JP2013119548A

JP2013119548A - 腸内アンモニアの除去方法

Info

Publication number: JP2013119548A
Application number: JP2011284308A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kadokami; 洋一門上; Katsuhiro Okamoto; 勝博岡本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【課題】嫌気的環境下にある腸内を、一時的に好気的な状態にし、疾病等により代謝されにくくなったアンモニアを、硝化菌によって分解する方法を提供する。
【解決手段】酸素の超微細気泡（マイクロナノバブル）を、飲用あるいは浣腸により腸内に注入し、腸内に始めから存在している、もしくは外部から注入した硝化菌を好気条件に置き、さらに油脂を添加することで、アンモニアの分解を促すことを特徴とする、腸内アンモニア分解方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、疾病により腸管内に異常生産されるアンモニアを除去する方法に関する。

腸内は多種多様な細菌群が棲み付いており、個人個人特有の細菌叢（フローラ）を形成している。このような腸内細菌は寄生、共生関係にあり、人間の栄養的、免疫的に密接な関係があることが知られている。
有害なアンモニアは主に腸内や腎臓で生産され、血液中に放出される。特に腸管内では、食物由来のアミノ酸が、小腸内粘膜グルタミナーゼおよびグルタミン加水分解酵素により、また大腸では細菌由来のデアミナーゼにより分解を受けアンモニアが生産されるため、血中アンモニアのほとんどは腸管由来である。小腸粘膜グルタミナーゼにより生産されるアンモニアはその５０％に及ぶ。一方、大腸で細菌により分解を受ける尿素はアンモニアに変わるが、一日で生産される尿素のうち２５％が処理される。腸管内で生産されたアンモニアは吸収され、門脈から肝臓へと輸送され、尿素回路を経て、尿素やグルタミン酸、グルタミンに変わる。フローラが変化すると、門脈血中のアンモニア濃度は大きく変動する。

健康な状態が病変すると、アンモニアを始めとする窒素体（アンモニア、亜硝酸、硝酸など）は体外に排出されず血液中濃度は異常に高まり、様々な弊害を引き起こす。例えば、肝硬変や特発性門脈圧亢進症などにより、アンモニアが門脈から肝臓を経ずに直接体循環に入ると、高アンモニア血症や脳症が生じるなどである。

人体外の天然での窒素循環には、硝化菌と呼ばれる細菌が重要な役割を持っている。硝化菌はアンモニア態窒素を亜硝酸塩に酸化する「アンモニア酸化菌」と、亜硝酸塩を硝酸塩に酸化する「亜硝酸酸化菌」の２つの細菌群からなる。これらの細菌は二酸化炭素（ＣＯ_２）を唯一の炭素源とする独立栄養細菌であり、アンモニアあるいは亜硝酸を酸化することでエネルギーを得、ＣＯ_２の固定化を行なっている。それぞれの細菌の酸化反応を総計すると次のような化学式で表わされる。
アンモニア酸化反応：ＮＨ_４ ^＋＋２Ｏ_２→ＮＯ_２ ⁻＋２Ｈ_２Ｏ＋３９．５ｋｃａｌ
亜硝酸酸化反応：ＮＯ_２ ⁻＋１／２Ｏ_２→ＮＯ_３ ⁻＋２１．６ｋｃａｌ

アンモニア態窒素はｐＨ、温度によってその存在様式が異なる。酸性、すなわち水素イオン濃度が高い状態にあれば、ほとんどがアンモニウムイオンに変わり、アンモニアほどの毒性はない。しかし、アルカリではアンモニアとして存在するので、極めて有毒である。通常人体内では胃を除き、ほとんどが中性から弱アルカリにある。すなわち有害なアンモニアとしての形態になっている。
アンモニア酸化細菌の場合、生育に必要な要素が十分に揃っていれば、最少２４時間で一分裂する。亜硝酸酸化菌の場合には最少４８時間で一分裂する。この増殖速度は大腸菌などのバクテリアが１時間以内に一分裂する速度と比べると極端に遅い。この増殖の遅さが、硝化菌を利用するあらゆる場面で問題となって来た。１モルのアンモニア態窒素を酸化する時に得られるエネルギーは３９．５ｋｃａｌであり、また１モルの亜硝酸態窒素を酸化して得られるエネルギーは２１．６ｋｃａｌに過ぎず、好気的細菌がブドウ糖１モル（１８０ｇ）から呼吸により得られるエネルギー、６８６ｋｃａｌと比べると非常に少ない。このため、硝化細菌の増殖速度は遅く、硝化活性も菌濃度に比例するので、基質窒素態が大量にある場合には、一定量の菌数に達するまでの期間が必要であった。

この菌増殖速度を少しでも高めるために、これまで様々な培地が開発され、必要な要素が分析されて来た。例えば、Ｐｒａｍｅｒ培地（非特許文献１）やＡＴＣＣ（ＡｍｅｒｉｃａｎＴｙｐｅＣｕｌｔｕｒｅＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）で指定された凍結保存菌株復元用培地などがある。しかしながら、豊富な塩類などを添加していてもアンモニア酸化細菌は分裂に１日、亜硝酸酸化細菌では２日掛かる。

硝化菌は水中に浮遊するものが１５％程度あると言われ、多くは個体表面に定着していると考えられる。浮遊細菌は分裂増殖の結果、定着部位から離脱したものと考えられ、定着していることが活性の高さにほぼ比例している。従って、濃縮菌を添加した場合にはこれらが定着する担体が必要である。担体が無い場合、菌同士がくっつき合ってペレットを形成する。固体表面に定着している菌は、膜を作るように密生しており、これをバイオフィルムと言う。担体の表面積が大きい物体ほど多くの細菌が付着出来る。このような硝化菌の性質から、例えば大量に汚水を処理する場合には取扱いが困難であった。

アンモニア酸化細菌としてはニトロソモナス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）属、ニトロソロブス（Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ）属、ニトロソコッカス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ）属、ニトロソスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ）属、ニトロスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ）属などが知られており、種としては非常に種類が多い。条件によってどれが優占種になるかは異なる。また、亜硝酸酸化細菌もニトロバクター（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）属以外に、ニトロコッカス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ）属、ニトロスピナ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｎａ）属が知られており、同じことが言える。

一方、嫌気的な条件があれば、硝酸態窒素の結合酸素をエネルギー源として利用する非光合成性の脱窒菌が働く。炭素源として糖あるいはアルコールを要求する。好気的な状態では酸素が大量に存在するため、通常は脱窒作用を示さない。酸素の有無にかかわらず増殖出来る細菌を偏性嫌気性菌という。

シュードモナス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ）やミクロコッカス（Ｍｉｃｒｏｃｏｃｃｕｓｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｎｓ）などの従属栄養細菌は、硝酸態窒素の還元で生じた亜硝酸態窒素をさらに有機物の酸化に使用し、一酸化窒素（ＮＯ）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）をへて、窒素ガス（Ｎ_２）にまで還元する。このときに水素イオン（Ｈ^＋）も消費され水（Ｈ_２Ｏ）に転換され、ｐＨの低下が防げる。これを脱窒と言う。
細菌学的には、脱窒菌の硝酸塩呼吸は好気呼吸ができない環境でやむを得ず行なっているのであり、溶存酸素濃度が高い環境では、より高いエネルギー獲得法を持っているため、脱窒は進行しなくなる。溶存酸素濃度が０．２ｍｇ／Ｌ以下では脱窒を行ない、０．５ｍｇ／Ｌ以上では好気呼吸に変わる。このことから、好気的な硝化菌と、嫌気的な脱窒菌とを同じ環境内で発現させることは相当困難となっている。ただし、自然環境下では、脱窒菌は多様な菌種と共存しているため、溶存酸素濃度がかなり高くても（ある研究では６．０ｍｇ／Ｌ）生物相内の酸素濃度勾配により脱窒が生じる事が確認されている。

酸素マイクロナノバブルは、強制的に酸素ガスを水中に微細な泡の形で供給して製造する。製造装置には１）コロジオン膜の微細な網目に酸素の圧力を掛けて放出して製造する方法、２）酸素ガスと水とを強力なポンプで回転させて製造する方法、３）超音波で酸素ガスと水とを混合させて製造する方法、４）加圧溶解による方法などがあり、それぞれ装置が市販されている。
装置で製造されるマイクロナノバブルは、微細な気体の泡であるが、マイクロレベルの微細泡（直径１〜５０μｍ；マイクロバブル）と、ナノレベルの超微細泡（直径１μｍ未満；ナノバブル）とではその性質が異なる。マイクロバブルは、水中で縮小してついには消滅してしまう性質がある。縮小に伴い、泡の内部加圧が進行し、これが水への飽和濃度以上の気体溶解を引き起こしている。

また、水中の上昇速度はストークスの法則から求められるものと一致することが報告されている。
Ｖ＝１／１８ｘｇｄ^２／ν
ここでＶ（ｍ／ｓ）は気泡の上昇速度、ｇ（ｍ／ｓ^２）は重力加速度、ｄ（ｍ）は気泡直径、ν（ｍ^２／ｓ）は水中の動的粘性計数である。この式に従うと、直径が小さくなればなるほど上昇速度が小さくなり、水中に長く留まることが判る。
マイクロバブルが縮小して消滅する一方、一部は縮小を停め、さらに小さなナノバブルとして存在するようになる。この状態では長期間に渡り、ナノバブルが水中に留まる。一度製造すると、数ヶ月に渡って安定である。

水中にナノバブルが存在すると、溶存酸素が不足した場合にそれを補完するようにナノバブルが崩壊し、溶存酸素となることが知られている。酸素の貯蔵庫として機能するのである。また、水中のナノバブルの量を測定することは現在のところ不可能である。しかし、ナノバブル製造装置で製造されたナノバブル水をＤＯメーター（隔膜電極法）やウィンクラー法などの化学的方法で測定すると、３０ｍｇ／Ｌ程度になるので、ある程度の指標となる。

特願２０１０−１５９１２７Ｌｅｗｉｓ，Ｒ．Ｆ．ａｎｄＤ．Ｐｒａｍｅｒ，"ＩｓｏｌａｔｉｏｎｏｆＮｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓｉｎｐｕｒｅｃｕｌｔｕｒｅ"Ｊ．Ｂａｃｔｅｒｉｏｌ．，７６：５２４−５２８（１９５８）

本発明の目的は、腸内の嫌気条件を好気的条件にし、硝化菌の活性化を導き、大腸内で生産されるアンモニアを分解する方法を提供することである。

本発明者らは、先に「硝化および脱窒作用の活性化物質」（特許文献１）を提案した。本発明は、この先の発明の硝化細菌の活性化に着眼して、医療への利用を創案するものである。以上を踏まえ、上記目的を達成すべくさらに研究を重ねた結果、腸内にマイクロナノバブルを添加することにより、上記の問題を解決できるとの知見を得た。
本発明は、この知見に基づいて、
１．酸素で製造された超微細気泡（マイクロナノバブル）を、腸内に注入し、一時的に腸内を好気条件にして、硝化菌を活性化させ、異常生産されたアンモニアを分解することを特徴とする、腸内アンモニアの除去方法、
２．マイクロナノバブルが、純水に対し、高圧でコロジオン膜を通過させる方法、気液混合剪断による方法、加圧溶解による方法、超音波を利用する方法などのいずれかの方法で製造され、直径５０ｎｍ〜１０μｍの気泡が１０^９／ｍＬ以上であり、腸内への注入が飲用による、もしくは浣腸によることを特徴とする、１に記載の腸内アンモニアの除去方法、
３．硝化菌が、人の糞便中に予め含まれていない場合、既知のアンモニア酸化菌としてニトロソモナス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）属、ニトロソロブス（Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ）属、ニトロソコッカス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ）属、ニトロソスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ）属、ニトロスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ）属のいずれかを、また同時に亜硝酸酸化細菌としてニトロバクター（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）属、ニトロコッカス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ）属、ニトロスピナ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｎａ）属のいずれかをマイクロナノバブルと同時に注入することを特徴とする、１および２に記載の腸内アンモニアの除去方法、
４．腸内環境が適正な条件、すなわち硝化菌の炭素源が二酸化炭素、炭酸イオン、あるいは炭酸水素イオンであり、炭酸水素イオン濃度で表わされる炭酸塩硬度ＫＨが少なくても２以上であること、水素イオン濃度がｐＨ５．０から９．２、好ましくはｐＨ７．０から８．０であること、銅イオンが最終濃度２０から２００μｇ／Ｌ、好ましくは４０から８０μｇ／Ｌであること、鉄イオンが最終濃度１５０から５００μｇ／Ｌ、好ましくは２００から４００μｇ／Ｌであること、リン酸塩が最終濃度０．１から５ｍＭ、好ましくは０．２５ｍＭであること、硝化菌の活性化物質である油脂あるいはその構成成分である脂肪酸が、長鎖、好ましくは炭素数が１２から２４、より好ましくは炭素数が１８であること、また好ましくは不飽和脂肪酸、あるいは不飽和脂肪酸で構成される油脂であることを特徴とする、１〜３のそれぞれに記載の腸内のアンモニア除去方法、
を提供する。

本発明者は、先願（文献１）により硝化菌の活性化が可能であることを示した。腸管内は代謝物に満ちており、細胞から生産される二酸化炭素が存在し、炭素源にも不足はないと思われる。また、アンモニアが存在すれば、エネルギー源も十分ある。しかし、酸素がほとんどない嫌気的な雰囲気である。アンモニアを酸化する硝化菌には酸素は必須である。そのために、まず腸管内に硝化菌が存在するかどうか調査した。

（実験１）
［糞便中の硝化菌］
アンモニアが生産されていると思われるＣ型肝炎感染、肝癌患者３名の糞便を回収し、この一部、約０．４ｇを硝化菌培養液１００ｍＬに懸濁した。対照として健康人の糞便３名分についても同様に行なった。これら全ての懸濁液上清にはアンモニアは検出出来なかった。各懸濁液にアンモニア（硫酸アンモニウム）を最終濃度５ｍｇ／Ｌになるように添加し、エアポンプで通気をしながら、２５℃の恒温槽で培養を行なった。もし糞便中に硝化菌が存在すれば、添加したアンモニアは分解を受け、亜硝酸および硝酸態窒素濃度が増加するはずである。２５℃は硝化菌の至適増殖温度である。
図１に、培養時間に対し、アンモニア濃度がどのように変化したかをグラフによって示した。全ての検体でアンモニア濃度が下がり、一過的に亜硝酸および硝酸態窒素濃度が上昇した。検体毎にアンモニアの減少速度は異なるが、患者１では極めて早いアンモニア濃度の低下が起こり、一時的に増加した亜硝酸および硝酸態窒素も低下した。このことは、硝化菌（アンモニア酸化菌および亜硝酸酸化菌）のみならず、硝酸態窒素を分解する脱窒菌も存在していることが判明した。脱窒作用を持つ細菌の種類は数多くあり、腸内では脱窒菌は多く含まれることは考えうることである。
嫌気的な脱窒菌が好気的な条件下で作用することは、硝化菌が集合し、ペレットを形成していることと関係があると考えられる。ペレットの表面に好気的な硝化菌が棲息し、ペレットの内部に嫌気的な脱窒菌群が含まれると報告されている。ペレット表面の硝化菌が酸素を消費して機能すると、酸素を失った水は内部に浸透し、脱窒菌に届く。また浸透水中には硝化菌の発生した代謝物が含まれており、脱窒菌の要求する栄養群も大量に含まれる。腸内では、糞便に含まれている栄養物も豊富である。検体を供出した各個人毎にフローラは大きく異なると思われるため、糞便に含まれる硝化菌・脱窒菌数は多様であるが、糞便中に硝化活性を示すだけの細菌が存在することが明確に示された。

実施例及び比較例

次に、本発明の実施例及び比較例について説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく、他の例又は変形は、当然本発明に包含されるものである。

［マイクロナノバブルの効果１］
マイクロナノバブルが糞便に対してどう作用するかを次に検討した。マイクロナノバブルは、コロジオン膜に酸素を高圧で押し出して製造した。マイクロナノバブルが製造出来ているかどうかは、ＤＯメーターおよびウィンクラー法により溶存酸素（ＤＯ）を測定することで確認した。２Ｌの硝化菌培養液に対して、約２０分間通気を行なって製造すると、ＤＯ＝３７ｍｇ／Ｌと示された。この培養液１００ｍＬに（実験１）で示されたＣ型肝炎感染、肝癌患者３名と健康人の糞便約０．２ｇを懸濁し、三角フラスコを密栓し、２５℃で培養した。結果は図２に示してある。
図に示されるパターンは空気を通気して行なった実験１と同様であったが、硝化菌の至適温度では、存在する硝化菌・脱窒菌ともにマイクロナノバブルにより活性化されることが判った。フローラの違いによるばらつきは実験１と同様に観察された。
［図２］

［マイクロナノバブルの効果２］
糞便をマイクロナノバブル化した硝化菌培養液へ懸濁した時、硝化菌の至適温度（２５℃〜３０℃）を越えた、人体内温度である３７℃で培養した。マイクロナノバブルは実施例１と同様に用意した。ＤＯ＝３５ｍｇ／Ｌであった。結果は図３に示してある。アンモニア濃度は健康人、患者共に時間が経過すると低下した。亜硝酸、硝酸態窒素も同様に低下した。硝化菌および脱窒菌の活性が、腸内温度３７℃ではやや低いように思われたが、十分な効果が認められた。
［図３］

発明の効果

本発明の腸内アンモニアの除去方法は、マイクロナノバブルの投与により、腸内の嫌気状態を一時的に好気状態にすることで、本来人間が持つ硝化菌および脱窒菌の活性を高め、アンモニアを最終的に窒素にまで分解することである。人により腸内環境が異なり、硝化菌の存在率も異なることが予想されるが、硝化菌の量が不定する場合にはマイクロナノバブルと共に投与することも可能である。肝臓疾患により腸内で発生する有害なアンモニアが、短時間で分解できることが明確に示されたことは、肝疾患を併発する患者の治療に有効である。

糞便中の硝化菌活性を表わしたグラフ人の糞便中に硝化菌が存在するかどうかを調べた結果を示すグラフである。５ｍｇ／Ｌのアンモニア（硫酸アンモニウム）を添加し、時間とともに濃度が減少する経緯を測定した。糞便懸濁液にマイクロナノバブルを添加し、硝化菌活性を２５℃で培養した結果を表わしたグラフ人の糞便中にマイクロナノバブルを添加し、硝化菌活性があるが調べた結果を示すグラフである。５ｍｇ／Ｌのアンモニア（硫酸アンモニウム）を添加し、２５℃で培養した際に、時間とともに濃度が減少する経緯を測定した。糞便懸濁液にマイクロナノバブルを添加して硝化菌活性を体温と同じ条件で培養した結果を表わしたグラフ人の糞便中にマイクロナノバブルと５ｍｇ／Ｌのアンモニア（硫酸アンモニウム）を添加し、硝化菌活性を、体温と同じ３７℃で培養した結果を示すグラフである。アンモニア濃度を経時的に測定した。

符合の説明

［図１］横軸は時間（時）を、縦軸はアンモニア態窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）を示

す。
［図２］横軸は時間（時）を、縦軸はアンモニア態窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）を示

す。
［図３］横軸は時間（時）を、縦軸はアンモニア態窒素濃度（ｍｇ／Ｌ）を示

す。

Claims

酸素で製造された超微細気泡（マイクロナノバブル）を、腸内に注入し、一時的に腸内を好気条件にして、硝化菌を活性化させ、異常生産されたアンモニアを分解することを特徴とする、腸内アンモニアの除去方法。
マイクロナノバブルが、純水に対し、高圧でコロジオン膜を通過させる方法、気液混合剪断による方法、加圧溶解による方法、超音波を利用する方法などのいずれかの方法で製造され、直径５０ｎｍ〜１０μｍの気泡が１０^９／ｍＬ以上であり、腸内への注入が飲用による、もしくは浣腸によることを特徴とする、請求項１に記載の腸内アンモニアの除去方法。
硝化菌が、人の糞便中に予め含まれていない場合、既知のアンモニア酸化菌としてニトロソモナス（Ｎｉｔｒｏｓｏｍｏｎａｓ）属、ニトロソロブス（Ｎｉｔｒｏｓｏｌｏｂｕｓ）属、ニトロソコッカス（Ｎｉｔｒｏｓｏｃｏｃｃｕｓ）属、ニトロソスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｏｓｐｉｒａ）属、ニトロスピラ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ）属のいずれかを、また同時に亜硝酸酸化細菌としてニトロバクター（Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）属、ニトロコッカス（Ｎｉｔｒｏｃｏｃｃｕｓ）属、ニトロスピナ（Ｎｉｔｒｏｓｐｉｎａ）属のいずれかをマイクロナノバブルと同時に注入することを特徴とする、請求項１および２に記載の腸内アンモニアの除去方法。
腸内環境が適正な条件、すなわち硝化菌の炭素源が二酸化炭素、炭酸イオン、あるいは炭酸水素イオンであり、炭酸水素イオン濃度で表わされる炭酸塩硬度ＫＨが少なくても２以上であること、水素イオン濃度がｐＨ５．０から９．２、好ましくはｐＨ７．０から８．０であること、銅イオンが最終濃度２０から２００μｇ／Ｌ、好ましくは４０から８０μｇ／Ｌであること、鉄イオンが最終濃度１５０から５００μｇ／Ｌ、好ましくは２００から４００μｇ／Ｌであること、リン酸塩が最終濃度０．１から５ｍＭ、好ましくは０．２５ｍＭであること、硝化菌の活性化物質である油脂あるいはその構成成分である脂肪酸が、長鎖、好ましくは炭素数が１２から２４、より好ましくは炭素数が１８であること、また好ましくは不飽和脂肪酸、あるいは不飽和脂肪酸で構成される油脂であることを特徴とする、請求項１〜３のそれぞれに記載の腸内のアンモニア除去方法。