JP2019100910A - 微生物活性測定センサ及び微生物活性の評価方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献1には、陽極及び陰極、陽極及び陰極の伝導媒体、並びに両電極間のイオン交換膜を含む無媒介体生物燃料電池からなり、陰極部には所定の有機物を代謝する電気化学的活性菌を含有させた有機物濃度測定用バイオセンサ及びこのバイオセンサを用いた有機物濃度測定方法についても記載されている。
すなわち、本発明は、以下の微生物活性測定センサ及び微生物活性の評価方法である。
本発明の微生物活性測定センサは、微生物燃料電池セルの構成においてメディエータを用いることで、微生物の代謝に基づく電子を電極に流すことができるようになり、微生物活性を電気化学的応答として測定することが可能となる。また、本発明の微生物活性測定センサによれば、電極を電子受容体として利用できる電気化学的活性菌以外の微生物の活性も測定することができるため、活性汚泥等の種々の微生物を含むものの総合的な活性を直接的に測定することが可能となる。
この特徴によれば、電位掃引が可能なポテンショスタットを用いることで、微生物の代謝による電子放出を強制的に促し、微生物の活性に基づく電気化学的応答を得ることが可能となる。また、得られた電気化学的応答を演算処理して、その演算結果を表示することで、センサとして簡便かつ迅速な微生物活性測定が可能となる。
この特徴によれば、微生物の活性に係るパラメータとして、電位掃引により0Vとした際の応答電流である短絡電流の値を用い、この短絡電流の基準値を定め、前記短絡電流の基準値と測定値との比較を行うことで、微生物の現状の活性を簡便かつ迅速に直接判定することが可能となる。
この特徴によれば、微生物の活性に係るパラメータとして、一度電極間を短絡させることで電子を放出した微生物に対して、有機物を添加した際の自然電位の経時変化に係る傾きを用い、この自然電位の経時変化の傾きと微生物活性の間にある相関関係から、微生物が所定の有機物と反応する際の活性を簡便かつ迅速に判定することが可能となる。
本発明の微生物活性の評価方法は、微生物燃料電池セルの構成においてメディエータを用いることで、微生物の代謝に基づく電子を電極に流すことができるようになり、微生物活性を電気化学的応答という形でデータ収集することが可能となる。また、本発明の微生物活性の評価方法によれば、電極を電子受容体として利用できる電気化学的活性菌以外の微生物の活性も測定することができるため、活性汚泥等の種々の微生物を含むものの総合的な活性を直接的に評価することが可能となる。
この特徴によれば、電気化学的応答として電位掃引により0Vとした際の応答電流として得られる短絡電流の値を、微生物の活性に係るパラメータとして用い、この短絡電流の基準値を定め、この基準値と測定値を比較することで、微生物の現状の活性を簡便かつ迅速に直接評価することが可能となる。
この特徴によれば、一度電極間を短絡させることで電子を放出した微生物に対して、有機物を添加した際の自然電位の経時変化に係る傾きを、微生物の活性に係るパラメータとして用いることで、この自然電位の経時変化の傾きと微生物活性の間にある相関関係から、微生物が所定の有機物と反応する際の活性を簡便かつ迅速に判定することが可能となる。
この特徴によれば、セル内の酸素と微生物の代謝により発生する電子とが反応して、電子が消費されることがなくなり、より正確な測定を行うことができる。
なお、実施態様に記載する微生物活性測定センサについては、本発明に係る微生物活性測定センサ及び微生物活性の評価方法を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。
図1には、本発明の微生物活性測定センサの概略説明図が図示されている。
本発明に係る微生物活性測定センサ1は、微生物群の微生物活性を測定するための測定センサであり、図1に示すように、第1のセル11及び第2のセル12と、セル11、12の間を仕切る陽イオン交換膜20と、セル11、12にそれぞれ配置された電極31、32と、電極31、32に接続した電気化学計測器40とを設けたものである。
また、微生物活性測定センサ10には、電気化学計測器40で得られたデータを演算処理するための演算処理部50と、演算処理の結果を表示する表示部60とを備えている。
また、陽イオン交換膜20は、水素イオンを透過することのできる公知の構成であればよく、特に限定するものではない。なお、微生物燃料電池として用いられる構成を利用するものであってもよい。
ポテンショスタットは、電圧を測定・制御するための装置であり、作用極の電位を掃引して作用極に流れる応答電流を測定し、応答電流と電位差(参照極の電位と作用極の電位の差)との関係を求めることができるものである。また、電位の掃引方法としては、リニアスイープボルタンメトリー(LSV)、サイクリックボルタンメトリー、クロノクーロメトリーなどが知られているが、本発明では特にLSV測定を用いるものである。
また、表示部60は、演算処理部50における判定結果を数値または画像として出力できるモニターである。
一方のセル11に活性測定対象となる対象微生物Bを導入し、同じセル11内にメディエータMを添加する。
メディエータMは、対象微生物Bの代謝により発生する電子を受け取り、受け取った電子を電極31に渡すものである。メディエータMの具体例としては、例えば、メチレンブルー、フェリシアン化カリウム、ニュートラルレッドなどが挙げられる。
なお、もう一方のセル12に、メディエータMとは別のメディエータM′を添加してもよい。
本発明の微生物活性の測定は、微生物群の代謝により発生する電子がメディエータを介して電極に伝達され、電極間に電子が流れることを利用するものである。このとき流れる電子の量は微生物の活性と相関関係にあると考えられるため、本発明の微生物活性測定センサによる電気化学的応答を用いることで、微生物の活性を評価することが可能となる。微生物活性の評価の観点としては、対象微生物の現状の活性を直接評価するものと、対象微生物が所定の有機物(代表基質)と反応する際の活性を評価するものが挙げられる。
本発明の第1の実施態様は、対象微生物Bの現状の活性を直接評価するものである。
第1の実施態様では、対象微生物Bを含む試料に対して電位掃引を行うことで、対象微生物Bの代謝による電子の発生を強制的に促し、その発生する電子量から測定前の対象微生物Bの活性を直接評価するものである。
試料調製は次のように行った。セル11には、対象微生物Bと、メディエータMとしてメチレンブルーを添加し、窒素置換を行って脱酸素状態とした。一方、セル12には、メディエータM′としてフェリシアン化カリウムを添加した。
図2は、LSV測定から得られる電位−電流グラフである。対象微生物Bの生菌数が異なる試料についてLSV測定を行った結果を示している。
図2に示すように、LSV測定で得られた電位−電流グラフの面積は、微生物の代謝活動によって発生した電子に基づく電子量とみなすことができ、生菌数の増加に伴い、電子量が増加することがわかる。すなわち、微生物の活性状態を電気化学的に直接測定することが可能であることが示された。
図3及び図4に示すように、対象微生物Bが嫌気性菌、好気性菌のいずれであっても、生菌数とSCC値との間には一定の相関関係があることが示された。
よって、SCC値が微生物活性を測るためのパラメータとして利用可能であることが示された。
解析は、測定したSCC値のうち、基準となる基準値を定め、その他のSCC値の測定値と比較を行うものとする。例えば、初期状態において測定したSCC値の初期値を基準値として、その後測定したSCC値の測定値と比較を行うものとする。このとき、SCC値の初期値よりも測定値のほうが低くなっていれば、微生物活性が低下したものと判断する。これにより、演算処理部50において簡便に微生物活性を判定することが可能となる。
また、演算処理部50においては、あらかじめ測定した生菌数とSCC値の関係に基づいて、微生物の活性を判定することとしてもよい。
本発明の第2の実施態様は、対象微生物Bが所定の有機物(代表基質)と反応する際の活性を評価するものである。
第2の実施態様においては、対象微生物Bが代謝によって一度電子を放出した後、所定の有機物(代表基質)に対しての対象微生物Bの応答を測定するものである。
第1の実施態様と異なる点は、電気化学計測器40によって得られる電気化学的応答として、一度電極31、32間を短絡させた後、対象微生物Bの入っているセル11に、有機物を添加した際のOCVの経時変化を用いることである。
その他の測定条件、試料調製については第1の実施態様と同様である。
その後、有機物をセル11に添加して、電気化学測定器40でOCVの経時変化を測定する。
図5は、OCV測定の経時変化を示す電位−時間グラフである。対象微生物Bが異なる試料についての結果を示しており、いずれも通性嫌気性菌(Escherichia coli)を対象微生物Bとしている。
図5に示すように、OCV測定の経時変化を示す電位−時間グラフは、微生物によって異なる傾向を示し、有機物に対するそれぞれの微生物の応答の違いがOCV測定の経時変化を示す電位−時間グラフに表れることがわかる。すなわち、有機物に対する微生物の応答(活性)状態を電気化学的に測定することが可能であることが示された。このとき、OCV測定の経時変化を示す電位−時間グラフの傾き(OCV回復速度)を、有機物に対するそれぞれの微生物の反応の違い、すなわち有機物に対する微生物活性を測るためのパラメータの一つとする。
OCV回復速度は、微生物の種類及び生菌数、また有機物の種類及び濃度に応じて変化する。また、微生物の生菌数が多い、又は微生物に対する有機物の分解特性がよいほど、OCV回復速度の値は大きくなる。すなわち、OCV回復速度の値が高いほど、微生物活性が高いと考えることができる。
本実施態様の解析により、OCV回復速度と微生物活性との間には一定の相関関係があることがわかった。この相関関係に基づき、演算処理部50において微生物活性を判定することが可能となる。
また、有機物に対する微生物の応答を評価することも可能であるため、例えば、活性汚泥法による有機性排水の処理効率を評価するだけではなく、活性汚泥中の微生物活性の回復に適した有機物の迅速な特定や、異常成分の混入による微生物の活性低下の検知に基づいた異常排水の検知などに利用することができる。
Claims (8)
- 微生物の活性を測定する微生物活性測定センサであって、
陽イオン交換膜で仕切られた第1及び第2のセルと、
前記各セルに配置された電極と、
前記電極に対し、電気的な信号を印加及び/又は観測する電気化学計測器とを備え、
測定対象となる微生物を一方のセルに投入し、かつ少なくとも微生物が投入されるセルにはメディエータを添加することを特徴とする、微生物活性測定センサ。 - 前記電気化学計測器がポテンショスタットを含み、
前記電気化学計測器から得られた電気化学的応答を演算処理する演算処理部と、
前記演算処理部で処理した結果を表示する表示部をさらに備えることを特徴とする、請求項1に記載の微生物活性測定センサ。 - 前記電気化学計測器で得られる電気化学的応答が、リニアスイープボルタンメトリー測定による短絡電流の値であり、
前記演算処理部では、前記短絡電流の基準値を定め、前記短絡電流の基準値と測定値との比較に基づき、微生物の活性を判定することを特徴とする、請求項2に記載の微生物活性測定センサ。 - 前記電気化学計測器で得られる電気化学的応答が、前記電極間を短絡させた後、有機物を添加して測定した自然電位の経時変化であり、
前記演算処理部では、前記自然電位の経時変化の傾きにより、微生物の活性を判定することを特徴とする、請求項2に記載の微生物活性測定センサ。 - 微生物の活性を評価する方法であって、
陽イオン交換膜で仕切られた第1及び第2のセルのいずれか一方に、測定対象となる微生物を投入し、かつ少なくとも微生物が投入されるセルにはメディエータを添加する試料調製工程と、
前記各セルに電極を配して、電気的な信号を印加及び/又は観測する電気化学計測器によって、電気化学的応答を得るデータ収集工程と、を含むことを特徴とする、微生物活性の評価方法。 - 前記データ収集工程で得られた電気化学的応答を演算処理する演算工程を含み、
前記電気化学的応答が、リニアスイープボルタンメトリー測定による短絡電流の値であり、
前記演算工程では、前記短絡電流の基準値を定め、前記短絡電流の基準値と測定値との比較に基づき、微生物の活性を判定することを特徴とする、請求項5に記載の微生物活性の評価方法。 - 前記データ収集工程で得られた電気化学的応答を演算処理する演算工程を含み、
前記電気化学的応答が、前記電極間を短絡させた後、有機物を添加して測定した自然電位の経時変化であり、
前記演算工程では、前記自然電位の経時変化の傾きにより、微生物の活性を判定することを特徴とする、請求項5に記載の微生物活性の評価方法。 - 前記試料調製工程には、脱酸素処理が含まれていることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一項に記載の微生物活性の評価方法。
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JP7174521B2 (ja) | 2022-11-17 |
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