JP4069197B2

JP4069197B2 - Organic nitrogen compound decomposition method and water treatment method

Info

Publication number: JP4069197B2
Application number: JP2001122540A
Authority: JP
Inventors: 弘文祥雲
Original assignee: 国立大学法人筑波大学
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: JP2002316190A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機体窒素化合物の分解方法及び水処理方法に関し、特に、Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓ（ストレプトミセス・アンチビオティカス、以下「Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓ」と称す）ＮＲＲＬＢ−５４６を利用した、排水からの有機体窒素化合物の除去技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、汚染窒素の除去は、排水処理場において、硝化・脱窒処理によって行われている。
【０００３】
従来型の窒素除去（活性汚泥法）は、根本的に（１）好気的な硝化処理によるアンモニア体窒素の硝酸への変換と（２）嫌気的な脱窒処理による硝酸の窒素ガス（Ｎ_２）への変換の２過程の組み合わせからなる。
【０００４】
これらの過程は、被処理水への通気を制御することによって、交互に行われている。それぞれの過程は、活性汚泥中に生息する硝化菌と脱窒菌の働きを利用したものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この窒素処理システムは、重大な欠陥を持つ。即ち、温暖化ガス・亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）の大気中への大量放出である。Ｎ_２Ｏは、炭酸ガスの数百倍もの温室効果を示し、更にオゾン層も破壊することが知られている。また、Ｎ_２Ｏは、大気中での半減期が１５０年であり、一旦放出されると半永久的になくならない。
【０００６】
大気中のＮ_２Ｏ濃度は、炭酸ガスの１／１０００程度と微量である。しかし、その強力な温室効果と、２０世紀以降の大気中のＮ_２Ｏの増加率（毎年０．３％）とを考え合わせると、その地球温暖化に与える影響は、炭酸ガスに並ぶほど重大である。
【０００７】
従来型の窒素除去では、一般に、硝化菌の好気性要求度と脱窒菌の嫌気性要求度は非常に高く、適当な通気を制御することが困難である。硝化菌、脱窒菌のいずれも、適正な通気が行われないと、副産物としてＮ_２Ｏを生成し、これが大気中に放出される。
【０００８】
既存の技術を用いて大量の処理水への通気を完全に制御するためには、莫大なコストや時間がかかる。このため、現存の排水処理技術の中では、排水処理におけるＮ_２Ｏの放出は、大気中のＮ_２Ｏ濃度上昇原因の一つとされている。
【０００９】
本発明の課題は、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する能力を有する微生物によって、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する方法を得ることである。
また、本発明の課題は、有機体窒素化合物から窒素を生産する能力を有する微生物によって、効率的な水処理方法を得、水処理の際のＮ_２Ｏ生成を効率的に抑制することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、有機体窒素化合物を分解するにあたり、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する能力を有するストレプトミセス属の放線菌を前記有機体窒素化合物に作用させることによって、前記有機体窒素化合物から亜硝酸を生産することを特徴とする有機体窒素化合物の分解方法に係るもの（第１発明）である。
【００１１】
また、本発明は、有機体窒素化合物を含有する水を処理するにあたり、前記水と、有機体窒素化合物から窒素（窒素ガス）を生産する能力を有するストレプトミセス・アンチビオティカスＦＥＲＭＰ−１８２９４で表される放線菌とを混合し、前記有機体窒素化合物を分解することを特徴とする水処理方法に係るもの（第２発明）である。
【００１２】
本発明者は、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６が、有機体窒素化合物の好気的な未知の反応機構により亜硝酸を生成し、また、有機体窒素化合物の好気的な脱アミノ反応によりアンモニアを生成し、Ｎ_２Ｏ生成を抑制しつつ、有機体窒素化合物から窒素を生産する能力を有することを見出し、本発明に至った。
【００１３】
本発明の第１発明は、所定の微生物を培養することによって、有機体窒素化合物から亜硝酸を生物的に生産できることが見出されたことに基づく。
【００１４】
本発明では、かかる微生物は、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する能力を有している。
【００１５】
本発明では、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する能力とは、有機体窒素化合物から亜硝酸を直接生産する能力、及び有機体窒素化合物から硝酸等の中間化合物を生産して中間化合物から亜硝酸を生産する能力のいずれか少なくとも一方の能力をいう。
【００１６】
単独のストレプトミセス属の放線菌が有機体窒素を亜硝酸に変換することは、知られていない。硝化細菌の硝化において、アンモニアからの亜硝酸の生成が知られている。
【００１７】
本発明の第２発明は、所定の微生物によって、有機体窒素化合物から窒素を生物的に生産できることが見出されたことに基づく。
【００１８】
本発明では、かかる微生物は、有機体窒素化合物から窒素を生産する能力を有している。
【００１９】
本発明では、有機体窒素化合物から窒素を生産する能力とは、有機体窒素化合物から窒素を直接生産する能力、及び有機体窒素化合物から亜硝酸やアンモニア等の中間化合物を生産して中間化合物から窒素を生産する能力のいずれか少なくとも一方の能力をいう。
【００２０】
単独の微生物が有機体窒素を窒素ガスに変換することは、知られていない。脱窒菌の脱窒において、硝酸又は亜硝酸からの窒素ガスの生成が知られているのみである。
【００２１】
本発明によれば、所定の微生物によって、有機体窒素化合物から亜硝酸が生産され、或いは又有機体窒素化合物から窒素が生産されるので、活性汚泥のような複雑な生物群を用いる必要がなく、通気条件が制御し易い、効率的な水処理方法が得られ、水処理の際、Ｎ_２Ｏ生成の抑制を効率的に行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明では、有機体窒素化合物としては、特に制限されず、種々のものを用いることができる。かかる有機体窒素化合物は、例えば、タンパク質、アミノ酸、核酸、アミン類等の含窒素有機化合物が挙げられる。
【００２３】
本発明にかかる亜硝酸は、所定の微生物によって、有機体窒素化合物から生産される。かかる亜硝酸は、特に限定されず、例えば、亜硝酸ナトリウム等の亜硝酸塩等として存在することができる。
【００２４】
本発明の第１発明では、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する能力を有する微生物を用いる。かかる微生物は、ストレプトミセス属の放線菌でよく、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する限り、特に制限されない。
【００２５】
かかる微生物は、有機体窒素化合物から硝酸等の中間化合物を生産し中間化合物から亜硝酸を生産する能力を有することができる。
【００２６】
かかる微生物は、好気的条件下に、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する能力を有するのが好ましい。微生物を好気的条件下で培養できれば、嫌気的条件下で培養するのと比べ、通気条件を制御し易いからである。
【００２７】
また、かかる微生物は、従属栄養細菌であるのが好ましい。有機体窒素化合物の利用能に優れ、酵母エキス、肉エキス、ＮＺアミン（商品名）等の有機体窒素化合物を含有する培地での維持や培養が容易だからである。
【００２８】
さらに、かかる微生物は、グルコースやグリセロール等の炭素源の添加によって、亜硝酸生成活性が抑制されないのが好ましい。なお、かかる微生物の亜硝酸生成活性が、培地や排水等に混入している炭素源により抑制される場合には、かかる炭素源を除去するか、かかる炭素源を不活化することが有効である。
【００２９】
また、かかる微生物は、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する際に、特に、Ｎ_２Ｏ生成を抑制するものであるのが好ましい。
【００３０】
さらに、かかる微生物は、ストレプトミセス属の放線菌、特に、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６が好ましい。かかる微生物は、有機体窒素化合物から硝酸を生産する能力と、硝酸から亜硝酸を生産する能力とを有しており、有機体窒素化合物からの亜硝酸の生産能力に優れ、Ｎ_２Ｏ生成が著しく低いからである。
【００３１】
本発明者は、これまでに、従来知られていなかった放線菌に属する新規脱窒菌を発見している。
【００３２】
Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６は、その一例であり、通常の脱窒菌と同様に硝酸を還元し、Ｎ_２を生成する。
【００３３】
さらに、本発明者は、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６が、脱窒だけでなく、これまで知られていない新たな窒素代謝能を持つことを発見し、「共脱窒」と名付けた。
【００３４】
共脱窒は、硝酸又は亜硝酸とアンモニアとをＮ_２に変換する反応で、反応中間物にＮ_２Ｏを伴わない。また、この反応は、好気的反応である〔日本農芸化学会２０００年度大会（３月）にて発表〕。
【００３５】
本発明にかかるＳ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６は、受託番号：ＦＥＲＭＰ−１８２９４として、平成１３年４月１２日付けで工業技術院生命工学工業技術研究所に寄託してある。この菌株は、
１．枝分かれのある菌糸状の形態を示し、
２．チロシンを含む培地で黒色の色素を生成し、
３．平板培地上で白色の胞子を形成し、
４．グリセロールを炭素源として良好に生育し、
５．異化的硝酸還元能をもち、
分類学上、ストレプトミセス属の放線菌に属する。
【００３６】
かかる微生物が、有機体窒素化合物から亜硝酸を生産する代謝系は、少なくとも、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６のような従属栄養細菌では、初めての発見である。
【００３７】
また、かかる微生物が、酵母エキストラクト等の複雑な有機体窒素化合物から亜硝酸を生産できることは、ストレプトミセス属の放線菌では初めての発見である。
【００３８】
かかる微生物の培養の条件は、有機体窒素化合物からの亜硝酸の生産に適するならば、特に制限されることはない。用いる微生物の種類、溶液中の有機体窒素化合物の濃度、溶液の組成、培養密度、培養温度、培養時間等、種々の条件を設定し、微生物の亜硝酸生産能を制御することができる。
【００３９】
本発明では、かかる微生物を培養して、溶液中の有機体窒素化合物を亜硝酸に変換することができる。かかる亜硝酸は、他の生物的処理や化学的処理により、更に窒素にまで変換することができる。
【００４０】
このように、本発明の亜硝酸の生産方法は、生活排水や工場排水等の排水中の有機体窒素化合物を硝酸又は亜硝酸に分解することができるので、排水処理の方法として極めて有用である。
【００４１】
本発明の第２発明では、有機体窒素化合物から窒素を生産する能力を有する微生物を用いる。かかる微生物は、ストレプトミセス・アンチビオティカスＦＥＲＭＰ−１８２９４で表される放線菌でよく、有機体窒素化合物から窒素を生産する限り、特に制限されない。
【００４２】
本発明では、有機体窒素化合物から窒素を生産する能力を有する微生物は、有機体窒素化合物から硝酸化合物や亜硝酸化合物等の中間化合物を生産して中間化合物から窒素を生産する能力を有することができ、また、かかる微生物は、有機体窒素化合物からアンモニアを生産してアンモニアから窒素を生産する能力を有することができる。
【００４３】
かかる微生物は、硝酸又は亜硝酸とアンモニアとを窒素に変換する共脱窒の能力を有するのが好ましい。単独の微生物が２種以上の基質を窒素に変換できることは、脱窒性能を向上させるのに有利だからである。
【００４４】
本発明では、微生物は、好気的条件下に、有機体窒素化合物から窒素を生産する能力を有するのが好ましい。微生物を好気的条件下で培養できれば、嫌気的条件下で培養するのと比べ、通気条件を制御し易いからである。
【００４５】
また、かかる微生物は、従属栄養細菌であるのが好ましい。有機体窒素化合物の利用能に優れ、酵母エキス、肉エキス、ＮＺアミン等の有機体窒素化合物を含有する培地での維持や培養が容易だからである。
【００４６】
さらに、かかる微生物は、グルコースやグリセロール等の炭素源の添加によって、窒素生成活性が抑制されないのが好ましい。なお、かかる微生物の窒素生成活性が、培地や排水等に混入している炭素源により抑制される場合には、かかる炭素源を除去するか、かかる炭素源を不活化することが有効である。
【００４７】
また、かかる微生物は、有機体窒素化合物から窒素を生産する際に、特に、Ｎ_２Ｏ生成を抑制するものであるのが好ましい。
【００４８】
また、かかる微生物は、ストレプトミセス属の放線菌、特に、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６である。かかる微生物は、有機体窒素化合物からの窒素の生産能が優れ、Ｎ_２Ｏ生成が著しく低いからである。
【００４９】
かかる微生物の代謝系は、少なくとも、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６のような従属栄養細菌では、初めての発見である。
【００５０】
かかる微生物が単独で、酵母エキストラクト等の複雑な有機体窒素から窒素を生産できることは、初めての発見である。
【００５１】
本発明にかかるＳ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６は、有機体窒素化合物から硝酸、亜硝酸及びアンモニアを生産する能力を有し、硝酸又は亜硝酸とアンモニアとを窒素に変換する能力を有している。
【００５２】
かかるＳ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６は、好気的な条件下に、Ｎ_２Ｏの生成を抑制しつつ、有機体窒素化合物から窒素を生産することができる。
【００５３】
このように、本発明にかかる微生物の有機体窒素化合物からの亜硝酸又はアンモニアの生成反応と、硝酸又は亜硝酸とアンモニアとを窒素に変換する共脱窒とを組み合わせれば、好気的処理単独で、Ｎ_２Ｏ排出削減型の画期的な有機体窒素除去システムが構築できる。
【００５４】
この点で、本発明は、従来の硝化・脱窒処理の常識を打ち破り、従来の排水処理における硝化・脱窒処理に取って代わる可能性をもつ革新的なものである。
【００５５】
本発明は、排水処理産業、特に、生活排水、農畜産排水、工業排水等の有機体窒素を多く含む排水からの窒素除去の分野において、産業上利用することができる。
【００５６】
【実施例】
図面を参照して、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明する。なお、本発明は、ここに記載する実施例に制限されるものではない。
図１は、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６による有機体窒素からの亜硝酸生産を示すグラフである。図２は、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６による有機体窒素からのアンモニア生産を示すグラフである。図３は、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６によるＮ_２０排出削減型窒素除去の一例を示すグラフである。
【００５７】
実施例１〜５
Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６による有機体窒素からの亜硝酸生産を実験した。
Ｓ．ａｎｔｉｂｉｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６を、３００ｍＬの０．１重量％酵母エキスのみ添加した培地Ａ（実施例１）、培地Ａにおいて酵母エキスを肉エキスに代えた培地（実施例２）及び培地Ａにおいて酵母エキスをＮＺアミン（商品名）に代えた培地（実施例３）を用いて、好気的にフラスコ培養し、培地中の亜硝酸塩の濃度を測定した。
【００５８】
実施例１の結果を図１に示す。図１に示すように、培養に伴って、培地中に亜硝酸の蓄積が見られた。なお、亜硝酸生成に適した培地組成は、実施例１〜３のうちでは、実施例１の培地Ａ（０．１重量％酵母エキス添加）を用いたときに最も亜硝酸の生成量が多く、その生成量は、フラスコあたり６０μモルであった（図１参照）。
【００５９】
これは、本菌が培地中の有機体窒素成分（酵母エキス等）から亜硝酸を生成する能力をもつことを示す。このような代謝系は、硝化細菌の硝化によりアンモニアが亜硝酸を生成することが知られているのみであり、本菌のような従属栄養細菌でははじめてであり、酵母エキストラクト等の複雑な有機体窒素からの亜硝酸生産は微生物を通じてはじめての発見である。
【００６０】
なお、この亜硝酸生成活性は、培地Ａに１重量％グルコース（実施例４）や３重量％グリセロール（実施例５）等の炭素源を添加することによって抑制される傾向があった（図１参照）。
【００６１】
実施例６〜８
亜硝酸生産を行う異化型硝酸還元酵素（Ｎａｒ）活性を測定した。
Ｎａｒは、脱窒に関与する酵素で膜画分に存在することが知られている。この酵素は、硝酸を還元し亜硝酸を生成する。
【００６２】
培地Ａ（実施例１）、培地Ａに１０ｍＭ亜硝酸を添加した培地（実施例６）、あるいは培地Ａに１０ｍＭ硝酸を添加した培地（実施例７）を用いて、実施例１と同様な好気条件で、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６を培養し、脱窒系酵素を誘導し、１２時間経過したときの菌体を回収し、菌体の膜画分中の各種脱窒系酵素（Ｎａｒ活性等）を測定した。結果を表２に示す。
【００６３】
また、気相をアルゴンガスで置換した後に、フラスコをゴム栓で密閉し、通気を制限した嫌気条件で、培地Ａを用いてＳ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６を培養し、菌体中のＮａｒ活性を測定した（実施例８）。結果を表２に示す。なお、各酵素の測定方法は、Kobayashi M, et al., J. Biol. Chem. 271, 16263-16267(1996)に従った。
【００６４】
【表１】

【００６５】
表１に示すように、亜硝酸還元酵素が構成的に発現していることがわかった。菌体中のＮａｒ活性は、いずれの培地を用いたときも同程度であった。これは、好気的条件下でも、Ｎａｒが機能可能であることを予想させるものである。通常の細菌では、この酵素は、嫌気条件下で硝酸によって誘導合成されるが、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６のＮａｒは、これとは異なっているという特徴をもつ。
【００６６】
また、培地Ａにグルコース（実施例４）あるいはグリセロール（実施例５）を添加したところ、菌体内のＮａｒ活性は減少した。この結果は、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６によって生産される亜硝酸は、Ｎａｒにより、硝酸から生成される可能性を示す。
【００６７】
実施例９〜１１
Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６による有機体窒素からのアンモニア生産を試験した。
実施例１と同様の実験を行い、培地中のアンモニア濃度を定量した（実施例９）。結果を図２に示す。その結果、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６によって、有機体窒素からアンモニアが生成することが示された。この生成活性は、培地Ａを用いたときに最も高く、フラスコあたり０．８ｍモルであった。
【００６８】
また、図２に示すように、アンモニア生成は、培地Ａにグルコース（実施例１０）又はグリセロール（実施例１１）を添加することによって抑制された。即ち、アンモニアの生成と亜硝酸の生成とは類似の培地条件で起こった。
【００６９】
実施例１２〜１５及び比較例１及び２
Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６によるＮ_２０排出削減型窒素除去を実験した。
Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６が、有機体窒素から亜硝酸及びアンモニアを作ることは、共脱窒反応により、有機体窒素からＮ_２が生成できることを予想させる。
【００７０】
実際、表２に示す培地Ｂに１０ｍＭずつの亜硝酸とアンモニアを添加した培地（ｐＨ５．０：実施例１２及びｐＨ７．２：実施例１３）を用いて、実施例１と同様の好気条件でＳ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６を培養すると、気相中に窒素ガスが生成することが分かった（図３）。この例においては、硝酸又は亜硝酸は、安定同位体１５Ｎで標識してあるので、アンモニアと硝酸又は亜硝酸のハイブリッドによる窒素ガスは、^１５Ｎ^１４Ｎとして検出される。
【００７１】
【表２】

【００７２】
なお、図３に示すように、亜硝酸とアンモニアとを添加した培地は、菌体を加えなくとも、ｐＨ５等の酸性（比較例１）では、ｐＨ７等の中性（比較例２）に比べて窒素ガスを多く生成する。したがって、図３のｐＨ５．０で、微生物が生産する窒素の量は、培地自体が生成する窒素の量を控除することで求められる。
【００７３】
また、培地Ａに１０ｍＭずつの硝酸とアンモニアを添加した培地（ｐＨ５．０：実施例１４及びｐＨ７．２：実施例１５）を用いて、実施例１と同様の好気条件でＳ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６を培養した。
【００７４】
この場合も、図３に示すように、気相中に窒素ガスが生成することが分かった。このことは、Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６が、硝酸を亜硝酸に変換し、亜硝酸から窒素ガスを生産することを示す。
【００７５】
実施例１２〜１５の際、亜酸化窒素の生成量が少なかった（２μモル／フラスコ）。このことは、本菌を用いるシステムが、温室ガスである亜酸化窒素排出抑制型排水処理システムの構築に有用であることを示す。
【００７６】
本菌の共脱窒系を利用すれば、排水からの有機体窒素及び硝酸の同時除去が可能である。また、本菌は、嫌気条件下よりも好気的条件下で強い窒素ガス生成活性を示すことから、好気的脱窒処理が可能である。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、単一の微生物を用いて有機体窒素化合物を亜硝酸又は窒素に変換できるので、従来に比べ制御が容易で効率的な窒素除去システムを提供することができる。
【００７８】
また、本発明の方法は、制御が容易で効率的であるので、たとえ好気的な条件であっても、Ｎ_２０を発生させないで、有機体窒素化合物から窒素を除去するシステムの構築が可能である。かかる窒素除去は、温室ガスＮ_２０の大気中への放散が少ない環境にやさしい技術である。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６による有機体窒素からの亜硝酸生産を示すグラフである。
【図２】Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６による有機体窒素からのアンモニア生産を示すグラフである。
【図３】Ｓ．ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃｕｓＮＲＲＬＢ−５４６によるＮ_２０排出削減型窒素除去の一例を示すグラフである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for decomposing organic nitrogen compounds and a method for treating water, and in particular, from Streptomyces antibioticus ( Streptomyces antibioticus , hereinafter referred to as “S. antibioticus”) NRRL B-546. The present invention relates to organic nitrogen compound removal technology.
[0002]
[Prior art]
Currently, polluted nitrogen is removed by nitrification and denitrification at wastewater treatment plants.
[0003]
Conventional nitrogen removal (activated sludge process) is basically (1) conversion of ammonia nitrogen to nitric acid by aerobic nitrification and (2) nitrogen gas of nitric acid (N) by anaerobic denitrification ₂ ) It consists of a combination of two processes of conversion to
[0004]
These processes are alternately performed by controlling the ventilation to the water to be treated. Each process utilizes the action of nitrifying bacteria and denitrifying bacteria that live in activated sludge.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, this nitrogen treatment system has serious deficiencies. That is, a large amount of greenhouse gas / nitrous oxide (N ₂ O) is released into the atmosphere. N ₂ O is known to exhibit a greenhouse effect several hundred times that of carbon dioxide and to destroy the ozone layer. N ₂ O has a half-life in the atmosphere of 150 years and does not disappear semi-permanently once released.
[0006]
The N ₂ O concentration in the atmosphere is as small as about 1/1000 of carbon dioxide. However, when combined with its strong greenhouse effect and the rate of increase in atmospheric N ₂ O since the 20th century (0.3% per year), its impact on global warming is as significant as that of carbon dioxide. It is.
[0007]
In conventional nitrogen removal, in general, the aerobic requirement of nitrifying bacteria and the anaerobic requirement of denitrifying bacteria are very high, and it is difficult to control appropriate aeration. If neither nitrifying bacteria nor denitrifying bacteria are properly ventilated, N ₂ O is produced as a by-product and released into the atmosphere.
[0008]
It takes enormous costs and time to completely control the ventilation of a large amount of treated water using existing technology. For this reason, in the existing wastewater treatment technology, the release of N ₂ O in wastewater treatment is considered to be one of the causes of the increase in N ₂ O concentration in the atmosphere.
[0009]
An object of the present invention, by a microorganism having the ability to produce nitrous acid from organisms nitrogen compounds, is to obtain a method for producing a nitrite from an organism nitrogen compound.
Another object of the present invention is to obtain an efficient water treatment method by a microorganism having the ability to produce nitrogen from organic nitrogen compounds, and to efficiently suppress N ₂ O production during water treatment. .
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In decomposing the organic nitrogen compound, the present invention allows the actinomycetes of the genus Streptomyces having the ability to produce nitrous acid from the organic nitrogen compound to act on the organic nitrogen compound. The invention relates to a method for decomposing an organic nitrogen compound characterized by producing nitrous acid (first invention).
[0011]
The present invention also relates to Streptomyces antibioticus FERM P-18294 having the ability to produce nitrogen (nitrogen gas) from the water and the organic nitrogen compound when treating water containing the organic nitrogen compound. It is related to the water treatment method characterized by mixing the actinomycetes represented by this, and decomposing | disassembling the said organic nitrogen compound (2nd invention).
[0012]
The present inventor antibioticus NRRL B-546 is, by aerobic unknown reaction mechanism of the organism nitrogen compound to produce nitrous acid, also generates ammonia by aerobic deamination organism nitrogen _{compounds, N} 2 O It has been found that it has the ability to produce nitrogen from organic nitrogen compounds while suppressing the production, and has led to the present invention.
[0013]
The first invention of the present invention is based on the finding that nitrous acid can be biologically produced from organic nitrogen compounds by culturing a predetermined microorganism.
[0014]
In the present invention, such microorganisms have the ability to produce nitrous acid from organic nitrogen compounds.
[0015]
In the present invention, the ability to produce nitrous acid from organic nitrogen compounds refers to the ability to produce nitrous acid directly from organic nitrogen compounds, and to produce intermediate compounds such as nitric acid from organic nitrogen compounds and It refers to the ability to produce at least one of nitric acid.
[0016]
It is not known that a single Streptomyces actinomycete converts organic nitrogen to nitrite. In nitrification of nitrifying bacteria, production of nitrous acid from ammonia is known.
[0017]
The second invention of the present invention is based on the discovery that nitrogen can be produced biologically from organic nitrogen compounds by a predetermined microorganism.
[0018]
In the present invention, such microorganisms have the ability to produce nitrogen from organic nitrogen compounds.
[0019]
In the present invention, the ability to produce nitrogen from organic nitrogen compounds refers to the ability to produce nitrogen directly from organic nitrogen compounds, and the production of intermediate compounds such as nitrous acid and ammonia from organic nitrogen compounds. It refers to the ability to produce at least one of the ability to produce nitrogen.
[0020]
It is not known that a single microorganism converts organic nitrogen to nitrogen gas. In the denitrification of denitrifying bacteria, production of nitrogen gas from nitric acid or nitrous acid is only known.
[0021]
According to the present invention, nitrous acid is produced from an organic nitrogen compound by a predetermined microorganism, or nitrogen is produced from an organic nitrogen compound, so there is no need to use a complex organism group such as activated sludge. In addition, an efficient water treatment method in which the aeration conditions are easy to control is obtained, and N ₂ O production can be efficiently suppressed during the water treatment.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
In the present invention, the organic nitrogen compound is not particularly limited, and various organic nitrogen compounds can be used. Examples of such organic nitrogen compounds include nitrogen-containing organic compounds such as proteins, amino acids, nucleic acids, and amines.
[0023]
The nitrous acid according to the present invention is produced from an organic nitrogen compound by a predetermined microorganism. Such nitrous acid is not particularly limited, and can exist, for example, as nitrite such as sodium nitrite.
[0024]
In the first invention of the present invention, a microorganism having an ability to produce nitrous acid from an organic nitrogen compound is used. Such microorganisms may actinomycete Streptomyces, as long as the production of nitrite from organisms nitrogen compound is not particularly limited.
[0025]
Such a microorganism can have an ability to produce an intermediate compound such as nitric acid from an organic nitrogen compound and to produce nitrous acid from the intermediate compound.
[0026]
Such microorganisms preferably have the ability to produce nitrous acid from organic nitrogen compounds under aerobic conditions. This is because if the microorganisms can be cultured under an aerobic condition, the aeration conditions can be controlled more easily than when the microorganism is cultured under an anaerobic condition.
[0027]
Such microorganisms are preferably heterotrophic bacteria. This is because the organic nitrogen compounds are highly available and can be easily maintained and cultured in a medium containing organic nitrogen compounds such as yeast extract, meat extract, and NZ amine (trade name).
[0028]
Furthermore, it is preferable that such microorganisms are not inhibited in nitrite production activity by the addition of a carbon source such as glucose or glycerol. In addition, when the nitrous acid production activity of such microorganisms is suppressed by a carbon source mixed in the culture medium or waste water, it is effective to remove the carbon source or inactivate the carbon source. .
[0029]
Moreover, it is preferable that this microorganism suppresses N ₂ O production particularly when producing nitrous acid from an organic nitrogen compound.
[0030]
Furthermore, such microorganisms are actinomycetes of the genus Streptomyces, in particular S. aureus. Antibiotics NRRL B-546 is preferred. Such microorganisms have the ability to produce nitric acid from organic nitrogen compounds and the ability to produce nitrous acid from nitric acid, have excellent ability to produce nitrous acid from organic nitrogen compounds, and produce N ₂ O. This is because it is extremely low.
[0031]
The present inventor has discovered a novel denitrifying bacterium belonging to actinomycetes that has not been known so far.
[0032]
S. Antibiotics NRRL B-546 is an example of this, and reduces nitric acid in the same manner as ordinary denitrifying bacteria to produce N ₂ .
[0033]
Furthermore, the present inventor It was discovered that antibiotics NRRL B-546 has not only denitrification but also a new nitrogen metabolism ability that has not been known so far, and named it “co-denitrification”.
[0034]
Co-denitrification is a reaction that converts nitric acid or nitrous acid and ammonia into N ₂ , and does not involve N ₂ O in the reaction intermediate. This reaction is an aerobic reaction [announced at the 2000 Annual Meeting of the Japanese Society for Agricultural Chemistry (March)].
[0035]
S. according to the present invention. Antibiotics NRRL B-546 has been deposited at the Institute of Biotechnology, Institute of Industrial Science and Technology on April 12, 2001, under the accession number: FERM P-18294. This strain is
1. Showing a branched mycelial form,
2. Produce black pigment in medium containing tyrosine,
3. Forming white spores on the plate medium,
4). Grow well with glycerol as a carbon source,
5. It has catabolic nitrate reduction ability,
Taxonomically, it belongs to Streptomyces actinomycetes.
[0036]
The metabolic system in which such microorganisms produce nitrous acid from organic nitrogen compounds is at least S. cerevisiae. This is the first discovery of heterotrophic bacteria such as antibioticus NRRL B-546.
[0037]
Moreover, it is the first discovery in Streptomyces actinomycetes that such microorganisms can produce nitrous acid from complex organic nitrogen compounds such as yeast extract.
[0038]
Conditions for culturing such microorganisms are not particularly limited as long as they are suitable for production of nitrous acid from organic nitrogen compounds. Various conditions such as the type of microorganism used, the concentration of organic nitrogen compounds in the solution, the composition of the solution, the culture density, the culture temperature, and the culture time can be set to control the ability of the microorganism to produce nitrous acid.
[0039]
In the present invention, such a microorganism can be cultured to convert the organic nitrogen compound in the solution into nitrous acid. Such nitrous acid can be further converted to nitrogen by other biological and chemical treatments.
[0040]
Thus, the nitrous acid production method of the present invention is extremely useful as a wastewater treatment method because organic nitrogen compounds in wastewater such as domestic wastewater and factory wastewater can be decomposed into nitric acid or nitrous acid. .
[0041]
In the second invention of the present invention, a microorganism having an ability to produce nitrogen from an organic nitrogen compound is used. Such microorganisms may actinomycete represented by Streptomyces anti Biot Tikka scan FERM P-18294, as long as the production of nitrogen from the organism nitrogen compound is not particularly limited.
[0042]
In the present invention, a microorganism having an ability to produce nitrogen from an organic nitrogen compound has an ability to produce an intermediate compound such as a nitrate compound or a nitrite compound from the organic nitrogen compound and produce nitrogen from the intermediate compound. Such microorganisms can also have the ability to produce ammonia from organic nitrogen compounds and to produce nitrogen from ammonia.
[0043]
Such microorganisms preferably have the ability of co-denitrification to convert nitric acid or nitrous acid and ammonia into nitrogen. This is because the ability of a single microorganism to convert two or more substrates into nitrogen is advantageous for improving the denitrification performance.
[0044]
In the present invention, the microorganism preferably has the ability to produce nitrogen from organic nitrogen compounds under aerobic conditions. This is because if the microorganisms can be cultured under an aerobic condition, the aeration conditions can be controlled more easily than when the microorganism is cultured under an anaerobic condition.
[0045]
Such microorganisms are preferably heterotrophic bacteria. It is because it is excellent in the availability of organic nitrogen compounds and is easily maintained and cultured in a medium containing organic nitrogen compounds such as yeast extract, meat extract, and NZ amine.
[0046]
Further, it is preferable that such microorganisms are not inhibited in nitrogen generation activity by the addition of a carbon source such as glucose or glycerol. In addition, when the nitrogen generating activity of such microorganisms is suppressed by a carbon source mixed in the culture medium or wastewater, it is effective to remove the carbon source or inactivate the carbon source.
[0047]
Moreover, it is preferable that this microorganism suppresses N ₂ O production particularly when producing nitrogen from an organic nitrogen compound.
[0048]
Such microorganisms are also actinomycetes of the genus Streptomyces, in particular S. cerevisiae. antibioticus is NRRL B-546. This is because such microorganisms are excellent in the ability to produce nitrogen from organic nitrogen compounds and the production of N ₂ O is remarkably low.
[0049]
The metabolic system of such microorganisms is at least S. This is the first discovery of heterotrophic bacteria such as antibioticus NRRL B-546.
[0050]
It is the first discovery that such microorganisms can produce nitrogen alone from complex organic nitrogen such as yeast extract.
[0051]
S. according to the present invention. Antibiotics NRRL B-546 has the ability to produce nitric acid, nitrous acid and ammonia from organic nitrogen compounds, and has the ability to convert nitric acid or nitrous acid and ammonia to nitrogen.
[0052]
Such S.P. Antibiotics NRRL B-546 can produce nitrogen from organic nitrogen compounds while suppressing the production of N ₂ O under aerobic conditions.
[0053]
Thus, the aerobic treatment can be achieved by combining the production reaction of nitrous acid or ammonia from the organic nitrogen compound of the microorganism according to the present invention with co-denitrification for converting nitric acid or nitrous acid and ammonia into nitrogen. Independently, an innovative organic nitrogen removal system that reduces N ₂ O emissions can be constructed.
[0054]
In this respect, the present invention is an innovative one that breaks the common sense of conventional nitrification / denitrification treatment and has the potential to replace nitrification / denitrification treatment in conventional wastewater treatment.
[0055]
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used industrially in the wastewater treatment industry, particularly in the field of nitrogen removal from wastewater containing a lot of organic nitrogen such as domestic wastewater, agricultural and livestock wastewater, and industrial wastewater.
[0056]
【Example】
With reference to the drawings, the present invention will be specifically described based on examples. In addition, this invention is not restrict | limited to the Example described here.
FIG. It is a graph which shows nitrous acid production from organic nitrogen by antibioticus NRRL B-546. FIG. It is a graph which shows the ammonia production from organic nitrogen by antibioticus NRRL B-546. FIG. antibioticus is a graph showing an example of _{N 2} 0 emission reduction type nitrogen removal by NRRL B-546.
[0057]
Examples 1-5
S. Nitrous acid production from organic nitrogen by antibioticus NRRL B-546 was tested.
S. Antibiotics NRRL B-546, medium A (Example 1) to which only 300 mL of 0.1% by weight yeast extract was added, medium in which yeast extract was replaced with meat extract in medium A (Example 2), and yeast extract in medium A Was cultured in an aerobic flask using a medium (Example 3) in which was replaced with NZamine (trade name), and the concentration of nitrite in the medium was measured.
[0058]
The results of Example 1 are shown in FIG. As shown in FIG. 1, accumulation of nitrous acid was observed in the medium during the culture. The medium composition suitable for nitrous acid production is the largest amount of nitrous acid among Examples 1 to 3 when medium A of Example 1 (with 0.1% by weight yeast extract added) is used. The amount produced was 60 μmol per flask (see FIG. 1).
[0059]
This indicates that this bacterium has an ability to produce nitrous acid from organic nitrogen components (yeast extract etc.) in the medium. Such a metabolic system is only known that ammonia produces nitrite by nitrification of nitrifying bacteria. This is the first time for heterotrophic bacteria such as this bacterium, and it has a complex presence such as yeast extract. Nitrous acid production from airframe nitrogen is the first discovery through microorganisms.
[0060]
This nitrite production activity tended to be suppressed by adding a carbon source such as 1 wt% glucose (Example 4) or 3 wt% glycerol (Example 5) to the medium A (FIG. 1). reference).
[0061]
Examples 6-8
Catabolic nitrate reductase (Nar) activity for nitrite production was measured.
Nar is an enzyme involved in denitrification and is known to exist in the membrane fraction. This enzyme reduces nitric acid to produce nitrous acid.
[0062]
Using medium A (Example 1), a medium in which 10 mM nitrous acid was added to Medium A (Example 6), or a medium in which 10 mM nitric acid was added to Medium A (Example 7), the same preference as in Example 1 was used. S. Antibiotics NRRL B-546 was cultured, denitrification enzymes were induced, the cells were collected after 12 hours, and various denitrification enzymes (Nar activity etc.) in the membrane fraction of the cells were measured. . The results are shown in Table 2.
[0063]
In addition, after the gas phase was replaced with argon gas, the flask was sealed with a rubber stopper, and S. Antibiotics NRRL B-546 was cultured, and Nar activity in the cells was measured (Example 8). The results are shown in Table 2. In addition, the measuring method of each enzyme followed Kobayashi M, et al., J. Biol. Chem. 271, 16263-16267 (1996).
[0064]
[Table 1]

[0065]
As shown in Table 1, it was found that nitrite reductase was constitutively expressed. The Nar activity in the cells was similar when using any medium. This is expected to indicate that Nar can function even under aerobic conditions. In normal bacteria, this enzyme is induced and synthesized by nitric acid under anaerobic conditions. Antibiotics NRRL B-546 Nar has a different feature.
[0066]
Moreover, when glucose (Example 4) or glycerol (Example 5) was added to the medium A, Nar activity in the microbial cells decreased. This result is shown in S.E. Nitrous acid produced by antibioticus NRRL B-546 shows the possibility of being produced from nitric acid by Nar.
[0067]
Examples 9-11
S. Ammonia production from organic nitrogen by antibiotics NRRL B-546 was tested.
The same experiment as in Example 1, was quantitated ammonia concentration in the medium (Example 9). The results are shown in FIG. As a result, S.E. Antibiotics NRRL B-546 showed that ammonia was produced from organic nitrogen. This production activity was highest when medium A was used, and was 0.8 mmol per flask.
[0068]
Further, as shown in FIG. 2, the ammonia generated was inhibited by the addition of glucose (Example 10) or glycerol (Example 11) to the medium A. That is, ammonia production and nitrous acid production occurred under similar medium conditions.
[0069]
Example 12-1 5 and Comparative Examples 1 and 2
S. antibioticus were studied _{N 2} 0 emission reduction type nitrogen removal by NRRL B-546.
S. Antibiotics NRRL B-546 makes nitrous acid and ammonia from organic nitrogen predicts that N ₂ can be generated from organic nitrogen by a co-denitrification reaction.
[0070]
Actually, the same aerobicity as in Example 1 using a medium (pH 5.0: Example 12 and pH 7.2: Example 1 3 ) in which 10 mM each of nitrous acid and ammonia were added to medium B shown in Table 2. S. It was found that when antibiotics NRRL B-546 was cultured, nitrogen gas was generated in the gas phase (FIG. 3). In this example, since nitric acid or nitrous acid is labeled with a stable isotope 15N, nitrogen gas due to a hybrid of ammonia and nitric acid or nitrous acid is detected as ¹⁵ N ¹⁴ N.
[0071]
[Table 2]

[0072]
As shown in FIG. 3, the medium supplemented with nitrous acid and ammonia is more acidic than pH 5 (Comparative Example 1) and neutral (Comparative Example 2) such as pH 7 without adding bacterial cells. Produces a lot of nitrogen gas. Therefore, the amount of nitrogen produced by the microorganism at pH 5.0 in FIG. 3 can be obtained by subtracting the amount of nitrogen produced by the medium itself.
[0073]
Also, media supplemented with nitric acid and ammonia by 10mM the medium A (pH 5.0: Example 1 4 and pH 7.2: Example 1 5) using, S. under aerobic conditions as in Example 1 Antibiotics NRRL B-546 was cultured.
[0074]
Also in this case, it was found that nitrogen gas was generated in the gas phase as shown in FIG. This is because S.A. Antibiotics NRRL B-546 shows that nitric acid is converted to nitrous acid and nitrogen gas is produced from nitrous acid.
[0075]
In Examples 12 to 15, the amount of nitrous oxide produced was small (2 μmol / flask). This indicates that the system using this bacterium is useful for the construction of a wastewater treatment system for suppressing nitrous oxide emission, which is a greenhouse gas.
[0076]
If the co-denitrification system of this bacterium is used, simultaneous removal of organic nitrogen and nitric acid from wastewater is possible. Moreover, since this bacterium shows stronger nitrogen gas generation activity under aerobic conditions than under anaerobic conditions, it can be subjected to aerobic denitrification treatment.
[0077]
【The invention's effect】
According to the present invention, since an organic nitrogen compound can be converted into nitrous acid or nitrogen using a single microorganism, it is possible to provide a nitrogen removal system that is easier to control and more efficient than conventional ones.
[0078]
In addition, since the method of the present invention is easy and efficient to control, it is possible to construct a system for removing nitrogen from organic nitrogen compounds without generating N ₂ O even under aerobic conditions. Is possible. Such nitrogen removal is an environment-friendly technique with little emission of greenhouse gas N ₂ into the atmosphere.
[Brief description of the drawings]
FIG. It is a graph which shows nitrous acid production from organic nitrogen by antibioticus NRRL B-546.
FIG. It is a graph which shows the ammonia production from organic nitrogen by antibioticus NRRL B-546.
FIG. antibioticus is a graph showing an example of _{N 2} 0 emission reduction type nitrogen removal by NRRL B-546.

Claims

In decomposing organic nitrogen compounds,
Actinomycetes of the genus Streptomyces having the ability to produce nitrous acid from organisms nitrogen compounds by the action on the organism nitrogen compounds, organisms nitrogen, characterized by the production of nitrous acid from the organism nitrogen compound Method for decomposing compounds .

In treating water containing organic nitrogen compounds,
Mixing the water with Streptomyces antibioticus FERM P-18294 having the ability to produce nitrogen from organic nitrogen compounds, and decomposing the organic nitrogen compounds Water treatment method.

The water treatment method according to claim 2, wherein the actinomycetes have an ability to produce nitrous acid from an organic nitrogen compound.

The water treatment method according to claim 2 or 3, wherein the actinomycetes have an ability to produce ammonia from organic nitrogen compounds and an ability to produce nitrogen from nitrous acid and ammonia .

The water treatment method according to any one of claims 2 to 4, wherein the actinomycetes are cultured under aerobic conditions to decompose the organic nitrogen compound.

The water treatment method according to any one of claims 2 to 5, wherein the actinomycetes are heterotrophic bacteria.

The water treatment method according to claim 6, wherein the heterotrophic bacterium is Streptomyces antibioticus FERM P-18294.