。   The gas generated from the culture tank 7 during the culture period was recovered in an aluminum sampling bag (manufactured by GL Sciences, trade name: aluminum bag, 1 L) connected to the gas recovery means 15.

対電極槽8には、電解液4aを収容すると共に対電極10を収容して電解液4aに浸した。対電極槽8も蓋をし、蓋の上面にはシリコーンゴム栓を設けて、シリコーンゴム栓にガス排出管22を貫通させた。そして、対電極10と電位制御装置12を結線するための配線をガス排出管22に通した。ガス排出管22は両端が開口されており、一端を対電極槽8の内部に、他端を対電極槽8の外側に配置するようにした。   The counter electrode tank 8 accommodated the electrolyte solution 4a and the counter electrode 10 and was immersed in the electrolyte solution 4a. The counter electrode tank 8 was also covered, and a silicone rubber plug was provided on the upper surface of the cover, and the gas discharge pipe 22 was passed through the silicone rubber plug. Then, a wiring for connecting the counter electrode 10 and the potential control device 12 was passed through the gas exhaust pipe 22. Both ends of the gas discharge pipe 22 are opened, and one end is disposed inside the counter electrode tank 8 and the other end is disposed outside the counter electrode tank 8.

作用電極9は、培養槽7に収容して培養液4に浸し、作用電極9から電位制御装置12への配線はシリコーンゴム栓を通して培養槽7の外側に引き出した。参照電極11(銀・塩化銀電極(RE-1B, BAS株式会社))は培養槽7の外側からシリコーンゴム栓に差し込んで、培養液4と接触させた。作用電極9と対電極10と参照電極11とを3電極式の定電位設定装置(ポテンシオスタット)12に結線して、作用電極9の電位を厳密に制御可能とした。培養中は攪拌子により培養液4を攪拌した。   The working electrode 9 was accommodated in the culture tank 7 and immersed in the culture solution 4, and the wiring from the working electrode 9 to the potential control device 12 was drawn out of the culture tank 7 through a silicone rubber plug. The reference electrode 11 (silver / silver chloride electrode (RE-1B, BAS Co., Ltd.)) was inserted into a silicone rubber stopper from the outside of the culture tank 7 and brought into contact with the culture solution 4. The working electrode 9, the counter electrode 10, and the reference electrode 11 were connected to a three-electrode constant potential setting device (potentiostat) 12 so that the potential of the working electrode 9 could be strictly controlled. During the culture, the culture solution 4 was stirred with a stirring bar.

作用電極9は炭素電極(サイズ:7.5 cm ×2.5 cm)とした。対電極10は炭素電極(サイズ:6.5 cm×1.2 cm)とした。   The working electrode 9 was a carbon electrode (size: 7.5 cm × 2.5 cm). The counter electrode 10 was a carbon electrode (size: 6.5 cm × 1.2 cm).

(2)実施例2において使用した電気培養装置
実施例2では、図18に示す電気培養装置を用いて実験を行った。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は容器20の八分目程度まで入れた。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、管を通した際の容器20の密閉性を確保した。また、シリコーンゴム栓を設けることにより注射針の突き刺しを可能とし、且つ注射針の差し込みにより生じた孔が注射針を抜いた際に塞がるようにした。
(2) Electroculture apparatus used in Example 2 In Example 2, an experiment was performed using the electroculture apparatus shown in FIG. The container 20 as the culture tank 7 was a 250 mL glass vial (manufactured by Duran). The culture solution 4 was put up to about the eighth minute of the container 20. The container 20 has a lid 30. A silicone rubber stopper was provided on the upper surface 30a of the lid 30 to ensure the hermeticity of the container 20 when wires, electrodes, and tubes were passed. In addition, a silicone rubber stopper is provided so that the injection needle can be pierced, and a hole generated by inserting the injection needle is closed when the injection needle is removed.

対電極槽8としての小容器21は、イオン交換膜6を成型して袋状(以下、袋21と呼ぶ)とした。実験で用いた小容器21の形態を図19に示す。具体的には、イオン交換膜(ナフィオンK、デュポン製)をヒートシーラーで熱圧着により加工して上部が開口した袋状の容器21とし、袋21の内部には電解液4aを収容すると共に対電極10を収容して電解液4aに浸した。そして、対電極10と定電位設定装置12を結線するための配線31をガス排出管22に通した。ガス排出管22は両端が開口されており、一端を小容器21の内部に、他端を容器20の外側に配置するようにして、小容器21内で発生するガスが容器20の外側に排出されるようにした。袋状の小容器21の上部の開口部は、シリコン接着剤32で塞いだ。   The small container 21 as the counter electrode tank 8 was formed into a bag shape (hereinafter referred to as a bag 21) by molding the ion exchange membrane 6. The form of the small container 21 used in the experiment is shown in FIG. More specifically, an ion exchange membrane (Nafion K, manufactured by DuPont) is processed by thermocompression bonding with a heat sealer to form a bag-like container 21 having an open top, and the electrolyte solution 4a is accommodated in the bag 21 and a pair thereof is accommodated. The electrode 10 was accommodated and immersed in the electrolyte solution 4a. Then, a wiring 31 for connecting the counter electrode 10 and the constant potential setting device 12 was passed through the gas exhaust pipe 22. Both ends of the gas discharge pipe 22 are open, and one end is disposed inside the small container 21 and the other end is disposed outside the container 20, so that gas generated in the small container 21 is discharged outside the container 20. It was made to be. The opening at the top of the bag-like small container 21 was closed with a silicon adhesive 32.

小容器21と作用電極9とを培養液4に浸漬し、小容器21のガス排出管22と作用電極4の配線は蓋30に設けたシリコーンゴム栓に通して容器20の外側に引き出した。銀・塩化銀参照電極11(RE-1B, BAS株式会社)は容器20の外側からシリコーンゴム栓に通して差し込むことにより培養液4と接触させた。培養液採取管16は容器20の外側からシリコーンゴム栓に通して差し込むことによりその一端を培養液4と接触させた。作用電極9と対電極10と参照電極11とを3電極式の定電位設定装置(ポテンシオスタット)12に結線して、作用電極9の電位を厳密に制御可能とした。培養液採取管16の他端は注射器と接続して培養液4を採取可能とした。培養中は攪拌子34により培養液4を攪拌した。   The small container 21 and the working electrode 9 were immersed in the culture solution 4, and the gas discharge pipe 22 of the small container 21 and the wiring of the working electrode 4 were drawn out of the container 20 through a silicone rubber stopper provided on the lid 30. The silver / silver chloride reference electrode 11 (RE-1B, BAS Co., Ltd.) was brought into contact with the culture solution 4 by being inserted from the outside of the container 20 through a silicone rubber stopper. The culture solution collection tube 16 was inserted from the outside of the container 20 through a silicone rubber stopper, so that one end thereof was brought into contact with the culture solution 4. The working electrode 9, the counter electrode 10, and the reference electrode 11 were connected to a three-electrode constant potential setting device (potentiostat) 12 so that the potential of the working electrode 9 could be strictly controlled. The other end of the culture solution collection tube 16 was connected to a syringe so that the culture solution 4 could be collected. During the culture, the culture solution 4 was stirred by the stirring bar 34.

作用電極9は炭素電極(サイズ:7.5 cm ×2.5 cm)とした。対電極10は炭素電極(サイズ:6.5 cm×1.2 cm)とした。   The working electrode 9 was a carbon electrode (size: 7.5 cm × 2.5 cm). The counter electrode 10 was a carbon electrode (size: 6.5 cm × 1.2 cm).

<分析方法> <Analysis method>

菌体密度は、測定値(OD660)から計算した。 The cell density was calculated from the measured value (OD 660 ).

培養液4のスターチ濃度は、フェノール/硫酸法により測定した。   The starch concentration of the culture solution 4 was measured by the phenol / sulfuric acid method.

図18に示す電気培養装置1のサンプリングバッグに回収されたガスの量を水上置換法を用いて分析し、ガスの組成をガスクロマトグラフィー(VARIAN、CR4900)で分析して、これらの分析結果を基に、COガス量とHガス量を計算した。 The amount of gas collected in the sampling bag of the electroculture apparatus 1 shown in FIG. 18 is analyzed using a water displacement method, and the composition of the gas is analyzed by gas chromatography (Varian, CR4900). Based on this, the amount of CO 2 gas and the amount of H 2 gas were calculated.

培養液4の乳酸濃度及び酢酸濃度は、イオンクロマトグラフィー(ICS-2000、DIONEX製)にて測定した。   The lactic acid concentration and the acetic acid concentration of the culture solution 4 were measured by ion chromatography (ICS-2000, manufactured by DIONEX).

エタノール濃度は、液体クロマトグラフィー(LachromeElite, Hitachi)にて測定した。   The ethanol concentration was measured by liquid chromatography (LachromeElite, Hitachi).

(実施例1)
ピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物として、超好熱性の加水分解菌であるサーモトガ マリティマ DSM3109(Thermotoga maritima DSM3109、以下、サーモトガと呼ぶ)を用いて、培養試験を実施した。
Example 1
As a microorganism having, as metabolic pathways, a reduction pathway for reducing pyruvic acid to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A, Thermotoga maritima DSM3109 (Thermotoga maritima DSM3109, hereinafter) (Referred to as Thermotoga).

以下の組成の培地(JSCC237, Thermotoga medium)を培養液4とし、初期菌体密度を3.2×10cells/mLとなるようにサーモトガをこの培養液4に添加して、これを培養槽7に250mL収容した。
[培地組成]
スターチ :1.0g
KHPO:0.5g
NaCl :20g
NiCl・HO :0.002g
イーストエクストラクト:0.5g
人工海水 :250mL
微量元素溶液 :10mL
pH6.5
[微量元素溶液の組成(L−1)]
ニトリロ三酢酸 1.5g
MgSO4・7H2O 3g
MnSO4・2H2O 0.5g
NaCl 1.0g
FeSO4・7H2O 0.1g
CoSO4・7H2O 0.18g
CaCl2・2H2O 0.1g
ZnSO4・7H2O 0.18g
CuSO4・5H2O 0.01g
H3BO3 0.01g
Na2MoO4・2H2O 0.01g
NiCl2・6H2O 0.025g
Na2SeO3・5H2O 0.8mg
Na2WO4 0.8mg
KAl(SO4)2・12H2O 4mg
水 1L
[人工海水]
MgSO4・7H2O 7g
MgCl2・6H2O 5.5g
NaCl 27.7g
CaCl2・2H2O 2.25g
KCl 0.65g
NaBr 0.1g
H3BO3 30mg
SrCl2・6H2O 15mg
クエン酸 10mg
KI 0.05mg
水 1L
A medium (JSCC237, Thermotoga medium) having the following composition is used as the culture solution 4, and Thermotoga is added to the culture solution 4 so that the initial cell density is 3.2 × 10 6 cells / mL. 7 contained 250 mL.
[Medium composition]
Starch: 1.0g
KH 2 PO 4 : 0.5g
NaCl: 20 g
NiCl 2 · H 2 O: 0.002 g
East Extract: 0.5g
Artificial seawater: 250mL
Trace element solution: 10 mL
pH 6.5
[Composition of trace element solution (L −1 )]
Nitrilotriacetic acid 1.5g
MgSO 4・ 7H 2 O 3g
MnSO 4・ 2H 2 O 0.5g
NaCl 1.0g
FeSO 4・ 7H 2 O 0.1g
CoSO 4・ 7H 2 O 0.18g
CaCl 2・ 2H 2 O 0.1g
ZnSO 4・ 7H 2 O 0.18g
CuSO 4・ 5H 2 O 0.01g
H 3 BO 3 0.01g
Na 2 MoO 4・ 2H 2 O 0.01g
NiCl 2・ 6H 2 O 0.025g
Na 2 SeO 3・ 5H 2 O 0.8mg
Na 2 WO 4 0.8mg
KAl (SO 4 ) 2・ 12H2O 4mg
1L of water
[Artificial seawater]
MgSO 4・ 7H 2 O 7g
MgCl 2・ 6H 2 O 5.5g
NaCl 27.7g
CaCl 2・ 2H 2 O 2.25g
KCl 0.65g
NaBr 0.1g
H 3 BO 3 30mg
SrCl 2・ 6H 2 O 15mg
Citric acid 10mg
KI 0.05mg
1L of water

電解液4aは、NaCl溶液(30g/L)とした。   The electrolyte solution 4a was a NaCl solution (30 g / L).

培養温度(培養液温度)は80℃とした。   The culture temperature (culture solution temperature) was 80 ° C.

酸化還元物質として、アントラキノン 2,6−ジスルホン酸(AQDS)を0.2mMとなるように培養液4に添加した。   As an oxidation-reduction substance, anthraquinone 2,6-disulfonic acid (AQDS) was added to the culture solution 4 so as to be 0.2 mM.

作用電極9の設定電位は、銀・塩化銀電極電位基準で、−0.8V、−0.6V、−0.3V、0V、+0.3Vとして培養試験を実施した。   The culture electrode was tested with the set potential of the working electrode 9 set to -0.8 V, -0.6 V, -0.3 V, 0 V, and +0.3 V on the basis of the silver / silver chloride electrode potential.

また、コントロールとして、培養液4にNaSとL−システインを0.5g/L添加して通電無しで培養試験を実施した。このときの培養液4の酸化還元電位は約−0.45Vであったことから、本実施例では、設定電位を−0.8V、−0.6Vとした場合には作用電極9の電位が還元電位に制御されていることになり、設定電位を−0.3V、0V、+0.3Vとした場合には作用電極9の電位が酸化電位に制御されていることになる。 As a control, 0.5 g / L of Na 2 S and L-cysteine was added to the culture solution 4 and a culture test was performed without energization. Since the oxidation-reduction potential of the culture solution 4 at this time was about −0.45 V, in this example, when the set potential was −0.8 V or −0.6 V, the potential of the working electrode 9 was The reduction potential is controlled, and when the set potential is set to −0.3 V, 0 V, and +0.3 V, the potential of the working electrode 9 is controlled to the oxidation potential.

培養槽7を窒素パージし、培養槽7を嫌気条件としてから培養試験を開始した。   The culture tank 7 was purged with nitrogen, and the culture test was started after the culture tank 7 was placed under anaerobic conditions.

菌体密度の経時変化を図9に示す。設定電位を−0.3V、−0.6V、−0.8Vにすることで、最終菌体密度をコントロールと同程度にできると共に、−0.6V、−0.8Vとすることで、増殖開始までの時間がコントロールよりも短縮される傾向が見られた。   FIG. 9 shows changes with time in cell density. By setting the set potential to -0.3V, -0.6V, and -0.8V, the final cell density can be made the same level as the control, and by setting it to -0.6V, -0.8V, There was a tendency for the time to start to be shorter than the control.

培養試験終了後のスターチの残存量を図10に示す。設定電位を−0.8Vとすることで、コントロールよりもスターチ濃度が減少している傾向が見られた。このことから、設定電位を−0.8Vとすることで、スターチの分解量が増加していることが明らかとなった。   The remaining amount of starch after the end of the culture test is shown in FIG. By setting the set potential at −0.8 V, the starch concentration tended to decrease more than the control. From this, it became clear that the decomposition amount of starch was increased by setting the set potential to −0.8V.

ガス発生量の測定結果を図11に示す。二酸化炭素発生量については条件による違いが殆ど見られなかったものの、設定電位を−0.8Vとすることで、コントロールよりも水素発生量が顕著に増加することが明らかとなった。   The measurement result of the gas generation amount is shown in FIG. Although there was almost no difference in the amount of carbon dioxide generated depending on the conditions, it was revealed that the hydrogen generation amount was significantly increased over the control by setting the set potential to -0.8V.

培養液4のpHの経時変化を図12に示す。設定電位を−0.8Vとすることで、培養液4のpHを7付近に維持できることが明らかとなった。   The change over time of the pH of the culture solution 4 is shown in FIG. It was revealed that the pH of the culture solution 4 can be maintained in the vicinity of 7 by setting the set potential to −0.8V.

培養液4の酢酸濃度の経時変化を図13に示す。設定電位を−0.6V、−0.8Vとすることで、コントロールよりも酢酸濃度が低下する傾向が見られた。   The time-dependent change of the acetic acid concentration of the culture solution 4 is shown in FIG. By setting the set potential to −0.6 V and −0.8 V, the concentration of acetic acid tends to be lower than that of the control.

培養液4の乳酸濃度の経時変化を図14に示す。コントロールでは全培養期間に亘って乳酸が検出されなかったが、設定電位を−0.6V、−0.8Vとすることで、乳酸が検出されるようになることが確認された。   The time-dependent change of the lactic acid concentration of the culture solution 4 is shown in FIG. In the control, lactic acid was not detected over the whole culture period, but it was confirmed that lactic acid can be detected by setting the set potential to -0.6V and -0.8V.

培養期間中における電流値の測定結果を図15に示す。通電開始時点で設定した電位環境に調整するために電流が流れ、それ以後、サーモトガの増殖が定常期に入るまでは電流はほぼ一定値を示した。このことから、増殖の過程で、酸化還元物質として添加したAQDSとサーモトガとの間で電子授受は生じていないものと考えられた。したがって、本発明の効果は、AQDS等の酸化還元物質と微生物との間における電子授受に依存するものではないことが明らかとなった。また、設定電位を−0.8Vとした場合には、培養後期においてより多くの還元電流が流れていることが確認されたことから、この還元電流の増加が、水素発生量の増加と何らかの相関を有している可能性が示唆された。   The measurement result of the current value during the culture period is shown in FIG. A current flowed to adjust to the potential environment set at the start of energization, and thereafter, the current showed a substantially constant value until the thermotoga grew into a stationary phase. From this, it was considered that no electron transfer occurred between AQDS added as a redox substance and Thermotoga during the growth process. Therefore, it has been clarified that the effect of the present invention does not depend on electron transfer between a redox substance such as AQDS and a microorganism. In addition, when the set potential was −0.8 V, it was confirmed that more reduction current was flowing in the later stage of the culture. Therefore, this increase in reduction current has some correlation with the increase in hydrogen generation amount. The possibility of having

以上の結果から、作用電極9の設定電位を還元電位(−0.6V、−0.8V)とすることで、サーモトガの酸化経路におけるピルビン酸のアセチル補酵素Aへの酸化反応を減退させて酢酸産生量を減少させることができると共に、還元経路におけるピルビン酸の乳酸への還元反応を促進させて、乳酸の産生が可能になることが示された。また、増殖開始までの時間が短縮される効果が得られることも明らかとなった。   From the above results, by setting the set potential of the working electrode 9 to the reduction potential (−0.6 V, −0.8 V), the oxidation reaction of pyruvate to acetyl coenzyme A in the thermotoga oxidation pathway is reduced. It was shown that the amount of acetic acid produced can be reduced, and the reduction reaction of pyruvic acid to lactic acid in the reduction pathway is promoted to enable production of lactic acid. It was also revealed that an effect of shortening the time until the start of proliferation was obtained.

さらに、作用電極9の設定電位を−0.8Vとすることで、有機物の分解促進効果、水素発生量の顕著な増加効果、pHの中性維持効果が得られることがわかった。即ち、有機物の分解効率を高めて、水素発生量を顕著に増加させながらも、培養液4のpHを酸性シフトさせることなく中性領域に維持できる極めて優れた効果が奏されることが明らかとなった。   Furthermore, it was found that by setting the set potential of the working electrode 9 to −0.8 V, the effect of promoting the decomposition of organic matter, the effect of significantly increasing the amount of hydrogen generation, and the effect of maintaining the neutrality of pH can be obtained. That is, it is clear that the excellent effect of maintaining the neutral region without causing an acidic shift of the pH of the culture solution 4 can be achieved while increasing the decomposition efficiency of organic matter and significantly increasing the hydrogen generation amount. became.

尚、設定電位を−0.8Vとすることで、水素発生量が顕著に増加したこと、及びpHが中性に維持されたことから、設定電位を−0.8Vとすることで、還元力が水素として系外に放出された可能性が示唆された。   In addition, since the hydrogen generation amount increased remarkably by setting the set potential to −0.8 V and the pH was maintained neutral, the reducing potential was reduced by setting the set potential to −0.8 V. It was suggested that may be released out of the system as hydrogen.

(実施例2)
ピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物として、大腸菌を用いて培養試験を実施した。
(Example 2)
A culture test was carried out using Escherichia coli as a microorganism having a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A as metabolic pathways.

以下の組成の培養液4に、大腸菌(E.coli JM109)を初期菌体密度を8×106 cells/mLとなるように添加して、これを培養槽7に200mL収容した。
[培養液の組成(L−1)]
・グルコース: 5.0g
・KHPO: 4.2g
・NHCl: 0.6g
・MgCl・7HO: 0.08g
・カザミノ酸: 5.0g
・微量元素溶液: 1mL
[微量元素溶液の組成(L−1)]
・FeSO・7HO: 0.2g
・CuSO・5HO: 1.0g
・NaMoO・2HO: 0.034g
・CaCl・2HO: 0.015g
・NaSeO: 0.5g
Escherichia coli (E. coli JM109) was added to the culture solution 4 having the following composition so that the initial cell density was 8 × 10 6 cells / mL, and 200 mL of this was stored in the culture tank 7.
[Composition of culture solution (L −1 )]
・ Glucose: 5.0g
・ KH 2 PO 4 : 4.2 g
・ NH 4 Cl: 0.6 g
・ MgCl 2 · 7H 2 O: 0.08 g
・ Casamino acid: 5.0 g
・ Trace element solution: 1mL
[Composition of trace element solution (L −1 )]
· FeSO 4 · 7H 2 O: 0.2g
· CuSO 4 · 5H 2 O: 1.0g
・ NaMoO 4 · 2H 2 O: 0.034 g
・ CaCl 2 · 2H 2 O: 0.015 g
・ Na 2 SeO 4 : 0.5g

培養温度(培養液温度)は30℃とした。   The culture temperature (culture solution temperature) was 30 ° C.

酸化還元物質として、アントラキノン 2,6−ジスルホン酸(AQDS)を0.2mMとなるように培養液4に添加した。   As an oxidation-reduction substance, anthraquinone 2,6-disulfonic acid (AQDS) was added to the culture solution 4 so as to be 0.2 mM.

培養液4のpHは7.0とした。   The pH of the culture solution 4 was 7.0.

作用電極9の設定電位は、銀・塩化銀電極電位基準で、−1.0V、−0.8V、−0.6V、−0.3V、0Vとして培養試験を実施した。   The culture electrode was tested with the working electrode 9 set at -1.0 V, -0.8 V, -0.6 V, -0.3 V, and 0 V based on the silver / silver chloride electrode potential.

尚、本実施例では、設定電位を−1.0V、−0.8V、−0.6Vとした場合には作用電極9の電位が還元電位に制御されていることになり、設定電位を−0.3V、0Vとした場合には作用電極9の電位が酸化電位に制御されていることになる。   In this embodiment, when the set potential is −1.0 V, −0.8 V, and −0.6 V, the potential of the working electrode 9 is controlled to the reduction potential, and the set potential is − In the case of 0.3V and 0V, the potential of the working electrode 9 is controlled to the oxidation potential.

培養槽7を窒素パージし、培養槽7を嫌気条件としてから培養試験を開始した。   The culture tank 7 was purged with nitrogen, and the culture test was started after the culture tank 7 was placed under anaerobic conditions.

培養試験終了後の培養液4の乳酸濃度の測定結果を図16に示す。設定電位を−1.0V、−0.8V、−0.6Vとすることで、乳酸濃度が高くなる傾向が見られ、逆に設定電位を−0.3V、0Vとすることで、乳酸濃度が低くなる傾向が見られた。   FIG. 16 shows the measurement result of the lactic acid concentration of the culture solution 4 after completion of the culture test. When the set potential is -1.0 V, -0.8 V, -0.6 V, the lactic acid concentration tends to increase. Conversely, when the set potential is -0.3 V, 0 V, the lactic acid concentration Tended to be lower.

培養試験終了後の培養液4の酢酸及びエタノール濃度の測定結果を図17に示す。エタノール濃度については、設定電位を−1.0V、−0.8V、−0.6Vとすることで、低くなる傾向が見られ、設定電位を−0.3V、0Vとすることで高くなる傾向が見られた。特に、設定電位を0Vとすることでエタノール濃度が高くなる傾向が顕著であった。酢酸濃度については、設定電位を−0.8Vとすることで低くなる傾向が見られ、0Vとすることで高くなる傾向が見られた。その他の設定電位については酢酸濃度の大きな差が見られなかった。   FIG. 17 shows the measurement results of the acetic acid and ethanol concentrations of the culture solution 4 after completion of the culture test. The ethanol concentration tends to decrease when the set potential is set to -1.0 V, -0.8 V, and -0.6 V, and tends to increase when the set potential is set to -0.3 V, 0 V. It was observed. In particular, when the set potential was set to 0 V, the tendency for the ethanol concentration to increase was remarkable. Regarding the acetic acid concentration, a tendency to decrease when the set potential was set to −0.8V was observed, and a tendency to increase when the potential was set to 0V was observed. For other set potentials, no significant difference in acetic acid concentration was observed.

以上の結果から、電極の電位を還元電位とすることで、エタノール産生量を減少させると共に乳酸産生量を増加させることができ、逆に、電極の電位を酸化電位とすることで、エタノール産生量を増加させると共に乳酸産生量を減少させることができることが明らかとなった。   From the above results, it is possible to decrease the ethanol production amount and increase the lactic acid production amount by setting the electrode potential to the reduction potential, and conversely, the ethanol production amount by setting the electrode potential to the oxidation potential. It was revealed that the amount of lactic acid produced can be decreased while increasing the amount of lactic acid.

また、酢酸についても、還元電位である−0.8Vで濃度が低くなり、酸化電位である0Vで濃度が高くなったことから、還元電位において産生量が減少し、酸化電位において産生量が増加する傾向にあることが明らかとなった。   As for acetic acid, the concentration decreased at the reduction potential of −0.8 V, and the concentration increased at the oxidation potential of 0 V. Therefore, the production amount decreased at the reduction potential, and the production amount increased at the oxidation potential. It became clear that there was a tendency to.

Claims (3)

ピルビン酸から代謝産物を産生する微生物を含む培養環境に電極を接触させ、前記電極の電位を制御しながら培養することにより、前記微生物のピルビン酸を起点とした代謝を制御することを特徴とする微生物の代謝経路制御方法。 It is characterized in that the metabolism of the microorganism starting from pyruvic acid is controlled by bringing the electrode into contact with a culture environment containing a microorganism that produces a metabolite from pyruvic acid and culturing while controlling the potential of the electrode. A method for controlling metabolic pathways of microorganisms. 前記微生物をピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物とし、前記電極の電位を還元電位に制御して、前記還元経路における還元反応を促進させると共に前記酸化経路における酸化反応を減退させる請求項1に記載の微生物の代謝経路制御方法。   The microorganism is a microorganism having, as metabolic pathways, a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A, and controlling the potential of the electrode to the reduction potential, The method for controlling a metabolic pathway of a microorganism according to claim 1, wherein the reduction reaction is promoted and the oxidation reaction in the oxidation pathway is reduced. 前記微生物をピルビン酸を乳酸に還元する還元経路とピルビン酸をアセチル補酵素Aに酸化する酸化経路とを代謝経路として有する微生物とし、前記電極の電位を酸化電位に制御して、前記還元経路における還元反応を減退させると共に前記酸化経路における酸化反応を促進させる請求項1に記載の微生物の代謝経路制御方法。   The microorganism is a microorganism having a reduction pathway for reducing pyruvate to lactic acid and an oxidation pathway for oxidizing pyruvate to acetyl coenzyme A as metabolic pathways, and controlling the potential of the electrode to an oxidation potential, The method for controlling a metabolic pathway of a microorganism according to claim 1, wherein the reduction reaction is reduced and the oxidation reaction in the oxidation pathway is promoted.
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