JPH11215982A

JPH11215982A - 海洋性硝化細菌

Info

Publication number: JPH11215982A
Application number: JP2076798A
Authority: JP
Inventors: Satoru Yoneda; 哲米田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】強靭な細胞壁構造などにより、処理水の浸透
圧変化や生育を阻害する種々の化学物質に対して、強力
な体制を整え生育・増殖を行い得る高濃度に培養収集可
能な硝化菌を提供すること。【解決手段】処理水の浸透圧変化や生育を阻害する種
々の化学物質に対して強力な耐性を持つ海洋性硝化細菌
であり、海洋性アンモニア酸化細菌と海洋性亜硝酸酸化
細菌との混合菌（ＢＩＣＯＭＮｉｔｒｉｆｙｉｎｇ
ＢａｃｔｅｒｉａＳＷＡＱＳＰ−７８（ＦＥＲＭＰ
−１５９９２））よりなり、上記２種の細菌よりなる混
合菌を用いることによって培養の過程で細菌フロックを
形成するので高濃度の混合菌の採取が容易になり、アン
モニアの処理能力が高い。生育のエネルギー基質は海洋
性アンモニウム酸化細菌に対するアンモニウム塩のみで
よく、ｐＨ調整剤として無機炭素を用いることで混合菌
が炭酸同化を行う際の無機炭素源供給を兼ねる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は海洋性（海洋から採
取した）硝化細菌に関し、詳しくは、海洋性アンモニア
酸化細菌と海洋性亜硝酸酸化細菌との混合菌よりなる海
洋性硝化細菌に関し、さらに詳しくは、水系における有
害な窒素化合物を高効率で除去する技術に用いる海洋性
硝化細菌混合菌に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来よ
り、水系における窒素汚染、とりわけアンモニアを除去
する方法には、物理化学的な方法と生物を活用する方法
とがある。

【０００３】物理化学的な方法としては、アンモニアス
トリッピング法、不連続点塩素注入法、ゼオライト法、
イオン交換法などが挙げられる。しかし、これらの方法
には、副産物による二次公害や効率の面で問題があっ
た。すなわち、アンモニアストリッピング法は、汚水中
のアンモニアを気化させて大気中に放出させるだけの方
法であるので、雨水によって再度汚染源となるというば
かりか、気化したアンモニアは有毒であり、人に対する
二次公害的な問題があった。不連続点塩素注入法は、簡
単に言えばアンモニアと反応させる塩素を大量に投与す
る方法であるが、アンモニアと反応しなかった余剰の塩
素を取り除く作業が強いられ、やはり二次公害の問題が
あった。ゼオライト法およびイオン交換法は、ゼオライ
トやイオン交換膜が非常に高価であり、またさらには、
これらが直ぐに飽和状態になることもあり、かなりの面
で経済的不利を招き、効率を向上させることが難しいと
いう問題があった。

【０００４】一方、生物を活用する方法として、硝化細
菌（アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌）と脱窒素細
菌（硝酸還元菌）による微生物処理法が最も有力である
ことは良く知られている。水系における有害な残留窒素
は、好気的環境下で硝化細菌の働きによって硝酸イオン
となって蓄積し、嫌気的環境下で脱窒素細菌によって安
全な窒素ガスに還元され大気中に放出される。

【０００５】しかしながら、細菌の生育・増殖を阻害す
る化学物資質などが処理水に混入することや、グラム陰
性菌特有の脆弱な細胞壁を破壊する浸透圧変化が処理水
中で絶えず起こっているために、処理効率が低下し、排
水基準に適合しない処理水が放流されてしまうことがし
ばしばあった。これは、従来、廃水処理に於ける微生物
処理プロセスの設計及び維持管理の点で、主に注意が払
われているのが反応槽の形式、必要酸素移動量、処理水
の水質、立地環境条件、及び経費の５項目であり、この
ような項目の具体的内容においては、微生物固有の特性
は比較的軽視されていたためである。

【０００６】［発明の目的］本発明は上記の実情に鑑み
てなされたものであり、その目的は、強靭な細胞壁構造
を備え、処理水の浸透圧変化や生育を阻害する種々の化
学物質に対して強力な体制を整えて生育および増殖を行
ない、アンモニアの処理能力に優れた海洋性硝化細菌を
提供するところにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の海洋性硝
化細菌は、海洋性アンモニア酸化細菌と海洋性亜硝酸酸
化細菌との混合菌よりなるものである。

【０００８】請求項２記載の海洋性硝化細菌は、請求項
１記載の海洋性硝化細菌において、前記混合菌が、ＢＩ
ＣＯＭＮｉｔｒｉｆｙｉｎｇＢａｃｔｅｒｉａＳ
ＷＡＱＳＰ−７８（ＦＥＲＭＰ−１５９９２）であ
ることを特徴とする。

【０００９】請求項３記載の海洋性硝化細菌は、請求項
１または２のいずれか１項記載の海洋性硝化細菌におい
て、培養液中における菌体濃度が、１０^９（ｃｅｌｌｓ
／ｍｌ）以上であることを特徴とする。

【００１０】請求項４記載の海洋性硝化細菌は、請求項
１〜３のいずれか１項に記載の海洋性硝化細菌におい
て、培養の過程で細菌フロックを形成するものである。

【００１１】請求項５記載の海洋性硝化細菌は、請求項
１〜４のいずれか１項に記載の海洋性硝化細菌におい
て、エネルギー基質としてアンモニウム塩を使用して培
養されてなるものである。

【００１２】請求項６記載の海洋性硝化細菌は、請求項
１〜５のいずれか１項に記載の海洋性硝化細菌におい
て、ｐＨ調整剤として無機炭素基質を使用して培養され
てなるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の海洋性硝化細菌の特徴の
１つは、海から採取した海洋性野生種を３年かけて人工
的に優占種のみを集積させた海洋性硝化細菌（アンモニ
ア酸化細菌および亜硝酸酸化細菌混合菌体）であるこ
と。もう１つは、特殊な培養操作によって１ｍｌ当たり
１０¹¹程度の高密度菌体を得ることができるということ
である。こうして得られた菌体はエネルギー基質が存在
する好気条件下で常に活性状態にあるばかりでなく、浸
透圧変化、温度変化、ｐＨ変化に強く、特に浸透圧変化
に対する耐性には優れており、海水から淡水、淡水から
海水への瞬時の移行にもその活性を失わないという特徴
を備えている。

【００１４】硝化細菌としては、前述したように、処理
水の浸透圧変化や生育を阻害する種々の化学物質に対し
て強力な耐性を持つ海洋性の硝化細菌が用いられる。ア
ンモニアを亜硝酸に酸化する海洋性アンモニア酸化細菌
（おそらくニトロソモナス属に属すると思われる）と、
これによって生成された亜硝酸を引き続き硝酸に酸化す
る海洋性亜硝酸酸化細菌（おそらくニトロバクター属に
属すると思われる）との混合菌とする。混合の比率は海
洋性アンモニア酸化細菌１〜５に対し海洋性亜硝酸酸化
細菌が少なくとも１であることが（個数比）、アンモニ
アから亜硝酸を経て硝酸に至るといった硝化作用が円滑
に進むという点で好ましい。さらに好ましい混合の比率
は、海洋性アンモニア酸化細菌２〜４に対し海洋性亜硝
酸酸化細菌１（個数比）であり、約３：１の比率で混合
された混合菌が平成８年１２月付で工業技術院微生物寄
託センターに、ＢＩＣＯＭＮｉｔｒｉｆｙｉｎｇＢ
ａｃｔｅｒｉａＳＷＡＱＳＰ−７８（ＦＥＲＭＰ
−１５９９２）として寄託されている。

【００１５】なお、アンモニア酸化細菌、並びに亜硝酸
酸化細菌それぞれの同定・定量は、最確数法（ＭＰＮ
法）または硝化細菌抗うさぎ血清を用いた抗体感作ラテ
ックス凝集法（製品名：硝化細菌抗体感作ラテックス
「検出くん」、（株）ヤクルト本社製）を用いて行なう
ことができる。

【００１６】以下、ＦＥＲＭＰ−１５９９２株の細菌
学的特徴を示す。

【００１７】（ａ）形態的性質１）細胞の大きさ：０．５×０．５〜０．８μｍ２）細胞の多形性の有無：なし３）運動性の有無：有り（亜曲鞭毛）４）胞子の有無：なし（ｂ）培養的性質１）肉汁寒天平板培養：（−）２）肉汁液体培養：（−）３）肉汁ゼラチン穿刺培養（−）４）リトマス・ミルク（−）（ｃ）生理学的性質１）グラム染色：（−）２）硝酸塩の還元：なし３）脱窒反応：なし４）インドールの生成：なし５）硫化水素の生成：なし６）デンプンの加水分解：なし７）クエン酸の利用：なし８）無機窒素源（アンモニウム塩）の利用：有り９）色素の生成：なし 10）ウレアーゼ：（−） 11）オキシダーゼ：（−） 12）カタラーゼ：（−） 13）生育の範囲（ｐＨ，温度など）：６．８〜８．６、
２５〜３０℃ 14）酸素に対する態度：好気性。

【００１８】本発明の海洋性硝化細菌は、水中（海水中
あるいは淡水中）に含まれるアンモニアの処理能力に優
れ、多量のアンモニアを、短い時間で処理することがで
きる。具体的に言えば、水中、例えば海水中、あるいは
それと同程度の塩濃度を有する塩水中に含まれるアンモ
ニアを１日１リットル当たり、１００ｍｇ−ＮＨ_４−Ｎ
以上、３００ｍｇ−ＮＨ_４−Ｎ以上、５００ｍｇ−ＮＨ
_４−Ｎ以上、もしくは１，０００ｍｇ−ＮＨ_４−Ｎ以上
処理することができ、また、有効容積が例えば１００リ
ットル以下の反応容器内において、海水中あるいはそれ
と同程度の塩濃度を有する塩水中に含まれるアンモニア
濃度の７０％以上あるいは８０％以上をたった２０分と
いった短い時間で処理することができる。

【００１９】前記の混合菌は培養の過程で菌濃度の高い
部分が細菌フロックを形成し、これにより比重の異なる
部分が層状になって互いに分離する。そして、所望の硝
化細菌を高濃度で得るために、所定時間内に菌体濃度の
濃縮操作を行なう。この濃縮操作には、硝化菌の生育に
伴って生じる老廃物を廃棄して、硝化細菌生育の阻害因
子になりうる要素をなくす効果もある。濃縮操作として
は、所定単位時間毎に、培養液を静置や遠心分離などに
よって菌体の濃集部と上澄み液とに分離し、その上澄み
液の所定量を培養液の基本培地と入れ替える操作が好適
である。

【００２０】そして、培養に要するエネルギー基質とし
てアンモニウム塩を海洋性アンモニア酸化細菌にのみ付
与し、生態系の連鎖を利用して増殖させる。培養に際し
ては、培養液の菌体濃度に応じて培養液に含有されるア
ンモニウムイオン濃度を所定の範囲内に制御する。アン
モニアは、化学独立栄養細菌の海洋性アンモニア酸化細
菌が、炭酸同化を行って生育する際のエネルギー源であ
るが、過剰にあると、むしろ生育・増殖の阻害にもな
る。また、培養液が亜硝酸を硝酸に酸化する海洋性亜硝
酸酸化細菌との混合液であるため、両細菌の数にある程
度のバランスを保つ必要がある。従って、培養液のアン
モニウムイオン濃度に所定の上限を設定することが好ま
しい。

【００２１】また、ｐＨ調整剤として無機炭素基質を用
いる。所定の炭酸塩を培養液に供給するといったｐＨ調
整効果と同時に、細菌が炭酸同化を行う際の無機炭素源
供給という効果もある。培養液は、海洋性アンモニア酸
化細菌と海洋性亜硝酸酸化細菌の生育に伴い酸化される
が、両細菌が活動的に生育・増殖する培養液のｐＨの最
適値はｐＨ＝７．５〜７．８である。

【００２２】以下、本発明の実施の形態を一実施例に基
づいて説明する。基本培地（ダンの培地）の主成分は、
人工又は天然の海水、リン酸水素二カリウム、第一硫酸
鉄、塩化カルシウム、硫酸マグネシウム等からなり温度
を２５〜３０℃に保ち、溶存酸素濃度４ｍｇ／リットル
以上に、そしてｐＨを７．５〜８．５に調整し上記混合
菌を投入する。培養のエネルギー基質としては、海洋性
の硝化細菌が硫酸に対して耐性を備えていることから、
硫酸アンモニウムが好適に用いられ、その供給量は培養
液に於ける菌体濃度即ち混合菌の成熟度に合わせて変化
させる。その量は、アンモニア性窒素の質量として下記
［表１］のように設定する。これは２４時間当たりの総
量であり、一度に全量供給してもよいし、アンモニア性
窒素の上限濃度以下になるように数回に分けて供給して
もよい。なお、前述したように、海洋性の硝化細菌が硫
酸に対して耐性を備えていることから、培養のエネルギ
ー基質として硫酸アンモニウムを使用することが可能と
なる。

【００２３】

【表１】なお、菌体濃度が、１０¹²（ｃｅｌｌｓ／ｍｌ）以上に
なった時には株分けする。

【００２４】本例では、上述のように、２４時間当たり
に供給するエネルギー基質の分量を指定するが、培養液
の濃縮操作も次のように２４時間単位で行うことが簡便
である。エネルギー基質の更新投入から２３時間経過後
に、培養容器内のエアレーションを止め１時間静置す
る。なお、培養液中に、亜硝酸がなくなっていることを
確認してから止めてもよい。静置させると、細菌フロッ
クができ、比重が海水より重いため大半の細菌フロック
が沈殿する。これはアンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細
菌の各菌それぞれ個別の純粋培養では見られないが、本
発明の混合菌培養において現れる最も著しい特徴であ
る。混合菌の生育を阻害する老廃物も含まれる静置後の
上澄み液の所定量、例えば容器容量の半分を、細菌フロ
ックが流出しないように注意しながら廃棄して基本培地
と置換し、初期操作に戻る。このような培養操作を２４
時間単位で、１〜２ケ月程度反復し、培養液に懸濁を視
認できるまで混合菌を増殖させる。

【００２５】次に、本発明でアンモニア酸化細菌と亜硝
酸酸化細菌との混合菌を用いた合理性について説述す
る。一般に、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌のエ
ネルギー獲得反応は、それぞれ次式（Ａ）（Ｂ）のよう
に表される。

【００２６】

【化１】

【００２７】この両者の混合培養系では、アンモニア酸
化細菌が生成した亜硝酸を亜硝酸酸化細菌が引き継いで
利用するので、全体としては次式（Ｃ）のようになる。

【００２８】

【化２】

【００２９】アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌の個
々の純粋培養系（Ａ）及び（Ｂ）と比較して、混合培養
系（Ｃ）の長所は、次の通りである。純粋培養系（Ａ）
及び（Ｂ）では、エネルギー基質としてアンモニア、亜
硝酸が必要であるが、混合培養系ではエネルギー基質と
してアンモニアだけ供給すれば済む。また、純粋培養系
（Ｃ）では培地を懸濁させる程度まで増殖することが容
易である。これは、アンモニア酸化細菌や亜硝酸酸化細
菌が同族内などではコロニーやフロックを形成しないで
浮遊生活を送る生態に起因すると推察される。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を挙げて説明する
が、本発明はこれに限らず、本発明の構成は、本発明の
趣旨から逸脱しない限り適宜設計変更可能なものであ
る。

【００３１】ＦＥＲＭＰ−１５９９２株による地下海
水の硝化処理実験静岡県清水市にある東海大学海洋学部の地下約５０ｍに
は地下海水脈がある。井戸を掘って地下海水を汲み上
げ、当該地下海水に含まれるアンモニアイオン（ＮＨ_４
^＋）を１か月半近くに亘って測定したところ、測定日に
より異なっていたが、約４〜１１ｍｇ／リットル含まれ
ていることが分かった。なお、このようにアンモニアイ
オンの含有率が日々変化する原因はつかめていない。

【００３２】タンパク質（アミノ酸）や核酸等の有機窒
素は生物の代謝によって分解され、水、二酸化炭素、及
びアンモニアを生成する。つまり、水系汚染の原因とな
っている大半のアンモニアは、有機窒素の無機化過程で
生産される最初の無機窒素化合物であるが、この物質は
細胞のエネルギー代謝を停止させる程の致死毒性を有す
る。

【００３３】そこで本発明者は、アンモニアで汚染され
た上記地下海水の硝化処理のため、ＢＩＣＯＭＮｉｔ
ｒｉｆｙｉｎｇＢａｃｔｅｒｉａＳＷＡＱＳＰ−
７８（ＦＥＲＭＰ−１５９９２）（図４参照）を用い
て以下のような実験を行った。

【００３４】まず図１に示すように、ポンプによって地
下海水脈から海水を反応器（硝化処理反応器）の内部に
汲み上げ、当該反応器内にて処理した海水をヒラメ養殖
水槽（１．５ｔ）の内部に送り込むことのできる実験装
置を作成した。

【００３５】硝化処理反応器の容器には２００リットル
のポリエチレン製コンテナボックスを使用した。図２に
示すように、底面にセラミック製の濾材（商品名；パワ
ーハウス、小野田セメント社製）５０リットルよりなる
セラミック濾材層を設けた。また、このセラミック濾材
層の上には、珊瑚砂（天然珊瑚）５０リットルよりなる
珊瑚層を設け、さらにその上にウールマットを敷設し
た。

【００３６】その後、反応器内部に地下水を満たして止
水し、ＦＥＲＭＰ−１５９９２株を３０ｃｃ（菌体
数：１０¹¹個）を投入した。菌体を前記濾材に固定する
ため、エアレーションで２４時間水を回した。のち、地
下水を毎分１．８リットルの流速で掛け流し、ヒラメ養
殖水槽からオーバーフローした処理水中のアンモニアイ
オン濃度を測定した。なお、実験対象が地下水であるた
め水温は安定しており、実験期間を通じて１７．５±
０．５℃であった。

【００３７】反応器内に濾材が全く投入されていなけれ
ば反応器内の水の滞留時間は約５６分である。本実施例
において、反応器の有効容積は３分の１であるので、実
質的な水の滞留時間は２０分程度である。

【００３８】このような条件下で、反応器内で処理され
た処理水中におけるアンモニアイオン濃度を測定した。
結果を図３に示す。なお比較対照のため、測定時におけ
る非処理の地下水におけるアンモニアイオン濃度も測定
した。

【００３９】図３から明らかなように、処理水の滞留時
間が僅かであるにも係わらず、処理された地下水のアン
モニアイオン濃度は、非処理系に比べ、最高で９０．１
％、最低でも８４．６％が除去されているという結果が
得られた。このような非常に高いレベルでのアンモニア
除去は、通常の下水処理であれば、いくら短くとも、７
時間の滞留時間を必要とするであろう。本発明の海洋性
硝化細菌を用いることにより、上記したような高いレベ
ルでのアンモニア除去が２０分という驚異的な非常に短
い時間で可能である。

【００４０】地下海水中のアンモニアイオン濃度の日時
的変化の原因は、前述したように分からないが、処理さ
れた水によってヒラメは健康に飼育されており（ヒラメ
はアンモニア濃度３〜４ｐｐｍで慢性毒性が生じる）、
ＦＥＲＭＰ−１５９９２株が反応器の内部において安
定して有害なアンモニアイオンを処理していることが理
解できる。

【００４１】

【発明の効果】本発明のように、海洋性アンモニウム酸
化細菌と海洋性亜硝酸酸化細菌との混合菌を用いること
でエネルギー基質の供給が簡素化され細菌フロックを形
成することにより沈殿作用を利用して高濃度の混合菌を
効率よく採取することができる。菌体濃度は１０¹⁰〜１
０¹²（ｃｅｌｌｓ／ｍｌ）に達するので実用菌体濃度を
１０⁶（ｃｅｌｌｓ／ｍｌ）とすれば１０万ないし１０
０万倍に希釈できるから大規模の培養設備を要しない。
また、海洋性硝化菌を採用しているので汚染環境の浸透
圧の変化にも耐え安定した浄化作用を示す。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例における硝化処理実験で用いた装置の略
示説明図である。

【図２】前図における反応器の内部構造を示した略示説
明図である。

【図３】実験結果を示したグラフ図である。

【図４】ＢＩＣＯＭＮｉｔｒｉｆｙｉｎｇＢａｃｔ
ｅｒｉａＳＷＡＱＳＰ−７８（ＦＥＲＭＰ−１５
９９２）株の顕微鏡写真の図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】海洋性アンモニア酸化細菌と海洋性亜硝酸
酸化細菌との混合菌よりなることを特徴とする海洋性硝
化細菌。
【請求項２】前記混合菌が、ＢＩＣＯＭＮｉｔｒｉｆ
ｙｉｎｇＢａｃｔｅｒｉａＳＷＡＱＳＰ−７８
（ＦＥＲＭＰ−１５９９２）であることを特徴とする
請求項１記載の海洋性硝化細菌。
【請求項３】培養液中における菌体濃度が、１０^９（ｃ
ｅｌｌｓ／ｍｌ）以上であることを特徴とする請求項１
または２のいずれか１項記載の海洋性硝化細菌。
【請求項４】培養の過程で細菌フロックを形成すること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の海洋
性硝化細菌。
【請求項５】エネルギー基質としてアンモニウム塩を使
用して培養されたことを特徴とする請求項１〜４のいず
れか１項に記載の海洋性硝化細菌。
【請求項６】ｐＨ調整剤として無機炭素基質を使用して
培養されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１
項に記載の海洋性硝化細菌。