JP4274454B2

JP4274454B2 - 電気培養装置

Info

Publication number: JP4274454B2
Application number: JP2002171990A
Authority: JP
Inventors: 伯夫松本; 和裕佐々木; 博斉木; 直也大村
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: JP2004016023A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気培養装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、電気化学反応によって再生できるエネルギーで生育する鉄還元微生物のような微生物（独立栄養微生物）等の単離培養に適した電気培養装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微生物を単離培養する技術としては、寒天培地上にコロニーを形成させる方法がある。また、別の単離培養の技術として、多数の小さな凹部が形成されたプレートを使用し、微生物を含む培地を希釈して計算上微生物を１個体だけ含む量を前記プレートの凹部の一つ一つに滴下して単離培養する方法もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、鉄酸化細菌に代表されるある種の独立栄養微生物は、寒天などの有機物存在下で生育しないことが知られている。このため、鉄酸化細菌等を寒天培地上で単離培養することは困難である。
【０００４】
また、鉄酸化細菌等を育成するには定常的に培地に酸化電流を加える必要があるが、多数の凹部を有するプレートを使用して鉄酸化細菌等を単離培養する方法では凹部の一つ一つに陽極と陰極を設ける必要があり、その為の装置類の構造が複雑になると共に取扱いが煩雑になり、実用性に欠ける。
【０００５】
本発明は、単離培養に適した電気培養装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、培地に電圧を印加しながら微生物を培養する電気培養装置であって、板状を成す第１の電極と、第１の電極を挟むカバー及びイオン交換体と、第１の電極を貫通しカバー及びイオン交換体により塞がれた互いに独立した複数の培養槽と、培養槽との間にイオン交換体を介して設けられた対極槽と、培養槽と対極槽との間に設けられた微生物の移動を阻止するフィルタと、対極槽内に配置された第２の電極と、第１の電極と第２の電極間に電圧を印加する電源を備えるものである。
【０００７】
したがって、第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加することで、第１の電極に形成された培養槽の一つ一つに電圧を印加することができる。各培養槽は互いに独立して形成されており、また、培養槽と対極槽との間には微生物の移動を阻止するフィルタが設けられているので、培養槽間で微生物が移動することはなく、培養槽毎に微生物を単離培養することができる。また、培養槽と対極槽との間にはイオン交換体が設けられているので、微生物の培養に必要なイオンが培養槽から対極槽に流出するのを防止することができる。
【０００８】
また、請求項２記載の電気培養装置は、微生物の培養に必要な元素を含むガスを対極槽に供給するガス供給手段を備えたものである。
【０００９】
電気培養では微生物の培養に例えば電子及び炭素が必要である。このため、例えば電子の供給源となる水素と炭素の供給源となる二酸化炭素を培養槽に供給する必要がある。ガス供給手段は、例えば水素ガスと二酸化炭素ガスの混合ガスを対極槽に供給する。対極槽に供給された水素及び炭素は培地に溶け、イオン交換体とフィルタを通過して培養槽に移動する。
【００１０】
また、請求項３記載の電気培養装置は、第１の電極を立てて配置したものである。
【００１１】
したがって、対極槽内に発生したガスは上昇し、第１の電極と第２の電極の間を絶縁することはない。即ち、仮に、第１の電極を水平に配置したとすると、第１の電極の下方に対極槽が設けられることになる。このため、対極槽内の第２の電極の周囲で発生したガスが第１の電極の底に溜まる可能性があり、第１の電極と第２の電極の間を絶縁し培養槽への電圧の印加を妨げる虞も考えられる。これに対し、本発明では第１の電極を立てているので、ガスによる第１の電極の絶縁を防止することができる。
【００１２】
さらに、請求項４記載の電気培養装置は、カバーを、注射器の注射針を刺すことができ且つ刺した注射針を引き抜くと孔が塞がる弾性材料で形成したものである。
【００１３】
したがって、カバーに注射器の注射針を刺すことができる。カバーの培養槽に対向する部分に注射器の注射針を刺し込むと、注射針の先端がカバーを貫通して培養槽に到達する。このため、注射器を使用して培養槽に微生物を移したり、培養槽で培養した微生物を取り出すことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１から図３に本発明を適用した電気培養装置の実施形態の一例を示す。また、図４に嫌気性微生物の電気培養の概念を示す。電気培養装置１は、培地に電圧を印加しながら微生物２を培養するものであって、板状を成す第１の電極３と、第１の電極３を挟むカバー４及びイオン交換体５と、第１の電極３を貫通しカバー４及びイオン交換体５により塞がれた互いに独立した複数の培養槽６と、培養槽６との間にイオン交換体５を介して設けられた対極槽７と、培養槽６と対極槽７との間に設けられた微生物２の移動を阻止するフィルタ８と、対極槽７内に配置された第２の電極９と、第１の電極３と第２の電極９間に電圧を印加する電源（培養電源）１０を備えている。
【００１６】
微生物２は、例えば嫌気性の微生物である。嫌気性微生物２を培養する場合には、第１の電極３を陽極、第２の電極９を陰極にする。培養槽６には酸化鉄を含む培地１１に懸濁させた微生物２を、対極槽７には鉄を含まない培地成分を含んだ溶液１２を充填している。
【００１７】
第１の電極３は、例えば炭素板であり、立てて配置されている。第１の電極３には一定間隔で貫通孔３ａが形成されており、当該貫通孔３ａ内が培養槽６となっている。即ち、貫通孔３ａは他の貫通孔３ａから独立した孔であり、貫通孔３ａの一つ一つがカバー４及びイオン交換体５によって塞がれた培養槽６となる。培養槽６の容積は、例えば０．２５ｍＬになっている。また、培養槽６は、例えば水平方向に６列、上下方向に３列、合計１８槽形成されている。即ち、培養槽アレイとなっている。ただし、培養槽６の容積や数は上述の値に限るものではないことは勿論である。
【００１８】
カバー４は板状を成しており、注射器の注射針を刺すことができ且つ刺した注射針を引き抜くと孔が塞がる弾性材料、例えばシリコーンゴム等の合成ゴム等で形成されている。このカバー４は押さえ板１３によって第１の電極３に押し付けられて密着しており、培養槽６の培地１１の漏れを防止している。押さえ板１３の培養槽６に対応する部分には貫通孔１３ａが形成されており、カバー４の培養槽６を塞いでいる部分を露出させている。したがって、カバー４の露出部分に注射器の注射針を刺すことで、注射器内の微生物２を培養槽６に移したり、培養槽６内の微生物２を注射器内に吸入することができる。押さえ板１３は支持枠体１４によって支えられている。
【００１９】
イオン交換体５は、例えばイオン交換膜（以下、イオン交換膜５という）である。また、フィルタ８は、例えばメンブランフィルタである。さらに、第２の電極９は、例えば白金の網電極である。
【００２０】
対極槽７はハウジング１５内に設けられている。ハウジング１５は、第１の電極３との間にフィルタ８、イオン交換膜５、中間プレート１６を挟み込んで取り付けられている。中間プレート１６には培養槽６に対向する貫通孔１６ａが形成されており、培養槽６の一つ一つを対極槽７に通じさせると共に、第１の電極３とハウジング１５の間をシールしている。
【００２１】
ハウジング１５と支持枠体１４は、押さえ板１３、カバー４、第１の電極３、フィルタ８、イオン交換膜５、中間プレート１６を挟んだ状態でボルト１７及びナット２５によって締め付けられ一体化されている。
【００２２】
この電気培養装置１は、微生物２の培養に必要な元素を含むガスを対極槽７に供給するガス供給手段１８を備えている。ガス供給手段１８は例えばチューブであり、ハウジング１５を貫通して対極槽７内に延出している。嫌気性微生物２を培養する場合には、ガス供給手段１８によって例えば水素と二酸化炭素の混合ガスを供給する。水素は嫌気性微生物２への電子の供給源となり、二酸化炭素は嫌気性微生物２への炭素の供給源となる。
【００２３】
ガス供給手段１８によりガスの状態で対極槽７内に供給された水素と炭素は、培地（溶液）１２、培地１１に溶けて培養槽６に移動する。培養槽６内の微生物２は水素から電子を得ると共に、培地１１中の３価の鉄イオンに電子を供給して２価に変換する。また、微生物２は炭素を採り入れる。微生物２によって２価に変換された鉄イオンは第１の電極３に電子を供給して３価に戻る。鉄イオンはイオン交換膜５によって対極槽７に流出するのを阻止されるので、培養槽６内で繰り返し利用される。
【００２４】
微生物２に電子を与えることでイオン化された水素イオンは、イオン交換膜５を通過して対極槽７に移動し、第２の電極９から電子を得て水素となる。すなわち、第２の電極９の周囲では、水素ガスが発生する。第１の電極３は立てて配置されており、水素ガスは上昇するので、水素ガスが第１の電極３と第２の電極９との間を絶縁することはない。
【００２５】
本発明の電気培養装置１では、第１の電極３に複数の培養槽６を形成して培養槽アレイを構成しているので、電源１０によって第１の電極３と第２の電極９との間に電圧を印加するだけで全ての培養槽６に同時に電圧を印加することができる。即ち、培養槽アレイを構成した場合、培養槽６毎に陽極と陰極を設けると電極の数が膨大になるが、本発明では第１の電極３を利用して培養槽アレイを構成しているので、培養槽６毎に第１の電極３を設ける必要がなくなり、電極の数を大幅に減らすことができる。しかも、各培養槽６を一つの対極槽７に通じさせ、この対極槽７に第２の電極９を配置しているので、培養槽６毎に第２の電極９を設ける必要もなくなり、電極の数をさらに減らすことができる。これらのため、電気培養装置１の構造が簡単になり、安価で使い勝手の良い電気培養装置１を提供することができる。
【００２６】
この電気培養装置１の培養槽６は小さな培養槽６を複数配列した培養槽アレイとなっているので、多数の凹部を有するプレートを使用して単離培養を行う従来の技術と同様に、単離培養を行うことができる。即ち、微生物２の単離培養を行うのに適した電気培養装置１を提供することができる。
【００２７】
各培養槽６はカバー４によって塞がれている。このため、培地１１の乾燥を防ぐことができる。多数の凹部を有するプレートを使用して単離培養を行う従来の技術では凹部内の培地の乾燥を防ぐためにプレートとは別部材である蓋を使用していた。このため、使い勝手が悪かった。これに対し、本発明の電気培養装置１では、別部材である蓋を使用していないので、使い勝手に優れている。また、カバー４には注射針を刺すことができるので、注射器を使用して微生物２を移すことができ、使い勝手がさらに良くなる。
【００２８】
本発明の電気培養装置１は第１の電極３を立てて配置しており、装置全体が縦型になる。このため、設置に場所をとらない省スペース型の電気培養装置１を提供することができる。また、培養槽６の数を増やしても設置に必要なスペースはさほど大きくならないので、培養槽６の多数化が容易である。
【００２９】
微生物２の培養には、温度と雰囲気のコントロールが重要である。このため、例えば、恒温装置内に電気培養装置１を入れて使用する。図５に、恒温装置１９内に電気培養装置１を入れて使用する概念を示す。なお、図５には、イオン交換膜５とフィルタ８の記載を省略している。
【００３０】
恒温槽２０内のガス密閉容器２１内に電気培養装置１が収容されている。ガス密閉容器２１内には、図示しないガス供給源からガスライン２２を通じて対極槽７に供給するガスが送り込まれている。ガス密閉容器２１内のガスはミニポンプ２３によってガス供給手段１８を通じて対極槽７に供給される。ミニポンプ２３はポンプ電源２４に接続され、電気培養装置１の第１の電極３及び第２の電極９は培養電源１０に接続されている。恒温装置１９を使用することで、電気培養に適した環境で電気培養を行うことができる。
【００３１】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、電気培養装置１を使用して嫌気性微生物２を電気培養していたが、電気培養装置１を使用して好気性微生物を電気培養するようにしても良い。好気性微生物を電気培養する場合には、例えば第１の電極３を陰極とし、第２の電極９を陽極にすることが好ましい。
【００３２】
また、上述の説明では、陽極（第１の電極３）は炭素電極であったが、陽極は炭素以外の電極でも良いことは勿論である。また、陰極（第２の電極９）は白金電極であったが、陰極は白金以外の電極でも良いことは勿論である。
【００３３】
また、上述の説明では、第１の電極３を立てて配置することで電気培養装置１を縦型にしていたが、第１の電極３を立てて配置する場合に限るものではない。例えば、第１の電極３を寝かせた状態で配置し、電気培養装置１を横型にしても良い。なお、電気培養装置１を横型にする場合には、例えば、対極槽７にガス抜き孔を設け、このガス抜き孔から対極槽７内に発生したガスを抜くようにすることが好ましい。ガス抜き孔からガスを抜く方法としては、例えば、対極槽７内に液流を生じさせて発生したガスをガス抜き孔に導く方法、対極槽７の天井部に微少な勾配を設けて発生したガスをガス抜き孔に誘導する方法、電気培養装置１自体を振とうさせてガスを拡散させガス抜き孔に導く方法等が考えられる。なお、ガス抜き孔として、例えば、寝かせた状態での対極槽７の側面部に設けられた孔を利用しても良く、培養槽６の一部を貫通するように設けられた孔を利用しても良い。
【００３４】
【実施例】
上述の電気培養装置１及び恒温装置１９を使用して嫌気性微生物２の単離培養を行った。炭素電極（第１の電極３）と白金電極（第２の電極９）間に１．２Ｖの電圧を印加した。また、ガス密閉容器２１内を水素：二酸化炭素＝４：１の混合ガスの雰囲気にした。ガス密閉容器２１内の温度を３０度、圧力を１．５気圧にした。ガス密閉容器２１内の混合ガスをミニポンプ２３を使用して電気培養装置１の対極槽７に循環通気させた。
【００３５】
嫌気的に鉄（ＩＩＩ）イオンを還元して増殖可能な微生物２である、鉄酸化細菌ＪＣＭ７８１１株をモデル微生物２として使用し、電気培養装置１の特性を確認した。本菌株は、通常好気的環境で鉄を酸化し増殖するが、嫌気鉄呼吸による増殖も確認されており、モデル微生物として使用した。培地成分は４０ｍＭの三価鉄を含む無機培地を使用した。なお、培地の組成を表１に、その中の金属溶液の組成を表２に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
【表２】

【００３８】
まず、電気培養装置１の電気化学的増幅能を確認するため、初期微生物濃度を５．３×１０^６ｃｅｌｌｓ／ｍＬから５．３×１０ｃｅｌｌｓ／ｍＬ（１培養槽６当たり１３菌体相当）まで段階的に６種類、１０倍ずつ変化させた培地１１を準備し、各培養槽６に充填した。その概念を図６に示す。３個×６列に並んでいる培養槽６に対し、列毎に微生物濃度を順番に変化させている。同じ列の３個の培養槽６については、同じ微生物濃度の培地１１を充填した。そして、通電状態で１４日間嫌気的に培養したものと、非通電状態で１４日間嫌気的に培養したものについて、微生物濃度変化を確認した。
【００３９】
通電状態での培養の結果を図７に、非通電状態での培養の結果を図８にそれぞれ示す。微生物の増殖に必要な三価鉄が再生される電気培養では、電気をかけない場合に比べ、すべての濃度域に於いて電気培養装置１の菌濃度が１０倍以上、上回っていた事が確認された。また、最低濃度である１３菌体相当の極低濃度から開始した培養区からも、電気培養の結果１０^９ｃｅｌｌｓ／ｍＬという高濃度菌体が取得できた事が同時に確認された。
【００４０】
次に、微生物２の単離培養の可能性を調べるため、同微生物２を初期濃度３．４ｃｅｌｌｓ／ｍＬ、すなわち培養槽当たり１匹以下になるように希釈した培養液を充填し、通電状態で１４日間培養を実施した。その結果を図９に示す。１８箇所の培養槽６のうち１６箇所から、優位な増殖結果が確認され、電気培養装置１が１個体からの微生物培養を可能にするものである事が確認された。
【００４１】
同様に、同微生物２を初期濃度０．３４ｃｅｌｌｓ／ｍＬに希釈した培養液を充填し、通電状態で１４日間培養を実施した。その結果を図１０に示す。この場合にも、複数の培養槽６で優位な増殖結果が確認された。
【００４２】
上述の通り、嫌気鉄呼吸によって増殖する微生物２を、高濃度まで単離培養可能なアレイ電気培養装置１を製作し、モデル微生物２を用いて、その単離培養能力を確認した。電気培養装置１の有する機能は、これまで培養困難であった天然の微生物２の同定、および有効利用の大きな手助けとなるものであり、微生物２を利用した汚染土壌修復や酵素などの有用物質生産等、産業界に大きく貢献するものと思われる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の電気培養装置では、板状を成す第１の電極と、第１の電極を挟むカバー及びイオン交換体と、第１の電極を貫通しカバー及びイオン交換体により塞がれた互いに独立した複数の培養槽と、培養槽との間にイオン交換体を介して設けられた対極槽と、培養槽と対極槽との間に設けられた微生物の移動を阻止するフィルタと、対極槽内に配置された第２の電極と、第１の電極と第２の電極間に電圧を印加する電源を備えているので、培養槽の一つ一つに簡単に電圧を印加することができる。このため、単離培養に適した電気培養装置を提供することができる。また、電極の数を少なくすることができるので、装置の構造を簡単なものにすることができ、安価に提供することができると共に、使い勝手を良くすることができる。
【００４４】
また、請求項２記載の電気培養装置では、微生物の培養に必要な元素を含むガスを対極槽に供給するガス供給手段を備えているので、対極槽を通じて培養槽に元素を供給することができると共に、独立した培養槽の一つ一つにガス供給手段を設ける必要がないので、装置の構造をより一層簡単なものにすることができる。
【００４５】
また、請求項３記載の電気培養装置では、第１の電極を立てて配置しているので、対極槽内に発生したガスによって第１の電極と第２の電極との間が絶縁されてしまうのを防止することができる。
【００４６】
さらに、請求項４記載の電気培養装置では、カバーが、注射器の注射針を刺すことができ且つ刺した注射針を引き抜くと孔が塞がる弾性材料で形成されているので、注射器を使用して培養槽に微生物を移したり、培養槽で培養した微生物を取り出すことができる。このため、電気培養装置が使い勝手の良いものとなり、また、培養槽の一つ一つに対して微生物の移し替えを正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電気培養装置の実施形態の一例を示し、その要部を示す分解斜視図である。
【図２】同電気培養装置の横断面図である。
【図３】同電気培養装置の正面図である。
【図４】嫌気性微生物の電気培養の概念図である。
【図５】同電気培養装置を使用する恒温装置の概略構成図である。
【図６】初期微生物濃度を変えて植菌を行う様子を示す培養槽アレイの概念図である。
【図７】通電状態で培養を行った結果を示す図である。
【図８】通電しない状態で培養を行った結果を示す図である。
【図９】初期濃度が３．４ｃｅｌｌｓ／ｍＬの培養液を充填して電気培養を行った結果を示す図である。
【図１０】初期濃度が０．３４ｃｅｌｌｓ／ｍＬの培養液を充填して電気培養を行った結果を示す図である。
【符号の説明】
１電気培養装置
２微生物
３第１の電極
４カバー
５イオン交換膜（イオン交換体）
６培養槽
７対極槽
８フィルタ
９第２の電極
１０電源
１１培地
１８ガス供給手段

Claims

培地に電圧を印加しながら微生物を培養する電気培養装置であって、板状を成す第１の電極と、前記第１の電極を挟むカバー及びイオン交換体と、前記第１の電極を貫通し前記カバー及びイオン交換体により塞がれた互いに独立した複数の培養槽と、前記培養槽との間に前記イオン交換体を介して設けられた対極槽と、前記培養槽と前記対極槽との間に設けられた微生物の移動を阻止するフィルタと、前記対極槽内に配置された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極間に電圧を印加する電源を備えることを特徴とする電気培養装置。
微生物の培養に必要な元素を含むガスを前記対極槽に供給するガス供給手段を備えることを特徴とする請求項１記載の電気培養装置。
前記第１の電極を立てて配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の電気培養装置。
前記カバーは、注射器の注射針を刺すことができ且つ刺した注射針を引き抜くと孔が塞がる弾性材料で形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電気培養装置。