JP5709125B2 - Nitrous oxide decomposition equipment - Google Patents

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Description

本発明は、亜酸化窒素分解装置に関する。   The present invention relates to a nitrous oxide decomposition apparatus.

亜酸化窒素(NO)は二酸化炭素の約300倍もの高い温室効果を示し、京都議定書においては排出規制の対象となっている。このため、地球温暖化防止の観点から、工場や農耕地等から排出される亜酸化窒素を効率的に除去/分解することが求められている。 Nitrous oxide (N 2 O) has a greenhouse effect about 300 times higher than that of carbon dioxide, and is subject to emission regulations in the Kyoto Protocol. For this reason, from the viewpoint of preventing global warming, it is required to efficiently remove / decompose nitrous oxide discharged from factories, agricultural land, and the like.

亜酸化窒素を分解する方法として、これまでに金属触媒を利用する方法が開示されている(例えば、特許文献1)。   As a method for decomposing nitrous oxide, a method using a metal catalyst has been disclosed so far (for example, Patent Document 1).

特開2007−152263号公報JP 2007-152263 A

金属触媒を利用する方法は、亜酸化窒素を分解するために高温での反応が必要であり、高温にするための多量のエネルギーが必要となる。例えば、特許文献1に開示された方法では、亜酸化窒素を分解する際の処理温度は450℃である。   The method using a metal catalyst requires a reaction at a high temperature in order to decompose nitrous oxide, and requires a large amount of energy to increase the temperature. For example, in the method disclosed in Patent Document 1, the processing temperature when decomposing nitrous oxide is 450 ° C.

そこで本発明は、亜酸化窒素を常温で省エネルギー的に分解することのできる亜酸化窒素分解装置を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the nitrous oxide decomposition | disassembly apparatus which can decompose | disassemble nitrous oxide energy-saving at normal temperature.

本発明は、亜酸化窒素還元酵素を有する酵素電極からなるカソードと、該カソードに接続されたアノードとを備える亜酸化窒素分解装置を提供する。   The present invention provides a nitrous oxide decomposing apparatus comprising a cathode composed of an enzyme electrode having nitrous oxide reductase and an anode connected to the cathode.

本発明の亜酸化窒素分解装置は、カソードにおいて亜酸化窒素還元酵素の働きにより、アノードで生成した電子を用い、亜酸化窒素を分解することができる。本発明の亜酸化窒素分解装置は、このような作用に基づいているため、常温で亜酸化窒素を分解することができる。これによって、従来必要とされていた高温加熱が不要となり、エネルギー的に有利である。また、亜酸化窒素還元酵素を利用しているため、基質特異性が高く、亜酸化窒素のみを特異的に分解することができる。加えて、本発明の亜酸化窒素分解装置は自立型であり、電圧をかけるための外部電源が不要である。   The nitrous oxide decomposition apparatus of the present invention can decompose nitrous oxide using electrons generated at the anode by the action of nitrous oxide reductase at the cathode. Since the nitrous oxide decomposition apparatus of the present invention is based on such an action, it can decompose nitrous oxide at room temperature. This eliminates the need for high-temperature heating conventionally required, and is advantageous in terms of energy. In addition, since nitrous oxide reductase is used, the substrate specificity is high and only nitrous oxide can be specifically decomposed. In addition, the nitrous oxide decomposition apparatus of the present invention is self-supporting and does not require an external power source for applying a voltage.

上記アノードは、有機物から電子を生成することのできる生物由来触媒を含むものであることが好ましい。アノードがこのような生物由来触媒を含むものであることによって、有機物を電子源とすることができるため、より低コストで亜酸化窒素を分解することができる。   It is preferable that the anode includes a biological catalyst that can generate electrons from an organic substance. When the anode contains such a biological catalyst, organic substances can be used as an electron source, so that nitrous oxide can be decomposed at a lower cost.

上記生物由来触媒は、酵素、微生物及びバイオフィルムからなる群より選ばれる少なくとも1種とすることができる。   The biological catalyst can be at least one selected from the group consisting of enzymes, microorganisms, and biofilms.

上記亜酸化窒素還元酵素は、チトクロームCと複合体を形成しているものであることが好ましい。亜酸化窒素還元酵素がチトクロームCと複合体を形成しているものであることにより、カソードからチトクロームCを介して直接亜酸化窒素還元酵素へ電子を受け渡すことができるため、酸素等が存在する場合にも酸素等に電子を奪われることなく、より効率よく亜酸化窒素を分解することができる。   The nitrous oxide reductase is preferably one that forms a complex with cytochrome C. Since nitrous oxide reductase forms a complex with cytochrome C, electrons can be directly transferred from the cathode to nitrous oxide reductase via cytochrome C, so that oxygen or the like exists. In some cases, nitrous oxide can be decomposed more efficiently without electrons being taken away by oxygen or the like.

上記亜酸化窒素還元酵素は、チトクロームCをドメインに有するものであることがより好ましく、また、上記亜酸化窒素還元酵素は、Wolinella succinogenes由来のものとすることができる。   The nitrous oxide reductase is more preferably one having cytochrome C in the domain, and the nitrous oxide reductase can be derived from Wolinella succinogenes.

本発明はまた、上記亜酸化窒素分解装置を用いた亜酸化窒素分解方法であって、上記カソードと亜酸化窒素を含む試料とを接触させ、上記アノードにおいて生成される電子を利用して、上記亜酸化窒素還元酵素の作用により上記亜酸化窒素を分解する亜酸化窒素分解方法を提供する。   The present invention is also a nitrous oxide decomposition method using the nitrous oxide decomposition apparatus, wherein the cathode and a sample containing nitrous oxide are brought into contact with each other, and the electrons generated in the anode are used to Provided is a nitrous oxide decomposition method for decomposing the nitrous oxide by the action of nitrous oxide reductase.

本発明の亜酸化窒素分解方法は、常温で亜酸化窒素を分解することができるため、従来必要とされていた高温加熱が不要となり、エネルギー的に有利である。また、亜酸化窒素還元酵素を利用しているため、基質特異性が高く、亜酸化窒素のみを特異的に分解することができる。   The nitrous oxide decomposition method of the present invention is capable of decomposing nitrous oxide at room temperature, which eliminates the need for conventional high-temperature heating and is advantageous in terms of energy. In addition, since nitrous oxide reductase is used, the substrate specificity is high and only nitrous oxide can be specifically decomposed.

本発明により、亜酸化窒素を常温で省エネルギー的に分解することのできる亜酸化窒素分解装置が提供される。本発明の亜酸化窒素分解装置によれば、常温で亜酸化窒素を分解することができる。これによって、従来必要とされていた高温加熱が不要となり、エネルギー的に有利であり、かつ、二酸化炭素の発生量が少ないという利点がある。また、亜酸化窒素還元酵素を利用しているため、基質特異性が高く、亜酸化窒素のみを特異的に分解することができる。加えて、電子をカソードに移動させるための外部電源が不要である。   According to the present invention, there is provided a nitrous oxide decomposition apparatus capable of decomposing nitrous oxide in an energy-saving manner at room temperature. According to the nitrous oxide decomposition apparatus of the present invention, nitrous oxide can be decomposed at room temperature. This eliminates the need for conventional high-temperature heating, is advantageous in terms of energy, and has the advantage that the amount of carbon dioxide generated is small. In addition, since nitrous oxide reductase is used, the substrate specificity is high and only nitrous oxide can be specifically decomposed. In addition, no external power source is required to move electrons to the cathode.

また、亜酸化窒素分解に必要な還元力(エネルギー)を有機物から得ることができるため、有機性廃棄物等を還元力として利用することができる。そのため、農耕地等を発生源とする亜酸化窒素を効率よく低下させることができ、地球温暖化対策技術として有用である。   Moreover, since the reducing power (energy) required for nitrous oxide decomposition can be obtained from organic substances, organic wastes and the like can be used as reducing power. Therefore, nitrous oxide originating from agricultural land or the like can be efficiently reduced, which is useful as a global warming countermeasure technique.

本発明の亜酸化窒素分解装置の一実施形態に係る反応槽の模式図である。It is a schematic diagram of the reaction tank which concerns on one Embodiment of the nitrous oxide decomposition | disassembly apparatus of this invention. 本発明の亜酸化窒素分解装置の他の実施形態に係る反応槽の模式図である。It is a schematic diagram of the reaction tank which concerns on other embodiment of the nitrous oxide decomposition | disassembly apparatus of this invention. 実施例2の亜酸化窒素分解を示すグラフである。2 is a graph showing nitrous oxide decomposition in Example 2. 実施例3の亜酸化窒素分解を示すグラフである。3 is a graph showing nitrous oxide decomposition in Example 3.

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

本発明の亜酸化窒素分解装置は、少なくとも亜酸化窒素還元酵素を有する酵素電極からなるカソードと、該カソードに接続されたアノードから構成される。   The nitrous oxide decomposing apparatus of the present invention comprises a cathode composed of an enzyme electrode having at least nitrous oxide reductase, and an anode connected to the cathode.

本発明の亜酸化窒素(NO)分解装置の一実施形態に係る反応槽100を図1に示した。図1に示した反応槽100は、亜酸化窒素還元酵素1を固定化した酵素電極(NOR電極)をカソード11として有し、有機物から電子を生成することのできる生物由来触媒(有機物分解手段)2を備える電極をアノード12として有している。また、カソード11側の試料液51とアノード12側の試料液52は、イオン交換膜31で仕切られ、塩橋32で連結されている。 A reaction tank 100 according to an embodiment of the nitrous oxide (N 2 O) decomposition apparatus of the present invention is shown in FIG. The reaction tank 100 shown in FIG. 1 has an enzyme electrode (N 2 OR electrode) on which a nitrous oxide reductase 1 is immobilized as a cathode 11, and is a biological catalyst that can generate electrons from organic matter (decomposition of organic matter). Means) An electrode having 2 is provided as the anode 12. The sample solution 51 on the cathode 11 side and the sample solution 52 on the anode 12 side are partitioned by an ion exchange membrane 31 and connected by a salt bridge 32.

アノード12において、試料液52中に含まれる有機物が有機物分解手段2によって分解される際に生成する電子が、リード21を通じてカソード11の亜酸化窒素還元酵素1へと供給され、この供給された電子を利用して、亜酸化窒素還元酵素1によって試料液51中に含まれる亜酸化窒素が選択的に分解される。なお、本発明の亜酸化窒素分解装置においては、外部電源からの電圧供給を要することなく、リード21を通じた電子の移動が生じ得る。   At the anode 12, electrons generated when the organic substance contained in the sample solution 52 is decomposed by the organic substance decomposing means 2 are supplied to the nitrous oxide reductase 1 of the cathode 11 through the lead 21, and the supplied electrons are supplied. , Nitrous oxide contained in the sample solution 51 is selectively decomposed by the nitrous oxide reductase 1. In the nitrous oxide decomposition apparatus of the present invention, electrons can move through the leads 21 without requiring voltage supply from an external power source.

亜酸化窒素還元酵素1は、下記式(1)で表される反応を触媒する酵素である。
O+2H+2e→N+HO (1)
亜酸化窒素還元酵素1による亜酸化窒素の分解には、上記式(1)から明らかなように電子(還元力)が必要である。したがって、単に亜酸化窒素還元酵素1と亜酸化窒素を接触させても亜酸化窒素の分解は生じない。本実施形態に係る亜酸化窒素分解装置においては、この分解に必要な電子を、有機物分解手段2による有機物の分解に伴って生成する電子として供給することにより、亜酸化窒素を常温で省エネルギー的に分解することが可能となる。
Nitrous oxide reductase 1 is an enzyme that catalyzes a reaction represented by the following formula (1).
N 2 O + 2H + + 2e → N 2 + H 2 O (1)
Decomposition of nitrous oxide by nitrous oxide reductase 1 requires electrons (reducing power) as is apparent from the above formula (1). Therefore, even if nitrous oxide reductase 1 and nitrous oxide are simply brought into contact with each other, decomposition of nitrous oxide does not occur. In the nitrous oxide decomposition apparatus according to the present embodiment, by supplying electrons necessary for the decomposition as electrons generated along with the decomposition of the organic matter by the organic matter decomposing means 2, nitrous oxide can be saved at room temperature in an energy saving manner. It becomes possible to disassemble.

亜酸化窒素還元酵素1としては、上記式(1)で表される反応を触媒できる酵素であれば、特に制限されるものではない。また、カソード11における亜酸化窒素分解反応を効率よく行う観点から、亜酸化窒素還元酵素1は、チトクロームCと複合体を形成しているものであることが好ましい。これにより、カソード11からチトクロームCを介して直接亜酸化窒素還元酵素1へ電子が供給される。したがって、試料液51中に溶存酸素等の電子受容体が存在する場合でも、これらの電子受容体に電子を奪われることなく、亜酸化窒素還元酵素1へと電子を供給することが可能となり、より効率よく亜酸化窒素を分解することができる。   The nitrous oxide reductase 1 is not particularly limited as long as it is an enzyme that can catalyze the reaction represented by the above formula (1). Further, from the viewpoint of efficiently performing the nitrous oxide decomposition reaction at the cathode 11, the nitrous oxide reductase 1 is preferably one that forms a complex with cytochrome C. As a result, electrons are directly supplied from the cathode 11 to the nitrous oxide reductase 1 via the cytochrome C. Therefore, even when an electron acceptor such as dissolved oxygen is present in the sample solution 51, it becomes possible to supply electrons to the nitrous oxide reductase 1 without depriving these electron acceptors, Nitrous oxide can be decomposed more efficiently.

亜酸化窒素還元酵素1は、チトクロームCをドメインに有するものであることがより好ましい。「ドメインに有する」とは、亜酸化窒素還元酵素1と水素結合や共有結合を介して結合している状態を意味する。このような亜酸化窒素還元酵素1の例として、具体的には、ウォリネラ(Wolinella succinogenes)菌種由来の亜酸化窒素還元酵素を好ましく利用することができる。   More preferably, nitrous oxide reductase 1 has cytochrome C in the domain. “Having in a domain” means a state of binding to nitrous oxide reductase 1 through a hydrogen bond or a covalent bond. As an example of such a nitrous oxide reductase 1, specifically, a nitrous oxide reductase derived from Worinella succinogenes can be preferably used.

亜酸化窒素還元酵素1には、精製されて市販されている亜酸化窒素還元酵素を用いることもできるし、亜酸化窒素還元酵素を発現する微生物から抽出/精製したものを用いることもできる。亜酸化窒素還元酵素を発現する微生物から亜酸化窒素還元酵素を抽出/精製する方法は、当業者であれば公知である常法のタンパク質の精製方法に従って行うことができる。以下、その一例として、W. succinogenes菌種由来の亜酸化窒素還元酵素を抽出/精製する方法を記載する。   The nitrous oxide reductase 1 can be a purified and commercially available nitrous oxide reductase, or can be extracted / purified from a microorganism expressing the nitrous oxide reductase. A method for extracting / purifying nitrous oxide reductase from a microorganism expressing nitrous oxide reductase can be performed according to a conventional protein purification method known to those skilled in the art. Hereinafter, as an example, W.W. A method for extracting / purifying nitrous oxide reductase derived from Succinogenes species is described.

W. succinogenesは、ルーメン細菌の一種であり、複数の公的機関から入手することができる。例えば、ドイツのDSMZ(Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH)や米国のATCC(American Type Culture Collection)から容易に入手できる。   W. succinogenes is a kind of rumen bacterium and can be obtained from a plurality of public institutions. For example, it can be easily obtained from DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH) in Germany or ATCC (American Type Culture Collection) in the United States.

W. succinogenes由来の亜酸化窒素還元酵素は、例えば、液体培地にW. succinogenesを植菌し、培養中は常に亜酸化窒素を通気しながら、嫌気的条件下、37℃で培養し、増殖したW. succinogenes菌体又は培養液中から、酵素活性を指標に精製できる。   W. The nitrous oxide reductase derived from succinogenes can be used, for example, in W. succinogenes were inoculated and cultured at 37 ° C. under anaerobic conditions with aeration of nitrous oxide throughout the culture. It can be purified from succinogenes cells or culture broth using enzyme activity as an index.

W. succinogenesの培養に用いる液体培地としては、例えば、酵母抽出物、ギ酸ナトリウム、クエン酸ナトリウム、硫酸銅、チオグリコール酸を含み、pHを中性付近に調整した培地が挙げられる。また、上記液体培地に、ニュートリエント培地成分、トリプチカーゼペプトン、ビタミンK1、ヘミンなどを加えた栄養培地にW. succinogenesを植菌し、嫌気的条件下、37℃で培養してもよい。   W. Examples of the liquid medium used for culturing succinogenes include a medium containing yeast extract, sodium formate, sodium citrate, copper sulfate, thioglycolic acid, and having a pH adjusted to near neutral. In addition, a nutrient medium obtained by adding a nutrient medium component, trypticase peptone, vitamin K1, hemin and the like to the above liquid medium is added to W. Succinogenes may be inoculated and cultured at 37 ° C. under anaerobic conditions.

W. succinogenes由来の亜酸化窒素還元酵素の具体的な精製方法としては、例えば、培養したW. succinogenesの菌体をフレンチプレス又は超音波破砕器などで破砕し、遠心分離して得られた上清(亜酸化窒素還元酵素を含む粗酵素溶液)を、イオン交換クロマトグラフィーやハイドロキシアパタイトクロマトグラフィーなどの精製手段で分画することにより、単一酵素として精製することができる。   W. As a specific purification method of succinogenes-derived nitrous oxide reductase, for example, cultured W. The supernatant (crude enzyme solution containing nitrous oxide reductase) obtained by crushing the cells of succinogenes with a French press or an ultrasonic crusher and centrifuging them is subjected to ion exchange chromatography, hydroxyapatite chromatography, etc. It is possible to purify as a single enzyme by fractionation using the purification means.

カソード11として用いる亜酸化窒素還元酵素1を固定化した酵素電極(NOR電極)は、亜酸化窒素還元酵素1をカーボン(カーボンペースト)等の電極材料と混合して製造することができる。電極材料としては、カーボン以外にも白金や金を用いることもできる。また、白金担持カーボンを用いてもよい。 The enzyme electrode (N 2 OR electrode) on which the nitrous oxide reductase 1 used as the cathode 11 is immobilized can be produced by mixing the nitrous oxide reductase 1 with an electrode material such as carbon (carbon paste). As an electrode material, platinum or gold can be used in addition to carbon. Alternatively, platinum-supported carbon may be used.

亜酸化窒素還元酵素1を電極材料に固定化する方法としては、例えば、架橋試薬を用いる方法、高分子マトリックス中に封入する方法、透析膜で被膜する方法、光架橋ポリマーや酸化還元ポリマーを用いて固定する方法が例示でき、これらを組み合わせて用いてもよい。より詳細には、グルタルアルデヒドを用いて上記の亜酸化窒素還元酵素1をカーボン電極上に固定化し、その後、アミン基を有する試薬で処理することにより、グルタルアルデヒドをブロッキングする方法が挙げられる。   As a method for immobilizing nitrous oxide reductase 1 on an electrode material, for example, a method using a crosslinking reagent, a method of encapsulating in a polymer matrix, a method of coating with a dialysis membrane, a photocrosslinking polymer or a redox polymer is used. Can be used in combination, and these may be used in combination. More specifically, there is a method of blocking glutaraldehyde by immobilizing the above nitrous oxide reductase 1 on a carbon electrode using glutaraldehyde and then treating with a reagent having an amine group.

具体的には、例えば、ライオンペーストW−311N(ライオン株式会社):5% ナフィオン(デュポン株式会社):5mM リン酸カリウム緩衝液(pH6.8):46mU/μl亜酸化窒素還元酵素溶液を1:1:2:6の体積比で混合したものを、研磨したグラッシーカーボン(GC)電極(φ3mm)に5μlを滴下し、4℃で2時間乾燥させた後、25% グルタルアルデヒド溶液の蒸気を用いて30分間架橋処理し、1mM Tris−HCl(pH7.0)に20分間、さらに100mM リン酸カリウム緩衝液(pH7.0)に30分間浸漬することによってNOR電極を得ることができる。 Specifically, for example, Lion Paste W-311N (Lion Corporation): 5% Nafion (DuPont Corporation): 5 mM potassium phosphate buffer (pH 6.8): 46 mU / μl 1 nitrous oxide reductase solution 5 μl was added dropwise to a polished glassy carbon (GC) electrode (φ3 mm) after being mixed at a volume ratio of 1: 2: 6, dried at 4 ° C. for 2 hours, and then a 25% glutaraldehyde solution vapor was applied. The N 2 OR electrode can be obtained by crosslinking for 30 minutes and immersing in 1 mM Tris-HCl (pH 7.0) for 20 minutes and further in 100 mM potassium phosphate buffer (pH 7.0) for 30 minutes.

アノード12は、有機物から電子を生成することのできる生物由来触媒からなる有機物分解手段2を備えるものであり、有機物分解手段2の触媒活性により有機物を分解し、分解に伴って生成する電子をリード21を通じて上記カソード11に供給するものであればよい。   The anode 12 includes an organic matter decomposing means 2 composed of a biological catalyst that can generate electrons from organic matter. The anode 12 decomposes the organic matter by the catalytic activity of the organic matter decomposing means 2 and leads the electrons generated along with the decomposition. What is necessary is just to supply to the cathode 11 through 21.

有機物分解手段2としては、酵素、微生物及びバイオフィルムからなる群より選ばれる少なくとも1種であることが好ましい。このような酵素の具体例として、有機物の酸化還元反応を触媒する酵素が挙げられる。また、このような微生物としては、有機物の酸化還元反応を触媒する酵素を有するものであればよく、さらには有機物の酸化還元反応を触媒する酵素を微生物表面に有するものであることが好ましい。例えば、微生物燃料電池のアノードに用いることのできる微生物とすることができる。また、このような微生物により形成されるバイオフィルムであってもよい。   The organic substance decomposing means 2 is preferably at least one selected from the group consisting of enzymes, microorganisms and biofilms. Specific examples of such enzymes include enzymes that catalyze redox reactions of organic substances. In addition, such a microorganism may be any microorganism that has an enzyme that catalyzes a redox reaction of an organic substance, and preferably has an enzyme that catalyzes a redox reaction of an organic substance on the surface of the microorganism. For example, it can be a microorganism that can be used for the anode of a microbial fuel cell. Moreover, the biofilm formed with such microorganisms may be sufficient.

有機物としては、酵素、微生物等により分解されて電子を生成するものであれば特に制限はなく、酵素、微生物等の種類に応じて適宜設定することができる。また、利用可能な上記有機物の種類に応じて、酵素、微生物等の種類を適宜設定してもよい。   The organic substance is not particularly limited as long as it is decomposed by an enzyme, a microorganism, or the like to generate electrons, and can be appropriately set according to the kind of the enzyme, the microorganism, or the like. Moreover, according to the kind of said organic substance which can be utilized, you may set suitably the kind, such as an enzyme and microorganisms.

具体的な有機物の例としては、例えば、グルコース等の糖類、低級脂肪酸、有機酸、アルコール、アミノ酸等が挙げられる。これらの有機物は複数種類の組み合わせでもよい。また、廃棄物処分場、下水処理場、農地等の環境中に存在する有機性廃棄物等を、有機物として利用することもできる。   Specific examples of organic substances include sugars such as glucose, lower fatty acids, organic acids, alcohols, amino acids, and the like. These organic substances may be a combination of a plurality of types. In addition, organic wastes present in the environment such as a waste disposal site, a sewage treatment plant, and farmland can be used as organic matter.

本実施形態において、反応槽100は、上記試料液51中に電子メディエーターを含むものであってもよい。電子メディエーターは、電子の授受が可能なものである。電子メディエーターにより、カソード11から亜酸化窒素還元酵素1への電子の移動が促進されるため、亜酸化窒素をより効率的に分解することができる。なお、電子メディエーターは、NOR電極に含まれていてもよい。 In the present embodiment, the reaction vessel 100 may include an electron mediator in the sample solution 51. An electronic mediator can exchange electrons. Since the electron mediator promotes the movement of electrons from the cathode 11 to the nitrous oxide reductase 1, nitrous oxide can be decomposed more efficiently. The electron mediator may be included in the N 2 OR electrode.

電子メディエーターとしては、例えば、ベンジルビオロゲン、メチルビオロゲン、フェリシアン化カリウム、フェナジンメトサルフェート(PMS)、1−メトキシフェナジンメトサルフェート(mPMS)、フェロセン誘導体、オスミウム誘導体等を用いることができる。   As the electron mediator, for example, benzyl viologen, methyl viologen, potassium ferricyanide, phenazine methosulfate (PMS), 1-methoxyphenazine methosulfate (mPMS), ferrocene derivative, osmium derivative and the like can be used.

試料液51は、亜酸化窒素還元酵素1の酵素活性を阻害しないものであればよく、特に制限はない。同様に、試料液52は、有機物分解手段2に含まれる生物由来触媒活性を阻害しないものであればよく、特に制限はない。例えば、試料液51、52として、有機性廃棄物等を含有する廃水等を用いることもできる。   The sample solution 51 is not particularly limited as long as it does not inhibit the enzyme activity of the nitrous oxide reductase 1. Similarly, the sample solution 52 is not particularly limited as long as it does not inhibit the biological catalyst activity contained in the organic matter decomposition means 2. For example, as the sample liquids 51 and 52, waste water containing organic waste or the like can be used.

本発明の亜酸化窒素分解装置を実施するための他の実施形態に係る反応槽110を図2に示した。図2に示した反応槽110は、亜酸化窒素還元酵素1を固定化した酵素電極(NOR電極)をカソード11として有し、有機物分解手段2を備える電極をアノード12として有している。カソード11とアノード12は試料液50に浸されている。 The reaction tank 110 which concerns on other embodiment for implementing the nitrous oxide decomposition | disassembly apparatus of this invention was shown in FIG. The reaction tank 110 shown in FIG. 2 has an enzyme electrode (N 2 OR electrode) on which the nitrous oxide reductase 1 is immobilized as the cathode 11, and an electrode provided with the organic matter decomposing means 2 as the anode 12. . The cathode 11 and the anode 12 are immersed in the sample solution 50.

アノード12において、試料液50中に含まれる有機物が有機物分解手段2によって分解される際に生成する電子が、リード21を通じてカソード11の亜酸化窒素還元酵素1へと供給され、この供給された電子を利用して、亜酸化窒素還元酵素1によって試料液50中に含まれる亜酸化窒素が選択的に分解される。   At the anode 12, electrons generated when the organic substance contained in the sample solution 50 is decomposed by the organic substance decomposing means 2 are supplied to the nitrous oxide reductase 1 of the cathode 11 through the lead 21, and the supplied electrons are supplied. , Nitrous oxide contained in the sample solution 50 is selectively decomposed by the nitrous oxide reductase 1.

試料液50は、亜酸化窒素還元酵素1の酵素活性、有機物分解手段2の触媒活性を阻害しないものであればよく、特に制限はない。例えば、試料液50として、有機性廃棄物等を含有する廃水等を用いることもできる。   The sample solution 50 is not particularly limited as long as it does not inhibit the enzyme activity of the nitrous oxide reductase 1 and the catalytic activity of the organic matter decomposition means 2. For example, as the sample solution 50, waste water containing organic waste or the like can be used.

本発明の亜酸化窒素分解装置は、常温で亜酸化窒素を分解することができるうえ、有機物さえ存在すれば亜酸化窒素の分解が可能であるため外部から熱等のエネルギーを加える必要がなく、コスト的に有利である。   The nitrous oxide decomposing apparatus of the present invention can decompose nitrous oxide at room temperature and can decompose nitrous oxide as long as organic substances are present, so there is no need to add energy such as heat from the outside. Cost is advantageous.

本発明の亜酸化窒素分解装置は、外部電源を必要としないため、環境中(例えば、農耕地、処分場、廃棄物処分場、下水処理場等)での亜酸化窒素分解に好適に用いることができる。   Since the nitrous oxide decomposition apparatus of the present invention does not require an external power source, it should be suitably used for nitrous oxide decomposition in the environment (for example, agricultural land, disposal site, waste disposal site, sewage treatment plant, etc.). Can do.

例えば、農耕地等の土壌に亜酸化窒素還元酵素を有する酵素電極からなるカソード及びアノードを突き刺すことにより、アノードの触媒活性により土壌中の有機物から電子を生成し、その電子を用いてカソードにおいて亜酸化窒素を分解できる。また、下水処理場等において曝気ガスに含まれる亜酸化窒素を分解するにあたり、カソードを気相におき、アノードを下水中に浸すことにより、下水中の有機物から生成させた電子を用いて曝気ガス中の亜酸化窒素を分解することもできる。   For example, by piercing a cathode and an anode made of an enzyme electrode having nitrous oxide reductase into soil such as farmland, electrons are generated from organic matter in the soil by the catalytic activity of the anode, and the electrons are used to generate sub-electrons at the cathode. Nitrogen oxide can be decomposed. In addition, when decomposing nitrous oxide contained in aeration gas at a sewage treatment plant or the like, the aeration gas is generated using electrons generated from organic substances in the sewage by placing the cathode in the gas phase and immersing the anode in the sewage. It can also decompose nitrous oxide.

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

(実施例1)亜酸化窒素還元酵素を固定化した電極(NOR電極)の作製
亜酸化窒素還元酵素は、国際公開WO2009/031652パンフレットに記載の方法により、Wolinella succinogenes ATCC29543株から得た。また、国際公開WO2009/031652パンフレットに記載の方法により、亜酸化窒素還元酵素を固定化した電極(NOR電極)を得た。
Example 1 Production of Electrode Immobilized with Nitrous Oxide Reductase (N 2 OR Electrode) Nitrous oxide reductase was obtained from Wolinella succinogenes ATCC 29543 by the method described in International Publication WO2009 / 031652. Further, by the method described in International Publication WO2009 / 031652 pamphlet, to give nitrous oxide reductase enzyme immobilized electrode (N 2 OR electrodes).

(実施例2)NOR電極を用いた亜酸化窒素の分解(メディエーター添加)
OR電極をカソードとして用いた。一方、アノードには、亜酸化窒素還元酵素に変えてグルコース脱水素酵素(FADGDH)を用いた以外はNOR電極と同様にして作製したグルコース脱水素酵素を固定化した電極(GDH電極)を用いた。これらの電極を100mMリン酸緩衝液(pH7.0)が満たされた反応槽に設置し、イオン交換膜でカソード側の試料液とアノード側の試料液を仕切った。アノード側の試料液に10mMとなるようグルコースを添加し、カソード側の試料液に2mMとなるようmPMSを電子メディエーターとして添加した。また、カソードとアノードはポテンショスタットに接続した(構成は図1を参照)。カソード側の試料液に、アルゴンガス又は亜酸化窒素ガスをバブリングし、その際の電流値をポテンショスタットにより計測した。
Decomposition of nitrous oxide (Example 2) N 2 OR electrodes (mediator added)
An N 2 OR electrode was used as the cathode. On the other hand, on the anode, an electrode (GDH electrode) with immobilized glucose dehydrogenase prepared in the same manner as the N 2 OR electrode except that glucose dehydrogenase (FADGDH) was used instead of nitrous oxide reductase was used. Using. These electrodes were installed in a reaction tank filled with 100 mM phosphate buffer (pH 7.0), and the cathode side sample solution and the anode side sample solution were partitioned by an ion exchange membrane. Glucose was added to the anode side sample solution to 10 mM, and mPMS was added to the cathode side sample solution to 2 mM as an electron mediator. The cathode and anode were connected to a potentiostat (see FIG. 1 for the configuration). Argon gas or nitrous oxide gas was bubbled into the cathode side sample solution, and the current value at that time was measured with a potentiostat.

その結果を図3に示した。カソード側の試料液にアルゴンガスをバブリングした際に発生する電力と亜酸化窒素をバブリングした際に発生する電力には明らかに差が認められた(図3)。この結果から、アノードにおけるグルコースの酸化により生じた電子を用いてカソードにおいて亜酸化窒素還元酵素の作用により、亜酸化窒素が還元、すなわち分解されることが確認された。   The results are shown in FIG. There was a clear difference between the power generated when argon gas was bubbled into the sample solution on the cathode side and the power generated when bubbling nitrous oxide (FIG. 3). From this result, it was confirmed that nitrous oxide was reduced, that is, decomposed by the action of nitrous oxide reductase at the cathode using electrons generated by oxidation of glucose at the anode.

(実施例3)NOR電極を用いた亜酸化窒素の分解(メディエーター非添加)
OR電極をカソードとして、GDH電極をアノードとして用いた。これらの電極を100mMリン酸緩衝液(pH7.0)が満たされた反応槽に設置した。実施例2とは異なり、カソード側の試料液とアノード側の試料液はイオン交換膜で仕切らずに一槽式の反応槽とした。また、電子メディエーターは添加しなかった。試料液に10mMとなるようにグルコースを添加し、カソードとアノードをポテンショスタットに接続した(構成は図2を参照)。試料液に、アルゴンガス又は亜酸化窒素ガスをバブリングし、その際の電流値をポテンショスタットにより計測した。
(Example 3) Decomposition of nitrous oxide using N 2 OR electrode (without addition of mediator)
The N 2 OR electrode was used as the cathode and the GDH electrode was used as the anode. These electrodes were placed in a reaction tank filled with 100 mM phosphate buffer (pH 7.0). Unlike Example 2, the sample solution on the cathode side and the sample solution on the anode side were not separated by an ion exchange membrane, and were made into a single tank type reaction vessel. Also, no electron mediator was added. Glucose was added to the sample solution to 10 mM, and the cathode and anode were connected to a potentiostat (see FIG. 2 for the configuration). The sample solution was bubbled with argon gas or nitrous oxide gas, and the current value at that time was measured with a potentiostat.

結果を図4に示した。試料液にアルゴンガスをバブリングしたときと亜酸化窒素をバブリングしたときでは、発生する電力に違いが認められ、亜酸化窒素をバブリングしたときに発生する電力は、アルゴンガスをバブリングしたときに発生する電力の数倍に及んだ(図4)。この結果は、アノードにおけるグルコースの酸化により生じた電子を用いてカソードにおいて亜酸化窒素還元酵素の作用により、亜酸化窒素が選択的に還元、すなわち分解されることが確認された。この結果はまた、電子メディエーターを添加しなくても、NOR電極から直接電子が亜酸化窒素還元酵素に移動していることを示している。 The results are shown in FIG. When argon gas is bubbled into the sample solution and when nitrous oxide is bubbled, there is a difference in the power generated, and the power generated when bubbling nitrous oxide is generated when argon gas is bubbled. It was several times the power (Fig. 4). As a result, it was confirmed that nitrous oxide was selectively reduced, that is, decomposed by the action of nitrous oxide reductase at the cathode using electrons generated by oxidation of glucose at the anode. This result also shows that electrons are transferred directly from the N 2 OR electrode to nitrous oxide reductase without the addition of an electron mediator.

以上の実施例より、本発明の亜酸化窒素分解装置は、外部電源からの電圧の供給を必要とせず、アノードで発生した電子を利用して亜酸化窒素を分解できることが示された。   From the above examples, it was shown that the nitrous oxide decomposition apparatus of the present invention does not require the supply of voltage from an external power source, and can decompose nitrous oxide using electrons generated at the anode.

1…亜酸化窒素還元酵素、2…有機物分解手段、11…カソード、12…アノード、21…リード、31…イオン交換膜、32…塩橋、50、51、52…試料液、100、110…反応槽。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nitrous oxide reductase, 2 ... Organic substance decomposition | disassembly means, 11 ... Cathode, 12 ... Anode, 21 ... Lead, 31 ... Ion-exchange membrane, 32 ... Salt bridge, 50, 51, 52 ... Sample solution, 100, 110 ... Reaction tank.

Claims (6)

亜酸化窒素還元酵素を有する酵素電極からなるカソードと、該カソードに接続されたアノードとを備え
前記アノードが、有機物から電子を生成することのできる生物由来触媒を含むものである、亜酸化窒素分解装置。
A cathode composed of an enzyme electrode having nitrous oxide reductase, and an anode connected to the cathode ,
A nitrous oxide decomposing apparatus , wherein the anode includes a biological catalyst capable of generating electrons from organic matter .
前記生物由来触媒が、酵素、微生物及びバイオフィルムからなる群より選ばれる少なくとも1種である、請求項1に記載の亜酸化窒素分解装置。 The nitrous oxide decomposing apparatus according to claim 1, wherein the biological catalyst is at least one selected from the group consisting of an enzyme, a microorganism, and a biofilm. 前記亜酸化窒素還元酵素が、チトクロームCと複合体を形成しているものである、請求項1又は2に記載の亜酸化窒素分解装置。 The nitrous oxide decomposing apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the nitrous oxide reductase forms a complex with cytochrome C. 前記亜酸化窒素還元酵素が、チトクロームCをドメインに有するものである、請求項1〜のいずれか一項に記載の亜酸化窒素分解装置。 The nitrous oxide reductase according to any one of claims 1 to 3 , wherein the nitrous oxide reductase has cytochrome C in the domain. 前記亜酸化窒素還元酵素が、ウォリネラ・サクシノゲネス(Wolinella succinogenes由来のものである、請求項1〜のいずれか一項に記載の亜酸化窒素分解装置。 The nitrous oxide reductase is derived from Worinera-Sakushinogenesu (Wolinella succinogenes), nitrous oxide decomposition apparatus according to any one of claims 1-4. 請求項1〜のいずれか一項に記載の亜酸化窒素分解装置を用いた亜酸化窒素分解方法であって、
前記カソードと亜酸化窒素を含む試料とを接触させ、前記アノードにおいて生成される電子を利用して、前記亜酸化窒素還元酵素の作用により前記亜酸化窒素を分解する亜酸化窒素分解方法。
A nitrous oxide decomposition method using the nitrous oxide decomposition apparatus according to any one of claims 1 to 5 ,
A nitrous oxide decomposition method in which the cathode and a sample containing nitrous oxide are brought into contact, and the nitrous oxide is decomposed by the action of the nitrous oxide reductase using electrons generated in the anode.
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