JP4112082B2 - Method for promoting growth of Burkholderia cepacia 1A and bioreactor using the microorganism - Google Patents

Method for promoting growth of Burkholderia cepacia 1A and bioreactor using the microorganism Download PDF

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Description

【0001】
【技術分野】
本発明はリン、窒素等の栄養塩濃度が低い低栄養条件で生育し、芳香族化合物を含有する排水を分解することのできる低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aの生育促進法、該微生物を用いた芳香族化合物、例えばフェノール含有排水処理用バイオリアクター、および該バイオリアクターを用いた排水処理技術に関するものである。
【0002】
【従来技術】
自然環境は一般的に低栄養条件であると考えられており、また製油所や化学工場などの排水は、リンや窒素に乏しい低栄養排水であるので、通常知られている微生物は生育できないので、従来の環境浄化技術では、汚染環境に(NH42SO4、NH4Cl、Na3PO4、Na2HPO4等の栄養塩類を添加し、微生物の活性を高める方法が行われている[(D.A.Gravesら、Applied Biochemistry and Biotechnology,vol.28,P813(1991):原山 重明、「地球をまもる小さな生き物たち」、技報堂出版、P109(1995):西村 実、土と微生物、No46、P19(1995):C.H.Nelsonら、「Hydrocarbon Bioremediation」、CRC Press、P125(1994)]。
【0003】
また排水処理においても、微生物の生育と活性を保つために炭素:リン:窒素の割合を制御することが必要であると考えられている。炭素:リン:窒素の割合を制御するためには、排水に栄養塩を添加する方法が一般的である[「廃水処理技術指導書」、石油連盟、P129(1975):「公害防止の技術と法規」、財団法人産業公害防止協会、P215(1992)]。
さらに特開平6−500495では汚染環境に栄養塩を効率よく持続的に与えるための方法が記されており、また特開平7−507208ではリン酸エステルを添加することにより、栄養物質の供給と同時に汚染物質を乳化させる方法が記されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように自然環境は一般的に低栄養条件であると考えられており、また製油所や化学工場などの排水もリンや窒素に乏しい低栄養排水である。この様な条件では通常知られている微生物は生育できないので、環境浄化や低栄養排水の処理には栄養塩類を添加して微生物の活性を高めることが必要である。
しかし汚染環境や排水に添加する栄養塩類は、環境浄化や排水処理にかかるコストの1つである。特に浄化しようとする汚染場所が広い範囲であったり、あるいは処理をしようとする排水量が多い場合には添加する栄養塩類にかかる費用は莫大なものとなる。
さらに過剰に添加した栄養塩類は、地下水の硝酸汚染や環境の富栄養化等の二次汚染の原因となるので、添加方法や添加量の制御は重要である。
【0005】
すなわち、窒素源は、土壌微生物の作用により酸化されて硝酸体となる。したがって窒素源を過剰に与えると土壌や地下水中の硝酸イオン濃度が高くなる。硝酸イオンは、発ガン性が指摘されており、飲料水への混入が問題となっている[鶴巻 道二、「地下水汚染・土壌汚染の現状と浄化対策」、工業技術会、P98(1993)]。
また、過剰に添加した栄養塩類、特にリンおよび窒素源が雨水や地下水によって河川や湖沼に流入すると環境の富栄養化を引き起こす。環境の富栄養化はアオコの異常発生や飲料水のカビ臭の原因となるため、生活排水中のリンや窒素を除去する方法が数多く提案されている[中村 和憲、「微生物の生態17」、学会出版センター、P31(1991):深瀬 哲朗、「地球をまもる小さな生き物たち」、技報堂出版、P133(1995)]。
P.Morganらは土壌環境に栄養塩類を添加することが土着微生物の有機物質の分解活性を阻害することを指摘している[Wat.Sci.Tech.,vol.6,P63(1990)]。
【0006】
添加した栄養塩類による二次汚染を回避するには、栄養塩類をコントロールしながら添加することが必要である。しかしこの様な制御装置を排水処理設備に設置することは、設備をより高価なものとし、排水の処理コストを増大させる。
さらに汚染土壌や地下水等の汚染環境は解放系であるため、栄養塩類をコントロールしながら効率よく添加するには、何らかの方法で汚染環境を閉鎖する必要がある。しかし汚染環境を土木的方法によって閉鎖するには、多額な資金が必要であり、特に汚染環境が広い場合には技術的に困難である。したがって汚染環境において、添加した栄養塩類による二次汚染を防ぐことは事実上不可能と言わざるを得ない。
【0007】
低栄養性微生物の存在は古くから知られており、多くの研究がなされている。これまで低栄養性微生物は生育条件の中の有機炭素量でのみ論じられており、有機炭素濃度が1から15ppm以下で生育可能な微生物が低栄養性微生物と称されて研究されている[(畝本 力、「特殊環境に生きる細菌の巧みなライフスタイル」、共立出版、P7(1993):江口 充、「海洋微生物とバイオテクノロジー」、技報堂出版、P68(1991):諏訪 裕一ら、「微生物の分離法」、R&Dプランニング、P545(1990)]。
しかしながら自然汚染環境あるいは製油所や化学工場の排水は、汚染物質である有機炭素の濃度が高く、その他のリン、窒素等の栄養塩濃度のみが低い状態にある。この様な有機炭素の濃度が高く、その他のリン、窒素等の栄養塩濃度のみが低い条件で生育し汚染物質を分解する微生物は、従来の低栄養性微生物の概念に当てはまらないものであり、これまでに報告がない。
【0008】
本発明の目的は、栄養塩類を添加することなしに、低栄養条件で生育し、芳香族化合物を分解することのできる低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aの生育促進方法、該微生物を用いた芳香族化合物、例えばフェノール含有排水処理用バイオリアクター、および該バイオリアクターを用いた排水処理技術、例えば製油所や化学工場などのフェノール含有排水処理技術を提供することにある。
なお、本発明で言う低栄養条件とは、前記のように有機炭素の濃度が高く、例えば、15ppm以上で、かつリン、窒素等の栄養塩濃度が低い、例えば、リン5ppm以下でかつ窒素50ppm以下のような条件を指す。
【0009】
【課題を解決するための手段】
普通の自然環境は低栄養状態と考えられているが、本発明者らは、微生物の生育に特に重要なリンと窒素に注目し、自然環境中のリンと窒素の濃度を測定した。その結果、土壌や地下水では次表1に示すように窒素濃度が約60ppm以下、リン濃度が約3ppm以下である。海洋では更に栄養成分濃度は低く、窒素濃度が約1.0ppm以下、リン濃度が約0.1ppm以下である。
【0010】
【表1】

Figure 0004112082
【0011】
前記自然環境中のリンと窒素の濃度の測定値に基づき、本発明者らは目的とする有機炭素の濃度が高く、その他のリンと窒素の栄養塩濃度のみが低い条件で生育し、汚染物質を分解することのできる微生物を得るための培地は、リン濃度が約5ppm以下で、かつ窒素濃度が約50ppm以下のものであることを見出し、この知見に基づき、低栄養条件下で芳香族化合物を分解する微生物としてBurkholderia cepacia 1A(FERM P−15566)を先に提案している。
【0012】
さらに本発明者らは、栄養塩類を添加することなしに、低栄養状態の排水を効率よく処理するためには、低栄養性微生物は、菌体生育量が少ないため、菌体量を高めたバイオリアクターを構築する必要があると考え、低栄養条件である製油所や化学工場などの低栄養排水について低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aを用いたバイオリアクターについて菌体濃度を高めるため実験を多く行った。
【0013】
すなわち、低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aを培養する際に、培養液にポリスチレン、テフロン、ポリプロピレン、デルリン、アルミナ、エポキシ樹脂、ナイロン、ポリエチレンの各種素材で作成したビーズを添加し、該微生物の生育量とフェノール分解量について検討した。その結果、培養液中にポリスチレンを添加することによって、低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aの生育とこれに伴うフェノールの分解活性が著しく向上することを見出し、本発明に到達することができた。
従って、本発明の特徴の第1は、Burkholderia cepacia1Aの生育を低栄養条件でポリエスチレンの共存下で行うことを特徴とするBurkholderia cepacia 1Aの生育促進方法に関する。
【0014】
培地にプラスチック製品を添加して微生物を生育させる研究は、本発明前に服部らの報告がある〔森崎久雄ら、界面と微生物、学会出版センター(1988)〕。服部らは、培養液にプラスチック製の陰イオン交換樹脂を添加して、微生物の生育至適pHがイオン交換樹脂を添加しない場合と比べてアルカリ側に移動することを見い出した。そして、この現象は陰イオン交換樹脂の表面近傍における培養液のpHが陰イオン交換樹脂から遠くに存在する培養液のpHと異なることに起因するものと考察している。
しかしポリスチレンには、イオン交換能と言ったような特別な機能はなく、陰イオン交換樹脂の添加効果と本発明で使用するポリスチレンの作用とは、まったく異なるものである。
【0015】
一方、菌体の固定化法については、従来より多く研究がなされており、アルギン酸、ポリビニールアルコール、κ−カラギーナン、ゲランガム、アガロース、セルロース、デキストラン等のゲル状物質に包括固定する方法や、ガラス、活性炭、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、木材、シリカゲル等の表面に吸着固定する方法を挙げることができる[扇元 敬司、「バイオテクノロジーテキストシリーズ 微生物学」、講談社、P168(1994)、相田 浩ら、「新版 応用微生物学II」、朝倉書店、P116(1995)]。
【0016】
また、フェノールの排水処理に於いてもRhcdococcus属細菌[S−L.Pai外ら、Bioresource Tech.,51,P37(1995)]やPsendomonas putida[渡辺一哉ら、水処理技術、36,P77(1994)、A.Morsenら、Appl.Microbiol.Biotech.,33,P206(1990)]等の細菌、Candidatropicalis[H.Wenhua外ら、Water Trent,8,P119(1993)]やCryptococcus elinovir[A.Morsenら、Appl.Microbiol.Biotech.,33,P206(1990)]等の酵母及び活性汚泥[F.S.Lakhwala ら、Bioprocess Engi.,8,P9(1992)]をアルギン酸やポリビニルアルコール等による包括法及び活性炭や粘土鉱物による吸着法にて固定化して用いる例が報告されている。
【0017】
しかしながら、本発明における前記ポリスチレンの効果は、その効果からみて、担体としての菌体固定化のための効果のみではなく、Burkholderia cepacia 1A培養液中の浮遊菌体の量をも高める他の素材には見られない増殖触媒作用であると考えられる。
前記ポリスチレンの増殖触媒作用は、ポリスチレンが水に不溶なプラスチックであること、低栄養性微生物Burkhoderia cepacia 1Aがポリスチレン製のビーズを炭素源として利用できないこと、培養液中に加えるポリスチレン製のビーズの数に比例することより、ポリスチレンの表面積に依存するものと考えられる(実施例7,9)。
【0018】
培養液中に加えるポリスチレンの形状は、ビーズ状のものに限られるものではなく、シート状、ハニカム状、パイプ状等の種々の形状のものを用いることができるが、前記のようにその表面積の大きいものが好ましい。さらにポリスチレンは、他のプラスチック、ガラス、シリカゲル、アルミナ、金属等の表面にポリスチレンをコーティングした形でも用いることができる。
【0019】
さらに、本発明者らは培養液中に加えるポリスチレンの使用態様について検討した結果、ポリスチレンに物理的な力を加え、該ポリスチレン表面に保持されて増殖した菌体の少なくとも一部を積極的に剥離させ、浮遊菌体とすることにより、ポリスチレンの増殖作用が向上することを見出した。この増殖作用の向上の原因としては、図4に示すように、ポリスチレン表面から菌体剥離され、該剥離された浮遊菌体もフェノール分解活性を有する菌体であり、さらに菌体が剥離されたポリスチレン表面には、また菌体が形成されるので、リアクター全体としてはフェノール分解活性が向上する。
【0020】
前記培養工程中にポリスチレン表面から増殖した菌体を剥離するためには、菌体剥離型リアクターを用いるのが好ましい。該菌体剥離型リアクターとしては、例えば菌体剥離型ーエアーリフト型リアクター、小型ジャー型リアクターおよびビーズインボール型リアクター等が挙げられる。
【0021】
本発明のバイオリアクターに用いるポリスチレンは耐水性に優れた半永久的な材質であり、長期間使用することが可能である。長期間使用すれば、ポリスチレンそのものは廃棄物とならないので、総合的な観点からは環境負荷が少ない。
また、本発明で言うポリスチレンとは、スチレンの単独重合体のみを指すのではなく、本発明の意図する増殖触媒作用を奏する限り、スチレン以外に他のモノマー成分を含有するものであっても良い。
本発明のバイオリアクターに用いるポリスチレンは耐水性に優れた半永久的な材質であり、長期間使用することが可能である。長期間使用すれば、ポリスチレンそのものは廃棄物とならないので、総合的な観点からは環境負荷が少ない。
【0022】
本発明で使用するBurkholderia cepacia 1Aは、リン濃度5ppm以下でかつ窒素濃度50ppm以下の培地を用いて、フェノール1000ppmを炭素源とした条件で検索することによって得られた。
【0023】
リン源は実質的に微生物がリン源として利用可能な物質であればなんでも良く、リン酸一アンモニウム、リン酸一ナトリウム、リン酸一カリウム、リン酸水素アンモニウムカリウム、リン酸水素二ナトリウム、リン酸水素二カリウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸二水素ナトリウム、リン酸二水素カリウム等の無機のリン酸塩およびこれらの塩の水和物、酵母エキス、肉汁エキス等のリンを含む天然物やリン酸エステル等の有機リン化合物等をあげることができる。
【0024】
同様に窒素源も実質的に微生物が窒素源として利用可能な物質であればなんでも良く、硫酸アンモニウム、リン酸一アンモニウム、硝酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウムカリウム、塩化アンモニウム等のアンモニウム塩およびこれらの塩の水和物、硝酸アンモニウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウム等の硝酸塩、亜硝酸ナトリウム等の亜硝酸塩、尿素、アミノ酸、酵母エキス、肉汁エキス、ペプトン等の窒素を含む天然物やアミド化合物等の有機含窒素化合物等をあげることができる。
【0025】
前記Burkholderia cepacia 1Aは、リン5ppm以下でかつ窒素50ppm以下と言う低栄養条件下で生育することができるので、栄養塩類を添加しない環境調和型の環境浄化や排水処理に応用することが可能である。ただし、該微生物がリン5ppm以下でかつ窒素50ppm以下と言う低栄養条件下で生育することができると言う性質を有することは、該微生物がリン5ppm以上あるいは窒素50ppm以上の条件で生育できないことを意味するのではなく、前記Burkholderia cepacia 1Aは、低栄養条件下のみならず、高栄養条件下でも生育できる通性低栄養性微生物である。
【0026】
【実施例】
実施例1
低リン濃度、低窒素濃度条件(自然環境)で生育するフェノール資化性菌の検索
(検索用培地の作成)
検索用培地として、下表2に示した培地(以下、E−培地)を1/10に希釈したもの(1/10E−培地:リン約5ppm、窒素約50ppm)を用いた。これに、炭素源としてフェノール1,000ppmを加えた。また、各培地のpHは7.0とした。
【0027】
【表2】
Figure 0004112082
【0028】
(分解菌の取得方法A)
分離源としては、つくば市周辺の土壌約480種類を用い、以下の方法で微生物のみを抽出して培地に添加した。300ml容の三角フラスコに滅菌水30mlを入れ、ここに土壌サンプル5gを加えた。これを1日回転振とうして、菌の抽出を行なった。抽出後、遠心分離(2,000rpm,5min)して土壌を沈澱させ、上清を濾紙、およびグラスフィルターにてろ過して、土壌微粒子を除いた。得られた菌液をニトロセルロースフィルター(0.2μm)でろ過して微生物を捕集した。このフィルターを適宜切断して培地に加え、検索を行なった。検索は以下の方法で行なった。300ml容の三角フラスコに1/10E−培地30mlを入れ、ここに上述のニトロセルロースフィルターを加え30℃にて5日間振とう培養を行なった。生育の見られたものについては、1/10E−培地8mlを入れた内径24mmの大型試験管に100μl植え継ぎ5日間培養した。これを2回繰り返し、菌の単離を行なった。
菌の単離には、前述の1/10E−培地に1.2%のアガロース[agarose(電気泳動用ultra−pure grade)]を加えて作成した平板を用いた。これに、前述の培養液を適宜希釈して塗布し、30℃にて5日間培養して、生育してきたコロニーを単離した。
【0029】
実施例2
(実施例1で取得した分解菌の同定)
前記実施例1で得られたフェノール資化性菌1A株はグラム陰性で、運動性を持ち、オキシダーゼ、カタラーゼ共に陽性であった。また、O−Fテストは酸化を示した。その他の各種生理試験の結果から、取得した菌株の1種類はBurkholderia cepaciaであると同定された。下表に、フェノール資化性菌1A株の特性を示す。
【0030】
【表3】
Figure 0004112082
【0031】
【表4】
Figure 0004112082
【0032】
実施例3
実施例1で得られた分解菌による低リン濃度、低窒素濃度条件下のフェノールの分解
(分解方法)
1A株を1/10E−平板培地(フェノール1,000ppm)に植菌し、30℃にて培養した。生育した菌体を1/10E−培地2mlを入れたプラスチックチューブ(フェノールがチューブに吸着しないことは確認済み)に植菌し、振とう培養機(MBSS−10、丸菱)にて培養して、培養後のフェノールの分解量を、ガスクロマトグラフィーを用いて定量した。初発フェノール濃度は100ppm、1000ppmとし、それぞれ3、6日後にサンプリングを行った。ガスクロマトグラフィーの条件を以下に示す。
カラム(Column) :UnisoleF−200
注入温度(Inj.temp) :180℃
カラム温度(Col.temp):150℃
検出器 (Detector) :FID
注入量 (inj.size) :2μl
内部標準物質(IS) :ジエチレングリコール
分解試験の結果を下表5に示す。実験に供したBurkholderia cepacia 1A株は、フェノール分解能を有していた。
【0033】
【表5】
Figure 0004112082
【0034】
実施例4
(実施例1で得られた菌株と既存の菌株のフェノール分解能の比較実験)
供試菌株としては実施例1で得た分離株1A株を用いた。また、比較のために、これまでにフェノール分解菌として報告されているATCC(American Type Culture Culture Collection)保存菌株も用いた。このATCC保存のフェノール分解菌は、下記の4株である。
・Pseudomonas putida ATCC 11172
・Rhodococcus rhodochrous ATCC 14347
・Vibrio cyclosies ATCC 14635
・Rhodococcus zopfii ATCC 51349
前記供試菌株を下表6に示す培地を1/100に希釈した1/100F−培地(リン約1ppm、窒素約20ppm)、または1/100F−培地のリン、窒素濃度をそれぞれ約500ppmに高めた培地2mlを入れたプラスチックチューブに植菌し、振とう培養機(MBSS−10、丸菱)にて30℃、4日間培養した。培養後のフェノールの分解量を、ガスクロマトグラフィーを用いて定量した。また、生育量は660nmにおける吸光度(A660)として測定した。
【0035】
【表6】
Figure 0004112082
【0036】
なお、表6中の微量金属(trace metal)の組成は下表7の通りである。
【表7】
Figure 0004112082
【0037】
(結果と考察)
分解試験の結果を下表8〜9に示した。表8に示すように、取得した分解菌は1/100F−培地に良好に生育し、添加した100ppmのフェノールはほとんどが4日以内に完全に分解されていた。また、培地中のリン、窒素濃度を高めても、生育、フェノール分解共に阻害は全く見られなかった。
一方、ATCC保存株の方は、全ての菌株が基本培地には全く生育が見られなかった。表中でフェノールのわずかな減少が見られるのは、植菌した菌体への吸着であると思われる。なお、培地中のリン、窒素濃度をそれぞれ500ppmに高めた培地を用いた表9の場合にも、表8に示すように、フェノールの分解が観察された。この結果から、前記実施例1のフェノール分解菌は、これまでに知られているフェノール分解菌が全く生育できないような低リン低窒素条件下で生育し、良好なフェノール分解能を有する新規な菌であると考えられる。
【0038】
【表8】
Figure 0004112082
【0039】
【表9】
Figure 0004112082
【0040】
実施例5
低リン濃度、低窒素濃度条件で生育するフェノール資化性菌を用いた各種芳香族化合物の分解
供試菌株としては実施例1で得た分離株1Aを用いてフェノール、ベンゼン、トルエン、キシレン(異性体混合物)の資化性を確認した。基質である各種芳香族化合物の量は100ppmとし、培地は1/100F−培地を用い、30℃で4日間培養行った。
その結果を下表10に示す。
【0041】
【表10】
Figure 0004112082
前表の結果より、何れの基質(炭素源)も炭素源が無い場合より、微生物の生育が高いことが確認できた。
【0042】
実施例6
低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aの固定化担体の材質を検討するため、ポリスチレン、テフロン、アルミナ、ナイロン、デルリン、ポリエチレン、エポキシ樹脂、ポリプロピレンを用いてψ6.3mmのビーズを作成した。
種母培養した1A株は他の培養実験と同様に滅菌水で懸濁し、580nm吸光度(A580)で0.01になるように植菌した。培地1mlとビーズ4個をネジ付ガラス試験管に入れ、30℃、600rpmの回転振盪下で1日間培養を行い、フェノールの分解能を検討した。
結果は図1に示した。ナイロンとデルリンはフェノールの吸着或いは吸収量が高かったため、以降の実験には供しなかった。
培養時にはポリスチレンビーズを添加した時に、最もフェノールは速く分解された。他の材質ビーズはビーズ無添加(浮遊菌体)に比べフェノール分解を僅かしか促進せず、その程度にはほとんど差がなかった。
【0043】
実施例7
1A株の培養時にψ6.3mmのポリスチレンビーズを試験管あたり1〜4個添加してポリスチレンビーズの添加個数とフェノール分解に対する影響を検討した。
種母培養した1A株は他の培養実験と同様に滅菌水で懸濁し、A580で0.01になるように植菌した。培地1mlとビーズ4個をネジ付きガラス試験管に入れ、30℃、600ppmの回転振盪下で1日間培養を行い、フェノールの分解能を検討した。
その結果を図2に示した。ポリスチレンビーズの添加個数が増加するに従い、浮遊菌体量も増加し、これに伴ってフェノール分解量も増加した。
【0044】
実施例8
ポリスチレンビーズ(ψ6.3mm)を用いて図3に示すようなバイオリアクターを2台作成した。
1台にはポリスチレンビーズを300個添加し、もう1台にはポリスチレンビーズを全然添加せずに両者を比較検討した。
培地は各々800ml添加し、種母培養した1A株は滅菌水に懸濁してA580で0.001になるように植菌した。
培養は回転バネを250rpmで回転攪拌しながら25℃で行った。反応は回分式で行った。
その結果、図3に示すようなポリスチレンビーズを添加したものは浮遊菌体量も増加し、これに伴ってフェノール分解能もポリスチレンビーズ無添加に比べ高かった。
【0045】
実施例9
低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aの生育に及ぼすポリスチレンビーズの表面積の影響について検討した。
直径の異なるポリスチレンビーズ(ψ3.2mmおよびψ6.35mm)の0〜35個を栄養系に添加して、その生育に及ぼす影響を検討した。培養は30゜C、600rpmで一日間行った。ポリスチレンビーズ表面に吸着している菌体はアルカリ加水分解してタンパク質量として測定した。
その結果を図5に示した。ポリスチレンビーズの大小に関わらず、浮遊菌体量と吸着菌体量は共にポリスチレンビーズの実面積に依存して増加した。また、浮遊菌体量は表面積300mm2付近、吸着菌体量は表面積600mm2付近で飽和に達した。前記結果より、低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aの生育促進効果はビーズの大小ではなくビーズの表面積に依存することが解る。
【0046】
Burkholderia cepacia 1A株の場合、乾燥菌体の約45%がタンパク質であり、1細胞の乾燥重量は8.1×10−8μgである。また、図5に示したデータよりビーズの表面積に吸着している菌体量はタンパク質として0.05μg/mm2と算出される。前記1A株の設置面積を0.5×1.5μmと仮定すると、1mm2に1.3×106cellが吸着し得ることになり、この値は先に求めた1.37×106cell/mm2にほぼ等しい。従って、ポリスチレンの表面積には1A株がほぼ飽和に近い状態で吸着しているものと考えられる。
【0047】
ポリスチレンビース表面に吸着した菌体量は、アルカリ加水分解した後にタンパク質量として測定した。培養後のポリスチレンビーズを超純水で1回洗い、0.1NのNaOHを加えて80℃で一晩加熱して菌体を加水分解した。加水分解後の溶液に含まれるタンバク質はローリー法によりウシ血清アルブミンを標準として定量した(R.F.Schleifら(川上正也ら監訳)、『分子生物学マニュアル』講談社サイエンティフック、p90(1983))
【0048】
実施例10
各種ビースの表面親水性と仕と低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aの生育に及ぽす影響
φ6.3〜6.4mmのガラス、テフロン及びポリスチレン製の各種ビースを用いて表面親水性と1A株の生育に及ぼす影響を検討した。培養は30℃、600rpmで1日間行った。各種ビーズの表面親水性はM−O、Samuelssonらの方法に従いビース表面に滴下した水滴とビーズ表面の接触角より求め。親水性(WA値)は、
【数1】
WA=YLV0(1+cosθ)
(θは接触角、YLV0は飽和蒸気内での水の表面張力であり、72.8mNm-1である)
で与えられる(M−O、Samuelssonら、Environ.Microbiol.、56、p3643(1990))。
各種ビース表面に吸着した菌体量は、アルカリ加水分解した後にタンパク質量として測定した。
前記の実験結果と各種ビーズの親水性を下表11に示した。テフロンビーズが最も疎水性であり、ガラスビースは親水性てあった。ポリスチレンビースの親水性はテフロンビースとガラスビースの中間の値を示した。
【0049】
【表11】
Figure 0004112082
前記1A株はポリスチレンビースの表面に最も良く吸着し、テフロンビース表面に吸着した菌体量はポリスチレンビーズの約1/4であつた.またガラスビーズ表面には全く吸着を示さなかった。
【0050】
実施例11
小型ジャー型リアクターによるフェノール分解
本実施例は、図6に示すような菌体剥離型リアクターとして小型ジャー型リアクターを用いてフェノールを分解する実施例である。該小型ジャー型リアクターは、カルスター社製の動物細胞培養用フラスコ(500ml、ダブルアーム付)を改造して作製した。主な改造点は、フラスコ内部にステンレス製カゴを設置し、ポリスチレンビーズ(住友ベークライト製ELISA(RIA)用ボールH500個)を添加出来るように、またリアクター内の水面が水平になるようにテフロン製のバッフルを設置し、さらに該攪拌羽根の軸にステンレス製の棒を2本取付、カゴの中のポリスチレンビーズに物理的な衝撃を与えられるようにした。このリアクターを用いて、浮遊菌体量とフェノール分解量を検討した。
培地はリン0.5ppm、窒素5ppmおよびフェノール100ppmを含むものを用い、また、培地の流加速度は30ml/hr(T1/2=13.3hr)である。その結果を図7に示した。ステンレス製の棒を取付けることにより浮遊菌体量は著しく増大した。また、これに伴いフェノールもすべてが分解された。
【0051】
実施例12
エアーリフト型リアクターによるフェノール分解
本実施例では、エアーリフト型リアクターは、(株)丸菱バイオエンジ社製のMDP型5Lステンレス製の棒を装着したカゴを設置し、落下するポリスチレンビーズがステンレス製の棒に衝突するように改造したものを使用した。
前記菌体剥離型ーエアーリフト型リアクターの実容量は、4,000mlであり、該リアクターに2SL/minの通気量で通気し、コンプレッサーエアーをフィルターで除菌してこれを用いた。
【0052】
本実施例ではポリスチレンビーズを添加しないものをコントロールとして、ポリスチレンビーズの添加しないものをコントロールとして、ポリスチレンビーズの添加効果とカゴの設置効果を比較検討した。培養は30゜Cで48時間の回分培養を行った。フェノールの初発濃度を100ppmとし、培養24時間後に更に100ppm相当量を添加した。
【0053】
いずれのリアクターにおいても培養24時間後には、初めに与えた100ppmのフェノールは完全に分解されていた。100ppm相当のフェノールを添加した後(培養30時間後)の結果を図8に示した。ポリスチレンビーズを添加することにより、浮遊菌体量が増加し、これに伴ってフェノール分解能も向上した。更に、ステンレス製の棒を装着したカゴを設置することにより、浮遊菌体量の増加とフェノール分解能の向上が観察された。
【0054】
実施例13
ビーズインボール型リアクターによるフェノール分解
本実施例は、菌体剥離型リアクターとしてビーズインボール型リアクター(出願と同時に提出した物件提出書)を用いてフェノールを分解する実施例である。本実施例では、プラスチック製の球形のカゴの中に約80個のポリスチレンビーズを入れ、培地の攪拌によりカゴが回転することで中に収納されたポリスチレンビーズが互いにぶっかり合うようにした。培養は30゜Cで24時間の回分培養と20ml/h(T1/2=20hr)と連続培養を行った。
【0055】
その結果は図9に示した。ジャー型リアクター菌体剥離型リアクターリアクターと同様にコントロール(ポリスチレンビーズ無添加)のリアクターに比べて浮遊菌体量の増加が確認され、フェノールの分解活性も向上した。
ビーズインボール型とエアーリフト型リアクターでも菌体剥離型リアクターとなったので、菌体を剥離させる力はさほど大きくなくてもよいことが理解される。
【0056】
【効果】
栄養塩類を添加することなしに、低栄養条件で生育し、芳香族化合物を分解することのできる低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1Aの生育促進方法、該微生物を用いた芳香族化合物、例えばフェノール含有排水処理用バイオリアクター、および該バイオリアクターを用いた排水処理技術、例えば製油所や化学工場などのフェノール含有排水処理技術を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例6の結果を示す図である。
【図2】実施例7の結果を示す図である。
【図3】本発明で使用するバイオリアクターの概念図の1例である。
【図4】本発明の菌体剥離型リアクターの概念を説明した図である。
【図5】低栄養性微生物Burkholderia cepacia 1A株の生育に及ぼすポリスチレンピースの表面積の影響を説明した図である。(A)浮遊菌体濃度(B)ビーズ表面への吸着タンパク室濃度
【図6】小型ジャー型リアクターの模式的断面図である。
【図7】小型ジャー型リアクターによるフェノール分解結果を示した図である。
【図8】菌体剥離型ーエアーリフト型リアクターによるによるフェノール分解結果を示した図である。
【図9】ピーズインーボル型リアクターによるフエノール分解結果を示した図である。
【符号の説明】
1 ポリスチレンビーズ保持用のカゴ
2 カゴ中に保持されたポリスチレンビーズ
3 バッフル(じゃま板)
4 攪拌羽根
5 回転軸[0001]
【Technical field】
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a method for promoting the growth of a low-nutrient microorganism Burkholderia cepacia 1A that grows under low nutrient conditions such as phosphorus and nitrogen and that can decompose wastewater containing aromatic compounds, and the microorganism. The present invention relates to a bioreactor for treating wastewater containing aromatic compounds such as phenol, and a wastewater treatment technique using the bioreactor.
[0002]
[Prior art]
The natural environment is generally considered to be under nutrient conditions, and wastewater from refineries and chemical factories is low nutrient water that is poor in phosphorus and nitrogen, so normally known microorganisms cannot grow. In the conventional environmental purification technology, (NH Four ) 2 SO Four , NH Four Cl, Na Three PO Four , Na 2 HPO Four And the like, and a method for increasing the activity of microorganisms has been carried out [(DA Graves et al., Applied Biochemistry and Biotechnology, vol. 28, P813 (1991): Shigeaki Harayama, “Small Earth Creatures ", Gihodo Publishing, P109 (1995): Minoru Nishimura, Soil and Microorganisms, No. 46, P19 (1995): CH Nelson et al.," Hydrocarbon Bioremediation ", CRC Press, P125 (1994)].
[0003]
Also in wastewater treatment, it is considered necessary to control the ratio of carbon: phosphorus: nitrogen in order to maintain the growth and activity of microorganisms. In order to control the ratio of carbon: phosphorus: nitrogen, it is common to add nutrient salts to wastewater [“Wastewater Treatment Technical Guide”, Petroleum Federation, P129 (1975): “Technology for Pollution Prevention Laws and Regulations, Industrial Pollution Prevention Association, P215 (1992)].
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 6-500049 describes a method for efficiently and continuously providing a nutrient salt to a polluted environment, and Japanese Patent Laid-Open No. 7-507208 simultaneously with the supply of a nutrient substance by adding a phosphate ester. A method for emulsifying pollutants is described.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the natural environment is generally considered to have low nutrient conditions, and wastewater from refineries and chemical factories is low nutrient wastewater that is poor in phosphorus and nitrogen. Under such conditions, normally known microorganisms cannot grow, so it is necessary to add nutrient salts to enhance the activity of the microorganisms for environmental purification and treatment of low nutrient wastewater.
However, nutrient salts added to the polluted environment and wastewater are one of the costs for environmental purification and wastewater treatment. In particular, when the contaminated place to be purified is in a wide range or the amount of wastewater to be treated is large, the cost of the added nutrient salt becomes enormous.
Further, excessively added nutrient salts cause secondary pollution such as nitric acid contamination of groundwater and eutrophication of the environment. Therefore, it is important to control the addition method and addition amount.
[0005]
That is, the nitrogen source is oxidized by the action of soil microorganisms to become a nitric acid body. Therefore, if an excessive nitrogen source is given, the concentration of nitrate ions in the soil and groundwater will increase. Nitrate ions have been pointed out to be carcinogenic, and mixing with drinking water has become a problem [Michiji Tsurumaki, “Present state of groundwater contamination and soil contamination and purification measures”, Industrial Technology Association, P98 (1993) ].
Moreover, when nutrients added excessively, especially phosphorus and nitrogen sources, flow into rivers and lakes by rainwater and groundwater, they cause eutrophication of the environment. Since the eutrophication of the environment causes abnormal occurrence of blue sea bream and musty odor of drinking water, many methods for removing phosphorus and nitrogen in domestic wastewater have been proposed [Kazunori Nakamura, “Microbiology 17”, Academic Publishing Center, P31 (1991): Tetsuro Fukase, “Small creatures that protect the earth”, Gihodo Publishing, P133 (1995)].
P. Morgan et al. Point out that the addition of nutrient salts to the soil environment inhibits the degradation activity of organic substances of indigenous microorganisms [Wat. Sci. Tech. , Vol. 6, P63 (1990)].
[0006]
In order to avoid secondary contamination by the added nutrients, it is necessary to add the nutrients while controlling them. However, installing such a control device in a wastewater treatment facility makes the facility more expensive and increases the wastewater treatment cost.
Furthermore, since contaminated environments such as contaminated soil and groundwater are open systems, it is necessary to close the contaminated environment in some way in order to efficiently add nutrients while controlling nutrients. However, closing the polluted environment by a civil engineering method requires a large amount of funds, which is technically difficult especially when the polluted environment is wide. Therefore, it must be said that it is virtually impossible to prevent secondary contamination by added nutrients in a contaminated environment.
[0007]
The existence of undernourished microorganisms has been known for a long time, and many studies have been made. So far, low-nutrient microorganisms have been discussed only in terms of the amount of organic carbon in the growth conditions, and microorganisms that can grow at organic carbon concentrations of 1 to 15 ppm or less have been studied as low-nutrient microorganisms [( Tsuyoshi Enomoto, “Skilled Lifestyle of Bacteria Living in Special Environments”, Kyoritsu Publishing, P7 (1993): Mitsuru Eguchi, “Marine Microorganisms and Biotechnology”, Gihodo Publishing, P68 (1991): Yuichi Suwa et al., “Microorganisms Separation method ", R & D Planning, P545 (1990)].
However, the natural polluted environment or the wastewater from refineries and chemical factories has a high concentration of organic carbon as a pollutant and a low concentration of other nutrients such as phosphorus and nitrogen. Microorganisms that grow under the conditions of high organic carbon concentration and other low nutrient concentrations such as phosphorus and nitrogen and decompose pollutants are not applicable to the conventional concept of undernourished microorganisms. There is no report so far.
[0008]
An object of the present invention is to grow a low-nutrient microorganism Burkholderia cepacia 1A capable of growing under low nutrient conditions and decomposing aromatic compounds without adding nutrient salts, and an aromatic using the microorganism It is to provide a bioreactor for treating a compound, for example, a phenol-containing wastewater, and a wastewater treatment technique using the bioreactor, for example, a phenol-containing wastewater treatment technique for an oil refinery or a chemical factory.
The low nutrient condition referred to in the present invention means that the concentration of organic carbon is high as described above, for example, 15 ppm or more, and the concentration of nutrient salts such as phosphorus and nitrogen is low, for example, phosphorus is 5 ppm or less and nitrogen is 50 ppm. It refers to the following conditions.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
Although the normal natural environment is considered to be undernutrition, the present inventors paid attention to phosphorus and nitrogen that are particularly important for the growth of microorganisms, and measured the concentrations of phosphorus and nitrogen in the natural environment. As a result, in soil and groundwater, as shown in Table 1 below, the nitrogen concentration is about 60 ppm or less and the phosphorus concentration is about 3 ppm or less. In the ocean, the concentration of nutrient components is lower, the nitrogen concentration is about 1.0 ppm or less, and the phosphorus concentration is about 0.1 ppm or less.
[0010]
[Table 1]
Figure 0004112082
[0011]
Based on the measured values of the concentration of phosphorus and nitrogen in the natural environment, the present inventors grow under the condition that the target organic carbon concentration is high and the other nutrient concentrations of phosphorus and nitrogen are low, and pollutants. A medium for obtaining a microorganism capable of decomposing lysine was found to have a phosphorus concentration of about 5 ppm or less and a nitrogen concentration of about 50 ppm or less, and based on this finding, an aromatic compound under low nutrient conditions Burkholderia cepacia 1A (FERM P-15565) has been previously proposed as a microorganism that degrades.
[0012]
Furthermore, the present inventors have increased the amount of microbial cells because low-nutrient microorganisms have a small amount of microbial growth in order to efficiently treat wastewater in a low nutrient state without adding nutrient salts. Considering that it is necessary to construct a bioreactor, many experiments were conducted to increase the cell concentration of the bioreactor using the low-nutrient microorganism Burkholderia cepacia 1A for low-nutrient wastewater such as refineries and chemical factories under low nutrient conditions. It was.
[0013]
That is, when cultivating the undernutritive microorganism Burkholderia cepacia 1A, beads made of various materials such as polystyrene, Teflon, polypropylene, delrin, alumina, epoxy resin, nylon, and polyethylene are added to the culture solution, and the growth amount of the microorganism And the amount of phenol degradation was examined. As a result, it was found that by adding polystyrene to the culture solution, the growth of the undernutritive microorganism Burkholderia cepacia 1A and the accompanying phenol decomposing activity were significantly improved, and the present invention was achieved.
Accordingly, the first feature of the present invention relates to a method for promoting the growth of Burkholderia cepacia 1A, characterized in that the growth of Burkholderia cepacia 1A is carried out in the presence of polyethylene under low nutrient conditions.
[0014]
There is a report by Hattori et al. (Hisashi Morisaki et al., Interfaces and Microorganisms, Society Publishing Center (1988)) on the growth of microorganisms by adding plastic products to the medium. Hattori et al. Found that a plastic anion exchange resin was added to the culture solution, and that the optimal pH for growth of microorganisms shifted to the alkali side compared to the case where no ion exchange resin was added. This phenomenon is considered to be caused by the fact that the pH of the culture solution in the vicinity of the surface of the anion exchange resin is different from the pH of the culture solution existing far from the anion exchange resin.
However, polystyrene does not have a special function such as ion exchange capacity, and the addition effect of an anion exchange resin and the action of polystyrene used in the present invention are completely different.
[0015]
On the other hand, the method for immobilizing bacterial cells has been studied much more than before, including a method of comprehensively fixing to a gel-like substance such as alginic acid, polyvinyl alcohol, κ-carrageenan, gellan gum, agarose, cellulose, dextran, and glass. , Activated carbon, polystyrene, polyethylene, polypropylene, wood, silica gel, and the like can be cited as a method of adsorption and fixation [Keiji Ogimoto, “Biotechnology Text Series Microbiology”, Kodansha, P168 (1994), Hiroshi Aida et al., “New edition Applied Microbiology II”, Asakura Shoten, P116 (1995)].
[0016]
In addition, in the drainage treatment of phenol, bacteria belonging to the genus Rhdocococcus [SL. Pai et al., Bioresource Tech. 51, P37 (1995)] and Psendomonas putida [Kazuya Watanabe et al., Water Treatment Technology, 36, P77 (1994), Morsen et al., Appl. Microbiol. Biotech. , 33, P206 (1990)], etc., Candida tropicalis [H. Wenhua et al., Water Trent, 8, P119 (1993)] and Cryptococcus elinovir [A. Morsen et al., Appl. Microbiol. Biotech. , 33, P206 (1990)] and activated sludge [F. S. Lakhwala et al., Bioprocess Engi. , 8, P9 (1992)] have been reported to be used by immobilization by an entrapment method using alginic acid, polyvinyl alcohol or the like, and an adsorption method using activated carbon or clay mineral.
[0017]
However, in view of the effect, the effect of the polystyrene in the present invention is not only an effect for immobilizing cells as a carrier, but also other materials that increase the amount of suspended cells in the Burkholderia cepacia 1A culture solution. Is considered to be a growth catalysis not seen.
The polystyrene growth catalysis is that polystyrene is a water-insoluble plastic, the low-nutrient microorganism Burkhoderia cepacia 1A cannot use polystyrene beads as a carbon source, and the number of polystyrene beads added to the culture solution. Therefore, it is considered that it depends on the surface area of polystyrene (Examples 7 and 9).
[0018]
The shape of polystyrene added to the culture solution is not limited to a bead shape, and various shapes such as a sheet shape, a honeycomb shape, and a pipe shape can be used. Larger ones are preferred. Further, polystyrene can be used in the form of polystyrene coated on the surface of other plastics, glass, silica gel, alumina, metal and the like.
[0019]
Furthermore, as a result of examining the usage mode of polystyrene added to the culture solution, the present inventors applied physical force to the polystyrene, and positively peeled off at least a part of the microbial cells held on the polystyrene surface. It was found that the proliferation effect of polystyrene was improved by making floating cells. As shown in FIG. 4, the cause of the improvement of the proliferation action was detachment of the cells from the polystyrene surface, and the detached suspended cells were also cells having phenol degrading activity, and the cells were further detached. Bacteria are also formed on the polystyrene surface, so that the phenol degradation activity is improved as a whole reactor.
[0020]
In order to peel off the cells grown from the polystyrene surface during the culturing step, it is preferable to use a cell peeling reactor. Examples of the cell peeling reactor include a cell peeling type-airlift type reactor, a small jar type reactor, and a bead-in-ball type reactor.
[0021]
Polystyrene used in the bioreactor of the present invention is a semi-permanent material with excellent water resistance, and can be used for a long time. When used for a long time, polystyrene itself does not become a waste, so that the environmental load is small from a comprehensive point of view.
The polystyrene referred to in the present invention does not only refer to a homopolymer of styrene, but may contain other monomer components in addition to styrene as long as the growth catalytic action intended by the present invention is exhibited. .
Polystyrene used in the bioreactor of the present invention is a semi-permanent material with excellent water resistance, and can be used for a long time. When used for a long time, polystyrene itself does not become a waste, so that the environmental load is small from a comprehensive point of view.
[0022]
Burkholderia cepacia 1A used in the present invention was obtained by searching using a medium having a phosphorus concentration of 5 ppm or less and a nitrogen concentration of 50 ppm or less under a condition using 1000 ppm of phenol as a carbon source.
[0023]
The phosphorus source may be any substance that can be used by a microorganism as a phosphorus source. Monoammonium phosphate, monosodium phosphate, monopotassium phosphate, potassium potassium hydrogenphosphate, disodium hydrogenphosphate, phosphoric acid Inorganic phosphates such as dipotassium hydrogen, ammonium dihydrogen phosphate, sodium dihydrogen phosphate, potassium dihydrogen phosphate and the like, natural products containing phosphorus such as hydrates of these salts, yeast extracts and gravy extracts Examples thereof include organic phosphorus compounds such as phosphate esters.
[0024]
Similarly, the nitrogen source may be any substance that can be used by microorganisms as a nitrogen source. Ammonium salts such as ammonium sulfate, monoammonium phosphate, ammonium nitrate, ammonium hydrogen phosphate potassium, ammonium chloride, and water of these salts Japanese products such as nitrates such as ammonium nitrate, sodium nitrate and potassium nitrate, nitrites such as sodium nitrite, natural nitrogen-containing compounds such as urea, amino acids, yeast extract, gravy extract, peptone and organic nitrogen-containing compounds such as amide compounds I can give you.
[0025]
Since the Burkholderia cepacia 1A can grow under low nutrient conditions of 5 ppm or less of phosphorus and 50 ppm or less of nitrogen, it can be applied to environmentally friendly environmental purification and wastewater treatment without adding nutrient salts. . However, having the property that the microorganism can grow under low nutrient conditions of 5 ppm or less of phosphorus and 50 ppm or less of nitrogen means that the microorganism cannot grow under conditions of 5 ppm or more of phosphorus or 50 ppm or more of nitrogen. However, the Burkholderia cepacia 1A is a facultatively low-nutrient microorganism that can grow not only under low nutrient conditions but also under high nutrient conditions.
[0026]
【Example】
Example 1
Search for phenol-utilizing bacteria that grow under low phosphorus and nitrogen conditions (natural environment)
(Creation of search medium)
As a medium for search, a medium (hereinafter referred to as E-medium) shown in Table 2 diluted to 1/10 (1/10 E-medium: phosphorus about 5 ppm, nitrogen about 50 ppm) was used. To this, 1,000 ppm of phenol was added as a carbon source. The pH of each medium was 7.0.
[0027]
[Table 2]
Figure 0004112082
[0028]
(Degrading bacteria acquisition method A)
As a separation source, about 480 kinds of soil around Tsukuba City were used, and only microorganisms were extracted and added to the medium by the following method. 30 ml of sterilized water was placed in a 300 ml Erlenmeyer flask, and 5 g of a soil sample was added thereto. This was shaken for 1 day to extract bacteria. After extraction, the soil was precipitated by centrifugation (2,000 rpm, 5 min), and the supernatant was filtered through a filter paper and a glass filter to remove soil fine particles. The obtained bacterial solution was filtered through a nitrocellulose filter (0.2 μm) to collect microorganisms. This filter was appropriately cut and added to the culture medium, and a search was performed. The search was performed by the following method. 30 ml of 1 / 10E-medium was placed in a 300 ml Erlenmeyer flask, and the above-mentioned nitrocellulose filter was added thereto and cultured with shaking at 30 ° C. for 5 days. About the thing with which growth was seen, it transplanted 100 microliters to a large test tube with an internal diameter of 24 mm containing 8 ml of 1 / 10E-medium, and was cultured for 5 days. This was repeated twice to isolate the bacteria.
For isolation of the fungus, a plate prepared by adding 1.2% agarose (agarose (ultra-pure grade for electrophoresis)) to the 1 / 10E-medium described above was used. To this, the above-mentioned culture solution was appropriately diluted and applied, and cultured at 30 ° C. for 5 days to isolate colonies that had grown.
[0029]
Example 2
(Identification of degrading bacteria obtained in Example 1)
The phenol-assimilating bacterium strain 1A obtained in Example 1 was gram-negative, motile, and positive for both oxidase and catalase. The OF test showed oxidation. From the results of other various physiological tests, one kind of strain obtained was identified as Burkholderia cepacia. The following table shows the characteristics of the phenol-utilizing bacterium 1A strain.
[0030]
[Table 3]
Figure 0004112082
[0031]
[Table 4]
Figure 0004112082
[0032]
Example 3
Degradation of phenol under conditions of low phosphorus concentration and low nitrogen concentration by the degrading bacteria obtained in Example 1
(Disassembly method)
The 1A strain was inoculated into 1 / 10E-plate medium (phenol 1,000 ppm) and cultured at 30 ° C. The grown cells are inoculated into a plastic tube (confirmed that phenol does not adsorb to the tube) containing 1 ml of 1 / 10E-medium, and cultured in a shaking incubator (MBSS-10, Maruhishi). The degradation amount of phenol after culturing was quantified using gas chromatography. The initial phenol concentration was 100 ppm and 1000 ppm, and sampling was performed after 3 and 6 days, respectively. The conditions for gas chromatography are shown below.
Column (Column): Unisole F-200
Injection temperature (Inj.temp): 180 ° C
Column temperature (Col. temp): 150 ° C
Detector (Detector): FID
Injection volume (inj.size): 2 μl
Internal standard (IS): Diethylene glycol
The results of the decomposition test are shown in Table 5 below. The Burkholderia cepacia 1A strain subjected to the experiment had phenolic resolution.
[0033]
[Table 5]
Figure 0004112082
[0034]
Example 4
(Comparison experiment of phenol resolution of strains obtained in Example 1 and existing strains)
As a test strain, the isolate 1A obtained in Example 1 was used. For comparison, ATCC (American Type Culture Collection) -preserved strain, which has been reported as a phenol-degrading bacterium, was also used. The ATCC preserved phenol-degrading bacteria are the following 4 strains.
Pseudomonas putida ATCC 11172
Rhodococcus rhodochrous ATCC 14347
Vibrio cycloses ATCC 14635
・ Rhodococcus zopfii ATCC 51349
1 / 100F-medium (about 1 ppm phosphorus, about 20 ppm nitrogen) diluted to 1/100 of the medium shown in Table 6 below, or the phosphorus and nitrogen concentrations of the 1 / 100F-medium to about 500 ppm respectively. The cells were inoculated into a plastic tube containing 2 ml of the culture medium and cultured at 30 ° C. for 4 days in a shaker (MBSS-10, Maruhishi). The amount of phenol decomposed after the culture was quantified using gas chromatography. The amount of growth was measured as the absorbance at 660 nm (A660).
[0035]
[Table 6]
Figure 0004112082
[0036]
The composition of trace metals in Table 6 is as shown in Table 7 below.
[Table 7]
Figure 0004112082
[0037]
(Results and discussion)
The results of the decomposition test are shown in Tables 8 to 9 below. As shown in Table 8, the obtained degrading bacteria grew well in 1/100 F-medium, and most of the added 100 ppm phenol was completely degraded within 4 days. Further, even when the phosphorus and nitrogen concentrations in the medium were increased, no inhibition was observed in both growth and phenol degradation.
On the other hand, in the case of the ATCC stock, all the strains did not grow at all on the basic medium. The slight decrease in phenol in the table appears to be due to adsorption to the inoculated cells. In the case of Table 9 using a medium in which the phosphorus and nitrogen concentrations in the medium were each increased to 500 ppm, as shown in Table 8, the decomposition of phenol was observed. From this result, the phenol-degrading bacterium of Example 1 is a novel bacterium that grows under low phosphorus and low nitrogen conditions so that no known phenol-degrading bacterium can grow at all, and has good phenol degradability. It is believed that there is.
[0038]
[Table 8]
Figure 0004112082
[0039]
[Table 9]
Figure 0004112082
[0040]
Example 5
Degradation of various aromatic compounds using phenol-utilizing bacteria growing under conditions of low phosphorus concentration and low nitrogen concentration
Using the isolate 1A obtained in Example 1 as a test strain, the assimilation property of phenol, benzene, toluene, xylene (isomer mixture) was confirmed. The amount of each aromatic compound as a substrate was 100 ppm, and the medium was cultured at 30 ° C. for 4 days using 1/100 F-medium.
The results are shown in Table 10 below.
[0041]
[Table 10]
Figure 0004112082
From the results in the previous table, it was confirmed that the growth of the microorganisms was higher in any substrate (carbon source) than in the case where there was no carbon source.
[0042]
Example 6
In order to examine the material of the immobilization support for the undernutritive microorganism Burkholderia cepacia 1A, beads having a diameter of 6.3 mm were prepared using polystyrene, Teflon, alumina, nylon, delrin, polyethylene, epoxy resin, and polypropylene.
The 1A strain that had been seed-cultured was suspended in sterilized water in the same manner as in other culture experiments, and was inoculated to 0.01 at 580 nm absorbance (A580). 1 ml of the medium and 4 beads were placed in a glass test tube with a screw, and cultured for 1 day at 30 ° C. under rotary shaking at 600 rpm to examine the resolution of phenol.
The results are shown in FIG. Nylon and Delrin were not subjected to subsequent experiments because of their high phenol adsorption or absorption.
Phenol was most rapidly degraded when polystyrene beads were added during culture. Other material beads promoted phenol degradation only slightly compared with no beads added (floating cells), and there was almost no difference in the degree.
[0043]
Example 7
At the time of culturing the 1A strain, 1 to 4 polystyrene beads having a diameter of 6.3 mm were added per test tube, and the number of polystyrene beads added and the influence on phenol degradation were examined.
The 1A strain that had been seed-cultured was suspended in sterilized water in the same manner as in other culture experiments, and inoculated to 0.01 with A580. 1 ml of the medium and 4 beads were placed in a glass test tube with a screw, and cultured for 1 day at 30 ° C. under rotary shaking at 600 ppm to examine the resolution of phenol.
The results are shown in FIG. As the number of polystyrene beads added increased, the amount of floating cells increased, and the amount of phenol degradation increased accordingly.
[0044]
Example 8
Two bioreactors as shown in FIG. 3 were prepared using polystyrene beads (φ6.3 mm).
One unit was added with 300 polystyrene beads, and the other unit was not added with any polystyrene beads, and both were compared.
800 ml of each medium was added, and the 1A strain that had been seed-cultured was suspended in sterilized water and inoculated to 0.001 with A580.
Incubation was performed at 25 ° C. while rotating and stirring the rotary spring at 250 rpm. The reaction was carried out batchwise.
As a result, the addition of polystyrene beads as shown in FIG. 3 increased the amount of floating cells, and accordingly, the phenol resolution was higher than that without addition of polystyrene beads.
[0045]
Example 9
The influence of the surface area of polystyrene beads on the growth of the undernutritive microorganism Burkholderia cepacia 1A was examined.
0 to 35 polystyrene beads having different diameters (ψ3.2 mm and ψ6.35 mm) were added to the nutrient system, and the influence on the growth was examined. The culture was performed at 30 ° C. and 600 rpm for one day. The bacterial cells adsorbed on the polystyrene bead surface were subjected to alkaline hydrolysis and measured as the amount of protein.
The results are shown in FIG. Regardless of the size of the polystyrene beads, both the amount of floating cells and the amount of adsorbed cells increased depending on the actual area of the polystyrene beads. Further, the amount of floating cells reached saturation near the surface area of 300 mm2, and the amount of adsorbed cells reached saturation near the surface area of 600 mm2. From the above results, it can be seen that the growth promoting effect of the undernutritive microorganism Burkholderia cepacia 1A depends on the surface area of the beads, not the size of the beads.
[0046]
In the case of Burkholderia cepacia 1A strain, about 45% of the dried cells are proteins, and the dry weight of one cell is 8.1 × 10 −8 μg. From the data shown in FIG. 5, the amount of cells adsorbed on the surface area of the beads is calculated as 0.05 μg / mm 2 as protein. Assuming that the installation area of the 1A strain is 0.5 × 1.5 μm, 1.3 × 10 6 cells can be adsorbed to 1 mm 2, and this value is almost equal to the previously obtained 1.37 × 10 6 cells / mm 2. . Therefore, it is considered that the 1A strain is adsorbed on the surface area of polystyrene in a state of almost saturation.
[0047]
The amount of cells adsorbed on the surface of the polystyrene beads was measured as the amount of protein after alkaline hydrolysis. The cultured polystyrene beads were washed once with ultrapure water, 0.1N NaOH was added and heated at 80 ° C. overnight to hydrolyze the cells. Proteins contained in the hydrolyzed solution were quantified by the Raleigh method using bovine serum albumin as a standard (RF Schleif et al. (Translated by Masaya Kawakami et al.), “Molecular Biology Manual” Kodansha Scientific Hook, p90 ( 1983))
[0048]
Example 10
Surface hydrophilicity of various beads and their effects on the growth of the undernutrient microorganism Burkholderia cepacia 1A
Using various beads made of φ6.3-6.4 mm glass, Teflon and polystyrene, the surface hydrophilicity and the influence on the growth of the strain 1A were examined. The culture was performed at 30 ° C. and 600 rpm for 1 day. The surface hydrophilicity of each bead is obtained from the contact angle between the water droplet dropped on the bead surface and the bead surface according to the method of MO, Samuelsson et al. Hydrophilicity (WA value)
[Expression 1]
WA = Y LV 0 (1 + cos θ)
(Θ is the contact angle, Y LV 0 is the surface tension of water in saturated steam, 72.8 mNm -1 Is)
(MO, Samuelsson et al., Environ. Microbiol., 56, p3643 (1990)).
The amount of cells adsorbed on the surface of various beads was measured as the amount of protein after alkaline hydrolysis.
The experimental results and hydrophilic properties of various beads are shown in Table 11 below. Teflon beads were the most hydrophobic and glass beads were hydrophilic. The hydrophilicity of polystyrene beads was intermediate between Teflon beads and glass beads.
[0049]
[Table 11]
Figure 0004112082
The 1A strain adsorbed best on the surface of polystyrene beads, and the amount of cells adsorbed on the surface of Teflon beads was about 1/4 of that of polystyrene beads. Also, no adsorption was shown on the glass bead surface.
[0050]
Example 11
Phenol degradation in a small jar reactor
In this example, phenol is decomposed by using a small jar type reactor as a cell exfoliation type reactor as shown in FIG. The small jar type reactor was produced by modifying an animal cell culture flask (500 ml, with double arm) manufactured by Calstar. The main remodeling points are Teflon made by placing a stainless steel basket inside the flask so that polystyrene beads (500 balls for ELISA (RIA) made by Sumitomo Bakelite) can be added and the water level in the reactor is horizontal. In addition, two stainless steel rods were attached to the shaft of the stirring blade so that the polystyrene beads in the basket could be physically impacted. Using this reactor, the amount of suspended cells and the amount of phenol degradation were examined.
A medium containing 0.5 ppm phosphorus, 5 ppm nitrogen and 100 ppm phenol is used, and the flow acceleration of the medium is 30 ml / hr (T 1/2 = 13.3 hr). The results are shown in FIG. The amount of suspended cells increased remarkably by attaching a stainless steel rod. Along with this, all phenol was also decomposed.
[0051]
Example 12
Degradation of phenol by airlift reactor
In this example, the air lift reactor is installed with a basket equipped with a MDP type 5L stainless steel rod manufactured by Maruhishi Bioengineer Co., Ltd., so that the falling polystyrene beads collide with the stainless steel rod. I used a modified one.
The actual capacity of the cell peeling type-airlift type reactor was 4,000 ml, and the reactor was ventilated at an air flow rate of 2 SL / min, and compressor air was sterilized with a filter and used.
[0052]
In this example, the addition effect of polystyrene beads and the installation effect of the cage were compared and examined with the control without the addition of polystyrene beads and the control with no addition of polystyrene beads. The culture was carried out at 30 ° C. for 48 hours. The initial concentration of phenol was 100 ppm, and an additional equivalent of 100 ppm was added after 24 hours of culture.
[0053]
In both reactors, after 24 hours of culture, 100 ppm of phenol initially given was completely decomposed. The results after adding phenol equivalent to 100 ppm (after 30 hours of culture) are shown in FIG. By adding polystyrene beads, the amount of suspended cells increased, and the phenol resolution was improved accordingly. Furthermore, an increase in the amount of suspended cells and an improvement in phenol resolution were observed by installing a basket equipped with a stainless steel rod.
[0054]
Example 13
Phenol degradation in a bead-in-ball reactor
In this example, phenol is decomposed using a bead-in-ball type reactor (a property submission file submitted at the same time as the application) as a bacterial cell peeling type reactor. In this example, about 80 polystyrene beads were placed in a plastic spherical cage, and the polystyrene beads contained therein collided with each other by rotating the cage by stirring the medium. Incubation was carried out at 30 ° C for 24 hours and 20 ml / h (T 1/2 = 20 hr) and continuous culture.
[0055]
The results are shown in FIG. Similar to the jar type reactor cell peeling type reactor reactor, an increase in the amount of suspended cells was confirmed and the phenol degradation activity was improved as compared with the control reactor (without addition of polystyrene beads).
Since the bead-in-ball type and air lift type reactors are also cell detachment type reactors, it is understood that the force for detaching the microbial cells need not be so great.
[0056]
【effect】
Method for promoting growth of low-nutrient microorganism Burkholderia cepacia 1A that can grow under low nutrient conditions and decompose aromatic compounds without adding nutrient salts, aromatic compounds using such microorganisms, for example, phenol-containing wastewater A bioreactor for treatment and wastewater treatment technology using the bioreactor, for example, phenol-containing wastewater treatment technology for refineries, chemical factories, etc., could be provided.
[Brief description of the drawings]
1 is a graph showing the results of Example 6. FIG.
2 is a graph showing the results of Example 7. FIG.
FIG. 3 is an example of a conceptual diagram of a bioreactor used in the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining the concept of the cell detachment reactor according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating the influence of the surface area of polystyrene pieces on the growth of the undertrophic microorganism Burkholderia cepacia 1A. (A) Concentration of suspended cells (B) Concentration of adsorbed protein chamber on the bead surface
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a small jar reactor.
FIG. 7 is a diagram showing a result of phenol decomposition by a small jar type reactor.
FIG. 8 is a diagram showing the result of phenol decomposition by a cell peeling type-airlift type reactor.
FIG. 9 is a view showing the result of phenol decomposition by a peas-in-bolt reactor.
[Explanation of symbols]
1 Basket for holding polystyrene beads
2 Polystyrene beads held in a basket
3 Baffle
4 stirring blades
5 Rotating shaft

Claims (7)

Burkholderia cepacia 1A(FERM P−15566)の生育をポリスチレンの存在下で行うことを特徴とするBurkholderia cepacia 1Aの生育促進法。A method for promoting the growth of Burkholderia cepacia 1A, wherein the growth of Burkholderia cepacia 1A (FERM P-15666) is carried out in the presence of polystyrene. Burkholderia cepacia 1Aの生育中にポリスチレンに物理的な力を加え、該ポリスチレン表面に保持されて増殖した菌体の少なくとも一部を積極的に剥離させる請求項1記載のBurkholderia cepacia 1Aの生育促進法。The method for promoting growth of Burkholderia cepacia 1A according to claim 1, wherein physical force is applied to polystyrene during growth of Burkholderia cepacia 1A, and at least a part of the bacterial cells held and proliferated is actively peeled off. Burkholderia cepacia 1Aをポリスチレンと共存させることを特徴とするバイオリアクター。A bioreactor characterized in that Burkholderia cepacia 1A coexists with polystyrene. ポリスチレン表面に保持されて増殖した菌体の少なくとも一部を積極的に剥離させる手段を有する請求項3記載のバイオリアクター。The bioreactor according to claim 3, further comprising means for positively peeling at least a part of the bacterial cells held on the polystyrene surface and proliferated. 排水処理用である請求項3〜4のいずれかに記載のバイオリアクター。The bioreactor according to any one of claims 3 to 4, which is for wastewater treatment. 排水が芳香族化合物を含有するものである請求項5記載のバイオリアクター。The bioreactor according to claim 5, wherein the waste water contains an aromatic compound. 芳香族化合物がフェノールである請求項6記載のバイオリアクター。The bioreactor according to claim 6, wherein the aromatic compound is phenol.
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