JP4630244B2 - 嫌気性微生物による有機性廃棄物の処理方法及び装置 - Google Patents
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Description
(1)水素またはギ酸を資化するMethanobacteriales目菌(Methanobacterium科、Methanobrevibacter科等)、Methanomicrobiales目菌(Methanomicrobiaceae科、Methanocorpusculaceae科、Methanospirillaceae科等)
(2)酢酸やメチル化合物等を資化するMethanosarcinales目菌(Methanosarcinaceae科、Methanosaetaceae科等)
以上のように、メタン発酵に関わる個別の微生物(群)についてはモニタリングが可能になってきたため、最適の菌数を維持するための方法も提案されている(特許文献5)。しかしながら、前述のようにメタン発酵は、様々な微生物が関与する複雑な生物反応系であり、一つの微生物(群)の菌数あるいは活性の増加・減少が他の微生物(群)、ひいては嫌気性反応槽での有機物処理性能やメタンガス生成能に与える影響を予測することは困難であった。
(1)有機性廃棄物及び/又は廃水中に含まれる各基質および中間代謝物の分解反応に寄与する特定の微生物(群)を特異的に検出・定量する工程、
(2)該微生物(群)に固有の基質及び中間代謝物を定量する工程、
(3)工程(1)からの各微生物(群)の定量データ及び工程(2)からの各基質及び各中間代謝物の定量データを用いて、少なくとも各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数を決定する工程、
を含み、嫌気性処理プロセスでの生物学的反応を化学量論的及び/又は反応速度論的に解析して決定した処理条件を適用する有機性廃棄物及び/又は廃水の嫌気性処理方法が提供される。
(A)セルロースを基質として糖類、酢酸、プロピオン酸、酢酸あるいはプロピオン酸以外の揮発性有機酸、アルコール類、水素のいずれか一種類以上を生産する微生物(群)。好ましくは、配列番号1〜4の塩基配列もしくはこれらに対して少なくとも90%の相同性、好ましくは93%以上の相同性、より好ましくは95%以上の相同性、特に好ましくは実質的に100%の相同性を持つ16S rRNA遺伝子を有する1又は2以上のセルロース分解酸生成細菌、特に好ましくはClostridium sp. JC3 株(GenBank Accession No. AB093546(配列番号1)の16S rRNA遺伝子を有する)とその近縁株Clostridium sp. Clone 6-2-K(GenBank Accession No. AB198871(配列番号2)の16S rRNA遺伝子を有する)、Clone 5-1-N(GenBank Accession No. AB197849(配列番号3)の16S rRNA遺伝子を有する)、Clostridium sp. JC94 clone(GenBank Accession No. AB231801(配列番号4)の16S rRNA遺伝子を有する)を含む微生物(群)。
(B)タンパク質を基質として酢酸、プロピオン酸、酢酸あるいはプロピオン酸以外の揮発性有機酸、アルコール類、水素のいずれか一種類以上を生産する微生物(群)。好ましくは、配列番号5〜8の塩基配列もしくはこれらに対して少なくとも90%の相同性、好ましくは93%以上の相同性、より好ましくは95%以上の相同性、特に好ましくは実質的に100%の相同性を持つ16S rRNA遺伝子を有する1又は2以上のタンパク質分解酸生成細菌、特に好ましくはCoprothermobacter proteolyticus P1株(GenBank Accession No. AB162803(配列番号5)の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P2株(配列番号6の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P3株(配列番号7の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P4株(配列番号8の16S rRNA遺伝子を有する)を含む微生物(群)。
(C)セルロース以外の糖類を基質として酢酸、プロピオン酸、酢酸あるいはプロピオン酸以外の揮発性有機酸、アルコール類、水素のいずれか一種類以上を生産する微生物(群)。好ましくは、配列番号9または10の塩基配列もしくはこれらに対して少なくとも90%の相同性、好ましくは93%以上の相同性、より好ましくは95%以上の相同性、特に好ましくは実質的に100%の相同性を持つ16S rRNA遺伝子を有する1又は2以上の糖(セルロースを除く)分解菌、特に好ましくはPetrotoga mobils SJ95 DSM 10674株の16S rDNA V3領域(GenBank Accession No. Y15478)に対して93%の相同性を有する16S rRNA遺伝子(GenBank Accession No. AB239188)を有するS1株、Unidentified bacterium anoxSCC-22株の16S rDNA V3領域(GenBank Accession No. AJ387880)に対して100%の相同性を有する16S rRNA遺伝子(GenBank Accession No. AB239189)を有するS2株を含む微生物(群)。
(D)脂質を基質として酢酸、プロピオン酸、酢酸あるいはプロピオン酸以外の揮発性有機酸、アルコール類、水素のいずれか一種類以上を生産する微生物(群)。
(E)酢酸を基質としてメタンを生成する微生物(群)。好ましくは酢酸を基質とするメタン生成細菌Methanosaetaceae科菌群を含む微生物(群)。
(F)酢酸および/または水素を基質としてメタンを生成する微生物(群)。酢酸及び/又は水素を基質とするメタン生成細菌Methanosarcina属菌群を含む微生物(群)。
(G)水素を基質としてメタンを生成する微生物(群)。水素を基質とするメタン生成細菌Methanomicrobiaceae科のMethanoculleus属とMethanogenium属を含む微生物(群)。
(a)セルロース分解酸生成細菌Clostridium sp. JC3株(GenBank Accession No. AB093546(配列番号1)の16S rRNA遺伝子を有する)とその近縁株Clostridium sp. Clone 6-2-K(GenBank Accession No. AB198871(配列番号2)の16S rRNA遺伝子を有する)、Clone 5-1-N(GenBank Accession No. AB197849(配列番号3)の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号11の塩基配列(JC3-76F:5’CGTTGGAGATGTAACCAGC 3’)又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号12の塩基配列(JC3-687R:5’ACATCTGACTTGCTTCCC 3’)又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
(b)セルロース分解酸生成細菌Clostridium sp. JC94 clone(GenBank Accession No. AB231801(配列番号4)の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号13の塩基配列(JC94-304F:5’CATAACGAGGTGGCATCACTTTG 3’)又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号12の塩基配列(JC3-687R:5’ACATCTGACTTGCTTCCC 3’)又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対;
(c)タンパク質分解菌 Coprothermobacter proteolyticus P1株((GenBank Accession No. AB162803(配列番号5)の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P2株(配列番号6の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P3株(配列番号7の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P4株(配列番号8の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号14の塩基配列(P-F6:5' AAGAAAGAGTTACCTTAGTG 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号15の塩基配列(P-B8:5' CCCAACACCTAGCACC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対;
配列番号16の塩基配列(P8-F1:5' AAGAAAGAGTTACCTTAAAG 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号15の塩基配列(P-B8:5' CCCAACACCTAGCACC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対;
配列番号17の塩基配列(P-F7:5' CCTAGCCGTAAACGATGGG 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号18の塩基配列(P-B7:5' TTCTGACCCTTTTATCTGC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
(d)セルロース以外の糖類分解に関わるPetrotoga mobils SJ95 DSM 10674株の16S rDNA V3領域(GenBank Accession No. Y15478)に対して93%の相同性を有する16S rRNA遺伝子(GenBank Accession No. AB239188)を有するS1株をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号19の塩基配列(S1-F7:5' AAGGCGAGGACTCTAATCGGAC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号20の塩基配列(S1-B12:5' CGTATTCACCGCAGTTTGGC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
(e)セルロース以外の糖類分解に関わるUnidentified bacterium anoxSCC-22株の16S rDNA V3領域(GenBank Accession No. AJ387880)に対して100%の相同性を有する16S rRNA遺伝子(GenBank Accession No. AB239189)を有するS2株をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号21の塩基配列(S2-F6:5' GAGATTAGGAAGAACACCAGTGGC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号22の塩基配列(S2-B9:5' GGACGAGTTTTTGAGTTTGGCTC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
(f)酢酸及び/又は水素を基質とするメタン生成細菌Methanosarcina属菌群をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号23の塩基配列(Msar276F:5' GAAACCGTGATAAGGGGACAC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号24の塩基配列(Msar459R:5' CCGGAGGACTGACCAAA 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
(g)酢酸を基質とするメタン生成細菌Methanosaetaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号25の塩基配列(Msaeta377F:5' CGAGTGCCAGGTTACAAA 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号26の塩基配列(Msaeta 642R:5' GGATTACAAGATTTCACCCCTAC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
(h)水素を基質とするメタン生成細菌Methanomicrobiaceae科のMethanoculleus属とMethanogenium属をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号27の塩基配列(Mcul 485F:5' GGGATACTGGCAATCTTGGAACC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号28の塩基配列(Mcul 863R:5' CGGCAATCATTCTGCTGTCTTAT 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
(i)水素を基質とするメタン生成細菌Methanomicrobiales目のMethanospirillaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号29の塩基配列(Msp203F:5' CGGAGATGGATTCTGAGACACG 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号30の塩基配列(Msp496B:5' ATACAGTTTCCCCTGAACGCCCRC 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
(j)水素を基質とするメタン生成細菌Methanobacteriaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット:
配列番号31の塩基配列(Mtb674F:5' GATGTGGACTTGGTGTTGGGAT 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号32の塩基配列(Mtb944R:5' AGGGTTCCGCTGGTAACTAAGG 3')又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対。
FISH法による具体的な検出・定量の一態様は、次の通りである。P株の16S rRNA遺伝子に特異的な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドを調製し、このDNAを蛍光色素あるいは放射性同位元素、またはジゴキシゲニン(DIG)等の化学発光物質で標識する。その標識プローブを、P株を検出および定量したい被検試料と混合し、適切な温度、塩濃度条件下でのハイブリダイゼーション処置を行い、標識プローブと標的核酸とのハイブリッドを形成させる。次いで、ハイブリッドを形成しなかった標識プローブ等を除去し、ハイブリッドを形成している標識プローブのみからのシグナルを検出する。ハイブリッド形成プローブの具体的な検出・定量方法としては、標識シグナルを蛍光顕微鏡で検出する方法や、フローサイトメトリーを用いる方法等が挙げられる。このとき、例えば、標識の化学発光等を可視的に捕らえて試料中の標的核酸の分布を見て菌数を計測できるし、定量的に評価可能なシグナルであれば、そのシグナルレベルを比較して標的核酸の量、つまり菌数を定量することができる。このように上記FISHプローブは、一般的には微生物細胞を含むin situ試料と混合されるが(in situハイブリダイゼーション)、これに限らず、微生物試料から抽出した精製DNA試料と混合してもよい(Dot blotハイブリダイゼーション)。
k:最大基質取り込み速度、
S:基質濃度、
K:基質に対する半飽和定数、
X:微生物(群)の濃度、
Y:微生物(群)の収率、
b:菌の死滅定数である。
Ki:基質代謝阻害定数、
SH2:水素濃度である。
Kiasyn:中間代謝物a(糖、各種有機酸、アルコール類または水素)の生合成阻害定数、
Fa:中間代謝物aへの分配係数である。
(1)分子生物学的手法により特異的に検出・定量された嫌気性反応槽内の有機性廃棄物及び/又は廃水中に含まれる各基質および各中間代謝物の分解反応に寄与する特定の微生物(群)の濃度、および
(2)定量された嫌気性反応槽内の該微生物(群)に固有の基質及び中間代謝物の濃度、
を入力値として、少なくとも各微生物(群)による各基質及び中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び中間代謝物に対する半飽和定数を数学的手法を用いて決定する工程を含むことを特徴とする有機性廃棄物及び/又は廃水の嫌気性処理装置が提供される。
(1)分子生物学的手法により特異的に定量検出された嫌気性反応槽内の有機性廃棄物及び/又は廃水中に含まれる各基質および各中間代謝物の分解反応に寄与する特定の微生物(群)の濃度、および
(2)定量された嫌気性反応槽内の該微生物(群)に固有の基質及び中間代謝物の濃度、
を入力値として、少なくとも各微生物(群)による各基質及び中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び中間代謝物に対する半飽和定数を数学的手法を用いて決定する工程を含むことを特徴とする。
kcellu,JC3:JC3株のセルロース最大取り込み速度、
Scellu:セルロース濃度、
Kcellu,JC3:セルロースの半飽和定数、
X JC3: JC3株の菌体濃度、
Y JC3:JC3株の菌体収率、
bJC3:JC3株の死滅定数、
Kicellu:水素によるセルロース取り込み阻害定数、
SH2:水素濃度である。
Fsug,cellu:セルロースから糖への分配係数、
Feth,cellu:セルロースからアルコール類への分配係数、
Face,cellu:セルロースから酢酸への分配係数、
Fpro,cellu:セルロースからプロピオン酸への分配係数、
FVFA,cellu:セルロースから酢酸、プロピオン酸以外の揮発性有機酸(VFA)への分配係数、
FH2,cellu:セルロースから水素への分配係数である。
なお、ここではVFAを酢酸とプロピオン酸以外の揮発性有機酸と定義しているため、JC3株の代謝物の一つである乳酸はVFAとして表される。
kH2,sar:Methanosarcina属菌群の最大水素取り込み速度、
kace,sar:Methanosarcina属菌群の最大酢酸取り込み速度、
Sace:酢酸濃度、
SH2:水素濃度、
Kace,Sar:酢酸の半飽和定数、
K H2,Sar:水素の半飽和定数、
Xsar:Methanosarcina属菌群の菌体濃度、
Ysar:Methanosarcina属菌群の菌体収率、
bsar:Methanosarcina属菌群の死滅定数である。
〔実施例1〕
[セルロース分解菌集積培養体]
セルロースパウダー(ろ紙粉末、ADVANTEC 40〜100mesh)を単一基質として、ビタミン類の供給の為、酵母エキスをCODcr比で5%(180mgCODcr/L)加えたものを投入基質として用いて、セルロース分解菌の集積培養体を作成した。
NH4Cl 500mg/L;
KH2PO4 1361 mg/L;
K2HPO4 2613 mg/L(25 mM PO4buffer);
MgCl2・6H2O 400 mg/L;
CaCl2・2H2O 150 mg/L;
FeCl2・4H2O 2.0 mg/L;
CoCl2・6H2O 0.17 mg/L;
ZnCl2 0.07 mg/L;
H3BO3 0.06 mg/L;
MnCl2・2H2O 0.5 mg/L;
NiCl2・6H2O 0.04 mg/L;
CuCl2・2H2O 0.027 mg/L;
EDTA 5.0 mg/L;
Na2S・9 H2O 250 mg/L;
NaHCO3 1000 mg/L;
レサズリン0.5 mg/L
窒素気下での煮沸により、溶存酸素を除去した投入基質100 mlと生ゴミを処理する高温メタン発酵連続実験装置から採取した汚泥を(16.3 g/L VSS)100 mlを嫌気下で750 mlバイアル瓶に投入し、ブチルゴム栓とアルミシールで密封後、気相部を窒素置換した。pHは7.2(±0.2)に調整し、水槽式恒温槽(55℃)を用いて、130 rpmで水平振とう培養した。
回分実験は、125mL容量の加圧バイアル瓶(三伸工業株式会社)を用い、基質は古新聞をシュレッダー処理後、ブレンダーで粉砕処理し、65℃で乾燥させたものを用いた。セルロース分解菌集積体4.5 mL、基質(最終濃度2.5 g/L)に無機塩及びトレースエレメント(最終濃度は集積培養体と同じ)、酵母エキス(最終濃度0.28g/L)を添加し、1Mリン酸緩衝液を用いて液相部65 ml(pH 7.2〜7.5)とし、気相部には窒素を充填した。55℃で振とう(120 rpm)培養した。中間代謝物質の蓄積によりセルロース分解反応が抑制されることを回避するために、経時2日目、6日目および9日目に、水素資化性メタン生成細菌Methanothermobacter thermoaoutotrophicus DSM1053 及び酢酸資化性メタン生成細菌Methanothrix thermophlia DSM6194の培養液を各1.0ml添加した。
[式]セルロースの割合=全糖量(mg/L)×全液量(L)×0.9 / サンプル重量(mg)
別途測定したバイアル瓶残液中の全固形物濃度(下水試験方法)に対するセルロースの割合から、セルロース量を算出した。
セルロース分解菌Clostridium sp. JC3 株をターゲットとしたプライマーセット(JC3):配列番号11(JC3-76F:5’CGTTGGAGATGTAACCAGC 3’)と配列番号12(JC3-687R:5’ACATCTGACTTGCTTCCC 3’);
セルロース分解菌Clostridium sp. JC94 clone(GenBank Accession No. AB231801(配列番号4)の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット(JC94)配列番号13と配列番号12;
Methanosarcina属菌群をターゲットとしたプライマーセット(Msar):配列番号23と配列番号24;
Methanomicrobiaceae科のMethanoculleus属とMethanogenium属をターゲットとしたプライマーセット(Mcul)配列番号27と配列番号28;
Methanobacteriaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット(Mtb):配列番号31と配列番号32
各微生物(群)の16S rDNAのコピー数を、試料中の全DNA量で除した値を菌濃度とした。増幅産物同定のための溶解曲線作成条件は70℃から95℃で、温度上昇速度を0.1℃/secとした。菌数の変化を表1に示す。
この回分実験系の各種反応基質濃度及び各種微生物群の定量データを用い、各種パラメータのフィッティングおよびシミュレーション値と実測値との比較を行った結果を以下に示す。
図1に示す連続処理可能な装置を用いて実施例を行った。この際用いた原水貯留槽5の有効容積は5リットルであり、メタン発酵槽6は完全混合型で有効容積は30リットルであった。また、生ごみ:水=1:4.5にトイレットペーパー25.75gを添加した疑似廃水を原水として供給した。原水の性状を表4に示す。原水貯留槽5の温度は室温に、またメタン発酵槽6の温度は55℃に制御した。
実施例1と比較するため、菌濃度が未知である状態で、IWA嫌気性消化モデル(非特許文献4)に準拠した既存のシミュレーションモデル(ただし、不溶性基質を設定しなかった)を用いて実施例1に示す回分実験系の各種反応基質濃度データを用い、各種パラメータのフィッティングおよびシミュレーション値と実測値との比較を行った結果を以下に示す。
3 原水混合槽
4 破砕装置
5 原水貯留槽
6 メタン発酵槽
8 固液分離装置
12 ポンプ
13 バイオガス
14 ガスホルダー
15 バイオガス利用機器
20 演算部
21 制御部
Claims (13)
- (1)有機性廃棄物及び/又は廃水中に含まれる各基質および中間代謝物の分解反応に寄与する特定の微生物(群)を特異的に検出・定量する工程、
(2)該微生物(群)に固有の基質及び中間代謝物を定量する工程、
(3)工程(1)からの各微生物(群)の定量データ及び工程(2)からの各基質及び各中間代謝物の定量データを用いて反応シミュレーションモデルを構築し、少なくとも各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数を決定する工程、
(4)工程(3)で求めた各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数に基づき、嫌気性処理中の原水状態を知り、原水投入量の増減、原水希釈水投入量の増減、汚泥返送量の増減を行い、嫌気性処理プロセスでの生物学的反応を化学量論的及び/又は反応速度論的に解析して決定した処理条件を適用する有機性廃棄物及び/又は廃水の嫌気性処理方法。 - 前記工程(3)において、水素の存在により変動する、各微生物(群)に取り込まれた基質に由来する中間代謝物への分配係数を適用して、少なくとも各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数を決定する、請求項1に記載の嫌気性処理方法。
- 前記工程(3)における分配係数の適用は、工程(1)および(2)で決定した微生物(群)の濃度および基質又は中間代謝物の濃度を下記式:
(式中、kは最大基質取り込み速度、Kは基質に対する半飽和定数、Sは基質濃度、Xは微生物(群)濃度、Yは微生物(群)による生成収率、SH2は水素濃度、Kiasynは中間代謝物a(糖、各種有機酸、アルコール類または水素)の生合成阻害定数、Faは中間代謝物aの分配係数を示す)
に適用して、パラメータフィッティングすることにより行うことを含む、請求項2に記載の嫌気性処理方法。 - 前記工程(1)において検出・定量される特定の微生物(群)は、下記(A)〜(G)に記載の少なくとも一種類を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の嫌気性処理方法:
(A)セルロースを基質として、糖類、酢酸、プロピオン酸、酢酸もしくはプロピオン酸以外の揮発性有機酸、アルコール類、水素のいずれか一種類以上を生産する微生物(群)、
(B)タンパク質を基質として、酢酸、プロピオン酸、酢酸もしくはプロピオン酸以外の揮発性有機酸、アルコール類、水素のいずれか一種類以上を生産する微生物(群)、
(C)セルロース以外の糖類を基質として、酢酸、プロピオン酸、酢酸もしくはプロピオン酸以外の揮発性有機酸、アルコール類、水素のいずれか一種類以上を生産する微生物(群)、
(D)脂質を基質として、酢酸、プロピオン酸、酢酸もしくはプロピオン酸以外の揮発性有機酸、アルコール類、水素のいずれか一種類以上を生産する微生物(群)、
(E)酢酸を基質として、メタンを生成する微生物(群)、
(F)酢酸および/または水素を基質として、メタンを生成する微生物(群)、
(G)水素を基質として、メタンを生成する微生物(群)。 - 前記微生物(群)(A)は、配列番号1〜4の塩基配列もしくはこれらに対して少なくとも90%の相同性を持つ16S rRNA遺伝子を有する1又は2以上のセルロース分解酸生成細菌を含み、
前記微生物(群)(B)は、配列番号5〜8の塩基配列もしくはこれらに対して少なくとも90%の相同性を持つ16S rRNA遺伝子を有する1又は2以上のタンパク質分解菌を含み、
前記微生物(群)(C)は、配列番号9または10の塩基配列もしくはこれらに対して少なくとも90%の相同性を持つ16S rRNA遺伝子を有する1又は2以上の糖(セルロースを除く)分解菌を含み、
前記微生物(群)(E)は、メタン生成細菌Methanosaetaceae科菌群を含み、
前記微生物(群)(F)は、メタン生成細菌Methanosarcina属菌群を含み、
前記微生物(群)(G)は、メタン生成細菌Methanomicrobiaceae科のMethanoculleus属とMethanogenium属、メタン生成細菌Methanomicrobiales目のMethanospirillaceae科菌群及びメタン生成細菌Methanobacteriaceae科菌群を含む
ことを特徴とする請求項4に記載の嫌気性処理方法。 - 前記工程(1)において、特定の微生物(群)の検出・定量は、下記(a)〜(j)に記載のプライマーセットを用いて、DNAを属または科レベルで分別的に定量検出することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の嫌気性処理方法:
(a)配列番号11の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号12の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、セルロース分解酸生成細菌Clostridium sp. JC3株(配列番号1の16S rRNA遺伝子を有する)とその近縁株Clostridium sp. Clone 6-2-K(配列番号2の16S rRNA遺伝子を有する)、Clone 5-1-N(配列番号3の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット;
(b)配列番号13の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号12の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、セルロース分解酸生成細菌Clostridium sp. JC94 clone(配列番号4の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット、
(c)配列番号14の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号15の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対;配列番号16の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号15の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対;または配列番号17の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号18の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対からなる、タンパク質分解菌 Coprothermobacter proteolyticus P1株(配列番号5の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P2株(配列番号6の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P3株(配列番号7の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P4株(配列番号8の16S rRNA遺伝子を有するをターゲットとしたプライマーセット;
(d)配列番号19の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号20の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、セルロース以外の糖類分解に関わる S1株(配列番号9の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット;
(e)配列番号21の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号22の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、セルロース以外の糖類分解に関わる S2株(配列番号10の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット;
(f)配列番号23の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号24の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、酢酸及び/又は水素を基質とするメタン生成細菌Methanosarcina属菌群をターゲットとしたプライマーセット;
(g)配列番号25の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号26の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、酢酸を基質とするメタン生成細菌Methanosaetaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット;
(h)配列番号27の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号28の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、水素を基質とするメタン生成細菌Methanomicrobiaceae科のMethanoculleus属とMethanogenium属をターゲットとしたプライマーセット;
(i)配列番号29の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号30の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、水素を基質とするメタン生成細菌Methanomicrobiales目のMethanospirillaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット;
(j)配列番号31の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号32の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、水素を基質とするメタン生成細菌Methanobacteriaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット。 - 原水貯留槽と、嫌気性反応槽と、嫌気性反応槽の状態量に基づいて反応シミュレーションモデルを実行する演算部と、演算結果に基づいて決定された処理条件となるように嫌気性処理プロセスを制御する制御部と、を備え、
該反応シミュレーションモデルにより、
(1)分子生物学的手法により特異的に検出・定量された嫌気性反応槽内の有機性廃棄物及び/又は廃水中に含まれる各基質および各中間代謝物の分解反応に寄与する特定の微生物(群)の濃度、および
(2)定量された嫌気性反応槽内の該微生物(群)に固有の基質及び中間代謝物の濃度、
を入力値として、少なくとも各微生物(群)による各基質及び中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び中間代謝物に対する半飽和定数を数学的手法を用いて決定し、
該制御部は、各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数に基づき、嫌気性処理中の原水状態を知り、原水投入量の増減、原水希釈水投入量の増減、汚泥返送量の増減を制御する
ことを特徴とする有機性廃棄物及び/又は廃水の嫌気性処理装置。 - 前記反応シミュレーションモデルは、水素の存在により変動する、各微生物(群)に取り込まれた基質に由来する中間代謝物への分配係数を適用して、少なくとも各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数を決定する、請求項7に記載の装置。
- 前記分配係数の適用は、前記(1)微生物(群)の濃度および前記(2)基質又は中間代謝物の濃度を下記式:
(式中、kは最大基質取り込み速度、Kは基質に対する半飽和定数、Sは基質濃度、Xは微生物(群)濃度、Yは微生物(群)による生成収率、SH2は水素濃度、Kiasynは中間代謝物a(糖、各種有機酸、アルコール類または水素)の生合成阻害定数、Faは中間代謝物aの分配係数を示す)
に適用して、パラメータフィッティングすることにより行うことを含む、請求項8に記載の装置。 - 前記特定の微生物(群)の濃度は、下記(a)〜(j)に記載のプライマーセットを用いて、DNAを属または科レベルで分別的に定量検出されたものであることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の装置:
(a)配列番号11の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号12の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、セルロース分解酸生成細菌Clostridium sp. JC3株(配列番号1の16S rRNA遺伝子を有する)とその近縁株Clostridium sp. Clone 6-2-K(配列番号2の16S rRNA遺伝子を有する)、Clone 5-1-N(配列番号3の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット;
(b)配列番号13の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号12の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、セルロース分解酸生成細菌Clostridium sp. JC94 clone(配列番号4の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット、
(c)配列番号14の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号15の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対;配列番号16の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号15の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対;または配列番号17の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号18の塩基配列を有するオリゴヌクレオチドの対からなる、タンパク質分解菌 Coprothermobacter proteolyticus P1株(配列番号5の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P2株(配列番号6の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P3株(配列番号7の16S rRNA遺伝子を有する)、Coprothermobacter proteolyticus P4株(配列番号8の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット;
(d)配列番号19の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号20の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、セルロース以外の糖類分解に関わる S1株(配列番号9の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット;
(e)配列番号21の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号22の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、セルロース以外の糖類分解に関わる S2株(配列番号10の16S rRNA遺伝子を有する)をターゲットとしたプライマーセット;
(f)配列番号23の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号24の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、酢酸及び/又は水素を基質とするメタン生成細菌Methanosarcina属菌群をターゲットとしたプライマーセット;
(g)配列番号25の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号26の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、酢酸を基質とするメタン生成細菌Methanosaetaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット;
(h)配列番号27の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号28の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、水素を基質とするメタン生成細菌Methanomicrobiaceae科のMethanoculleus属とMethanogenium属をターゲットとしたプライマーセット;
(i)配列番号29の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号30の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、水素を基質とするメタン生成細菌Methanomicrobiales目のMethanospirillaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット;
(j)配列番号31の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドと、配列番号32の塩基配列又はそれと実質的に相同な塩基配列を有するオリゴヌクレオチドとの対からなる、水素を基質とするメタン生成細菌Methanobacteriaceae科菌群をターゲットとしたプライマーセット。 - (1)有機性廃棄物及び/又は廃水中に含まれる各基質および中間代謝物の分解反応に寄与する特定の微生物(群)を特異的に検出・定量する工程、
(2)該微生物(群)に固有の基質及び中間代謝物を定量する工程、
(3)工程(1)からの各微生物(群)の定量データ及び工程(2)からの各基質及び各中間代謝物の定量データを用いて、反応シミュレーションモデルを構築し、少なくとも各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数を決定する工程、
(4)工程(3)で求めた各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数に基づき、嫌気性処理中の原水状態を知り、原水投入量の増減、原水希釈水投入量の増減、汚泥返送量の増減を行い、嫌気性処理プロセスでの生物学的反応を化学量論的及び/又は反応速度論的に解析して決定した処理条件を適用する有機性廃棄物及び/又は廃水の嫌気性処理プロセスの制御方法。 - (1)有機性廃棄物及び/又は廃水中に含まれる各基質および中間代謝物の分解反応に寄与する特定の微生物(群)を特異的に検出・定量する工程、
(2)該微生物(群)に固有の基質及び中間代謝物を定量する工程、
(3)工程(1)からの各微生物(群)の定量データ及び工程(2)からの各基質及び各中間代謝物の定量データを用いて、反応シミュレーションモデルを構築し、少なくとも各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数を決定する工程、
(4)工程(3)で求めた各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数に基づき、嫌気性処理中の原水状態を知る、嫌気性処理プロセスでの生物学的反応を化学量論的及び/又は反応速度論的に解析する有機性廃棄物及び/又は廃水の嫌気性処理プロセスの診断方法。 - (1)有機性廃棄物及び/又は廃水中に含まれる各基質および中間代謝物の分解反応に寄与する特定の微生物(群)を特異的に検出・定量する工程、
(2)該微生物(群)に固有の基質及び中間代謝物を定量する工程、
(3)工程(1)からの各微生物(群)の定量データ及び工程(2)からの各基質及び各中間代謝物の定量データを用いて、反応シミュレーションモデルを構築し、少なくとも各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数を決定する工程、
(4)工程(3)で求めた各微生物(群)による各基質及び各中間代謝物の菌体あたり最大取り込み速度及び/又は各微生物(群)の各基質及び各中間代謝物に対する半飽和定数に基づき、嫌気性処理中の原水状態を知り、原水投入量の増減、原水希釈水投入量の増減、汚泥返送量の増減を決定する、嫌気性処理プロセスでの生物学的反応を化学量論的及び/又は反応速度論的に解析する有機性廃棄物及び/又は廃水の嫌気性処理プロセスの設計方法。
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