JPH07502927A - 水からマンガンを除去する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｍ」 水からマンガンを除去する方法および装置ｌ胛旦圀■ 本発明は水、特に携帯用または飲料用水からマンガンを除去する方法および装置 に関する。 ｌ四旦五旦 飲料水にマンガンが含まれておれば、オーストラリア（下記参考文献リストの文 献２６．４８）ばかりでなく海外（文献４．６２）でも、都市の配水システムで マンガンに関連した゛汚染水°°の原因になるので水関係当局には問題になる。 配水システムに混入するマンガンは送水管内面に酸化マンガンの黒い生物膜とし て蓄積され、これが剥げ落ちる時（文献４．２６．４８．５１．５２．５３．６ ２）には水の需要者から苦情を受けることになる。塩素処理した飲料水システム でも酸化マンガンが化学的に沈積するが、塩素処理（文献４８．５１．５２．５ ３）が不充分な区域では成長した生菌の生物膜が蓄積されるのである。 このマンガンに関連した゛汚染水°゛はこれまで健康上危険でなかったが、この ような水では審美的に受け入れられず、がっ洗濯物、装置、製造物品および水泳 プールを汚染して経済的損失をきたすことになる。 この問題はオーストラリアでＮｏｒｊｌＩ　ＱｕｅｅｎｓｌａｎｄのＣａ　ｉ　 ｒｎｓからＮｅｗ　５ｏｕｔｈ　Ｗａｌｅｓ　のＷｙｏｎｇ、　Ｗｏｏｌｏｎｇ ｏｎｇまでの東海岸にある多数の市や町で拡がっている。これら沿岸の町の多く はその主要産業を観光事業に依存しており、そして旅行者に高級感をもたせよう としている。１９８５年には最も被害を受けた需要者から苦情は一週間に８７０ 件（文献４８．５１．５３）にも達した。 水関係当局は種々の水処理法により水中マンガンをＷＨＯおよびＮＨＭＲＣが推 奨するレベルの０．０５　ｍｇ／ｌ　（文献４１．６２）まで減らす計画である 。アメリカ上水道協会の目標値によれば０．０１ｍｇ／ｌ　（文献４）である。 Ｇｏｌｄ　Ｃｏａｓｔ配水システムの最近の大規模な調査（文献４８．５１．５ ２．５３）では、マンガンに関連する需要者の苦情はマンガンが０．０２　ｍｇ ／ｌレベルになるとみられ、０．０５　ｍｇ／ｌレベルまで高くなると一週間に ８０件に達していることがわかった。これら需要者の苦情は直接被害を受けた消 費者の総数を表わしている。 原水からマンガン、鉄分を除去する現行の水処理法では処理プラントで原水を酸 素化しく文献４６．６１）、そして化学的に酸化してから濾過（文献６１）シて いる。最も一般的な酸化剤は過マンガン酸カリウムＫＭｎＯ４、塩素、二酸化塩 素、およびオゾン（文献６１）である。 Ｇｒｅｅｎ　（文献２４）の処理プラントによれば、マンガンの除去に砂濾過器 を効果的に使用するには濾過の負荷速度を約５　ｍ／ｈ−１までに制限しなけれ ばならないとしている。最近の急速炒濾過器では９　ｍ／″ｈ−’まで（文献３ ２）の運転に設計されている。このため、高いマンガン量のものに高速濾過の経 済的利益を期待するには、濾過以前の処理段階（文献３２）でかなりのマンガン を除去しなければならないことになる。 マンガン（ＩＩ）は酸化しなければ明馨による凝集のような従来の水処理方法で は除去できない。最も一般的な酸化剤は過マンガン酸カリウムＫＭｎＯ’で、マ ンガン（■）はマンガン（ＩＶ）になりそのコロイド状沈殿物はその後濾過で除 去される。この方法には実用上問題があって酸化の速度と程度とはマンガンの種 形成、有機物の特性および濾過効率等の要因に左右される。 これらの要因はプラント運転者の管理では対応できない。極少量のマンガンしか 除去できないと、処理後の濃度が原水中濃度より高くなることもある。 最近、塩素および二酸化塩素が殺菌と酸化（文献６１）の二つの役割で使用され ている。マンガンの生物学的酸化は化学的方法の代案で、水処理にはすでにある 程度利用されているが、まだ充分活用されていない。 中性のｐＨではマンガンは鉄とは相違して酸素のみでは酸化されない。自然の酸 素化された水の貯留中でのマンガンの酸化はマンガン酸化微生物（文献２２．５ ５．５７）の作用の賜物である。 自然界にはマンガンを酸化するバクテリア、菌（文献２２．２５）等の種々の微 生物が存在する。このような微生物は広く自然界の土中、水中の生息場所の分布 区域の到る所に存在する。この微生物のあるものは所属した成長モードにうまく 順応する。 マンガンの生物学的酸化と除去はマンガン酸化バクテリアが定着した急速砂濾過 器でなされること（文献６．１４．１５．３８）が示されている。ドイツの２１ 箇所での処理プラントにおける砂濾過器の総合的調査（文献１３）によれば、マ ンガン除去に関係するバクテリアはＨｙｐｈｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ、　Ｌｅｐｔ ｐｔｈｒｉｘ、　Ｉｌｅｔａｌｌｏｇｅｎｉｕｒｒｒ、　５ｊｄｅｒｏｃａｐｓ ａ、および５ｉｄｅｒｏｃｙｓｔｉｓ属であることがわかった。これらの微生物 は表面に固着し流水による剪断力にも耐える優れた能力をもっているようである 。これらの微生物はＣａ１１ｉｏｎｅｌｌａ、　Ｌｅｐｔｐｔｈｒｉｘ等の鉄酸 化微生物に関連して時折発見されており、マンガン、鉄の除去に貢献している。 この生物学的に作用する砂濾過器は１３ｍ／ｈ−’まで（文献３２）および２４ 　ｍ／ｈ”まで（文献３８）の負荷速度で運転可能であり、このため現今の水処 理の必要条件に合致するものである。充填層生物反応器としての砂濾過器を使用 することの欠点は、ノくイオマス（文献２）が粒子を凝結するこ牛である。これ では流速が低くなり、マンガンと接触する生物膜の表面積を少なくなる。 マンガンの酸化はマンガン酸化バクテリア（文献１３．２３）表面の細胞外スラ イム上で生じることが示されている。粒子の凝結は充填層のチャンネリングの原 因となり、水は充分に処理されないまま通過する。このため、濾過器を勢いよく 逆洗してたびたび定期的に洗浄する必要があり、これでは活性を有する生物膜が 取り除かれるので濾過器がマンガン除去効率を回復する（文献１８）には時間が 必要になる。廃水、下水の処理に微生物を利用することは以前から実施されてい るが、飲料水の処理にはそれ程活用されていない。微生物をマンガン、鉄の除去 （文献６．１３．１５．３８）に使用すること殆んど理解されておらず、廃水処 理の技術レベル程には開発されていない。マンガン酸化バクテリアの成長および 代謝速度を制御する環境条件は殆んど知られていない。マンガン酸化に関し提案 されている生物化学的機構の文献に研究の母体があるが、その結果に往々にして 矛盾があり、調査された微生物（例えば文献１５．２２）に依存し過ぎる傾向が ある。 灸団皇叉五 このようなことから、本発明の目的は既に議論した従来技術の問題点を解決でき るような、水中からマンガンを除去する方法および装置を提供することにある。 本発明の方法は： （ｉ）マンガンを代謝できる微生物の固着性の生物膜を強固に吸着できる粒子の 流動層を生物反応器内に調製して、活性的に繁殖したバイオマスを提供するステ ップ；及び（ＩＩ）前記流動層に流水を通過させ、マンガンを前記バイオマスに よって吸着しかつ流水から除去し、浄化流出水を前記生物反応器から排出して提 供するステップ：とを包含する。 本発明の流動層反応器の開発により、従来のマンガン除去用砂濾過器を越えた種 々の利点が提供できる。このような反応器は水処理塔内の上向流水に懸濁させる 小粒子表面の固定培養組織の生育（文献２）により可能である。この技術によれ ばバイオマスの体積割合の表面積が大になり、反応器の所定容積に対する効率を 高く維持できる。他の利点は、流動層が膨張して生育するバイオマスに適応する ことができ、かつ自らの洗浄作用で凝結を生じない（文献２）ことである。 小粒子で、密度が高く、大きさの揃った支持粒子が好気性水処理（文献２）には 推奨されている。小粒子はそれがバイマスにより大きな表面積を提供するため好 ましく、しかも移動抵抗を低くできる。充填層とは相違して、流動層内の粒子の サイズ、密度および流速は独立した要因ではない。本発明では、密度のある粒子 にマンガン酸化バクテリアの生物膜を固着させることにより水処理でマンガンを 酸化する生物工学的方法に活用できると考えている。連続循環流動層の生物反応 器を使用すれば、マンガン酸化生物膜が剥離されない剪断力の粒子サイズと流速 が選択できると考えた。適当な粒子サイズは５０μｍから１０００μｍ（すなわ ち１　ｍｍ）範囲のものである。 数種類のＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの菌が配水システ ムの生物膜（文献４８．４９．５１．５２．５３）から採取され、高流速による 剪断力にも耐えること（文献５２）が示されている。 ＴｙｌｅｒとＭａｒｓｈａｌｌ　（文献５８．５９）によれば、同じようにマン ガンを酸化する出芽バクテリアＨｙｐｈｏｍｉｃｒｏｂｊｕｍ種は　タスマニア の水力発電所のバイブラインで見つかった生物膜の中では優勢な微生物であり、 固定形生物膜反応器用のこの種微生物には適していると説明している。Ｈｙｐｈ ｏｍｉｃｒｏｂｉｕｔｒｔは塩素化合物を炭素およびエネルギー源として使用す る能力があり、かつ無機窒素源を利用する能力がある点でＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂ ｉｕｍとは相違している。Ｐｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍでは原水源（文献２０． ４８）で普通に見つけられる有機酸の等の錯体の有機性炭素および窒素源が必要 である。ＴｙｌｅｒとＭａｒｓｈａｌｌのＨｙｐｈｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍの培養 組織（菌株Ｔ３７）はその後実験室で繰返し副次培養する間にマンガンの酸化能 力を喪失し、研究に使えなくなった。しかしＨｙｐｈ。 ｍｉｃｒｏｂｉｕｍ菌も上記（文献１３）で引用した微生物と同様にマンガンの 代謝に使用可能であるという事実は、本発明がＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍ ａｎｇａｎｉｃｕｍ菌に限らないことを示しており、本発明がマンガンを代謝す るどの微生物にも適用できることを示している。 また、５ｉｒｏｆｌｏｃの浄水装置（文献３１）で使用されたマグネタイトの粒 子は適当な支持粒子として必要な密度と表面特性とを備えているものであと信じ られる。オーストラリア特許５３４２３８（文献３）には、微生物はその微生物 学的機能性を減することなくマグネタイトに強固に付着することが示されている 。Ｍａｅ　ＲａｅとＥｖａｎｓ　（文献３３．３４）はマグネタイトが懸濁水か ら種々の微生物細胞の９５％〜９９％を素早く吸着することを明らかにした。 本発明の方法には、原水が処理プラントに流入した際マンガン（ＩＩ）を酸化す る連続循環流動層反応器（ＣＲＦＢ）の設置が含まれる３　この方法によれば高 価な化学的酸化剤を添加することなく運転できる。今世紀末までのオーストリア の水資源について広範囲な調査をしたＧａｒｍａｎ　（文献１９）は゛オースト ラリアの水に鉄、マンガンが存在していることは水処理コストに菓大な費用を要 することになる。“と結論づけている。 推測される他の利点は、形成されるマンガン（ＩＶ）は自由にまたは細胞表面に おいて有機ｅｘｐｏｌ　ｉｍｅｒｉｃ物質にしっかり結合するだろうことである 。この物質は単に化学的に形成された酸化マンガンによるよりも明告の凝集およ び／または濾過により容易に除去されるであろう。 処理水は塩素処理により殺菌作用を受ける。含まれる微生物は無害な水生の微生 物であり、健康に対する懸念は皆無（文献１７）であることを強調すべきである 。 本発明の方法は生物学的なマンガン酸化を充分に理解できる点でかなり貢献して おり、そして多分マンガンを許容レベルにまで低減する水処理プラントの能力を 大幅に改善するものと考えられる。この方法が簡単であることはまたそれを小集 団向けの水処理法に適するものにしている。 下記記述から明白であろうが、磁鉄鉱の粒子にＰｅｄｏｒｙｉｃｒｏｂｊｕｍ　 ｔｒｔａｎｇａｎｊｃｕｍの細胞を固定化し、この固定化した細胞を水からマン ガンを除去する連続循環流動層反応器（ＣＲＦＢ）内で使用する方法を開発した 。滞留時間が２１時間でト１ｎ２“濃度を０．２５ｍｇ／ｌから８．５ｍｇ／Ｉ の範囲でＣＲＦＢモデルを２２週間にわたり運転し、除去速度は９０％以上１０ ０％までであった。流出水中のマンガンの大部分は残留Ｍｎ”であって酸化およ び吸着されたマンガンは低いレベルでしか含まれなかった。推測したとおり酸化 マンガンの大部分は流動塔内の固定化細胞に付着していた。自然界のマンガン酸 化バクテリア個体群の定着に依存する砂濾過の場合は１５週間までを要したのと 比較し、この生物反応器によれば一週間以内で最高の除去効率に達することがで きた。このＣＲＦＢでは最小限の維持管理でよく、凝結せず、しかも砂濾過の欠 点である逆洗操作を必要としない。ｐＨ条件はマンガンの吸着、酸化および除去 には重要因子である。最適条件はｐＨ７，８付近であることがわかった。研究の 結果Ｐｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｒｒｔ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの表面成分はＭｎ ２”の重要な貯蔵所であることがわかった。ｐＨ８ではＭｎ２’の約４５％が二 酸化マンガンＭｎ０ａの表面に受動的に吸着され、５５％は酸性多糖類である細 胞外成分に吸着されていた。細胞外成分は低ｐＨ域で細胞へのＭｎ”の吸着を安 定化させた。また研究の結果Ｐｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕ ｍの細胞外の酸性多糖類は予め形成されたコロイド状二酸化マンガンＭｎＯ＊と 結合することが初めてわかった。この性質はＣＲＦＢ内で微細な粒子状二酸化マ ンガンＭｎ０ｚの除去に活用できる。 麗１（２）ｉ生久盈」 第１図は１％マグネタイト（２１１〜２４４μｍ）へのＰｅｄｏｍｉｃｒ。 ｂｉｕｍ　ｍａＨａｎｉｃｕｍ菌の吸着の等温線を示すグラフである。 第２図は異なるｐＨにおけるＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕ ｍ菌ＵＱＭ３０６７の１％マグネタイト（２１１〜２４４μｍ）への吸着の等温 線を示すグラフである。 第３図は掻き混ぜおよび振盪により混合したＰｅｄｏｔｍｊｃｒｏｂｉｕｔｘｔ ｒｒａｎｇａｎｉｃｕｍ菌ＵＱＭ３０６７の１％マグネタイト　（２１１〜２４ ４ｕｍ）への吸着の等温線を示すグラフである。 第４図はＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ菌ＵＱＭ３０６７ の１％マグネタイ）　（２１１〜２４４μｍ）への吸着に及ぼす混合時間の効果 を示すグラフである。 第５図はＰｅｄｏｒｎｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｒｙａｎｇａｎｉｃｕｍ菌ＵＱＭ３０ ６７の、１％の種々のサイズおよび入手源からのマグネタイトへの吸着の等温線 を示すグラフである。 第６図は種々の入手先からのＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕ ｒｒｔのＭｎ２″の脱着に及ぼすｐｌ（の効果を示すグラフである。 第７図はｐｉ（７および４におけるＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎ ｉｃｕｍ細胞によるコロイド状二酸化マンガンＭｎＯ□の結合を示すグラフであ る。 第８図はコロイド状二酸化マンガンＭｎ０ｚが含まれるＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉ ｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの超薄肉部分の透過電子顕微鏡写真である。 第９図はＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｊｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの多糖類に結合し たコロイド状二酸化マンガンＭｎ０ｚ沈積物のＥＤＸ元素分析の結果を示す。 第１ＯＡは単一の連続循環流動層反応器（ＣＲＦＢ）と関連する導管との概略図 である。 第１０Ｂは順次連結した複数の連続循環流動層反応器（ＣＲＦＢ）と関連する導 管との概略図である。 第１１図はマグネタイト粒子（ＣＲＦＢ中）のＰｅｄｏｔｒｔｉｃｒｏｂｉｕｍ 　ｔｒｔａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞の固定化状態を示すグラフである。 第１２図はマグネタイト粒子（ＣＲＦＢ中）のＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍ ａｎｇａｎｉｃｕｍの固定化細胞についての種々の蛍光顕微鏡写真を示す。 第１３図はＣＲＦＢによるＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ 細胞の固定化直後における１ｍｇ／ＩのＭｎ”の除去状態を示すグラフである。 第１４図はＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞の固定化直 後のＣＲＦＢによるＭｎ”の除去に及ぼすＭｎ”濃度の減少による効果を示すグ ラフである。 第１５図はＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞の固定化直 後のＣＲＦＢによるＭｎ２°の除去に及ぼすト１ｎ２”濃度の増加による効果を 示すグラフである。 第１６図はＣＲＦＢによるＭｎ”の除去速度に及ぼすＭｎ”濃度の効果を示すグ ラフである。 第１７図はｐＨ７においてＭｎ”の除去に及ぼすｐＨ制御の効果と、流入Ｍ０２ ″、残留Ｍｎ”、総残留Ｍｎ、　ｐＨおよびＥｈの変動を示すグラフである。 第１８図はｐＨ７において肚２゛の転換に及ぼすｐ）Ｉ制御の効果と、ｐＨ１流 入Ｍｎ２−および流出水レベルの総Ｍｎ量、溶解性Ｍｎ、吸着ＭｎおよびＭ　ｎ 　Ｏｘの変動を示すグラフである。 第１９図はｐＨ８および７．８においてＭｎ２　＋の除去に及ぼすｐＨ制御の効 果と、流入Ｍｎ”、残留ト１ｎ２°、総残留Ｉｎ、　ｐ）ＩおよびＥｈの変動を 示すグラフである。 第２０図はｐＨ８および７．８においてＭｎ”の転換に及ぼすｐＨ制御の効果と 、ｐＨ１流入Ｍｎ”および流出水レベルの総λ１ｎ量、溶解性Ｍｎ、吸着Ｉｎお よびＭｎＯｘの変動を示すグラフである。 第２１図は滞留時間２１時間、流出水ｐＨ７で運転したＣＲＦＢによるＭｎ２− ２ｍｇ／ｌにおける除去速度に及ぼす週令の効果を示し、流入Ｍｎ”、残留Ｍｎ ”、流出水１）Ｈの変動を示すグラフである。 第２２図は滞留時間２１時間、流出水ｐＨ７で運転したＣＲＦＢによるＭｎ２” 　２　ｍｇ／　Ｉにおける除去速度に及ぼす週齢の効果を示し、流入Ｉｎ”、残 留Ｍｎ”、流出水ｐＨの変動を示すグラフである。 第２３図は滞留時間２１時間、流出水ｐＨ７で運転したＣＲＦＢによるＭｎ２” ２ｍｇ月での転換に及ぼす週令の効果を示し、流入Ｍｎ”、流出水レベルの総Ｍ ｎ１％溶解性Ｍｎ、吸着ＭｎおよびＭｎＯｘの変動を示すグラフである。 第２４図は滞留時間２１時間、流出水ｐＨ７で運転したＣＲＦＢによるＭｎ”　 ２　ｍｇ／ＩＭｎ”での転換に及ぼす週齢の効果を示し、流入ｕｎ２゛、流出水 レベルの総Ｍｎ量、溶解性Ｍｎ、吸着ＭｎおよびＭｎＯｘの変動を示すグラフで ある。 ｌ■囚罷見皇基旦 実験結果 セクション１ マグネタイト粒子へのＰｅｄｏｒｚｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｒｔｒａｎｇａｎｉｃｕ ｘ細胞の固定化 はじめに このセクション１でする作業はＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ菌が種々の入手先お よびサイズのマグネタイト粒子に吸着する能力を調査することである。これらの 調査は実験結果（セクション４）の生物反応器で実施する固定化研究に必要であ る。 材料と方法 ／＜　９　ｆ　’Ｊヱ９崖１　使用した微生物の菌は予め配水システムのマンガ ン沈積生物膜（文献５１）から採取したＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍｍａｎｇａ ｎ　ｉ　ｃｕｍ菌ＵＱＭ　３０６７　であった。 マグネタイト　Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ　Ｍｉｎｅｒａ１社から入手した原鉱石を ２１２〜３００μｍ径の必要サイズにふるい分けして加工処理した。 このマグネタイト粒子をＭａｃ　ＲａｅとＥｖａｎｓ　（文献３３．３４）の方 法を使用した８交ｖ磁場　（８ＡＭＦ）サイクルにより処理した。 この処理では１容積の未処理マグネタイトを４容積の０．１ＭのＮａＯＨと１０ 分間混合した後、デカンテーションにより蒸留水で４分間洗浄し、ＩＭの硫酸） ＋２ｓｏ’によりｐＨ４に最終調製した。 デカンテーションは磁石を使用しマグネタイトをビーカーの底に保持させて行っ た。その後マグネタイトを消磁場（Ｅｃｌ　１ｐｓｅＡＤ９６０．　Ｅｎｇｌａ ｎｄ）を通して粒子を分散させた。この処理行程を８回繰り返した。 ヒのジャーテスト ８　ＡＭＦ処理したマグネタイト粒子へのＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞のマ グネタイト粒子への吸着について、ＣＲＦＢでの固定化に先立ちジャーテストに より調査した。１％容積の沈降マグネタイトを２５０ｍ１ビーカーを使用して固 定化懸濁媒体（文献３３）の細胞懸濁液２００ｍ１に添加し、棒形スターテを２ ５０ｒｐｍで回転して１０分間掻き混ぜることによりマグネタイトを懸濁させ混 合した。細胞吸着後、マグネタイトを磁石を使用して２分間沈降させた。 細胞懸濁液は吸着の前と後とに希釈し、０．１ｍｌの試料３個をＰＳＭ寒天（文 献２０）の上に載せて吸着されない細胞数を測定した。 この寒天板を２８℃で１０日間培養に供した。 結果 マグネタイト粒子へのＰ、　ｓａｎｇａｎｉｃｕｒｉの吸着マグネタイト　調査 に使用したマグネタイトを第１表に列挙しである。必要サイズのマグネタイトが 市販で入手できながったことは予想外であった。このためがなりの時間と労力を かけて実験室で原鉱石を加工処理し、ふるい分けして約２００〜３００μｍ径の 必要サイズのものを準備した。１０４〜１４７μｍ、１４７〜２１１μｍおよび ２１１〜２４６μｍの小さいサイズのものはマンガンの除去に及ぼす粒子径の効 果についての後の研究で使用した。準備品の等電点け５．１４がら５．８２の範 囲であった。 Ｐ、ｍａｎａｎｉｃｕｍの 予め採取しておいたＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの８個の培養組織　（文献４８ ．４９．５１）からマンガン酸化を基準にして２個の培養組織を選んだ。選んだ 菌株はＵＱＭ　３０６６とＵＱＭ　３０６７であった。マグネタイトへの細胞の 吸着はＭａｃ　ＲａｅとＥｖａｎｓ　（文献３３．３４）の方法を使用してジャ ーテストで実施した。吸着状態は吸着されない細胞であるＰＳ）！寒天（文献２ ０）上の生存個数で査定した。 第１図は２１１〜２４６μｍのマグネタイト粒子への培養組織の吸着の等混線を 示している。二種類の菌株には統計的にはがなりの相違点が見うけられ、菌株Ｕ ＱＭ　３０６７はより高い細胞濃度でもマグネタイト粒子に僅かに良好な吸着が 得られそうなので続く研究にはこれを選んだ。 第１図から解るように約５０％の細胞しか吸着していない。この値はＭａｃ　Ｒ ａｅとＥｖａｎｓ　（文献３３）による５μｍ粒子を使用した他の微生物による ９９％よりかなり低い値である。その理由は多分、マグネタイトの表面積が小で あること、および何らかの不純物を含んだ大きなサイズの粒子のためにマグネタ イトの純度が僅かでも低下したのだろう。このことは等電点（第１表）で証明さ れており、この値が６．５〜７．０であれば高純度のマグネタイトが期待できる からである。吸着行程におけるその他の因子がその原因でないことを示すために 種々の実験を実施した。 これはｐＨ，混合方法および混合時間の効果である。 吐勿倭深　前記実験は生物反応器で処理する自然水に望ましいｐＨ７で実施した 。しかし細胞の吸着はｐｌ（６で試験し、この僅かに酸性のｐＨで吸着が改善さ れるかどうか調べた。第２図からｐ）１６とｐＨ７とで吸着に有意差がないこと がわかったので、その後の実験はｐｌ（７で実施した。 源ｍ双広■匁深　吸着が低いことの有りそうな原因には、Ｈａｃ　ＲａｅとＥｖ ａｎｓ　（文献３３．３４）が実験した小さい５４ｃｍ粒子と比較して、より大 きな粒子を懸濁させるに必要なより勢いよい掻き混ぜによる剪断力があった。こ の可能性を試験するため、１分間に６０回だけゆっくり反転させてより緩やかに 混合し吸着実験に供した、第３図はこの２つの方法に有意差がないことを示して いる。 ａ”ＭＯ）９ｊｔ−吸着が低いさらに有りそうな原因には、Ｐ。 ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの生育に関する性質であった。この微生物は単一の細胞と してではなく、菌糸および出芽細胞のネットワークとして生育する。勢いよく掻 き混ぜる混合時に効果的なより高い個数を形成する細胞塊を破壊し、人為的に吸 着効率を低下させたｉＪ能性があった。しかし、第４図にみられる結果から吸着 されな細胞の個数と同様に吸着細胞の個数は終始一定であり、機械的混合は有意 の要因ではないことがわかった。 入　および　サイズの効　第１表に列挙したＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍのマグ ネタイト粒子への吸着を実施した。第５図に提示したその結果から、マグネタイ トの異なる入手先またはマグネタイト粒子のサイズ径１０４〜３００μｍ範囲の ものでは吸着に実質的な差がないことがわかる。しかしある有意の統計的な差が あったのでこの差をさらに試験中であるが、生物反応器の運転に影響するもので はない。 １１煤婆■匁１　報告した吸着試験はＭａｃ　ＲａｅとＥｖａｎｓ　（文献３３ ．３４）の標準懸濁媒体に細胞を懸濁させて実施した。生物反応器中で使用する ＰＣ生育媒体の効果を試験するため実験を行い、　ＰＣ生育媒体に移された時に 細胞は吸着されるがどうが測定した。第１表、第２表に提示した結果から、粒子 がＰＣ媒体の懸濁媒体に移された時に吸着される細胞の数には有意差がなかった ことを示している。両方共にロスが約２６％であった。 また、残りの細胞はしっかり吸着されており、３０秒の場合と比較して１０分の 場合（第４表および５表）で吸着された細胞の数に有意差がないことがわかった 。 繰り゛　し　の効　予想した吸着より低い値であったことが、推測どうり表面積 が少ないためかどうかを判定するためさらに実験を実施した。　Ｐ、　ｍａｎｇ ａｎｊｃｕｍ細菌の懸濁液をマグネタイト粒子で処理した。吸着されない細菌を 取り除き、新規のマグネタイトで再処理した。これを４回繰り返した。第６表に 提示した結果から、細胞の割合の減少はそれぞれ次の処理で吸着されたことを示 している。このことは−以上の要因がこのような結果を招いたことを表わしてい る。表面積は多分一つの要因であろうが、また細胞の割合はマグネタイトへの吸 着に殆ど影響のない表面特性を示しているようである。しがしその割合は少なく 、４回の吸着の後吸着されなかった細胞は６％に過ぎなかった。 実験結果 セクション２ Ｐｅｄｏｔｘｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｒｘの表面成分によるＭｎ ２＋の吸着および脱着 はじめに この研究は、生物反応器内の異なった環境条件でのマンガンの酸化速度の研究と 並行して、粒状マンガンおよびＰｅｄｏｍｉｃｒ。 ｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞の表面に＠着されるＭｎ”ｆｆｔを測定す る必要から実施したものである。細胞外の主要な二成分がかなりのレベルでＭｎ ”を吸着する。これらはＧｈｉｏｒｓｅと旧ｒｓｃｈ　（文献２３）がＰｅｄｏ ｍｉｃｒｏｂｉｕｍ種によるマンガン酸化に密接に関係することを示した細胞外 酸性多糖類および多糖類に沈積する酸化マンガン（文献３７）である。 細胞外多糖類へのＭｎ２”の吸着は、未だ解明されていない蛋白質または酵素（ 文献２３）によるマンガン酸化には必要穴（べからざるものと考えられている。 Ｍｎ”およびその他の二価の金属イオンに対する二酸化マンガンＭｎＯ２の吸着 性は充分に証明（文献３７）されていてその表面特性（文献２８．３６．３９） に関係がある。Ｍｎ”’の二酸化マンガンＭｎＯ□への吸着はｐＩ（に無関係（ 文献３７）だが、酸性の多糖類ではそのポリアニオン性のため（文献２７）Ｍｎ ”の多糖類への吸着はｐＨに関係があるものと想定する。解らなかったことは、 Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍによるＭｎ”の吸着に対する、各成分または表面蛋 白質のようなその他の成分の役割、およびｐｌ＋条件の変動時のそれぞれの脱着 作用である。 二価の金属イオンＭｇ”’およびＣｕ””を使用するイオン交換による脱着が、 粒状二酸化マンガンＭ　ｎ　Ｏ２に吸着されるＭｎ”のレベルを判定する（文献 １．７．８．１１．３０）ため使用されているが、Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ の定量的研究に対するこれらの方法の効果は解らない。 このセクション２では、Ｐｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｔｒｒ　ｍａｎｇａｎｉｃｕ ｍの表面成分によるＭｎ”の吸着、およびＭｎ２”の脱着に及ぼすｐＨと陽イオ ン交換の効果について研究した一連の実験結果を報告する。 材料および方法 ｍ　これらの研究に使用する菌はマンガンに関連した汚染水問題（文献５１）の あった飲料水の配水システムから採取したＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎ ｇａｎｉｃｕｍ　ＵＱＭ　３０６７であった。 Ｐ、　ｔｙａｎ　ａｎｉｃｕｍの生”　菌株ＵＱＭ　３０６７を１１のＰＣ媒体 （文献５８）を入れた２１のフラスコで２８℃にして生育させた。ＰＣ媒体は脱 イオン水に０．００５％のＢａｃｔｏ酵母抽出物（Ｄｉｆｃｏ）　および０．０ ０２％のＭｎＳＯ４・４Ｈ２０が含まれている。Ｍｎ２＋吸着試験用の細菌は生 育媒体中に残留Ｍｎ”がなくなるまでの３週間生育させた。 細胞は７０００ｇで１０分間遠心分離して捕集し、使用前に脱イオン水で二回洗 浄した。 ｆｆ５スｌｌｕ　使用ガラス器具は８Ｎ硝醸中で酸洗浄し、高純度脱イオン水（ Ｍｉｌｌｉ−Ｑ、Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、　Ｆｒａｎｃ ｅ）ですすいだ。 Ｍｎ”　Ｍｔ　天皇ＭｎＯ□形成Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの細胞、または非 生物のＭｎ０２（沈殿β−Ｍｎ０２（軟マンガン鉱）　Ａｊａｘ　Ｃｈｅｍｉｃ ａｌｓ）へのＭｎ”　（硝酸マンガン、分光器用標準品、ＢＤＨＣｈｅｍｉｃａ ｌｓ）の吸着を１００ｍ１のガラスビーカーで実施した。両方共表面積は約０． ２５ｍ２であった。　Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍは二酸化マンガンＭｎＯ２で 均等に被覆し、表面積は細胞上の露出したト（ｎＯ□表面の面積と考えられる。 ４６４μｇの二酸化マンガンＭｎＯ２を含有する洗浄細胞ペレッ）　（０，２５ ｇ湿量）を０．５ｍｌの脱イオン水に再度懸濁させてから、約８０μｇのＭｎ２ “を含有する硝酸マンガン溶液５０ｍ　ｌに添加し、予め苛性ソーダでｐＨ８に 調製した。この混合物はＭｎ２“吸着が完了した後室温で５分間マグネティック スターラでゆっくり掻き混ぜた。無生物のト１ｎＯ□を使用する実験では微生物 細胞を同じ表面積である相当量の微粉砕した非生物のＭｎＯ＋＋に置き換えた。 吸着混合物の試料（５ｍｌ）を取出し、０．１μｍの薄膜フィルタ（Ｓａｒｔｏ ｒｉｕｓ　ＧｍｂＨ，Ｗ、　Ｇｅｒｍａｎｙ）で直ちに濾過した。濾液を分析し て非吸着Ｍｎ”量を測定した。 肌二吹ＪＬＩＬ旦スＭ　代謝活性または細胞外の蛋白質や多糖類への吸着を抑制 する計画のＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞につき種々の処理を施し、Ｍｎ”吸 着の効果を測定した。この処理法には：オートクレイプにかける（１２１℃で１ ５分間）、蒸す（１００℃で１０分間）（文献９）、ＥＤＴＡ抽出（文献９）、 Ｚｗｉｔｔｅｒｇｅｎｔ抽出（文献１４）、２ＭのＮａＯＨの抽出（文献９）、 １０ｍＭ窒化ソーダＮａＮ１（文献３０）、１ｍＭ塩化水銀ＨｇＣｌ□（文献２ ３）、０．０５％（ｗ／ｖ）グルタルアルデヒド（文献２３）、およびプロテア ーゼ（Ｓ　ｉ　ｇｍａＰ−５１４７，０，３ｕｎｉｔｓｚｍｌ）が含まれていた 。混合物に抑制剤を添加した正常な生存処理細胞につき前述のとおりにして研究 した。 肌−炙舅天Ｍ　ｐＨ８でＭｎ”’を吸着後、硝酸を添加して反応混合物のｐＨを ８から２まで徐々に増加させて調製し、Ｍｎ２４の脱着に及ぼすｐＨの効果を測 定した。各ｐＨ値の試料（５ｍｌ）を準備し、０．１μｍの薄膜フィルター（Ｓ ａｒｔｏｒｉｕｓ　ＧｍｂＨ，Ｗ、　Ｇｅｒｍａｎｙ）で直ちに濾過した。濾液 を分析して非吸着Ｍｎ”を測定した。対照標準実験を行いＰ、　ｍａｎｇａｎｉ ｃｕｍ細胞または非生物のＭｎ２”からのト１ｎ２−脱着量を補正した。 Ｐ０ｍａｎａｎノｃｕｍに　着されたＭｎ”の渭−出版物に記載の種々の処理法 により　Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｒｔｍのＭｎＯ２形成細胞からのＭｎ”脱着の 効果を比較した。使用試薬は１０ｍＭ硫酸マグネシウムＭｇＳＯ４でｐＨが４， ２（文献８）、および１Ｍ酢酸アンモニウム中に１０ｍＭのＣｕ５（１＋でｐｌ が７（文献８）であった。処理はそれぞれｐＨ２，４および７の試料について試 験した。約７μｇのＭｎ”を吸着した細胞のベソレッ）５ｍｌを脱着試薬５ｍｌ と混合した。この混合物を４時間ゆっくり攪拌し、０．１μｍの薄膜フィルタ（ Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ　ＧｍｂＨ，Ｗ、　Ｇｅｒｍａｎｙ）で濾過した。濾液を分 析しテ肚２４脱着量を測定した。ＣｕＳＯ４または）ＩｇＳＯｎで処理した細胞 と対照標準の水で処理した細胞との差から脱着Ｍｎ”屋を測定し、細胞ベレット （文献３０）に吸着されたく文献３０）　Ｍｎ”量を計算した。濾液中の可溶性 Ｍｎの濃度は炎光原子吸取分光光度法で測定した。 Ｋｌｑ公所Ｉ　ｓ　ｈ　ｉ　ｉら（文献２９）のポルフィリン比色定態法により Ｕｎｉｃａｍ　５Ｐ６００分光光度計（ＰＹＥ　Ｕｎｉｃａｍ、　Ｕ、に、）を 使用し４ｃｍライトバスのキュベツトで４６９％ｍにおける吸光度を測定し、硫 酸マンガン分光器用標準（ＢＤＨＣｈｅｍｉｃａｌｓ、）の希釈液と比較して濾 液中のＭｎ”濃度を測定した。Ｃｕ５Ｏ＜による脱着試験では、ＣｕＳＯ４がポ ルフィリン比色定量法に干渉するのでＭｎ２’はＶａｒｉａｎ　ＡＡ８７５分光 計を使用して炎光原子吸取分光光度法で測定した。炎光原子吸取分光光度法はま たＩＩＭのＨＣｌ中で細胞調製時のＭｎＯ□濃度の測定にも使用した。 表１１ΩｊＬｔ　表面積の分析は吸着質にアルゴンを使用するＭｉｃｒｏｍｅｒ ｉｔｉｃｓ　５ＡＡの表面積分析計によりガス吸取法（文献１７）で実施した。 結果 Ｐ、　ｍａｎ　ａｎｊｃｕｍへのＭｎ２−の　着　第７表に提示した実験結果か ら、ＭｎＯ２形成Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの生存細胞は、ｐＨ８にて１２１ ℃で１５分間オートクレイプにかけるか、または１００°Ｃで１０分間蒸して死 滅した細胞の二倍以上のＭｎ２“を吸着したことがわかる。 熱で死滅した細胞は同じ表面積の非生物の二酸化マンガンＭｎＯ２とほぼ等量の Ｍｎ”を吸着した。代謝活性を抑制するため１０ｍＭ窒化ソーダＮａＮａでＰ、 　ｍａｎｇａｎｉｃｕｒｔｔの生存細胞を処理しても細胞のＭｎ”吸着能力を低 下させな円同様に、１ｍＭ塩化水銀ＨｇＣＩ　２．０．０５％のグルタルアルデ ヒｒまたは０，３　ｕｎｉｔｓ／ｍｌプロテアーゼで細胞を処理して細胞外の酵 素や蛋白質を変性させてもＩｎ”の吸着に影響はなかった。細胞外の多糖類を変 性するため選んだ処理法のうち１００°Ｃで１０分間だす場合は目立って効果が あり、また２ＭＶＩ性ソーダＮａＯＨで抽出したものは僅かな効果しがながった 。またこれらの実験からＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞へのλＩｎ２°の吸着 には酸素が必要でないことがわかった。 Ｐ、　ｍａｊＴσ四ｍからのＭｎ”の脱着に　ぼすＨの効果　これらの実験のう ち二酸化マンガン４１ｎＯ２形成Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの生存および死滅 （オートフレイブにかけた）した細胞、ならびに細胞に無関係な無生物の二酸化 マンガンＭｎＯ２についてＭｎ”の脱着状態を比較した。表面積は同じにした。 第７表および第６図から理解できるとおり、　Ｐ、　ｍａｎｇａｎｊｃｕｍをオ ートフレイブにかけた細胞では非生物の二酸化マンガンＭｎＯ２と同様のλ１０ ２゛吸着能力があるのに対し、生存細胞および窒化ソーダ処理した細胞は二倍以 −にの吸着能ノコがあることがわかる。 第６図に提示した脱着実験には異なる二つのｐ）ｌ−脱着グラフを示した。非生 物の二酸化マンガンＭｎＯ２の実験から、ｐＨが減少してｐｌ＋８と６の間でＭ ｎ２”の脱着がなくなり、その後脱着は全体としてｐＨ８から４まで直線的であ るが約ｐ１１４で完了するまで着実に脱着する。、実験期間を通じｐＨ２では二 酸化マンガンＭｎＯ２の溶解はみもれなかった− 二酸化マンガンＡｌｎＯ７の脱着グラフと対照的に、Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕ ｍの生存細胞はｐｌ（６以下では指数関数的な脱着状態で窒化ソーダ処理した細 胞も同じ挙動を示した。オートフレイブにがけた細胞は無生物の二酸化マンガン ＭｎＯ２と実質的に同じ挙動を示した。しかし、オートフレイブで処理したもの はｐＨ４で脱着が完了したが、生存細胞ではｐＨ４以下（第８表）でがｆ、Ｈり の量のＭｎ２゛と結合し、ｐｉ（２（第９表）でも脱着は完了しなかった。 Ｐ、　ｍａｎ　ａｎｊｃｕｍに　着されたλ１ｎ２゛の沖−第９表に提示した結 果から、粒状二酸化マンガンＭｎＬに吸着されたＭｎ２°を脱着するＢｒｏｍｆ ｉｅｌｄとＤａｖｉｄ　（文献７）の硫酸銅Ｃｕ５Ｏａ法（ｐＨ４，２）が最も 効果的であることがわがる。　Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞に吸着されたＭ ｎ”のうち最高で９５．７％が回収され、そして脱着効率は８回繰返し分析して ９５．７±０．７８％の回収が確かに再現可能であることがわかった。硫酸銅Ｃ ｕＳＯ４試薬に酢酸アンモニウムを添加すると脱着効率は１０％だけ低下した。 硫酸マグネシウムＭｇ５Ｏ，はＭｎ”の脱着には効果がなく、ｐｏ４でＭｎ”の 脱着は２〜３％に過ぎなかった。脱イオン水ではｐＨが２まで低くなる場合にの み吸着されたＭｎ”の９０．５％が脱着された。しがし、ｐＨ２で硫酸銅ＣｕＳ Ｏ４を添加すると脱着効率は低下した。 セクション３ Ｐｅｄｏｍｊｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｘｔの細胞外多糖類によるコ ロイド状二酸化マンガンＭｎ０ｚの結合はじめに 微生物はマンガンの自然界循項（文献２２．４２．４３）にがなり貢献している 。多種多様な微生物がマンガンを酸化したり、酸化状態のマンガンを還元する（ 文献５．２０．２２．２５．４２．５１．５８）ことが知られている。Ｇｈｉｏ ｒｓｅとＨｉｒｓｃｈ　（文献２３）は出芽菌糸バクテリアのＰｅｄｏｍｉｃｒ ｏｂｉｕｍ種によるマンガンの酸化および沈積は細胞外多糖類上で生じることを 明らかにしている。 この所見は、Ｍｎ”の細胞外多糖類への吸着に続いて、確認されていない物質に よる触媒作用で酸化され酸化マンガンが生成されることを含む機構を示唆するも のである。しかし本発明者はＰｃｒｊＯｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃ Ｕｍによる酸化マンガン沈積物を観察した結果、この微生物はまたＭｎ”が存在 しなくても予め形成された酸化マンガンを結合し沈積できることを提唱した。 このセクションでは、　Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの細胞外多糖類がコロイド 状二酸化マンガンＡｌｎＬと結合し沈積する能力を試験するため計画した、一連 の実験の結果について報告する。 方法と材料 λ上句　これらの研究で使用する菌株は、マンガンに関連する汚染水問題（文献 ５１）があった飲料水の配水システムから採取したＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ 　ｍａｎｇａｎｊｃｕｍ　ＵＱＭ　３０６７　であった。 Ｐ、　７　菌株ｔｌＱ（１３０６７はＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ標準媒体（Ｐ Ｓ表１）（文献２０）内で２８°Ｃで生育させた。この媒体には１０ｍＭ酢酸ソ ーダ、０．５ｇ／’ｌのＢａｃｔｏ酵母抽出物　（Ｄｉｒｃｏ）　、補給ビタミ ン、およびｐＨ９に調製した金属塩塩基が含まれる。この金属塩塩基類には１１ あたり；エチレンジアミンテトラ酢酸２．５ｍｇ、　＠耐亜［１１ｍｇ、　＠酸 鉄５　ｍｇ、硫酸マンガン１　、５４ｍｇ、硫酸銅０．３９ｍｇ、硝酸コバルト ０．２５ｍｇ、および硼酸ソーダ　０゜１８ｍｇが含まれる。結合試験のため細 胞をＰＳＭ肉汁で７日間生育させ、７０００ｇで１５分間遠心分離して捕集し、 使用前に脱イオン水で二度洗浄した、 並二二ｌ旦　ガラス器具はすべて８Ｎ硝酸中で酸洗浄し、高純度脱イオン水ｒ％ ｌ１ｌｌｉ−Ｑ、　Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ　Ｃｏｒｐｏｌａｔｉｏｎ、　Ｆｒａｎ ｃｅ）ですすいだ、 二三乙工ｙ二１化マンガンＭｎＬの銖暑　化学量論的に僅か過剰の過マンガン酸 カリウム溶液（８ｍ１．４０ｍｇ％Ｉｎ／Ｌ）を、１５０ｍ１の硫酸マンガン（ １，３３ｍｇＭｎ／Ｌ）に室温で掻き混ぜながらゆっくり添加し、コロイド状二 酸化マンガンＭ　ｎ　Ｏ２を調製した。混合物を高純度脱イオン水で２００ｍ１ にし、そしてＩｎ”がすべて酸化され過剰の過マンガン酸カリウムが分解するま で１箇月間放置した。　コロイド状二酸化マンガンＬｌｎＯ□の酸化状態をヨー ド滴定（文献２０）で確認し、４．０８であった。使用に先立ちコロイド状二酸 化マンガンＭｎＬを０．４５ｇｍの薄膜フィルタで濾過し、炎光原子吸取分光光 度法（ＡＡＳ）で測定した。 ヨ］Ｌイ」遡状≦；醒コヒマンガリ恒賑旦鯖介　Ｐ、　ｍａｎｇａｎｊｃｕｍの 洗浄した細胞ペレッ）　（０，２ｇ湿量）を脱イオン水５ｍｌ中に懸濁させ、こ れを４００ｍ１のコロイド状ＭｎＯ□の懸濁液に添加した。この懸濁液にはＭｎ が約１ｍｇ／ｌ含まれ、予めｏｙｔＮ荀性ソーダでｐＨ７に、０．１Ｎ硝酸１（ ＮＯ３でｐＨ４，５および６に調製した。ｐＨ値は各結合実験中監視したｃｐ） １６および７ではｐＨの変動がなく、ｐＨ４および５では２４時間後０．５だけ ｐＨの増加がみられた。混合物をマグネチックスターラでゆっくり掻き混ぜた。 結合速度は懸濁液中に残存するコロイド状二酸化マンガンＭ　ｎ　Ｏ２の濃度を 監視して追跡した。対照標準実験はコロイド粒子の凝集を考慮してバクテリア細 胞なしで実施した。程合物の１０ｍ１試料を３０分間隔で５〜７時間および２４ 時間で採取し、０．４５μｍの薄膜フィルタで濾過した。濾液中のマンガン濃度 はグラファイト炉を備えたＶａｒｉａｎ　ＡＡ　８７５原子吸収分光計を使用し て炎光ＡＡＳで測定した。 この測定器は１１０００ｐｐの分光器標準液（ＢＤ）Ｉ）を希釈した標準マンガ ン溶液を使用して較正した。 １そｌ１１　結合実験が完了した後Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの細胞は２００ ０ｇで１０分間遠心分離して混合物から捕集し、脱イオン水で洗浄して結合しな い二酸化マンガンＭ　ｎ　Ｏ２を除去した。細胞は０．７Ｍカコジル酸塩の緩衝 液（ｐＨ７，４）　中３％グルタルアルデヒドで室温で固定した。２時間後細胞 は０．１Ｍカコジル酸塩緩衝液（ｐＨ７，４）　中で３回洗浄し、４℃で一晩中 放置した、細胞は遠心分離で回収し、１％酸化オヌミウム０５０４中ｐＨ７，４ ℃で２時間固定し、これに５％ルテニウムレッド（Ｊｏｎｓｏｎ　Ｍａｔｔｈｅ ｙ、　Ｌ。 ｎｄｏｎ）を添加して最終濃度を０．０５％（ｖ／ｖ）　にした。細胞はその後 ２％のアガローズ中で固定化され、寒天片はエタノール中で水分を除かれ、そし てＬＲ白色中級樹脂（Ｂｉｏ−Ｒｅｄ、　ＵＳＡ）に埋め込まれた（文献４４） 。樹脂の重合は５０’Ｃの窒素雰囲気で連続して２時間、４時間、および４時間 の期間とそれから４℃で一晩中実施した。肉薄部分を５ｏｒｒｖａｌｌ　ＭＴ　 ５０００超ミクロトームを使用してダイアモンドナイフで切り取り、ニトロセル ローズを被覆した銅グリッド上に取り出した。日立製透過電子顕微鏡（Ｍｏｄｅ ｌ　Ｈ−８００）　で試験する前にグリッド上の肉薄部分を４％酢酸ウラニルと １．２％クエン酸船（文献５７）で順次染色した。 三王土エニ公ＪＸ　ｍ　ＥＤＡＸ　銅グリッド上の厚み７００〜８００ｎｍの準 肉薄部分を前のようにして染色し、Ｔｒａｃｅｒ　Ｎｏｒｔｈｅｒｎ　Ｘ線分析 計（Ｍｏｄｅｌ　ＴＮ−４０００）　を備えたＪＥＯＬ透過電子顕微鏡（Ｍｏｄ ｅｌ　ＪＳＭ−３５ＣＦ）を使用してＥＤＸによりマンガン沈積物の存在とその 場所につき試験した。 結果 ヨゴ玉イ］≦；醍ゴ′マンガンＭｎＯ□の　ム　第７図の結果がらＰ。 ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞（０，２ｇ湿量）がコロイド状二酸化マンガンＭｎＯ ３を結合できることがわかった。最初に素早い結合があり、その後緩慢で直線的 な結合速度が数時間続いた。この最初の結合レベル、直線的な結合速度および総 合的な結合能力はｐＨ値に関係する（第１Ｏ表、第７図）。ｐＨ７およびｐＨ６ ではコロイド状二酸化マンガンＭｎＯ＋は約１０％しか結合しなかったが、さら にｐｔｔ値が低くなるに伴いｐＨ５とｐＩ（４の間で結合能力は急速に増大した 。ｐ１１４では２分後、ｐＨ７での１０．９％と比較して、５４％の二酸化マン ガンλＩｎ０ｚが結合した。ｐＨ４で１５０分後には、結合二酸化マンガンＭｎ Ｏ□のレベルは８８％まで上昇したが２４時間後には５４．８％まで落ちた。こ の残留する二酸化マンガンは安定的に結合し、さらに２４時間またはそれ以上放 置しても脱着、分離することがなかった。ｐＨ４で結合した二酸化マンガンＭｎ Ｏ＋はｐＨに安定であって、ｐＨを５．６．７と増加させても２４時間細胞に結 合していた。 Ｍ　ｎ　ＯｚＯ）　”　Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞の趣向薄部分ノ透過電 子顕微鏡写真によれば、コロイド状二酸化マンガンＭｎＯ２は細胞外のポリマー に結合している（第８図）ことがわかった。 これらポリマーのルテニウムレッドによる染色がらこれらが酸性多糖類であるこ とを示している。δ−Ｍｎ０２の外観に典型的なリボン状の粒子状沈積物が細胞 外酸性多糖類の表面（第８図）に結合されていた。ＥＤＡＸによる結合沈積物の 元素分析によりマンガン（第９図）の存在が確認された。その塩類が趣向薄部の 染色に使用された重金属の鉛ｐｂとウラニウムＵが二酸化マンガンＭｎＯ２の沈 積物に強固に吸着されていることが観察された。 クロムＣｒの存在理由は明らかでないが、多分重金属塩による微量汚染物であろ う。また電子顕微鏡検査（図示せず）から、実質的によりコロイド状である二酸 化マンガンＭｎＬはｐＨ７より１）Ｈ４で細胞に結合されていることを確認した 。 実験結果 セクション４ Ｐｅｄｏｔｘｉｃｒｏｂｉｕｘ　ｒｒｔａｎｇａｎｉｃｕｔｒｔの固定化細胞に よるマンガンの吸着および酸化 はじめに 前記セクション３で提示した作業から、マグネタイト粒子にＰ、　ｔｒｒａｎｇ ａｎｉｃｕｒｔｔの細胞を固定化することが可能であり、がっＰ、　ｍａｎｇａ ｎｉｃｕｒｒｔの細胞はＭｎ”およびＭｎ０ａをそれぞれ表面成分に吸着し、結 合することが可能であることを証明した。このセクションでの研究はこれらの性 質が流動床層反応器に活用できて水中からＭｎ２“を酸化し、除去できることを 証明することである。 充填層生物反応器として砂濾過器を使用することの欠点はバイオマス（文献２） が成長して粒子が凝結、結合することである。 このセクションではマンガンの吸着および酸化のための流動層生物反応器モデル の研究結果を報告する。このモデルではマグネタイト粒子上に固定化されたマン ガン酸化バクテリアのＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ　ｍａｎｇａｎｊｃｕｍの細 胞を利用する。　Ｐ、　ｔｒｔａｎｇａｎｉｃｕｍはこのような用途には理想的 な特性を有する。前述の研究ではＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍは表面に固着して 配水システム（文献５２）の高い剪断力にも耐え、細胞外成分上でマンガンを活 性的に吸着、酸化することを明らかにした。さらに、細胞外酸性多糖類はコロイ ド状二酸化マンガンＭｎ０３（文献５０）を結合する。マグネタイト粒子は代謝 活性（文献５２）を損なうことなく種々の微生物（文献５０）を素早く吸着し、 これを支持媒体に使用すれば必要な立上り期間を縮小できることがわかった。 材料と方法 連　環流動型生　応」ＬΔ匹１凡ｌ　ＣＲＦＢモデル（第１０図）は直径６０闘 、高さ６００闘のガラス塔で、これに媒体を底からポンプで流入させ２１２〜３ ００μｍ径の１２．１のマグネタイト粒子を流動化させた。５０％膨張した流動 層を塔と混合容器を介して３゜３１の媒体を循環させて保持し、そして容量２． １１の混合容器を１１／ｍｉｎ、の空気で曝気した。ｐＨ１酸化還元電位および 溶存酸素の測定装置を混合容器に取り付け、温度を２５℃に保持した。塔と混合 容器の間で媒体を１１／ｍｉｎ、の速度で循環させるため二連式ｐｅｒｉｓｔａ ｔｉｃポンプを使用した。連続方式で運転する際はｐｅｒｉｓｔａｔｉｃポンプ は新鮮な媒体を流入させ、そして混合容器から同量の流出水を抜き出すため使用 した。使用した生育媒体は０．００２５％の酵母抽出物を含むＰＣ媒体（文献５ ８）であった。全有機炭素員は１２ｍｇ／ｌで、マンガン濃度は０．２５から８ ．５　ｍｇ／］まで変化した。 特に第１０Ａ図、１０８図において、ＣＲＦＢＩＯは細長い塔１１からなり、こ れには底部人口１２およびこの塔ＩＩより断面が拡がった上部１３を備える。そ の他にｐｅｒｉｓｔａｔｉｃポンプ１４と１５、流速計１６、空気流量計１７、 混合容器１８、攪拌機１９および泡取り器２０が備えられている。流出水は仮想 的に線２１で示すようにＣＲＦＢＩＯの上部１３からか、または線２２で示すよ うに混合容器１８から流出する。流入水は配管２３を介して混合容器１８に流入 し、空気は空気流量計１７を通って配管２４から混合容器１８に流入する。流体 は配管２５、泡取り器２０とｐｅｒｉｓｔａｔｉｃポンプ１５を介して混合容器 １８から送水される。また流体はＣＲＦＢＩＯの上部１３からｐ６ｒｉｓｔａｔ ｉｃポンプ１４を通り、配管２６の流速計１６を通って混合容器１８に送水され る。 第１０Ｂ図において、混合容器１．８Ａでは流入水が配管２３を介して混合容器 に流入し、空気は空気流量計１７を通って配管２４から混合容器に流入する。　 ｐｅｒｉｓｔａｔｉｃポンプ１４Ａと１５Ａには、ＣＲＦＢｌＯの底部人口１２ に流入する流体、配管２６または配管２７を介し溢流水として上部１３から流出 する流体がそれぞれ供給される。配管２７を介して溢流した水は混合容器１８Ｂ とＣＲＦＢ　ＩＯＨに流入し、この行程がさらに他０ＣＲＦＢ　（図示せず）で 繰り返される。 ）＜９二丈ヱ皇刑１　使用微生物の菌株は配水システムのマンガン沈積生物膜（ 文献５１）から予め採取しておいたＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ　ＵＱＭ　３０ ６７であった。 マグネタイ）　Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ旧ｎｅｒａｌｓから入手した原鉱石を必要 サイズ２１２〜３００μｍ径のものにふるい分けして加工した。 マグネタイト粒子はＭａｃ　ＲａｅとＥｖａｎｓの方法（文献３３．３４）を使 用しとて８　ＡＭＦで処理した。この処理は１容積の未処理マグネタイトと４容 積の０．１ＭのＮａ０）ｌとをＩＯ分間混合し、デカンテーションを利用して蒸 留水による１０分間の洗浄を４回行い、ＩＭのＨｔＳＯ，でｐＨ４に最終調製し た。デカンテーションは磁石を使用してビー力の底にマグネタイトを保持させて 行った。その後マグネタイトは消磁場（Ｅ＠ｃｌｉｐｓｅ　ＡＤ９６０、Ｅｎｇ ｌａｎｄ）を通して粒子を分散させた。この処理行程を８回繰返した。 ジャーテスト　８　ＡＭＦ処理したマグネタイト粒子へのＰ、　ｍａｎｇａｎｉ ｃｕｍ細胞の吸着は、ＣＲＦＢでの固定化に先立ちジャーテストで調査した。容 積１％の沈降マグネタイトを２５０ｍ　ｌのビー力を使用して固定化懸濁用媒体 （文献３３）の２００ｍ　ｌ細胞懸濁液に添加し、種型スターラーにより２５０ ｒｐｍで１０分間掻き混ぜてマグネタイトを懸濁させ混合した。細胞吸着後、磁 石を利用してマグネタイトを２分間沈降させた。細胞懸濁液の希釈は吸着の前と 後に実施し、０．１ｍｌの試料３個をＰＳＭ寒天（文献２０）に載せて吸着され ない細胞の数を測定した。寒天板は２８℃で１０日間放置した。 ＣＲＦＢ　の　胞の　″′Ｐ、ｍａｎｇａｎｊｃｕｍ細胞はＰＳＭ肉汁媒体（文 献２０）で２８°Ｃで２週間生育させた培養組織４．５から遠心分離して捕集し た。細胞ペレットを無菌の固定化懸濁媒体（文献３３）で二回洗浄した。 ＣＲＦＢを３　の無菌の固定化懸濁媒体で満たした。洗浄細胞を混合容器に添加 し５００ｒｐｍで掻き混ぜて細胞塊を解体した。細胞を固定化するため循環ポン プを回してマグネタイトを流動化し、ＣＲＦＢを通し１１／ｍｉｎ、の速度で細 胞を循環させた。　５４０ｎｍにおける吸光度を追跡し、かつ生育細胞数を数え るため試料を採取して固定化状態を監視した。２０分後懸濁媒体から非吸着細胞 を取り除き、それからＭｎ”　１　ｍｇ月を含む媒体でＣＲＦＢを満たした。 ヱヱ互ヱ■ｊｌＪＩｘ　ｌ５ｈｉｉ　ら（文献２９）のポルフィリン比色定量法 によりＵｎｉｃａｍ　５Ｐ６００分光光度計（ＰＹＥ　Ｕｎｉｃａｎ＋、　Ｕ、 に、）で４ｃｍライトバスのキュベツトを使用し４６９ｎｍにおける吸光度を測 定し、硫酸マンガン分光器標準（ＢＤＨＣｈｅｒ＋＋１ｃａｌｓ、）の希釈液と 比較して濾液中のＭｎ”濃度を測定した。硫酸銅ＣＵＳＯ４による脱着試験では 、硫酸銅Ｃｕ５Ｏａがポルフィリン比色定員法に干渉するのでＩｎ”はＶａｒｉ ａｎ　Ａ１８７５分光計を使用して炎光原子吸取分光光度法で測定した。炎光原 子吸取分光光度法ＡＳＳはまた総マンガン量および二酸化マンガンＭｎ０ｚ濃度 の測定に使用した。 吸着Ｉｎ”はＢｒｏｍｆｉｅｌｄとＤａｖｉｄの方法（文献７）で測定した。 試料は０．ＩＮのＮＮＯ３でｐＨ４に調製し、環員の１０ｍＭのＣｕ５Ｏ４（ｐ Ｈ４，２）試薬と混合して吸着Ｍｎ２’を脱着した。混合物は４時間放置し、０ ．１μｍ薄膜フィルタで濾過した。濾液中の総Ｍｎ”をＡＡＳで測定し、吸着Ｍ ｎ”および残留Ｍｎ”を上述のようにＣｕＳＯ４処理なしで測定した。 艮亘１葛迭淀　表面積の分析は吸着質にアルゴンを使用する旧ｃｒｏｍｅｒｉｔ ｉｃｓ　Ｒ５ＡＡ　２２０５表面積分析計によりガス吸取法（文献１７）で実施 した。 金１盈炭ス　試料を０．１μｍの薄膜フィルタで濾過し、ＡＳＴｌ’１ＯＴＯＣ 分析計で分析した。 １ｉＩＩＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｒｙの生育数は流出水試料についての複数通 りの希釈液（１０−２，１０−４，１０−’）　およびｐｃ寒天（文献５８）板 の各希釈液の３通りの０．１ｍ１部分について測定した。寒天板は２８℃で１４ 日間培養に供し、マンガン酸化バクテリアにつき実験した。生育数はコロニー形 成単位（ｃｆｕ）　で表わした。 １五皿孟鳳　マグネタイト粒子表面へのＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ細胞の吸着 、固定化は電子顕微鏡検査で試験した。ジャーテストまたはＣＲＦＢの流動層か らのマグネタイト粒子は０．１Ｍ燐酸塩緩衝液の１％のグルタルアルエヒドで２ 時間固定され、一連の２５％、５０％、８５％、９５％および１００％エタノー ル中で水が取り除かれた。　粒子を５０％アミルアセテート−エタノール混合液 に、それからアミルアセテートに移した。調製物を乾燥し、部分的なアルゴン雰 囲気で金を被覆しそしてＰｈ１ｌｉｐｓ　ＳＥＭ　５０５電子顕微鏡で実験した 。 １１ＪＪ　マグネタイト粒子への細胞の吸着は、アクリジンｏｒｇａｎ　（５ｕ ｇ／ｍｌ）で染色した後Ｏ１ｙｍｐｕｓ　ＢＨＢ蛍光顕微鏡で蛍光顕微鏡検査し て観察した。 結果 Ｐ、　ｍａｎ　ａｎｉｃｕｍのマグネタイトへの　実験結果（セクション１）に 提示した研究ではマグネタイト粒子に細胞を吸着させることが可能であり、そし てこの細胞が強固に付着することを証明した。第１１表に提示した結果はＣＲＦ Ｂで使用される割合のマグネタイト体積に細胞が吸着することを証明している。 その結果によれば、マグネタイトの体積はスケールアップ可能であるが、また粒 子の範囲はマグネタイト１％で細胞数的２７／１０’μｍ２からマグネタイト４ ５％で細胞数１　／１０’μｍ２まで減少することがわかる。マグネタイト３６ ％０ＣＲＦＢに対するジャーテストモード（第１２表）では、生物反応器の流動 層は細胞数３　／１０’μ１Ｔ１２でマグネタイ）１ｍｌあたり細胞数５．７Ｘ 　１０８の負荷があるもの判断された。 Ｐ、　ｍａｎ　ａｎｉｃｕｍの固−ヒ　ＣＲＦＢでにおける細胞の固定化Ｃ；！ ジャーテストによる予測とぴったり一致した。ジャーテスト（第１２表）ではＣ ＲＦＢの流動マグネタイト１２００ｍ１に６．８Ｘ　１０”の細胞が負荷するも のと予測した。実際の結果は同じオーダの１．６Ｘ　１０１１であり、約１　／ １０’μｒｒ１２の被覆率であった。固定化は素早く行われ、予測どおり５分以 内（第１１図）で完了し７こ。蛍光顕微鏡試験と電子顕微鏡試験の観察からマグ ネタイト粒子への細胞の固定化（第１２図）を確認した。大部分の細胞はマグネ タイト粒子のくぼみに見られたが、これは約２０ｍ／ｈの流動化条件ではコロイ ド粒子の研磨作用があるため平均的範囲としては速すぎることを示している。 生　のスタートアップ　固定化直後、ＣＲＦＢを固定化媒体で洗浄して吸着しな い細胞を除去し、Ｍｎ”　１　ｍｇ／ｌを含む媒体を満たした。ＣＲＦＢを回分 方式で４日間運転した。各日ごとに残留ト１ｎ２”の約９０％が除去され（第１ ３図）、３日間で残留）Ｉｎ”はＯに減少した。供給速度１５８ｍ１／ｈ　（滞 留時間２１時間）　、Ｉｎ”　１　ｍｇ／ｌの５時間パルスでＣＲＦＢを運転し た。残留Ｍｎ”は５３μｇ／ｌに増えたが３時間以内にＯに低下した。 ＣＲＦＢを供給Ｍｎ２’　１　ｍｇ／　ｌで６日間連続運転した。残留−１ｎ２ ゛は素早く約７１μｇ／ｌの定常状態レベルに達し、滞留時間２１時間で９３％ になった。 マンガン　に　ぼ　Ｍｎ”　の　Ｍｎ２°１ｍｇ／ｌでＣＲＦＢを６日間連続で 運転した後、Ｍｎ”の入口濃度を０．５ｍｇ／ｌに減らした。残留Ｍｎ２“は７ １μｇｌｌから２５μｇ／ｌに低下し、除去性能が改善されたため１４日後には ゼロに低下した（第１４図）。固定化直後に除去性能が改善されたことはλ１ｎ ２゛の入口濃度を階段的に２ｍｇ／ｌまで増加したことにより実証できた。残留 Ｉｎ”レベルはゼロを維持していた（第１５図）。 マンガン濃度についての実験を５箇月間に亙り実施した。除去性能はＭｎ”濃度 がそれぞれ１と８．５ｍｇ／ｌの間で初期の１００％から９０〜９３％近辺まで 低下した（第１３表）。Ｉｎ”濃度０．２５　ｍｇ／ｌから８．５　ｍｇ／ｌの 範囲ではＭｎ”濃度とマンガン除去割合の間に直線関係がみられた（第１６図） 。 第１４表に提示した結果から流出水中の残留マンガンの大部分はＭｎ”であり、 吸着されたＵｎ”および酸化されたマンガンは低レベルでしか含まれていないこ とがわかる。このことは吸着および酸化されたＭｎ”の大部分は塔内で固定化細 胞に保持されていることを示すものである。 マンガンＭｎ”　に　ぼ　Ｈの効　一連の実験はマンガン除去に及ぼすｐｏ条件 の効果を調査するために実施した。供給水がｐＨ７でｐＨ制御しない条件では流 出水ｐｌ＋は代謝活性により７．８に維持された。４日日から８日日までｐＨを ７で制御した結果（第１７図、第１８図）　Ｍｎ”除去は休止状態になり、そし て流出水のＭｎ”レベルが供給濃度よりも僅かに上回ることで示されるとおり、 塔からＭｎ”が脱着したようであった。再度ｐＨ制御をなくすると流出水のｐＨ 値は代謝的に再調製されて約７．６になり、Ｉｎ２゛除去はｐＨ７，８であった 初期レベルを僅かに上回る値にまで回復した。ｐＨ７で制御時の除去の低下はま たＥｈ値が低いレベルであることにも反映されている。 マンガン除去性能は細胞の代謝活性による正常なｐＨ値である７、８付近に調製 されたアルカリ条件により助けられているようである。ｐｔ＋を８で制御すると ％Ｉｎ”および総マンガンの除去が改善された（第１９図、第２０図、第１５表 、第１６表）。ｐＨ８では大部分の流出マンガンが酸化されていたが、これは恐 らくｐＨ制御のため添加した苛性ソーダＮａＯＨにより残留Ｉｎ”が化学的に酸 化された結果であろう。ｐＨ７，８では化学的酸化を低下させ、辛うじてＭｎ除 去速度にのみ影響を及ぼした。ｐＨ８で制御時にＥｈ値が降下した理由は今の段 階ではわからない。 マンガン　去に　ぼす−麿ΔＬｐ」１宋　第２１〜２４図および第１７表に表さ れた結果は、ＣＲＦＢを２２週間にわたり一貫して運転したものを示している。 １から３箇月間では除去割合に初期の低下はあったがその後の除去割合は９２％ と９３％の間を保持できた。 ｐＨ値は細胞によりｍｅｒａｂｏｌｉｃａｌｌｙにｐＨ７，８付近を維持された が２０週後には僅かに低下し始め、これは代謝活性を僅かに損失したことを示し ている。 考察 実験結果はｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍがマグネタイト粒子に首尾よく固定化さ れ、かつ水中からのマンガン除去のため連続循環流動型生物反応器へ利用できる ことをを明確に証明している。ＣＲＦＢは２２週間に亙り運転し、滞留２１時間 、Ｍｎ”濃度８．５　ｍｇ／ｌまででの除去割合は９０％より高＜１００％まで であった。流出水中のマンガンの大部分は残留したＭｎ”で、酸化および吸着さ れたマンガンを少量含んでいた。予測したとおり酸化マンガンは塔内の固定化細 胞に付着していた。自然界のマンガン酸化バクテリア個体群の定着に依存する砂 濾過（文献１８）の場合の約１５週間と比較して、この生物反応器では１週間以 内で最高の除去効率に達した。この（：ＲＦＢでは最小限の維持管理ですみ、凝 結がなく、したがって砂濾過の欠点である逆洗を必要としない。 ｐｔ＋条件はマンガンの吸着、酸化および除去には重要であった。 最適条件はｐＩ（７，８付近であったが、興味あることにこれは供給ｐｔ＋が７ で生育したＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍによる代謝活性を通して自然的に生まれ たｐＩ（値であった。ｐＦＩ７で制御するとマンガン酸化は完全に休止した。こ のような劇的なインパクトの理由については今の段階では明らかでないが、多分 Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍによる吸着および脱着が８から７へのｐＨ変動の影 響を受けないというより、むしろマンガン酸化の機構に関係するのだろう（第６ 図）。マンガンの酸化機構は種々提案されており、特定の酵素によるとか、また は細胞周辺に局所的な高いｐＨ雰囲気が形成されるといったようなことである。 酵素がこれ程急激な活性の低下を来すことはあり得な円有りそうなことは、ｐｔ ＋を７で制御すると細胞周辺のアルカリ雰囲気を中和しマンガン除去に必須の条 件を排除することである。このことを解明するにはさらに調査が必要であろう。 実験の結果からＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの表面成分はＩｎ”の大切な貯蔵所 であることをはっきり示している。最も一般的な表面成分は二酸化マンガンＭｎ Ｏ２、細胞外多糖類および蛋白質である。 Ｐ、　ｍａｎｇａｎｌｃｕｍの生存細胞は、粒子状で非生物のＭ　ｎ　Ｏ２とし て挙動するオートクレーブにかけた細胞と比較して、二倍以上のＭｎ”を吸着し た。細胞外成分は熱に不安定である。ｐＨ８ではＭｎ２゛の約４５％が二酸化マ ンガンＭｎＯ□表面に、５５％が細胞外成分に吸着されたことがデータに示され ている。 また、実験結果によればＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの細胞外成分は低いｐＨ値 で細胞へのＭｎ”の吸着を安定化することを示している。 非生物のＭｎＯ２、またはオートクレーブにかけたＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ の細胞からのＭｎ２’の脱着はｐＨ４で完了したが、極少型のＵｎ”はこのｐＩ （値で生存細胞から脱着した。 抑制実験では細胞外成分の化学的性質を解明できなかった。 しかしこれらのＭｎ２”に対する吸着／脱着の挙動は、Ｐｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉ ｕｍ種では酸性多糖類（文献２３）であるが、多糖類に及ぼすｐｔ＋の予想され た効果から説明することができる。等電点以上で酸性多糖類はポリアニオン性（ 文献２７）であり、反対電荷を持つＭｎ”を固着するものと予想される。ｐＨが 低下するに伴い多糖類表面の正味の負電荷は減少し、Ｍｎ”が脱着するものと予 想される。生存細胞と非生物のＭｎＬに対するｐＨ−脱着グラフの比較から、電 荷の反転はｐＨ４付近で生じることを示唆している。このような所見は、負に電 荷したコロイド状ＭｎＯ２のＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの酸性多糖類への結合 がｐＨを４まで下げると促進されることを示した、実験結果（文献５０）から支 持できるものである。これに対しＭｎ”の吸着で形成された表面の複合体はプロ トンで簡単に除去できる。 Ｇｈｉｏｒｓｅと旧ｒｓｃｈに（文献２３）によれば、１ｍＭ塩化水銀と０゜０ ５％グルタルアルデヒドによるＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ種の濃縮細胞懸濁液 の殺菌処理によっては酸化マンガンの沈積を完全に抑制できないこと、およびこ のことがマンガン酸化が同じ処理で完全に抑制できた生育実験の結果と矛盾する ことを報告している。 しかしト１０２“を吸着する能力が、同じ殺菌処理でも、１０ｍＭ窒化ソーダＮ ａＮａまたは蛋白質分解酵素によっても抑制されないことは本発明の結果から明 らかである。このような結果から、マンガン酸化は蛋白質に依存するがＭｎ”” の吸着の場合はそうでないことが結論できる。　Ｇｈｉｏｒｓｅと旧ｒｓｃｈの 調査（文献２３）によれば、Ｐｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ種によるマンガン酸化 の第一段階は酸性多糖類へのＭｎ”の吸着のようである。微生物によるマンガン 酸化の二段階プロセスの概念は純粋培養および環境の調査（文献７．１１．３０ ．５４）から確立したものであり、酸化は律速段階である。蛋白質分解酵素、塩 化水銀ＨｇＣＩ□およびグルタルアルデヒドのような蛋白質抑制剤、ならびに窒 化ソーダＮａＮ３のような代謝抑制剤のＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍのλ１ｎ２ ゛吸着に及ぼす効果の欠如は、吸着の機構がイオン的でありかつｐＨに依存する ことを示唆するものである。 マンガンの変換を調査するには粒状物質の特定と吸着とを考慮することが重要で ある。吸着Ｍｎ”を脱着するため種々の陽イオン交換法が考案されてきた。いず れの方法によってもＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｔｒｔからＭｎ”を脱着するには 適当でなく、そして細胞外酸性多糖類の安定化作用により他の微生物でも同じで あろうことが本発明の結果から明らかである。硫酸マグネシウムＭｇ５Ｏ４（ｐ Ｈ７）　法では、１０ｍＭおよび２０ｍＭの硫酸マグネシウムＭｇＳＯ４でそれ ぞれ０％および１゜５％しかＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｒｔｒから脱着せず、結 果はよくなかった。ｐＨを４まで下げると脱着はそれぞれ僅か２．２％および３ ，４％しか増加しなかった。　ＢｒｏｍｆｉｅｌｄとＤａｖｉｄ（文献７）によ る硫酸銅ＣｕＳ０４（ｐＨ４，２）法ではｐ、　ｚＢｎｇａｎｉｃｕｍのように 機能するＡｒｔｈｒｏｂａｃｔｅｒ種からＭｎ”を脱着させ、吸着したＭｎ”の ９６％を再現的に脱着することを明らかにした。ｐＨ７の１Ｍ酢酸アンモニウム 中で１０ｍＭの硫酸銅ＣｕＳＯ４を使用する変形法（文献８）は１０ｍＭ硫酸銅 ＣｕＳＯ４でＩ）ｌ（４，２の場合より効果は僅かに低かった。Ｐ、　ｍａｎｇ ａｎｉｃｕｍからの最高の脱着効果を得るには硫酸銅ＣｕＳＯ４を添加する前に 細胞懸濁液のｐＨを４まで下げる必要があることがわかった。硫酸銅ＣｕＳＯ４ を２０ｍＭまで増やしても脱着効果はよくならない。Ｍｎ０ａおよび細胞外多糖 類からのＭｎ”のイオン交換の性能は硫酸マグネシウムＭｇ５Ｏ，より硫酸銅Ｃ ｕＳＯ４がよい理由は明らかでないが、多分酸性多糖類の性質（例えば、カルボ キシル基の銅Ｃｕ複合体はマンガン、マグネシウムの対応する複合体より強力で ある。）によるのだろう。硫酸銅Ｃｕ５Ｏａを使用する他の利点はマンガン酸化 に対するＣｕ２”の毒性（文献７）であり、試料を採取時に使用して反応を停止 させることができる。Ｋｅｐｋａｙら（文献３０）によれば、脱着、イオン交換 および酸化されたマンガンを区別するため使用される硫酸銅（ＣｕＳ０４）　脱 着法（文献７）は゛″最高近い′″と結論している。しかし、Ｋｅｐｋａｙら（ 文献３０）はまた粒子状マンガンの酸化状態を測定するよい方法が最近みられな いとしている。本発明の結果はＰ、　ｍａｎｇａｎｊｃｕｍにつきこの結論を確 認するものであるが、またこの方法は試料が最初にｐＨ４に調製されておれば効 果的かつ再現性があることがわかった。 Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの細胞外多糖類は、マンガン酸化が完全でなく残留 Ｍｎ”がある場合でもマンガン酸化微生物細胞表面の％Ｉｎ２゛の半数以上を捕 集できるので、ＣＲＦＢでのＭｎ”の大切な貯蔵所であるこが本発明から明らか である。 提示した結果から、　Ｐ、　ｒｘａｎｇａｎｉｃｕｔｍの細胞外酸性多糖類はま た予め形成されている酸化マンガンを結合できることがわかる。細胞外酸性多糖 類へのＭｎ０ａ結合の機構は今の段階では明確でないが、細胞外多糖類による特 定のマンガン複合物が表面を形成するに相違ない。高分子電解質による金属結合 の現象は以前から確認されており、多くの研究者によってポリアニオン、特にカ ルボキシル基を有する二価の金属イオンの複合物形成が明らかにされている。こ のように細胞外多糖類はそれ自体がコロイド状金属酸化物粒子の表面に付着する ものと信じられている。 ｐＨ４が低下したとき結合が増進するのは表面電荷およびイオン吸引力が関係し ていることを示唆するものである。出版物のデータによれば、ｐＨ値はδ−Ｍｎ Ｏｚと細胞外多糖類ｍ類との両方の表面電荷に影響を及ぼす（文献２８．３６． ３９）としている。ｐＫａは共に４と５の間（文献２１．４５）の値である。 コロイド状含水δ−Ｍｎ０２の表面は異なる性質（文献３６）を有する。コロイ ド状含水δ−Ｍｎ０２の等電点は２゜８（文献３６）から１．５（文献２８）の 範囲である。この研究で実験したｐＨ範囲４から７以内でコロイド状δ−ＭｎＯ ２は負に電荷している。 コロイド状ＭｎＯ２が結合した細胞外ポリマーを本来ポリアニオン（文献２７） であるルテニウムレッドで染色した。これら陰イオン性ポリマーの最も一般的な ものは酸性多糖類（文献２３）である。酸性多糖類のイオン化カルボキシル基の 数はｐＨが低くなるに伴いブロトネーションにより減少する。 実験条件によりδ−ＭｎＯｚが負に電荷されていた事実を考えてみるに、ｐＨが ５と４の間でＭｎＯ□結合が目立って増加したことは酸性多糖類の正味の負電荷 の減少によることを示唆している。 Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍが予め形成されたＭｎＯ□を結合する能力はＣＲＦ Ｂ内で利用できて、砂濾過では通過するであろう粒子状マンガンを水中から除去 することができる。 以上のことから本発明の方法は、第１０Ａ図、第１０Ｂ図で示したように単一の ＣＲＦＢまたは複数のＣＲＦＢ群を使用する実用プラントにも適用できることが 理解できるであろう。第１０Ｂ図で示す生物反応器を連続配置して除去効率が増 すことができ、浄化流出水中のマンガン濃度を低くすることができる。 また、液体流速のような運転要素は実験室規模のものでもまた実用器規模のもの でも広範囲に変動するであろうことがわかるだろう。 また、　Ｐｅｄｏｍｉｃｒｏｂｊｕｍ　ｍａｎｇａｎｉｃｕｒｒｔ菌ＵＱＭ　３ ０６７の寄託物は１９９２年１０月２６日オーストラリア政府分析研究所（Ｓｕ ａｋｉｎ　５ｔｒｅｅｔ、　Ｐｙｍｂｌｅ、　Ｎｅｗ　５ｏｕｔｈ　Ｗａｉｅｓ 、　Ａｕ５ｔｒａｌｉａｎ）に寄託し、受託Ｎｏ、９２．１５１４０２が付与さ れたことを確認している。 ０１２３（５６７Ｍ９１Ｇ 平衡細胞（ｌｏｇ　ＩＱ）　（ＣＦＵ／ＭＬ）第１図　１％マグネタイト（２１ １〜２４６μｍ）へのＰ、　ｍａｔ麗匹凪四菌ＵＱＭ３０６６およびＵＱに３０ ６７の吸着の等混線。　回帰線の属性は：＋　ＵＱ８３０６６　（ｂ＝１．２６ ．　ａ＝０．７５．　ｒ＝０．９６）　点線口　００Ｍ３０６７　（ｂ：１．ｏ ｏ、　ａ＝−０，３７，ｒ＝０．９８）　実線（ｌＩ２コ４５６７１１９１０ 平衡細胞（ｌｏｇ　１０）　（ＣＦＵ／ＨＬ）第２図　種々のｐｌｌにける１％ マグネタイト（２１１〜２４６μｍ）へのＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍＵＱＭ３ ０６６の吸着の等混線。　回帰線の属性は■　ｐＨ６（ｂ＝０．９４．　ａ＝− ０，１０，ｒ＝０．９８）　点線口　ｐＨ７（ｂ＝１．ｏｏ、　ａ＝−０，３７ ，ｒ＝０．９８）　実線０菫２コ４５６７Ｂ９１Ｇ 平衡細胞（ｌｏｇ　１０）　（ＣＦＩＪ／ＭＬ）第３図　掻き混ぜおよび振盪に よる混合操作における１％マグネタイト（２１１〜２４６μ１１）へのＰ、　ｍ ａｎｇａｎｉｃｕｍ　ＵＱＭ３０６６の吸着の等混線　回帰線の属性は・　振！ ｌ　（ｂ＝０．９７．ａ＝−０，２５，ｒ＝０．９９）　点線口　掻き混ぜ（ｂ ：１．ｏｏ、　ａ＝−０，３７，ｒ＝０．９８）　実線８　７　６　Ｓ　４　３ 　２ ｐＨ 第６図　生存Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍ　（・）、Ｍｎ”を添加しない生存Ｐ 、　ｍａ＋＋ｇａｎｉｃｔ＋Ｉ１１．　（１，１％ＮａＮ５（ｘ）で処理したＰ Ｉｌｌａｎｇａｎｉｃｕａ、オートクレーブにかけたＰ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕ ｍ（ム）および化学的ＭｎＯ２からのＭｎ”の脱着に及ぼすｐＨの効果時間（分 ） 第７［ｉＵ　ｐｔ（７（△）およびｐｉ（４（・）におけるＰ、　ｍａｎｇａｎ ｉｃｕｍ細胞によるコロイド状ＭｎＯ２の結合 第８図　Ｐ、　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの趣向薄部分の透過電子顕微鏡写真。 ｐＨ４においてルテニウムレッド染色細胞外酸性多糖類（ＡＰＳ）に結合したコ ロイド状Ｍｎ０２（矢印）のリボンを示している。 第９図　バックグラウンド（Ｂ）と比較したム」朋王四匹四（Ａ）の細胞外酸性 多糖類に結合したコロイド状ＭｎＯ，沈積物のＥＤＸ元素分析第１０図Ｂ 時間（分） 第１１図　ＣＲＦＢ内のマグネタイト粒子へのｐＩＩａｎｇａｎｔｃｕｍ細胞の 固定化で、吸光度（・）、非吸着細胞（ロ）および固定化細胞（○）の変化を示 す。 第１２図　マグネタイト粒子へのし」と麗匹五匹の固定化細胞：固定化後の蛍光 顕微鏡写真（Ａ）；ｌ箇月後（Ｂ）、酸化マンガンの沈積を示す３箇月後（Ｃ） および表面くぼみでの生育を示す５箇月後（Ｄ）の電子顕微鏡写真第１３図　回 分モードで運転したＣＲＦＢにょるＰＩＩａｎｇａｎｉｃｕ１１細胞の固定化角 １にのＭｎ２゛１ｍｇ／ｌの除去、および１５８ｍ１／ｈの連続供給（２１時間 滞留）でＫｎ”　ｌ　ｍｇ／Ｉのパルスに対する応答 固定化後の時間（日） 第１４図　細胞固定化直後ＣＲＦＢによるにｎ２゛除去に及ぼすＨｎ”濃度減少 の効果固定化後の時間（日） 第１５図　細胞固定化直後ＣＲＦＢにょるに口２゛除去に及ぼすＭｎ”濃度増加 の効果入口Ｏｎ”（−ｇ／ｌ） 第１６図　ＣＲＦＩＩによるＨｎ”の除去速度に及ぼすＭｎ”濃度の効果εｈ Ｈ （＋／ｆｆ７７）ＬＩＨ （＋／２７７）ｕＷ Ｅｈ （１／ｌ）”Ｈ （１／２１７７　）、［１ （＋／２７７）ｔｌＨ 入口Ｏｎ”（ａ＋ｇ／Ｉ） （１／２が）。、ＵＨ口田 入口ＭｎＭｎ２４（／Ｉ） （１７カわ４２四口雷 補正書の写しく翻訳文）提出書　（特許法第１８４条の８）平成６月４月２５１

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．水からマンガンを除去する方法であって：（ｉ）マンガンを代謝できる微生 物の固着性の生物膜を強固に吸着できる粒子の流動層を生物反応器内に調製して 、活性的に繁殖したバイオマスを提供するステップ；及び（ｉｉ）前記流動層に 流水を通過させ、マンガンを前記バイオマスによって吸着しかつ流水から除去し 、浄化流出水を前記生物反応器から排出して提供するステップ：とを包含するマ ンガンの除去方法。
2. ２．請求項１に記載の方法であって、前記流動層の前記粒子の粒子サイズが５０ μｍから１０００μｍの範囲にあるマンガンの除去方法。
3. ３．請求項１に記載の方法であって、前記微生物がＰｅｄｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ 　ｍａｎｇａｎｉｃｕｍの菌株であるマンガンの除去方法。
4. ４．請求項１に記載の方法であって、前記微生物がマグネタイト粒子上に保持さ れているマンガンの除去方法。
5. ５．請求項１に記載の方法であって、前記ステップ（ｉｉ）における前記バイオ マスがｐＨ７．８に維持されているマンガンの除去方法。
6. ６．請求項４に記載の方法であって、前記マグネタイト粒子の粒子サイズが直径 で約２００〜３００μｍであるマンガンの除去方法。
7. ７．請求項１に記載の方法であって、水が前記生物反応器および混合容器を連続 的に通過し、これによって、新鮮な流入水が流出水として前記混合容器にほぼ同 じ速度で流入し、又は処理水が前記混合容器から処理水用の容器に流出するマン ガンの除去方法。
8. ８．請求項７に記載の方法であって、混合容器が曝気されているマンガンの除去 方法。
9. ９．請求項７に記載の方法であって、水を前記生物反応器から前記混合容器に送 水するために、第一循環ポンプが使用されるマンガンの除去方法。
10. １０．第７項に記載の方法であって、水を前記混合容器から前記生物反応器に送 水するために第二循環ポンプが使用されるマンガンの除去方法。
11. １１．請求項１に記載の方法であって、ステップ（ｉ）において生物反応器が多 数連続的に利用され、水が一つの生物反応器から流出してマンガン濃度の低い流 出水を提供するマンガンの除去方法。
12. １２．請求項１２に記載の方法であって、前記混合容器が連続する各生物反応器 と液体で連結されているマンガンの除去方法。
13. １３．請求項１に記載の方法であって、浄化流出水が前記生物反応器の上部から 流出するマンガンの除去方法。