JPH0523169A - 微生物活性度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生物フォトン発光現象を利用した発光信号を
演算処理して高精度に微生物活性度を測定可能な微生物
活性度測定装置を得る。 【構成】 浮遊微生物が混濁した混液で満たされた混液
を暗箱に導き、この混液の生物フォトン光を検出，演算
して微生物活性度を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、すべての生物が普遍的
に発生する肉眼では見えない極微弱光を高感度光検出器
を用いて計測する技術を応用して、メタン発酵槽内の嫌
気性菌のような浮遊微生物の活性度を測定する装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】廃水や廃棄物の生物処理において浄化に
関係する微生物の活性度を測定することは維持管理と制
御上、有意義である。一般に活性度と言うと、活性微生
物量、単位活性微生物量当たり代謝速度あるいは前二者
の積などのいずれかで表現され、定義があいまいであ
り、これらが混同されて使用されている。

【０００３】活性汚泥処理においていわゆる活性度を現
すものとして、呼吸速度（酸素消費速度）、脱水素酵素
活性、ＡＴＰなどがある。またメタン発酵（嫌気性処
理）においては、Ｆ４２０，ＡＴＰなどがある。活性汚
泥処理においては近年、活性度の測定の重要性が認識さ
れつつあり、呼吸速度の自動計測装置が市販されてい
る。またＡＴＰに関しては活性汚泥よりＡＴＰを抽出し
て、ホタルの発光原理をルシフェリニールシフェラーゼ
法により測定する方法が実用化され、マニュアル操作に
より測定する装置が市販されている。

【０００４】嫌気性処理における活性度はガス発生速度
やｐＨ，有機酸濃度の測定によって判断できることと、
槽が密閉構造であり、槽内に計測機を設置することが困
難であるなどの理由により、いわゆる活性度の測定はほ
とんど行われていなかった。

【０００５】近年、光エレクトロニクスの進歩に伴い、
強度の非常に弱い光のもつ情報を的確に捕捉することが
可能となり、特に、生物または生体由来の極めて微弱な
光を捕捉することにより、生体を対象とした新しい計測
技術の研究開発が進められてきている。

【０００６】一般に、生命現象や生体活動に密接な関連
をもつ発光現象はその強度によって２種類に大別され
る。第１は、比較的強度が強くて普通肉眼でも感知でき
る程度のものであり、発光に関与する酵素やタンパク質
などの固有の物質があることが知られている。ホタルや
夜光虫，バクテリア，オワンクラゲなどにおける発光は
その例であり、生物発光といわれている。

【０００７】第２は、生体組織や細胞、生体関連物質な
どから生じ、肉眼や通常の光検出器では検知できないよ
うな極めて微弱な光（以下、「生物フォトン」という）
である。この発光現象は、上述の生物発光と一見類似し
ているように見られるが、両者の発光効率の間には極め
て大きな開きがあって（１０³〜１０⁶程度、又はそれ以
上）、発光過程に基本的な相違があるものと考えられ
る。後者の場合は、生物発光のような特定の固有物質は
介在せず、生命現象や生体作用に関連して自然界にごく
一般的に生じているものと推定されている。

【０００８】生物フォトン現象は、一般に極めて微弱な
発光であり、これを検出するためには、光電子計数法に
基づく非常に高感度な発光検出装置が必要である。現
在、開発されている真空冷却方式による低ノイズ化され
た世界最高レベルの超高感度の検出装置では１０秒間当
たり数個の光子までの検出も可能である。生体からのこ
のような極微弱な生物フォトン発光の測定は、代謝変動
とりわけ生体酸化活性の変化について、吸収や外部から
の人為的励起によって生じる蛍光による分光学的手法よ
り、はるかに鋭敏に検出することができる。生物フォト
ン現象は、全体的に見れば、生体構成物質が生体内部の
代謝過程、もしくは外界からの刺激に対する代謝応答を
通じて化学的に励起された発光分子種が形成され、発光
しながら基底状態に戻る生体内での化学発光に基づいて
いる。生体ではこのような代謝応答が繰り返され、持続
性のある発光として観察されることが多い。このすべて
の生物に普遍的な生物フォトン現象を利用して、例え
ば、ガンの診断や、手の平からの発光を測定した健康状
態の診断などの研究が行われている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】最近、メタン発酵にお
ける活性度の測定を目的として、Ｆ４２０を測定する装
置が開発されている。Ｆ４２０とはメタン菌のみが保有
する成分であり、紫外線を照射すると波長４２０ｎｍの
蛍光を発する性質を利用して蛍光強度を測定することに
より、メタン菌の活性度を知ることができる。メタン発
酵においては、メタン菌が重要な役割を果たしており、
メタンガス生成段階が律速段階となることが多いので、
メタン菌の活性を測定することはそれなりに有意義であ
る。しかしながら、メタン発酵の基質となる廃棄物は、
通常、多様な成分を含んでおり、Ｆ４２０以外の蛍光性
を有する成分が含まれている可能性を否定できない。

【００１０】Ｆ４２０による測定が実際に有効であるの
は、メタン菌倍地のように組成が明確で固形物分を含ま
ない基質を対象として、メタン菌が優先種となっている
場合に限られるようである。菌の種類は不明であるが、
メタン菌以外にも類似の蛍光物質を保有する菌があると
いうことである。したがってＦ４２０の測定が実際に適
用できるのは、バックグラウンドが低い場合に限られて
いるようである。

【００１１】ＡＴＰの測定により、嫌気性菌の活性度を
測定することも行われており、ガス発生速度などとの相
関を報告した例も見られる。しかし、ＡＴＰの測定は
（１）測定原理上、自動化が困難である、（２）試薬が
不安定であり、取り扱いに注意を要する、（３）試薬が
高価である、などの問題点があり、広く普及するにはい
たっていない。

【００１２】本発明は上述の問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、生物フォトン発光現象を有効に利用
することにより、構造簡単で安価にして高精度に微生物
活性度を測定可能な装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、浮遊微生物が懸濁した混液を収納した浮
遊微生物槽と、この浮遊微生物槽の浮遊物混合液の一部
を吸引し、外界からの入射光をしゃ断した暗箱と、この
暗箱に一時的に滞留させた後前記浮遊微生物槽に還流さ
せる浮遊微生物循環機構と、前記暗箱の中を磁気撹拌す
る撹拌機構と、前記暗箱の壁部に設置した透明窓を介し
て光電子増倍管により浮遊微生物の生物フォトンを検出
する生物フォトン検出機構と、前記透明窓の微生物混液
と接触する側の汚れを落とす洗浄機構と、前記光電子増
倍管の検出した光の強度を単位時間当たりのカウント数
として算出記憶するデータ処理機構によって微生物活性
度計測装置を構成する。

【００１４】さらに、本発明は前記浮遊微生物槽と暗箱
間に、該浮遊微生物槽より浮遊微生物混和液の一部を吸
引して濾過濃縮する限外濾過機構と、この限外濾過機構
に吸引された膜非透過濃縮液を前記暗箱に導入させて一
時的に滞留させた後前記限外濾過機構による膜透過濃縮
液と混流させて前記浮遊微生物槽に還流させる浮遊微生
物還流機構を設けて微生物活性度測定装置を構成する。

【００１５】

【作用】メタン発酵槽やエアレーションタンクのような
生物処理装置、あるいは高等動植物細胞培養箱、酵母培
養箱のようないわゆる浮遊微生物が懸濁した混液（汚泥
状の液）で満たされた槽より、ポンプ，管路，逆止弁な
どからなる機構により浮遊微生物混液の一部を連続的に
吸引して、外界からの入射光をしゃ断した暗箱に導入さ
せて一時的に保留させた後に、先の槽に還流させる。ま
た、暗箱の一部の壁に設置した透明ガラス窓を介して光
電子増倍管を設置して、浮遊微生物の生物フォトンを検
出すると共に、暗箱の中を磁気撹拌する機構と透明ガラ
ス窓の微生物混液と接触する側の汚れを落とすための一
対のエアシリンダー駆動のワイパーおよび一対のエアシ
リンダーに圧縮空気を交互に送るためのコンプレッサ
ー，電磁弁，通気管から構成される洗浄機構により洗浄
し、光電子増倍管の検出した光の強度をデータ処理部に
より単位時間当たりのカウント数として算出記憶する。

【００１６】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。

【００１７】図１は本発明の第１実施例による微生物活
性度計測装置を示すもので、１は浮遊微生物を用いた生
物処理槽であるメタン発酵槽、２はメタン発酵槽１内に
設けられた逆止弁、３ａ，３ｂは試料管路、４はポン
プ、５は逆止弁、６は暗箱で、これらの逆止弁２，５、
試料管路３ａ，３ｂ、ポンプ４および暗箱６によって試
料採取部を構成する。７は暗箱６に設けられた透明窓で
ある透明ガラス窓、８は暗箱６内に設けられたエアシリ
ンダー駆動洗浄ワイパー、９は磁気撹拌機で暗箱６内に
軸受１０によって磁石内蔵回転子１１が収納されてい
る。１２ａ，１２ｂは通気管、１３ａ，１３ｂは電磁
弁、１４はエアポンプで、これらの通気管１２ａ，１２
ｂ、電磁弁１３ａ，１３ｂおよびエアポンプ１４によっ
て圧縮空気発生部が構成される。１５は透明ガラス窓７
に対設された光電子増倍管、１６は光電子増倍管１５の
検出信号を入力とするデータ処理部である。１７は配電
盤で、ポンプ４、撹拌機９、電磁弁１３ａ，１３ｂ、ポ
ンプ１４、光電子増倍管１５およびデータ処理部１６に
所要の電力を供給する。

【００１８】上記構成の微生物活性度測定装置におい
て、メタン発酵槽１から採取した試料はポンプ４の作用
により逆止弁２と試料管路３ａを通って暗箱６に送ら
れ、逆止弁５と試料管路３ｂを通してメタン発酵槽１に
戻るようになっている。逆止弁２と５は暗箱６を常に試
料で満たされた状態に保つためにある。暗箱６は試料を
一時的に滞留させる機能と外部からの光をしゃ断する機
能を持っており、その側壁の一部に透明なガラス窓７が
設置されている。洗浄ワイパー８はガラス窓７の片側を
洗浄する機能を持ち、磁気撹拌機９は、暗箱６の内部の
上下にある軸受１０により枢支された磁石内蔵回転子１
１を回転させることにより、暗箱６の内部の液が撹拌さ
れる。エアポンプ１４，電磁弁１３ａ，１３ｂおよび通
気管１２ａ，１２ｂにより２本のエアシリンダーに交互
に圧縮空気を送り、洗浄ワイパー８を動作させる。光電
子増倍管１５はガラス窓７を通過してきた生物フォトン
を検出し、その検出信号をデータ処理部１６に入力す
る。

【００１９】データ処理部１６は光電子増倍管１５で検
出した光の強度を単位時間当たりのカウント数として換
算記録する。

【００２０】前記の装置を用いてメタン発酵槽やエアレ
ーションタンク内の微生物の生物フォトンを検出するこ
とが可能であり、生物フォトンの強弱は単位時間当たり
のカウント数で表現される。生物フォトンは極微弱光で
あるが持続的な発光であるので連続測定が容易である。
しかし、実際には透明ガラス窓７が汚れてきた場合洗浄
ワイパー８を使用して汚れを落とす必要があり、洗浄ワ
イパー使用中は測定誤差を生じるが測定を中断する必要
はない。

【００２１】生物フォトンは一般に生物の代謝活性と関
係が深いことが知られており、生物からの生物フォトン
を本測定装置を用いて測定することにより、微生物の活
性度（汚泥活性度）に関する情報が得られる。生物フォ
トンは極微弱光であるが、吸収や外部からの人為的励起
によって生じる蛍光による分光学的手法より、はるかに
鋭敏に検出できるという特徴がある。本測定装置の構造
は単純であり、自動連続測定が可能である。

【００２２】ＡＴＰ測定のように前処理や測定用の試薬
を添加する必要がない。消費電力も比較的小さいのでラ
ンニングコストが安く、メンテナンスも容易である。特
に、従来、あまり有効な活性度測定法が無かったメタン
発酵において本測定装置の適用は有効であり、Ｆ４２０
のように測定適用対象が限定されることがない。

【００２３】本測定装置は水処理分野に限らず、細胞培
養や、酵母培養など、製薬醸造、化学工業、医療検査な
ど広い産業分野における応用が可能である。

【００２４】図２〜図５は本発明の第２実施例による微
生物活性度測定装置を示すもので、本実施例は浮遊微生
物槽であるメタン発酵槽１と暗箱６との間に限外濾過試
料濃縮システムを設けたことを特徴とするものである。

【００２５】図２において１８は限外濾過器、１９は膜
透過液管路、２０は逆止弁、２１は膜非透過濃縮管路、
２２は流量調整バルブ、２３は試料排出管路、２４は流
入水量計、２５は膜非透過濃縮液流量計である。

【００２６】すなわち、限外濾過器１８は、ポンプ４，
試料管路３ａおよび逆止弁２を介してメタン発酵槽１に
連設されていると共に、膜透過液管路１９，逆止弁５お
よび試料流入管路３ｂを介してメタン発酵槽１に連設さ
れている。また、限外濾過器１８は、膜透過液管路１
９，逆止弁２０および試料排出管路２３を介して暗箱６
に連設されていると共に、膜非透過濃縮液管路２１と流
量調整バルブ２２を介して暗箱６に連設されている。

【００２７】上記構成の微生物活性度測定装置におい
て、メタン発酵槽１の内部の微生物懸濁液は逆止弁２を
先端に付けた試料液管路３ａを通りポンプ４により吸入
加圧され、膜透過液管路６に流入する一方、膜非透過液
すなわち微生物が濃縮された液は膜非透過液管路２１を
通って暗箱６に入る。膜非透過液の流量と濾過圧の調整
は流量調整バルブ２２によって行われる。

【００２８】暗箱６は、図示省略されているが、図１の
ものと同様に磁気撹拌機構とガラス窓７を洗浄する機構
を内蔵しており、暗箱６内に一時滞留した微生物から出
る生物フォトンはガラス窓７を介して設置した光電子増
倍管１５により検出される。暗箱６に一時滞留後、膜非
透過液は試料排出管路２３および逆止弁２０を通った
後、膜透過液と合流して逆止弁５を通過してメタン発酵
槽１に戻る。流入水量計２４によって測定された試料流
入量と膜非透過濃縮液流量計２５によって測定された膜
非透過濃縮液流量の流量比を生物フォトン強度に乗ずる
ことにより、生物フォトン強度の濃度補正を行うことが
できる。このような限外濾過濃縮機構を付加することに
より、測定部分の微生物濃度が高くなる生物フォトンの
強度が濃縮機構なしの場合と比較して相対的に高くなる
ので、生物フォトン測定装置の検出感度を高めることが
できる。

【００２９】一方、生物フォトンの検出感度を高める手
段として、生物フォトンの収束による方法を実現するた
めに、図３と図４に示すような生物フォトン光集束シス
テムを考案した。これらのシステムは光収束システム以
外は図１と図２に示すものと全く同じであるので、暗箱
内部の部分構造のみを図３と図４に示す。

【００３０】図３は凹面鏡を用いた生物フォトン光集束
システムであり、図３において、２６はガラス窓７を介
して暗箱６に連設された補助暗箱、２７は補助暗箱２６
内にガラス窓７に対向するように収設された凹面鏡で、
この凹面鏡２７の反射光路に位置して光電子増倍管１５
が設けられている。暗箱６内部には撹拌機構とガラス窓
洗浄機構が設けられている。

【００３１】暗箱６に流入した試料から出た生物フォト
ンはガラス窓７を通して凹面鏡２７に達してその鏡面に
おいて反射し、反射光は補助暗箱２６の底部にある光電
子増倍管１５に入り収束した光の強度が測定される。凹
面鏡２７の入射光に対する角度および補助暗箱２６の底
部の壁面との距離を適当に調整すれば、比較的広い面積
から出る生物フォトンが収束されて光電子増倍管に入射
するので、生物フォトンの検出感度を高めることができ
る。

【００３２】図４は凸レンズを用いた生物フォトン光集
束システムを示す。図４において、２８は平面鏡、２９
は平面鏡２８の反射光路上に配設された凸レンズであ
る。暗箱６に流入した試料から出た生物フォトンはガラ
ス窓７を通過し、平面鏡２８に達して反射する。平面鏡
２８は補助暗箱２６の内部に入射光に対して４５度の角
度で置かれており、反射光は補助暗箱２６の底部壁にあ
る凸レンズ２９を通過して収束し、光電子増倍管１５に
入り収束した光の強度が測定される。凸レンズ２９と光
電子増倍管１５との距離を適当に調整すれば比較的広い
面積から出る生物フォトンが収束されて光電子増倍管１
５に入射するので生物フォトンの検出感度を高めること
ができる。なお、凹面鏡と凸レンズの口径および平面鏡
の面積は光電子増倍管の感光面積に比較して十分に大き
いものとする。

【００３３】また、図５に示すように、これらの生物フ
ォトン光収束システムにおいて、収束した光をファイバ
ーガラス３０を介して通過させ、暗箱６と分離して設置
した光電子増倍管１５に導くようにすることも可能であ
る。

【００３４】限外濾過試料濃縮システムにおいては試料
の測定部分における微生物濃度を高めることにより、試
料から発する生物フォトンの光強度を高めることがで
き、生物フォトン測定装置の検出感度と精度を高めるこ
とができる。一方、凹面鏡あるいは凸レンズを用いた生
物フォトン光収束システムにおいては光電子増倍管の感
光部分面積に比較して広い面積から出る生物フォトンを
収束させることにより、図１の生物フォトン測定装置に
比較して光電子増倍管に入射する光量を増加させること
ができるので、検出感度と精度を高めることができる。

【００３５】限外濾過試料濃縮システムと、凹面鏡ある
いは凸レンズを用いた生物フォトン光収束システムを組
み合わせれば生物フォトン測定装置の検出感度と精度を
さらに高めることができ、微生物濃度が低い試料への適
用範囲を広げることができる。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、上述の如くであって、メタン
発酵槽やエアレーションタンクのような生物処理装置あ
るいは高等動植物細胞培養槽，酵母培養槽のようないわ
ゆる浮遊微生物が懸濁した混液（汚泥状の液）を連続的
に暗箱に導入して、暗箱の一部の壁に設置した透明ガラ
ス窓を介して光電子増倍管を設置して、浮遊微生物の生
物フォトンを検出する機構，暗箱内撹拌機構，透明ガラ
ス窓，洗浄機構光データを基に処理して活性度を算出す
るデータ処理部によって測定するものであるから、安価
にして高性能な微生物活性度測定装置が得られる。

【００３７】さらに、暗箱に入る微生物の濃度を高める
手段と生物フォトンを収束させる手段を用いるものであ
るから、検出感度が高く高精度の微生物活性度測定装置
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による微生物活性度測定装置の
ブロック図。

【図２】本発明の他の実施例による微生物活性度測定装
置のブロック図。

【図３】本発明の実施例による測定装置に用いる光収束
システムの構成図。

【図４】本発明の実施例による装置に用いる他の光収束
システムの構成図。

【図５】本発明の実施例による装置に用いるさらに他の
収束システムの構成図。

【符号の説明】

１…生物処理槽であるメタン発酵槽、２，５…逆止弁、
３ａ，３ｂ…試料管路、４…ポンプ、６…暗箱、７…透
明ガラス窓、８…洗浄ワイパー、９…磁気撹拌機、１２
ａ，１２ｂ…通気管、１３ａ，１３ｂ…電磁弁、１４…
エアポンプ、１５…光電子増倍管、１６…データ処理
部、１８…限外濾過器、１９…膜透過液管路、２０…逆
止弁、２１…膜非透過濃縮液管路、２２…流量調整バル
ブ、２３…試料排出管、２４…流入水量計、２５…膜非
透過濃縮液流量計、２６…補助暗箱、２７…凹面鏡、２
８…平面鏡、２９…凸レンズ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 浮遊微生物が懸濁した混液を収納した浮
   遊微生物槽と、この浮遊微生物槽の浮遊物混合液の一部
   を吸引し、外界からの入射光をしゃ断した暗箱と、この
   暗箱に一時的に滞留させた後前記浮遊微生物槽に還流さ
   せる浮遊微生物循環機構と、前記暗箱の壁部に設置した
   透明窓を介して光電子増倍管により浮遊微生物の生物フ
   ォトンを検出する生物フォトン検出機構と、前記光電子
   増倍管の検出した光の強度を単位時間当たりのカウント
   数として算出記憶するデータ処理機構によって構成した
   ことを特徴とする微生物活性度計測装置。
2. 【請求項２】 浮遊微生物が懸濁した混液を収納した浮
   遊微生物槽と、この浮遊微生物槽の浮遊物混合液の一部
   を吸引し、外界からの入射光をしゃ断した暗箱と、この
   暗箱に一時的に滞留させた後前記浮遊微生物槽に還流さ
   せる浮遊微生物循環機構と、前記暗箱の中を磁気撹拌す
   る撹拌機構と、前記暗箱の壁部に設置した透明窓を介し
   て光電子増倍管により浮遊微生物の生物フォトンを検出
   する生物フォトン検出機構と、前記透明窓の微生物混液
   と接触する側の汚れを落とす洗浄機構と、前記光電子増
   倍管の検出した光の強度を単位時間当たりのカウント数
   として算出記憶するデータ処理機構によって構成したこ
   とを特徴とする微生物活性度計測装置。
3. 【請求項３】 前記浮遊微生物槽と暗箱間に、該浮遊微
   生物槽より浮遊微生物混和液の一部を吸引して濾過濃縮
   する限外濾過機構と、この限外濾過機構に吸引された膜
   非透過濃縮液を前記暗箱に導入させて一時的に滞留させ
   た後前記限外濾過機構による膜透過濃縮液と混流させて
   前記浮遊微生物槽に還流させる浮遊微生物還流機構を設
   けて構成したことを特徴とする請求項１または請求項２
   記載の微生物活性度計測装置。
4. 【請求項４】 前記浮遊物還流機構の暗箱と生物フォト
   ン検出機構との間に生物フォトン光を収束する光学機構
   を設けて構成したことを特徴とする請求項１，請求項２
   または請求項３記載の微生物活性度計測装置。
5. 【請求項５】 前記光学機構が、透明窓からの生物フォ
   トン光を収束反射して生物フォトン検出機構の光電子増
   倍管に入射する凹面鏡を有することを特徴とする請求項
   ４記載の微生物活性度計測装置。
6. 【請求項６】 前記光学機構が、透明窓からの生物フォ
   トン光を反射する平面鏡と、この平面鏡による反射光を
   収束して生物フォトン検出機構の光電子増倍管に入射す
   る凸レンズを有することを特徴とする請求項４記載の微
   生物活性度計測装置。