水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法
【課題】水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を高める。水素資化性メタン菌の生育を促進させる。
【解決手段】内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御し、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにした。
【解決手段】内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御し、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を制御する方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する微生物である水素資化性メタン菌のメタン生成活性を制御するのに好適な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、資源循環型社会の構築に向けて、生物の機能を活用した高効率な物質変換技術が脚光を浴び始めており、各種研究が進められつつある。このような代表的な技術として、生ゴミ等の有機性廃棄物をメタン発酵処理する技術が知られている。メタン発酵処理とは、有機性廃棄物を発酵液に投入し、嫌気性条件下で発酵処理して有機性廃棄物をメタンガスを含むバイオガスに変換する方法である。メタン発酵処理は、有機性廃棄物を大幅に減容できることから、近年の埋め立て処分地の逼迫の問題を解決することができ、しかもメタンガスをエネルギーとして回収できる極めて有益性の高い技術である。
【０００３】
ところで、メタン発酵処理に用いられる発酵液には、メタン生成を担うメタン細菌として、水素資化性メタン菌が含まれていることが知られている。水素資化性メタン菌は、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する過程でエネルギーを獲得して生育する呼吸様式を持つメタン細菌であり、メタン発酵過程の最終段階で最終生成物たるメタンを生成する重要な役割を担っている。
【０００４】
また、水素資化性メタン菌は、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成することができる機能を利用して、地球温暖化ガスである二酸化炭素をメタンガスというエネルギー資源に変換するために利用することもできる。例えば、特許文献１では、排気中の二酸化炭素を水またはアルカリ溶液に溶解し、得られた二酸化炭素溶液中の溶存酸素を低濃度化した後、これを基質として水素資化性メタン発酵を行うことにより、排気中の二酸化炭素を回収して削減するとともに、これを燃料源として有益なメタンに変換することによって、地球環境を保護しながらエネルギー資源として有効なメタンを回収するようにしている。
【０００５】
このように、水素資化性メタン菌は極めて優れた機能を持ち、産業上極めて有用な微生物であると考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２１８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水素資化性メタン菌によるメタン生成を効率よく実施するためには、水素資化性メタン菌を効率よく生育する手法と、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を高める手法を確立することが重要となる。しかしながら、現在に至るまで、これらの手法は確立されるには至っていない。
【０００８】
即ち、水素資化性メタン菌を生育させるためには、培養液にシステインや硫化ナトリウムといった還元剤を添加する等といった化学的調整によって、酸化還元電位を低く調整する必要があるが、このような方法では、水素資化性メタン菌の生育速度を十分に速くはできず、水素資化性メタン菌を効率よく生育できるとは言い難かった。
【０００９】
また、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を高める手法については、現在に至るまで、全く明らかにされていない。
【００１０】
ところで、水素資化性メタン菌が生成するメタンガスは、二酸化炭素の２０倍程度の地球温暖化効果のあるガスとして知られている。水素資化性メタン菌は、地球上に広く生息しており、例えば僻地においては、メタンガスをエネルギー資源として回収してもメタンガスの輸送コストがかかるので、むしろメタンガスを回収せずに温暖化ガスとしてのメタンガスの発生を抑えたいという要請もある。また、将来的にメタンガスの供給量が過剰となった場合にも、メタンガスを回収せずに温暖化ガスとしてのメタンガスの発生を抑える要請が生じ得ることも考えられる。このような観点から、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高める手法のみならず、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させる手法をも確立しておく必要がある。
【００１１】
そこで、本発明は、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を高めることができ、水素資化性メタン菌の生育も促進させることのできる手法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を低下させることができる手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる課題を解決するため、本願発明者は、水素資化性メタン菌を定常期の生育段階の菌体密度で含む培養液について種々検討を行った。即ち、水素資化性メタン菌を定常期の生育段階の菌体密度で含む場合には、これ以上の菌体密度の増加は起こり得ないことから、この状況でメタン生成活性の向上効果、低下効果が確認されれば、この効果は、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性の向上ないしは低下によって奏される効果であると言える。その結果、培養液に電極を接触させて、この電極に電位を印加することにより培養液の酸化還元電位をある範囲に制御することによって、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高めたり低下させたりする制御が可能であることを知見した。
【００１４】
さらに、本願発明者は鋭意検討を行い、水素資化性メタン菌を対数増殖期前の生育段階の菌体密度で含む培養液に電極を接触させて、この電極に電位を印加することにより培養液の酸化還元電位を水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高めることのできる電位に制御することで、水素資化性メタン菌の生育を促進できることも知見した。
【００１５】
本願発明者は、これらの知見に基づき、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位として、水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めることができ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させることができることが導かれることを知見するに至り、本願発明を完成するに至った。
【００１６】
即ち、本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法は、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにしている。尚、環境の酸化還元電位は銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖとすることが好ましい。また、電極を接触させる環境が基準電位を有していることが好ましい。
【００１７】
次に、本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法は、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含むと共に基準電位を有する環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させるようにしている。尚、この場合の環境の酸化還元電位は、具体的には銀・塩化銀電極電位基準で−０．２Ｖを含んで−０．２Ｖよりもプラス側に大きな電位とすることが好ましい。
【００１８】
ここで、本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法においては、水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で環境に含まれていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高める制御を行うことができるので、環境中に存在している水素資化性メタン菌群のそれぞれの菌体のメタン生成活性を高めて、環境全体としてのメタン生成活性を大きく向上させることが可能となる。また、環境中に存在している水素資化性メタン菌の菌体密度が、定常期の生育段階における菌体密度よりも小さい場合には、その生育速度を基準電位における生育速度よりも促進することも可能となる。
【００２０】
また、本発明によれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させる制御を行うことができるので、環境中に存在している水素資化性メタン菌群のそれぞれの菌体のメタン生成活性を低下させて、環境全体としてのメタン生成活性を大きく低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例１における各種設定電位でのメタン生成量の経時変化を示す図である。
【図２】実施例２における各種設定電位での培養液の菌数を示す図である。
【図３】実施例２における各種設定電位でのメタン生成量を示す図である。
【図４】実施例において使用した実験装置の構成を示す図である。
【図５】第一の実施形態Ａにかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図６】第一の実施形態Ｂにかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図７】第一の実施形態Ｃにかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図８】第一の実施形態Ｄにかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図９】第二の実施形態にかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図１０】活性制御装置の他の形態の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法は、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにしている。
【００２４】
また、本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法は、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含むと共に基準電位を有する環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させるようにしている。
【００２５】
つまり、本発明では、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含む環境に接触させた電極によって、環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高め、水素資化性メタン菌を含む環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きな電位に電気的に制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低めるようにしている。
【００２６】
このように、水素資化性メタン菌の菌体自体のメタン生成活性を高めたり低下させたりする制御ができることを報告した例は今までになく、本出願において初めて明らかにされたことである。尚、メタン生成活性とは、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する能力を意味しており、メタン生成活性が高まれば水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する速度が向上し、メタン生成活性が低下すれば水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する速度が低下する。
【００２７】
以下、本発明の方法の詳細について、具体的に説明する。
【００２８】
本発明における「基準電位」とは、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位である。水素資化性メタン菌は嫌気呼吸を行う微生物であることから、低酸化還元電位環境、例えばΔＥ’０＝−０．３３Ｖよりもマイナス側に大きな酸化還元電位環境でなければ生育しないと言われている。自然界において水素資化性メタン菌が生育している環境においては、環境中に内在する化学成分によって、水素資化性メタン菌が生育可能な低い酸化還元電位が形成されている。また、水素資化性メタン菌を含むメタン発酵液についても、水素資化性メタン菌が生育可能な低い酸化還元電位が形成されている。水素資化性メタン菌が生育し得ない環境（培養液等の培地を含む）で水素資化性メタン菌を生育させる際には、内在する化学成分のコントロールや化学成分の添加によって、水素資化性メタン菌を生育可能な酸化還元電位に制御する。例えば、水素のバブリング、窒素等の不活性ガスのバブリング、システインや硫化ナトリウム等の還元剤の添加によって、水素資化性メタン菌を生育可能な酸化還元電位に制御することができる。
【００２９】
つまり、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位とは、環境に内在している化学成分によって既に水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位に制御されている環境の酸化還元電位、環境に内在している化学成分だけでは水素資化性メタン菌が生育し得ず化学成分の添加によって水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位に制御されている環境の酸化還元電位を意味している。
【００３０】
本発明では、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準として、水素資化性メタン菌を含む環境の酸化還元電位を電気的に制御することにより、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高めたり、低めたりする制御を行う。
【００３１】
メタン生成活性を高める場合の本発明の方法においては、水素資化性メタン菌を含む環境の酸化還元電位は限定されない。即ち、水素資化性メタン菌が生育し得ない酸化還元電位を有する環境であっても、本発明の方法により、メタン生成活性を高めることができ、さらにはその生育を促進することができる。
【００３２】
メタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法においては、水素資化性メタン菌を含む環境の酸化還元電位は、水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位に限定される。即ち、水素資化性メタン菌が生育し得ない酸化還元電位を有する環境においては、水素資化性メタン菌が生息し得ないので、メタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法を適用する意義は無い。しかしながら、水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を有する環境においては、本発明の方法により、容易に水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させることができる。
【００３３】
尚、本発明における「環境」とは、水素資化性メタン菌が生息しているまたは生息し得る土壌や地下水、汚泥、メタン発酵液は勿論のこと、培養液等の培地等も含まれる。尚、「環境」は、水分を多く含むものとすることが好適である。この場合、電極による環境の酸化還元電位の制御性を向上させ易くなり、本発明の効果が得られ易くなる。また、環境には、必要に応じて水素資化性メタン菌の栄養源等の添加剤を添加するようにしてもよい。
【００３４】
本発明の方法を適用し得る水素資化性メタン菌は、特に限定されるものではなく、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する呼吸様式を持つあらゆる水素資化性メタン菌に対して適用可能である。例えば、Methanothermobacter thermautotrophicusが挙げられるがこれに限定されるものではない。尚、水素資化性メタン菌がメタンを生成するためには、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）が必要であることから、環境中にこれらのガスが存在しない場合、または不足している場合には、適宜供給する必要がある。尚、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）の供給割合は、モル比で４：１程度とすることが好適である。
【００３５】
メタン生成活性を高める場合の本発明の方法においては、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにしている。ここで、電極の電位をマイナス側に大きくし過ぎると、水の電気分解が激しく生じて目的外の反応に投入した電気エネルギーが消費されてしまう。また、−０．８Ｖでも十分なメタン生成活性の向上効果が得られる。したがって、環境の酸化還元電位は、−０．８Ｖ〜−１．４Ｖとすることがより好適であり、−０．８Ｖとするのがさらに好適である。
【００３６】
メタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法においては、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにしている。環境の酸化還元電位は、具体的には銀・塩化銀電極電位基準で−０．４５Ｖよりもプラス側に大きな電位（（環境の酸化還元電位）＞−０．４５Ｖ）とすればよいが、−０．２Ｖを含んでプラス側に大きな電位とするのが好適である。但し、電極の電位をプラス側に大きくし過ぎると、投入した電気エネルギーが無駄となるので、−０．２Ｖ〜＋０．２Ｖとすることがより好適である。
【００３７】
メタン生成活性を高める場合の本発明の方法によれば、環境中の水素資化性メタン菌の生育速度を基準電位における生育速度よりも高めて、より効率よく水素資化性メタン菌を増殖させて、メタン生成に供することができる。しかも、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めることができ、その効果は、水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で環境中に含まれていても得られる。したがって、水素資化性メタン菌が極めて高密度に含まれている環境中においても、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高めて、環境全体としてのメタン生成能を極めて優れたものとすることができる。
【００３８】
また、メタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法によれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させることができ、その効果は、水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で環境中に含まれていても得られる。したがって、水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で含まれている環境に対して本発明を適用することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させて、環境全体としてのメタン生成能を大幅に低下させ、場合によっては水素資化性メタン菌を死滅させることもできる。この方法を利用することで、温暖化ガスとしてのメタンガスの発生を抑えたいという要請に応えることが可能となる。例えば、水系環境に電極を接触させて本発明の方法を実施すれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させて、環境全体としてのメタン生成能を大幅に低下させることができるし、水系環境でない環境であっても、酸化還元電位を制御可能な程度に水を含ませてから電極を接触させて本発明の方法を実施すれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させて、環境全体としてのメタン生成能を大幅に低下させ得る。
【００３９】
以下に、メタン生成活性を高める場合の本発明の方法の実施形態の一例について、環境を培養液とした場合の第一の実施形態を図５〜図８に基づいて説明し、第二の実施形態を図９に基づいて説明する。
【００４０】
＜第一の実施形態＞
第一の実施形態にかかる本発明の方法は、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、培養液と電解液とをイオン交換膜を介して接触させ、培養液に作用電極と参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御することにより、培養液の酸化還元電位を基準電位よりもマイナス側に大きくなるように制御するようにしている。
【００４１】
第一の実施形態にかかる本発明の方法は、例えば図５〜図８に示す活性制御装置１により実施される。即ち、図５〜図８に示す活性制御装置１は、イオン交換膜６によって仕切られた二つの槽のうちの一方の槽を活性制御槽７とし、他方の槽を対電極槽８とし、活性制御槽７には水素資化性メタン菌を含む培養液４が収容されると共に作用電極９と参照電極１１が浸され、対電極槽８には電解液４ａが収容されると共に対電極１０が浸され、作用電極９と対電極１０は定電位設定装置１２に結線され、作用電極９の電位を３電極方式で制御することにより、培養液４の酸化還元電位を基準電位よりもマイナス側に大きくなるように制御するようにしている。
【００４２】
このように、３電極方式で作用電極９の電位を制御することで、作用電極９の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置（ポテンシオスタット）１２により、作用電極９と参照電極１１との間の電位差を測定し、この電位差が設定電位に達するように作用電極９と対電極１０との間に電流を流し、基準となる参照電極１１には一切電流が流れないようにしている。尚、３電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法（上）、技報動出版株式会社、第１版１５刷、２００４年６月発行の６〜９ページにその詳細が記載されている。但し、作用電極９と対電極１０の極間電圧のみで作用電極９の電位を制御できる場合には、３電極方式とせずともよい。
【００４３】
また、図５〜図８に示す活性制御装置１では、活性制御槽７内の培養液４の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するメタンガスを含むバイオガスを活性制御槽７の外（活性制御装置１の外）へ導くガス排出管１５ａを備え、このガス排出管１５ａをバルブ１５ｂにより開閉可能としたガス回収手段１５により、活性制御槽７内のバイオガスを回収するようにしている。但し、バイオガスの回収方法は、この方法には限定されない。例えば、ガス回収手段１５を備えることなく、活性制御槽７の上部に開口部を設けて合成ゴム等（例えばシリコーンゴム）の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからバイオガスを回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がる。したがって、バイオガスの回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、活性制御槽７からバイオガスが漏れ出すことがない。
【００４４】
さらに、図５〜図８に示す活性制御装置１では、活性制御槽７内の培養液４の液面よりも下部に、活性制御槽７内の培養液４を活性制御槽７の外に導く培養液排出管１６ａを備え、この培養液排出管１６ａをバルブ１６ｂにより開閉可能とした培養液採取手段１６により、活性制御槽７内から培養液４を採取するようにしている。但し、培養液４の採取方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、培養液採取手段１６を備えることなく、活性制御槽７に開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺して培養液４を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管の一端の注射器に接続し、他端を培養液４に浸けて、管を介して培養液４を採取するようにしてもよい。これらの場合にも、活性制御槽７からバイオガスが漏れ出すことはない。
【００４５】
また、ガス回収手段１５や培養液採取手段１６とは別に、培養液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、活性制御槽７の外部から培養液４に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、培養液４に栄養源、中和剤等の物質を必要に応じて添加することができる。また、環境を嫌気性に維持するためにガスを供給することもできるし、水素資化性メタン菌に必要な二酸化炭素と水素を供給することもできる。但し、培養液４に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段１５や培養液採取手段１６を培養液４に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んで培養液４に物質を添加・供給するようにしてもよい。
【００４６】
以下、図５に示す活性制御装置を用いた場合を第一の実施形態Ａとして説明し、図６に示す活性制御装置を用いた場合を第一の実施形態Ｂとして説明し、図７に示す活性制御装置を用いた場合を第一の実施形態Ｃとして説明し、図８に示す活性制御装置を用いた場合を第一の実施形態Ｄとして説明する。
【００４７】
（第一の実施形態Ａ）
図５に示す活性制御装置１は、密閉構造の容器２０を活性制御槽７とし、容器２０に収容可能な密閉構造の小容器２１を対電極槽８とし、小容器２１は少なくとも一部にイオン交換膜６を備えると共にガス（対電極１０から発生するガス）を容器２０の外に排出するガス排出管２２を備えるものとしている。尚、図５に示す活性制御装置１では、対電極１０と定電位設定装置１２を結線する配線は、ガス排出管２２の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管２２を通さずに定電位設定装置１２と結線するようにしてもよい。
【００４８】
したがって、図５に示す活性制御装置１によれば、活性制御槽７からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極槽８から発生するガスが活性制御槽７に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極槽８から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極槽８から発生したガスが培養液４に溶け込んで水素資化性メタン菌の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、活性制御槽７を密閉構造としているので、活性制御槽７を嫌気環境に制御し易い利点もある。また、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収し、場合によっては再利用することが可能となる。
【００４９】
また、容器２０に小容器２１を収容することで、容器２０に収容されている培養液４に小容器２１が浸され、小容器２１の少なくとも一部に備えられているイオン交換膜６は培養液４と接触する。換言すれば、培養液４はイオン交換膜６を介して電解液４ａと接触する。
【００５０】
活性制御槽７としての密閉構造の容器２０は、対電極槽８としての密閉構造の小容器２１を収容可能な大きさの容器であり、形状は特に限定されない。容器の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過性の膜材をヒートシール等により袋状に形成した容器を活性制御槽７として用いるようにしてもよい。
【００５１】
対電極槽８としての密閉構造の小容器２１は、活性制御槽７としての容器２０に収容可能な大きさの容器であり、少なくとも一部にイオン交換膜６を備えるものとしている。ここで、小容器２１はその全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいが、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分は容器２０と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えばガス不透過性の膜材により構成し、小容器２１からのガス（対電極槽８から発生するガス）が容器２０の内部に漏洩しないようにしてもよい。
【００５２】
対電極槽８に収容される電解液４ａは、例えば、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を含むものとすればよい。尚、通常、培養液４にもナトリウムイオンやカリウムイオン等が含まれていることから、電解液４ａとして培養液４を用いることも可能である。
【００５３】
作用電極９及び対電極１０としては、例えば炭素板等の導電性材料を適宜使用することができる。対電極１０では、作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応が進行する。
【００５４】
活性制御槽７の温度（培養液４の温度）は、活性制御対象となる水素資化性メタン菌の生育に好適な温度に適宜制御する。例えば、Methanothermobacter thermautotrophicusのような好熱性の水素資化性メタン菌を活性制御対象とする場合には、４０℃〜７０℃とすることが好適であり、５０℃〜６０℃とすることがより好適であり、５５℃とすることがさらに好適である。
【００５５】
本発明では、作用電極９の電位を制御することにより、培養液４の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んでマイナス側に大きな値に制御する。尚、培養液４の酸化還元電位は、−０．８Ｖ〜−１．４Ｖに制御するのが好適であり、−０．８Ｖに制御するのがより好適である。
【００５６】
ここで、酸化還元物質３を培養液４に添加することで、培養液４の電位の制御性を高めて、培養液４の酸化還元電位を作用電極９の電位に近づけるあるいは一致させることができる。そして、イオン交換膜６を備えることで、培養液４に含まれている酸化還元物質３の電解液４ａへの透過を防ぐことができる。例えば、イオン交換膜６として、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜（デュポン製）を用いることで、酸化還元物質３が鉄イオンである場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンはイオン交換膜６を透過しないことから、酸化還元物質を電解液４ａに透過させることなく、培養液４中に留まらせることができる。したがって、作用電極９の電位を制御すると、それに応じて培養液４中の酸化還元物質３の酸化体と還元体の濃度比が変化し、作用電極９の電位による培養液４の電位の追随性が向上する。
【００５７】
酸化還元物質３としては、培養液４に浸されている作用電極９と可逆的に酸化還元反応を生じ得る物質であり、且つ水素資化性メタン菌に対して毒性を呈しない物質を用いることができる。例えば、上記のように、土壌成分として一般的な鉄イオンが挙げられる。ここで、鉄イオンを培養液４中で安定に存在させるためには、鉄イオンをキレート剤に配位させて培養液４中に添加することが好ましい。キレート剤としては、鉄イオンを配位しうるものであれば任意のキレート剤を用いることができるが、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸（ＤＴＰＡ）、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）、テトラエチレントリアミン（ＴＥＴ）、エチレンジアミン（ＥＤＡ）、ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチンを挙げることができる。また、鉄イオン以外にも、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンを用いることができる。これらの物質も酸化還元反応により、酸化体と還元体に可逆的に変化する。特に、キノン化合物は土壌成分の一つとして知られている物質であり、好ましい。つまり、土壌そのものを培養液４に添加することで、土壌に含まれている酸化還元物質３により培養液４の酸化還元電位が制御できる場合がある。但し、酸化還元物質３は上記した物質に限定されるものではない。
【００５８】
また、イオン交換膜６を設けることで、培養液４に含まれる水素資化性メタン菌を活性制御槽７に留まらせることができる。したがって、イオン交換膜６を設けることによって、酸化還元電位が制御された好適な環境である培養液４に水素資化性メタン菌を留まらせて、本発明の効果をより得やすいものとすることができる。
【００５９】
尚、酸化還元物質３を添加せずとも培養液４の電位を制御できる場合があるので、酸化還元物質３は必ずしも添加せずともよい。また、イオン交換膜６を設けなくても、培養液４の電位を制御できる場合があるので、イオン交換膜６は必ずしも設けなくともよい。
【００６０】
（第一の実施形態Ｂ）
【００６１】
図６に示す活性制御装置１は、上方が開放されている容器２３をイオン交換膜６で仕切ることにより開放された二つの槽が形成され、活性制御槽７としての一方の槽の上方開放部がガス不透過膜またはガス不透過部材２４により塞がれているものとしている。つまり、図６に示す活性制御装置１は、対電極槽８から発生するガスを活性制御槽７に漏れ出さないようにする構成以外は、図５と同一の構成としている。したがって、図５に示す活性制御装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００６２】
ガス不透過膜またはガス不透過部材２４としては、各種分野で一般に用いられているものを適宜用いることができる。例えば、ガス不透過部材としては、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過膜としては、例えばイオン交換膜６を用いることができるがこれに限定されるものではない。
【００６３】
尚、対電極槽８については、開放したままでもよいが、活性制御槽７と同様に密閉構造とし、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備えるようにしてもよい。この場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収し、場合によっては再利用することが可能となる。
【００６４】
（第一の実施形態Ｃ）
図７に示す活性制御装置１は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２５ａと２５ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＵ字型の容器２５が形成され、一方の容器２５ａを密閉構造として活性制御槽７とし、他方の容器２５ｂを開放して対電極槽８としている。この場合、培養液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、活性制御槽７の培養液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２５自体のＵ字型構造によって隔てて配置される。そして、一方の容器２５ａが密閉構造とされていることから、対電極槽８から発生するガスが活性制御槽７に侵入するのを防ぎながら、活性制御槽７から発生するバイオガスが活性制御槽７から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図５に示す活性制御装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００６５】
尚、図７に示す活性制御置１における他方の容器２５ｂの開放とは、例えば他方の容器２５ｂの端部を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２５ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
【００６６】
（第一の実施形態Ｄ）
図８に示す活性制御装置１は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２６ａと２６ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＨ字型の容器２６が形成され、一方の容器２６ａを密閉構造として活性制御槽７とし、他方の容器２６ｂを開放して対電極槽８としている。この場合にも、培養液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、活性制御槽７の培養液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２６自体のＨ字型構造によって隔てて配置される。そして、Ｈ字型容器２６の一方の容器２６ａが密閉構造とされていることから、活性制御槽７は密閉構造となる。したがって、対電極槽８から発生するガスが活性制御槽７に侵入するのを防ぎながら、活性制御槽７から発生するバイオガスが活性制御槽７から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図５に示す活性制御装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００６７】
尚、本実施形態における他方の容器２６ｂの開放とは、容器２６を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２６ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
【００６８】
＜第二の実施形態＞
第二の実施形態にかかる本発明の方法は、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、培養液と対電極とをイオン交換膜を介して接触させ、培養液に作用電極と参照電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御することにより、培養液の酸化還元電位を基準電位よりもマイナス側に大きくなるように制御するようにしている。つまり、第一の実施形態における方法とは、電解液を用いることなく対電極を直接イオン交換膜に接触させている点のみが異なっている。
【００６９】
しかしながら、第一の実施形態のように電解液４ａを用いずとも、作用電極９と対電極１０との間でイオン交換膜６を介してイオン電流は流れ得る。また、培養液４中の水素資化性メタン菌を対電極１０側に移動（拡散）させることなく、活性制御槽７に留める効果も得られる。さらには、培養液４中の酸化還元物質３を対電極１０側に透過させない効果も得られる。したがって、第二の実施形態にかかる方法によれば、第一の実施形態と同様の電位制御条件で、同様の効果を得ることが可能である。
【００７０】
第二の実施形態にかかる本発明の方法は、例えば図９に示す活性制御装置により実施される。図９に示す活性制御装置１は、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造の容器５内に作用電極９と参照電極１１が配置され、容器５の外側に対電極１０が配置され、容器５に培養液４が収容されると共に作用電極９と参照電極１１が培養液４に浸され、容器４のイオン交換膜６は容器５に培養液４が収容されたときに少なくともその一部がイオン交換膜６と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜６の培養液４の接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極１０が接触して配置されているものとしている。図９に示す活性制御装置１では、容器５の培養液４の液面よりも下部に開口部５ａが設けられ、開口部５ａがイオン交換膜６で塞がれ、容器５の外側のイオン交換膜６の表面の少なくとも一部に対電極１０が接触して配置されているものとしている。つまり、図９に示す活性制御装置１では、容器５全体が活性制御槽７として機能することとなる。
【００７１】
したがって、図９に示す活性制御装置１によれば、容器５からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極１０から発生するガスが容器５内に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極１０から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極１０から発生したガスが培養液４に溶け込んで水素資化性メタン菌の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、容器５を密閉構造としているので、容器５内を嫌気環境に制御し易い利点もある。
【００７２】
尚、図９に示す活性制御装置１では、第一の実施形態と同様に、ガス回収手段１５、培養液採取手段１６を備えるようにしているが、上記の通り、ガス回収方法、培養液採取方法は、これらの手段を利用したものには限定されない。また、第一の実施形態と同様、培養液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。
【００７３】
以下、図９に示す活性制御装置１の詳細について説明する。但し、以下に説明する以外の構成については、第一の実施形態と実質的に同一であり、説明は省略する。
【００７４】
容器５は、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造としている。容器５の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。尚、図９では、密閉構造の容器５の培養液４の液面よりも下部に設けられた開口部５ａをイオン交換膜６により塞ぐようにしているが、容器５の形態や構造は特に限定されない。例えば容器５全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいし、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成してもよいし、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分はガラス等の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えば培養液４と培養液４中の成分（水素資化性メタン菌を含む）の双方を透過させることがない膜材により構成してもよい。要は、容器５に収容される培養液４が容器５の少なくとも一部を構成するイオン交換膜６と接触しうる構造の容器とすればよい。
【００７５】
対電極１０は、イオン交換膜６の培養液４との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に接触させるようにしている。本実施形態において、対電極１０は板状の炭素電極としているが、対電極１０の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、イオン交換膜６との接触が可能な形状であり、且つ作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させることが可能な材質とすればよい。また、本実施形態では、対電極１０の面積をイオン交換膜６の面積よりも大きなものとしてイオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うようにし、イオン交換膜６と対電極１０とを接触させるようにしているが、イオン交換膜６の培養液４との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極１０を接触させれば、イオン交換膜６を介して培養液４から対電極１０にイオンが伝達するので、必ずしもイオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うようにしてイオン交換膜６と対電極１０とを接触させずともよい。但し、イオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うことで、対電極１０をイオン交換膜６の保護材としても機能させることができると共に、培養液４からのイオンの伝達面が増大する結果として、培養液４の電位制御性を高めることができる利点があり、好適である。イオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆う方法としては、例えば、容器５の開口部５ａの周囲に接着剤を塗布して対電極１０を接着することにより、開口部５ａを塞ぐイオン交換膜６全体と対電極１０とを接触させるようにしてもよいし、容器５の開口部５ａの周囲に接着剤を塗布して対電極１０の表面の少なくとも一部に塗布形成されたイオン交換膜６を接着することにより、開口部５ａをイオン交換膜６で塞ぎつつ、開口部５ａを塞ぐイオン交換膜６全体と対電極１０とを接触させるようにしてもよい。イオン交換膜６を塗布形成するための薬剤としては、例えばナフィオン分散液が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、対電極１０の表面にナフィオン分散液を塗布し、ナフィオン分散液が乾燥する前にイオン交換膜６を貼り付けるようにしてもよい。この場合には、イオン交換膜６の対電極１０の表面への接着性と接触性とを十分なものとすることができる。
【００７６】
ここで、対電極１０は多孔質体とすることが好適である。この場合には、イオン交換膜６と対電極１０との接触面で発生したガスを接触面とは反対側の面に通過させやすくなる。尚、対電極１０を多孔質体とし、ナフィオン分散液を用いてイオン交換膜６を貼り付けることで、ナフィオン分散液の多孔質体の孔への侵入によりイオン交換膜６と対電極１０との接触面積を増大させて電気化学反応をより進行させやすくすることができ、好適である。
【００７７】
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００７８】
例えば、上述の第一の実施形態及び第二の実施形態では、メタン生成活性を高める場合の本発明の方法について図５〜図９に基づいて説明したが、上述の実施形態がメタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法にも適用できることは言うまでもない。
【００７９】
また、本発明を実施するための活性制御装置は、例えば図１０に示すように、培養液４と電解質４ａをイオン交換膜６ではなく、イオンや水素資化性メタン菌を一切透過させることのない不透過部材４０で隔て、あるいは活性制御槽７と対電極槽８を別の容器で形成し、塩橋４１（寒天等にＫＣｌ等の飽和電解質溶液を入れたもの）を介して培養液４と電解質４ａを接触（液絡）させるようにしてもよい。この場合にも、培養液４中の水素資化性メタン菌の対電極槽８への移動を防ぐことができ、しかも、塩橋４１によってイオン電流の流れが許容される。また、培養液４に含まれる酸化還元物質３についても対電極槽８に透過しないので、培養液４の電位の制御性も確保される。
【実施例】
【００８０】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。
＜実験装置及び実験方法＞
図４に示す実験装置を用いて実験を行った。２５０ｍＬ容のガラスバイアル瓶（Ｄｕｒａｎ製）を培養容器５とし、培養液４の液面より下部に開口部を３つ設けた。１つめの開口部５ｂには参照電極１１（東亜ＤＤＫ製、ＨＳ−２０５Ｃ、銀・塩化銀電極）を差し込んで参照電極１１と培養液４とを接触させた。２つめの開口部５ｃは培養液４を採取するために設け、蓋の開閉により培養液４を採取可能とした。３つめの開口部５ａはイオン交換膜６を介して対電極１０で塞いだ。対電極１０にはポーラス板状の炭素電極を用いた。イオン交換膜６にはナフィオン膜Ｎ１１７（デュポン製）を用い、対電極１０の下半分に２０％ナフィオン分散液ＤＥ２０２１（デュポン製）を塗布してイオン交換膜６を貼り付けて用いた。作用電極９として板状の炭素電極を培養液４に浸した。そして、作用電極９と対電極１０と参照電極１１とを３電極式の電位制御装置（ポテンシオスタット、東方技研、PS-08）１２に結線して、作用電極９の電位を厳密に制御可能とした。尚、培養液４は培養容器５の８分目程度まで入れ、液面上部にヘッドスペースを確保した。培養容器５には蓋１８をし、蓋１８の上面１８ａに弾性材料であるシリコーンゴムを備えて、注射器の注射針を差し込んで培養容器５内のヘッドスペースからガス状物質を回収可能とし、且つ注射針の差し込みにより生じた孔が注射針を抜いた際に塞がるようにした。
【００８１】
培養液４の組成は、以下の通りとした。
［培養液の組成（／Ｌ）］
・ＫＨ２ＰＯ４ ０．３ｇ
・（ＮＨ４）２ＳＯ４ １．５ｇ
・ＮａＣｌ ０．６ｇ
・ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ０．１２ｇ
・ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ ０．０８ｇ
・ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ４ｍｇ
・Ｋ２ＨＰＯ４ ０．１５ｇ
・Ｎａ２ＣＯ３ ４．０ｇ
・微量ビタミン １０ｍｌ
・微量元素溶液 １０ｍｌ
【００８２】
培養液４の微量元素溶液の組成は、以下の通りとした。
［微量元素溶液の組成（／Ｌ）］
・Ｎａ２-ＥＤＴＡ ０．６４ｇ
・ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ６．２ｇ
・ＭｎＳＯ４・４Ｈ２Ｏ ０．５５ｇ
・ＮａＣｌ １．０ｇ
・ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ０．１ｇ
・ＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ ０．１７ｇ
・ＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ０．１８ｇ
・ＣｕＳＯ４ ０．０５ｇ
・ＫＡｌ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ ０．０１８ｇ
・Ｈ３ＢＯ３ ０．０１ｇ
・Ｎａ２ＭｏＯ４・２Ｈ２Ｏ ０．０１１ｇ
ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ ０．０２５ｇ
【００８３】
培養液４の微量ビタミンの組成は、以下の通りとした。
［微量ビタミンの組成（／Ｌ）］
・ビオチン ２．０ｍｇ
・葉酸 ２．０ｍｇ
・ピリドキシン−ＨＣｌ １０．０ｍｇ
・チアミン−ＨＣｌ ５．０ｍｇ
・リボフラビン ５．０ｍｇ
・ニコチン酸 ５．０ｍｇ
・パントテン酸カルシウム ５．０ｍｇ
・ビタミンＢ１２ ０．１ｍｇ
・ｐ−アミノ安息香酸 ５．０ｍｇ
・リポ酸 ５．０ｍｇ
【００８４】
実験中の培養温度（培養液温度）は５５℃とし、培養液４は攪拌子１９で攪拌し続けた。また、培養液４には、ＡＱＤＳ（アントラキノン−２，６−ジスルホン酸）を０．５ｍＭとなるように添加した。また、上部のシリコーンゴム栓に注射針を１本刺し、別の注射針を培養液採取口５Ｃのゴム栓部分に挿入し、そこからからＨ２／ＣＯ２＝８０／２０（体積比）の混合ガスを通気することで培養液および培養液上部の気相を混合ガスで置換した。培養液４のｐＨは７．２とした。
【００８５】
水素資化性メタン菌として、Methanothermobacter thermautotrophicus DSM1053を用いて実験を行った。
【００８６】
＜分析方法＞
１．化学分析
培養容器５から排出されるバイオガス生成量を水上置換法により測定し、熱伝導率検出器（ＧＣ３９０Ｂ、ＧＬサイエンス製）と活性炭充填カラム（ＧＬサイエンス製）を備えたガスクロマトグラフィーによりバイオガスの組成を分析して、メタンガス生成量を算出した。
【００８７】
２．生物学的分析
培養液４中の菌体密度を顕微鏡Nikon ECLIPSE E400（ニコン製）、バクテリアカウンター血球計算板（サンリードガラス製）により測定した。
【００８８】
（実施例１）
培養液４に水素資化性メタン菌を初期菌体密度が６．０×１０７ｃｅｌｌｓ／ｍＬとなるように添加して実験を行った。尚、この初期菌体密度は、通常の培養法での定常期の菌体密度に相当し、以下のいずれの実験条件においても菌体密度の増加が見られないことが確認されている。
【００８９】
作用電極９の設定電位を参照電極１１（銀・塩化銀電極）に対して＋０．２Ｖ、−０．２Ｖ、−０．５Ｖ、−０．８Ｖに制御することにより、培養液４の酸化還元電位をそれぞれ＋０．２Ｖ、−０．２Ｖ、−０．５Ｖ、−０．８Ｖに電気的に制御した条件での培養試験を実施した。
【００９０】
また、比較試験として、通電を行なわずに培養液４にＬ−システイン・ＨＣｌ・Ｈ２Ｏ、Ｎａ２Ｓ・９Ｈ２Ｏをそれぞれ終濃度０．５ｇ／Ｌになるように添加して、培養液４の酸化還元電位を化学的に−０．４５Ｖに調整した条件での培養試験を実施した。この条件は、添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位、即ち基準電位に該当する条件である。
【００９１】
各種条件での培養試験におけるメタン生成量の経時変化を測定した結果を図１に示す。−０．５Ｖでは比較試験との差が殆ど見られなかったが、−０．８Ｖでは比較試験と比べて顕著にメタン生成量が増加する傾向が見られ、近似直線の傾きから計算したメタン生成速度は比較試験よりも１．７倍向上していることが明らかとなった。これに対し、＋０．２Ｖ及び−０．２Ｖでは比較試験と比べて顕著にメタン生成量が減少する傾向が見られた。
【００９２】
ここで、実施例１では、いずれの実験条件においても菌体密度の増加が見られないことが確認されていることから、メタン生成量の増減は、水素資化性メタン菌１個体のメタン生成活性の増減によってもたらされたものであると推定された。
【００９３】
つまり、実施例１における培養試験結果から、水素資化性メタン菌の菌体自体のメタン生成活性を、培養液４の酸化還元電位の電気的な制御によってコントロールできることが明らかとなった。
【００９４】
また、実施例１における培養試験結果から、培養液４の酸化還元電位を−０．８Ｖよりもマイナス側に大きな値に制御することで、−０．８Ｖに制御した場合と近似した効果が得られるものと推定された。さらに、＋０．２Ｖ及び−０．２Ｖでは比較試験と比べて顕著にメタン生成量が減少する傾向が見られたことから、培養液４の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きな値に制御すれば、メタン生成活性を低下させることができ、−０．２Ｖよりもプラス側に大きな値に制御すれば、メタン生成活性を確実に低下させることができ、−０．２Ｖ〜＋０．２Ｖに制御すれば、メタン生成活性をより確実に低下させることができるものと推定された。
【００９５】
（実施例２）
培養液４に水素資化性メタン菌を初期菌体密度が１．５×１０６ｃｅｌｌｓ／ｍＬとなるように添加して実験を行い、水素資化性メタン菌の生育に対する酸化還元電位の電気的な制御による影響について検討した。
【００９６】
作用電極９の設定電位を参照電極１１（銀・塩化銀電極）に対して＋０．４Ｖ、−０．１Ｖ、−０．４Ｖ、−０．８Ｖに制御することにより、培養液４の酸化還元電位をそれぞれ＋０．４Ｖ、−０．１Ｖ、−０．４Ｖ、−０．８Ｖに電気的に制御した条件での培養試験を実施した。
【００９７】
また、実施例１と同様の条件で比較試験を実施した。
【００９８】
各種条件で一週間培養を行った後の培養液４の菌体密度を図２に示す。尚、図２における縦軸の数値は、比較試験における菌体密度を１とした場合の相対値である。−０．８Ｖでは比較試験と比べて顕著に菌体密度が増加することが明らかとなった。
【００９９】
次に、各種条件で一週間培養を行った際のメタン生成量を図３に示す。尚、図３における縦軸の数値は、比較試験におけるメタン生成量を１とした場合の相対値である。また、図３におけるメタン生成量は、菌体当たりのメタン生成量に換算した値である。−０．８Ｖでは比較試験と比べて顕著にメタン生成量が増加することが明らかとなった。
【０１００】
ここで、実施例１では、−０．８Ｖとすることで水素資化性メタン菌の菌体自体のメタン生成活性を向上できることが明らかになったことから、実施例２において得られた結果は、−０．８Ｖとすることで水素資化性メタン菌の菌体自体のメタン生成活性（呼吸活性）が向上した結果として、生育が促進されたものと推定された。
【符号の説明】
【０１０１】
４ 培養液（環境）
９ 電極（作用電極）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を制御する方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する微生物である水素資化性メタン菌のメタン生成活性を制御するのに好適な方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、資源循環型社会の構築に向けて、生物の機能を活用した高効率な物質変換技術が脚光を浴び始めており、各種研究が進められつつある。このような代表的な技術として、生ゴミ等の有機性廃棄物をメタン発酵処理する技術が知られている。メタン発酵処理とは、有機性廃棄物を発酵液に投入し、嫌気性条件下で発酵処理して有機性廃棄物をメタンガスを含むバイオガスに変換する方法である。メタン発酵処理は、有機性廃棄物を大幅に減容できることから、近年の埋め立て処分地の逼迫の問題を解決することができ、しかもメタンガスをエネルギーとして回収できる極めて有益性の高い技術である。
【０００３】
ところで、メタン発酵処理に用いられる発酵液には、メタン生成を担うメタン細菌として、水素資化性メタン菌が含まれていることが知られている。水素資化性メタン菌は、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する過程でエネルギーを獲得して生育する呼吸様式を持つメタン細菌であり、メタン発酵過程の最終段階で最終生成物たるメタンを生成する重要な役割を担っている。
【０００４】
また、水素資化性メタン菌は、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成することができる機能を利用して、地球温暖化ガスである二酸化炭素をメタンガスというエネルギー資源に変換するために利用することもできる。例えば、特許文献１では、排気中の二酸化炭素を水またはアルカリ溶液に溶解し、得られた二酸化炭素溶液中の溶存酸素を低濃度化した後、これを基質として水素資化性メタン発酵を行うことにより、排気中の二酸化炭素を回収して削減するとともに、これを燃料源として有益なメタンに変換することによって、地球環境を保護しながらエネルギー資源として有効なメタンを回収するようにしている。
【０００５】
このように、水素資化性メタン菌は極めて優れた機能を持ち、産業上極めて有用な微生物であると考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３２１８５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
水素資化性メタン菌によるメタン生成を効率よく実施するためには、水素資化性メタン菌を効率よく生育する手法と、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を高める手法を確立することが重要となる。しかしながら、現在に至るまで、これらの手法は確立されるには至っていない。
【０００８】
即ち、水素資化性メタン菌を生育させるためには、培養液にシステインや硫化ナトリウムといった還元剤を添加する等といった化学的調整によって、酸化還元電位を低く調整する必要があるが、このような方法では、水素資化性メタン菌の生育速度を十分に速くはできず、水素資化性メタン菌を効率よく生育できるとは言い難かった。
【０００９】
また、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を高める手法については、現在に至るまで、全く明らかにされていない。
【００１０】
ところで、水素資化性メタン菌が生成するメタンガスは、二酸化炭素の２０倍程度の地球温暖化効果のあるガスとして知られている。水素資化性メタン菌は、地球上に広く生息しており、例えば僻地においては、メタンガスをエネルギー資源として回収してもメタンガスの輸送コストがかかるので、むしろメタンガスを回収せずに温暖化ガスとしてのメタンガスの発生を抑えたいという要請もある。また、将来的にメタンガスの供給量が過剰となった場合にも、メタンガスを回収せずに温暖化ガスとしてのメタンガスの発生を抑える要請が生じ得ることも考えられる。このような観点から、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高める手法のみならず、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させる手法をも確立しておく必要がある。
【００１１】
そこで、本発明は、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を高めることができ、水素資化性メタン菌の生育も促進させることのできる手法を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性を低下させることができる手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる課題を解決するため、本願発明者は、水素資化性メタン菌を定常期の生育段階の菌体密度で含む培養液について種々検討を行った。即ち、水素資化性メタン菌を定常期の生育段階の菌体密度で含む場合には、これ以上の菌体密度の増加は起こり得ないことから、この状況でメタン生成活性の向上効果、低下効果が確認されれば、この効果は、水素資化性メタン菌自体のメタン生成活性の向上ないしは低下によって奏される効果であると言える。その結果、培養液に電極を接触させて、この電極に電位を印加することにより培養液の酸化還元電位をある範囲に制御することによって、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高めたり低下させたりする制御が可能であることを知見した。
【００１４】
さらに、本願発明者は鋭意検討を行い、水素資化性メタン菌を対数増殖期前の生育段階の菌体密度で含む培養液に電極を接触させて、この電極に電位を印加することにより培養液の酸化還元電位を水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高めることのできる電位に制御することで、水素資化性メタン菌の生育を促進できることも知見した。
【００１５】
本願発明者は、これらの知見に基づき、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位として、水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めることができ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させることができることが導かれることを知見するに至り、本願発明を完成するに至った。
【００１６】
即ち、本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法は、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにしている。尚、環境の酸化還元電位は銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖとすることが好ましい。また、電極を接触させる環境が基準電位を有していることが好ましい。
【００１７】
次に、本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法は、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含むと共に基準電位を有する環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させるようにしている。尚、この場合の環境の酸化還元電位は、具体的には銀・塩化銀電極電位基準で−０．２Ｖを含んで−０．２Ｖよりもプラス側に大きな電位とすることが好ましい。
【００１８】
ここで、本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法においては、水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で環境に含まれていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高める制御を行うことができるので、環境中に存在している水素資化性メタン菌群のそれぞれの菌体のメタン生成活性を高めて、環境全体としてのメタン生成活性を大きく向上させることが可能となる。また、環境中に存在している水素資化性メタン菌の菌体密度が、定常期の生育段階における菌体密度よりも小さい場合には、その生育速度を基準電位における生育速度よりも促進することも可能となる。
【００２０】
また、本発明によれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させる制御を行うことができるので、環境中に存在している水素資化性メタン菌群のそれぞれの菌体のメタン生成活性を低下させて、環境全体としてのメタン生成活性を大きく低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例１における各種設定電位でのメタン生成量の経時変化を示す図である。
【図２】実施例２における各種設定電位での培養液の菌数を示す図である。
【図３】実施例２における各種設定電位でのメタン生成量を示す図である。
【図４】実施例において使用した実験装置の構成を示す図である。
【図５】第一の実施形態Ａにかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図６】第一の実施形態Ｂにかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図７】第一の実施形態Ｃにかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図８】第一の実施形態Ｄにかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図９】第二の実施形態にかかる活性制御装置の一例を示す断面図である。
【図１０】活性制御装置の他の形態の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２３】
本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法は、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにしている。
【００２４】
また、本発明の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法は、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含むと共に基準電位を有する環境に電極を接触させ、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させるようにしている。
【００２５】
つまり、本発明では、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、水素資化性メタン菌を含む環境に接触させた電極によって、環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高め、水素資化性メタン菌を含む環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きな電位に電気的に制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低めるようにしている。
【００２６】
このように、水素資化性メタン菌の菌体自体のメタン生成活性を高めたり低下させたりする制御ができることを報告した例は今までになく、本出願において初めて明らかにされたことである。尚、メタン生成活性とは、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する能力を意味しており、メタン生成活性が高まれば水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する速度が向上し、メタン生成活性が低下すれば水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する速度が低下する。
【００２７】
以下、本発明の方法の詳細について、具体的に説明する。
【００２８】
本発明における「基準電位」とは、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位である。水素資化性メタン菌は嫌気呼吸を行う微生物であることから、低酸化還元電位環境、例えばΔＥ’０＝−０．３３Ｖよりもマイナス側に大きな酸化還元電位環境でなければ生育しないと言われている。自然界において水素資化性メタン菌が生育している環境においては、環境中に内在する化学成分によって、水素資化性メタン菌が生育可能な低い酸化還元電位が形成されている。また、水素資化性メタン菌を含むメタン発酵液についても、水素資化性メタン菌が生育可能な低い酸化還元電位が形成されている。水素資化性メタン菌が生育し得ない環境（培養液等の培地を含む）で水素資化性メタン菌を生育させる際には、内在する化学成分のコントロールや化学成分の添加によって、水素資化性メタン菌を生育可能な酸化還元電位に制御する。例えば、水素のバブリング、窒素等の不活性ガスのバブリング、システインや硫化ナトリウム等の還元剤の添加によって、水素資化性メタン菌を生育可能な酸化還元電位に制御することができる。
【００２９】
つまり、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位とは、環境に内在している化学成分によって既に水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位に制御されている環境の酸化還元電位、環境に内在している化学成分だけでは水素資化性メタン菌が生育し得ず化学成分の添加によって水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位に制御されている環境の酸化還元電位を意味している。
【００３０】
本発明では、内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準として、水素資化性メタン菌を含む環境の酸化還元電位を電気的に制御することにより、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高めたり、低めたりする制御を行う。
【００３１】
メタン生成活性を高める場合の本発明の方法においては、水素資化性メタン菌を含む環境の酸化還元電位は限定されない。即ち、水素資化性メタン菌が生育し得ない酸化還元電位を有する環境であっても、本発明の方法により、メタン生成活性を高めることができ、さらにはその生育を促進することができる。
【００３２】
メタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法においては、水素資化性メタン菌を含む環境の酸化還元電位は、水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位に限定される。即ち、水素資化性メタン菌が生育し得ない酸化還元電位を有する環境においては、水素資化性メタン菌が生息し得ないので、メタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法を適用する意義は無い。しかしながら、水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を有する環境においては、本発明の方法により、容易に水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させることができる。
【００３３】
尚、本発明における「環境」とは、水素資化性メタン菌が生息しているまたは生息し得る土壌や地下水、汚泥、メタン発酵液は勿論のこと、培養液等の培地等も含まれる。尚、「環境」は、水分を多く含むものとすることが好適である。この場合、電極による環境の酸化還元電位の制御性を向上させ易くなり、本発明の効果が得られ易くなる。また、環境には、必要に応じて水素資化性メタン菌の栄養源等の添加剤を添加するようにしてもよい。
【００３４】
本発明の方法を適用し得る水素資化性メタン菌は、特に限定されるものではなく、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタン（ＣＨ４）を生成する呼吸様式を持つあらゆる水素資化性メタン菌に対して適用可能である。例えば、Methanothermobacter thermautotrophicusが挙げられるがこれに限定されるものではない。尚、水素資化性メタン菌がメタンを生成するためには、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）が必要であることから、環境中にこれらのガスが存在しない場合、または不足している場合には、適宜供給する必要がある。尚、水素（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）の供給割合は、モル比で４：１程度とすることが好適である。
【００３５】
メタン生成活性を高める場合の本発明の方法においては、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにしている。ここで、電極の電位をマイナス側に大きくし過ぎると、水の電気分解が激しく生じて目的外の反応に投入した電気エネルギーが消費されてしまう。また、−０．８Ｖでも十分なメタン生成活性の向上効果が得られる。したがって、環境の酸化還元電位は、−０．８Ｖ〜−１．４Ｖとすることがより好適であり、−０．８Ｖとするのがさらに好適である。
【００３６】
メタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法においては、電極に電位を印加して環境の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めるようにしている。環境の酸化還元電位は、具体的には銀・塩化銀電極電位基準で−０．４５Ｖよりもプラス側に大きな電位（（環境の酸化還元電位）＞−０．４５Ｖ）とすればよいが、−０．２Ｖを含んでプラス側に大きな電位とするのが好適である。但し、電極の電位をプラス側に大きくし過ぎると、投入した電気エネルギーが無駄となるので、−０．２Ｖ〜＋０．２Ｖとすることがより好適である。
【００３７】
メタン生成活性を高める場合の本発明の方法によれば、環境中の水素資化性メタン菌の生育速度を基準電位における生育速度よりも高めて、より効率よく水素資化性メタン菌を増殖させて、メタン生成に供することができる。しかも、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めることができ、その効果は、水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で環境中に含まれていても得られる。したがって、水素資化性メタン菌が極めて高密度に含まれている環境中においても、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を高めて、環境全体としてのメタン生成能を極めて優れたものとすることができる。
【００３８】
また、メタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法によれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を基準電位における水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させることができ、その効果は、水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で環境中に含まれていても得られる。したがって、水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で含まれている環境に対して本発明を適用することで、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させて、環境全体としてのメタン生成能を大幅に低下させ、場合によっては水素資化性メタン菌を死滅させることもできる。この方法を利用することで、温暖化ガスとしてのメタンガスの発生を抑えたいという要請に応えることが可能となる。例えば、水系環境に電極を接触させて本発明の方法を実施すれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させて、環境全体としてのメタン生成能を大幅に低下させることができるし、水系環境でない環境であっても、酸化還元電位を制御可能な程度に水を含ませてから電極を接触させて本発明の方法を実施すれば、水素資化性メタン菌のメタン生成活性を低下させて、環境全体としてのメタン生成能を大幅に低下させ得る。
【００３９】
以下に、メタン生成活性を高める場合の本発明の方法の実施形態の一例について、環境を培養液とした場合の第一の実施形態を図５〜図８に基づいて説明し、第二の実施形態を図９に基づいて説明する。
【００４０】
＜第一の実施形態＞
第一の実施形態にかかる本発明の方法は、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、培養液と電解液とをイオン交換膜を介して接触させ、培養液に作用電極と参照電極を接触させ、電解液に対電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御することにより、培養液の酸化還元電位を基準電位よりもマイナス側に大きくなるように制御するようにしている。
【００４１】
第一の実施形態にかかる本発明の方法は、例えば図５〜図８に示す活性制御装置１により実施される。即ち、図５〜図８に示す活性制御装置１は、イオン交換膜６によって仕切られた二つの槽のうちの一方の槽を活性制御槽７とし、他方の槽を対電極槽８とし、活性制御槽７には水素資化性メタン菌を含む培養液４が収容されると共に作用電極９と参照電極１１が浸され、対電極槽８には電解液４ａが収容されると共に対電極１０が浸され、作用電極９と対電極１０は定電位設定装置１２に結線され、作用電極９の電位を３電極方式で制御することにより、培養液４の酸化還元電位を基準電位よりもマイナス側に大きくなるように制御するようにしている。
【００４２】
このように、３電極方式で作用電極９の電位を制御することで、作用電極９の電位を厳密に設定電位に制御することができる。詳細には、定電位設定装置（ポテンシオスタット）１２により、作用電極９と参照電極１１との間の電位差を測定し、この電位差が設定電位に達するように作用電極９と対電極１０との間に電流を流し、基準となる参照電極１１には一切電流が流れないようにしている。尚、３電極方式による電位制御については、例えば、電気化学測定法（上）、技報動出版株式会社、第１版１５刷、２００４年６月発行の６〜９ページにその詳細が記載されている。但し、作用電極９と対電極１０の極間電圧のみで作用電極９の電位を制御できる場合には、３電極方式とせずともよい。
【００４３】
また、図５〜図８に示す活性制御装置１では、活性制御槽７内の培養液４の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するメタンガスを含むバイオガスを活性制御槽７の外（活性制御装置１の外）へ導くガス排出管１５ａを備え、このガス排出管１５ａをバルブ１５ｂにより開閉可能としたガス回収手段１５により、活性制御槽７内のバイオガスを回収するようにしている。但し、バイオガスの回収方法は、この方法には限定されない。例えば、ガス回収手段１５を備えることなく、活性制御槽７の上部に開口部を設けて合成ゴム等（例えばシリコーンゴム）の弾性材料でこの開口部を塞ぎ、開口部を塞ぐ弾性材料に注射器の注射針を刺してヘッドスペースからバイオガスを回収するようにしてもよい。合成ゴム等の弾性材料は、注射針を引き抜くと孔が塞がる。したがって、バイオガスの回収を行わないときには、注射針を引き抜いておいても、活性制御槽７からバイオガスが漏れ出すことがない。
【００４４】
さらに、図５〜図８に示す活性制御装置１では、活性制御槽７内の培養液４の液面よりも下部に、活性制御槽７内の培養液４を活性制御槽７の外に導く培養液排出管１６ａを備え、この培養液排出管１６ａをバルブ１６ｂにより開閉可能とした培養液採取手段１６により、活性制御槽７内から培養液４を採取するようにしている。但し、培養液４の採取方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、培養液採取手段１６を備えることなく、活性制御槽７に開口部を設けて合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、注射器の注射針を刺して培養液４を採取するようにしてもよい。または両端が開口された管の一端の注射器に接続し、他端を培養液４に浸けて、管を介して培養液４を採取するようにしてもよい。これらの場合にも、活性制御槽７からバイオガスが漏れ出すことはない。
【００４５】
また、ガス回収手段１５や培養液採取手段１６とは別に、培養液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。具体的には、活性制御槽７の外部から培養液４に物質を添加・供給することのできる開閉可能な物質導入管を備えるようにしてもよい。この場合には、培養液４に栄養源、中和剤等の物質を必要に応じて添加することができる。また、環境を嫌気性に維持するためにガスを供給することもできるし、水素資化性メタン菌に必要な二酸化炭素と水素を供給することもできる。但し、培養液４に物質を添加・供給する手段は必ずしも備える必要はなく、ガス回収手段１５や培養液採取手段１６を培養液４に物質を添加・供給する手段として併用するようにしてもよい。また、上記のように注射器の注射針を弾性材料に差し込んで培養液４に物質を添加・供給するようにしてもよい。
【００４６】
以下、図５に示す活性制御装置を用いた場合を第一の実施形態Ａとして説明し、図６に示す活性制御装置を用いた場合を第一の実施形態Ｂとして説明し、図７に示す活性制御装置を用いた場合を第一の実施形態Ｃとして説明し、図８に示す活性制御装置を用いた場合を第一の実施形態Ｄとして説明する。
【００４７】
（第一の実施形態Ａ）
図５に示す活性制御装置１は、密閉構造の容器２０を活性制御槽７とし、容器２０に収容可能な密閉構造の小容器２１を対電極槽８とし、小容器２１は少なくとも一部にイオン交換膜６を備えると共にガス（対電極１０から発生するガス）を容器２０の外に排出するガス排出管２２を備えるものとしている。尚、図５に示す活性制御装置１では、対電極１０と定電位設定装置１２を結線する配線は、ガス排出管２２の中を通過させているが、必ずしもこの構成には限定されず、配線をガス排出管２２を通さずに定電位設定装置１２と結線するようにしてもよい。
【００４８】
したがって、図５に示す活性制御装置１によれば、活性制御槽７からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極槽８から発生するガスが活性制御槽７に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極槽８から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極槽８から発生したガスが培養液４に溶け込んで水素資化性メタン菌の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、活性制御槽７を密閉構造としているので、活性制御槽７を嫌気環境に制御し易い利点もある。また、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収し、場合によっては再利用することが可能となる。
【００４９】
また、容器２０に小容器２１を収容することで、容器２０に収容されている培養液４に小容器２１が浸され、小容器２１の少なくとも一部に備えられているイオン交換膜６は培養液４と接触する。換言すれば、培養液４はイオン交換膜６を介して電解液４ａと接触する。
【００５０】
活性制御槽７としての密閉構造の容器２０は、対電極槽８としての密閉構造の小容器２１を収容可能な大きさの容器であり、形状は特に限定されない。容器の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過性の膜材をヒートシール等により袋状に形成した容器を活性制御槽７として用いるようにしてもよい。
【００５１】
対電極槽８としての密閉構造の小容器２１は、活性制御槽７としての容器２０に収容可能な大きさの容器であり、少なくとも一部にイオン交換膜６を備えるものとしている。ここで、小容器２１はその全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいが、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成したり、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分は容器２０と同様の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えばガス不透過性の膜材により構成し、小容器２１からのガス（対電極槽８から発生するガス）が容器２０の内部に漏洩しないようにしてもよい。
【００５２】
対電極槽８に収容される電解液４ａは、例えば、ナトリウムイオンやカリウムイオン等を含むものとすればよい。尚、通常、培養液４にもナトリウムイオンやカリウムイオン等が含まれていることから、電解液４ａとして培養液４を用いることも可能である。
【００５３】
作用電極９及び対電極１０としては、例えば炭素板等の導電性材料を適宜使用することができる。対電極１０では、作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応が進行する。
【００５４】
活性制御槽７の温度（培養液４の温度）は、活性制御対象となる水素資化性メタン菌の生育に好適な温度に適宜制御する。例えば、Methanothermobacter thermautotrophicusのような好熱性の水素資化性メタン菌を活性制御対象とする場合には、４０℃〜７０℃とすることが好適であり、５０℃〜６０℃とすることがより好適であり、５５℃とすることがさらに好適である。
【００５５】
本発明では、作用電極９の電位を制御することにより、培養液４の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んでマイナス側に大きな値に制御する。尚、培養液４の酸化還元電位は、−０．８Ｖ〜−１．４Ｖに制御するのが好適であり、−０．８Ｖに制御するのがより好適である。
【００５６】
ここで、酸化還元物質３を培養液４に添加することで、培養液４の電位の制御性を高めて、培養液４の酸化還元電位を作用電極９の電位に近づけるあるいは一致させることができる。そして、イオン交換膜６を備えることで、培養液４に含まれている酸化還元物質３の電解液４ａへの透過を防ぐことができる。例えば、イオン交換膜６として、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜（デュポン製）を用いることで、酸化還元物質３が鉄イオンである場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンはイオン交換膜６を透過しないことから、酸化還元物質を電解液４ａに透過させることなく、培養液４中に留まらせることができる。したがって、作用電極９の電位を制御すると、それに応じて培養液４中の酸化還元物質３の酸化体と還元体の濃度比が変化し、作用電極９の電位による培養液４の電位の追随性が向上する。
【００５７】
酸化還元物質３としては、培養液４に浸されている作用電極９と可逆的に酸化還元反応を生じ得る物質であり、且つ水素資化性メタン菌に対して毒性を呈しない物質を用いることができる。例えば、上記のように、土壌成分として一般的な鉄イオンが挙げられる。ここで、鉄イオンを培養液４中で安定に存在させるためには、鉄イオンをキレート剤に配位させて培養液４中に添加することが好ましい。キレート剤としては、鉄イオンを配位しうるものであれば任意のキレート剤を用いることができるが、例えばジエチレントリアミンペンタ酢酸（ＤＴＰＡ）、エチレンジアミンテトラ酢酸（ＥＤＴＡ）、テトラエチレントリアミン（ＴＥＴ）、エチレンジアミン（ＥＤＡ）、ジエチレントリアミン（ＤＥＴＡ）、クエン酸、シュウ酸、クラウンエーテル、ニトリロテトラ酢酸、エデト酸二ナトリウム、エデト酸ナトリウム、エデト酸三ナトリウム、ペニシラミン、ペンテテートカルシウム三ナトリウム、ペンテト酸、スクシメルおよびエデト酸トリエンチンを挙げることができる。また、鉄イオン以外にも、フェロシアン化カリウム、アントラキノンジスルホン酸ナトリウムなどのキノン化合物、メチルビオロゲンを用いることができる。これらの物質も酸化還元反応により、酸化体と還元体に可逆的に変化する。特に、キノン化合物は土壌成分の一つとして知られている物質であり、好ましい。つまり、土壌そのものを培養液４に添加することで、土壌に含まれている酸化還元物質３により培養液４の酸化還元電位が制御できる場合がある。但し、酸化還元物質３は上記した物質に限定されるものではない。
【００５８】
また、イオン交換膜６を設けることで、培養液４に含まれる水素資化性メタン菌を活性制御槽７に留まらせることができる。したがって、イオン交換膜６を設けることによって、酸化還元電位が制御された好適な環境である培養液４に水素資化性メタン菌を留まらせて、本発明の効果をより得やすいものとすることができる。
【００５９】
尚、酸化還元物質３を添加せずとも培養液４の電位を制御できる場合があるので、酸化還元物質３は必ずしも添加せずともよい。また、イオン交換膜６を設けなくても、培養液４の電位を制御できる場合があるので、イオン交換膜６は必ずしも設けなくともよい。
【００６０】
（第一の実施形態Ｂ）
【００６１】
図６に示す活性制御装置１は、上方が開放されている容器２３をイオン交換膜６で仕切ることにより開放された二つの槽が形成され、活性制御槽７としての一方の槽の上方開放部がガス不透過膜またはガス不透過部材２４により塞がれているものとしている。つまり、図６に示す活性制御装置１は、対電極槽８から発生するガスを活性制御槽７に漏れ出さないようにする構成以外は、図５と同一の構成としている。したがって、図５に示す活性制御装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００６２】
ガス不透過膜またはガス不透過部材２４としては、各種分野で一般に用いられているものを適宜用いることができる。例えば、ガス不透過部材としては、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。また、ガス不透過膜としては、例えばイオン交換膜６を用いることができるがこれに限定されるものではない。
【００６３】
尚、対電極槽８については、開放したままでもよいが、活性制御槽７と同様に密閉構造とし、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備えるようにしてもよい。この場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収し、場合によっては再利用することが可能となる。
【００６４】
（第一の実施形態Ｃ）
図７に示す活性制御装置１は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２５ａと２５ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＵ字型の容器２５が形成され、一方の容器２５ａを密閉構造として活性制御槽７とし、他方の容器２５ｂを開放して対電極槽８としている。この場合、培養液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、活性制御槽７の培養液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２５自体のＵ字型構造によって隔てて配置される。そして、一方の容器２５ａが密閉構造とされていることから、対電極槽８から発生するガスが活性制御槽７に侵入するのを防ぎながら、活性制御槽７から発生するバイオガスが活性制御槽７から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図５に示す活性制御装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００６５】
尚、図７に示す活性制御置１における他方の容器２５ｂの開放とは、例えば他方の容器２５ｂの端部を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２５ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
【００６６】
（第一の実施形態Ｄ）
図８に示す活性制御装置１は、収容される液体の液面よりも下部に開口部を備える二つの容器２６ａと２６ｂがイオン交換膜６を介して開口部で連結されてＨ字型の容器２６が形成され、一方の容器２６ａを密閉構造として活性制御槽７とし、他方の容器２６ｂを開放して対電極槽８としている。この場合にも、培養液４と電解液４ａがイオン交換膜６を介して接触すると共に、活性制御槽７の培養液４の液面よりも上部の空間と対電極槽８の電解液４ａの液面よりも上部の空間とが容器２６自体のＨ字型構造によって隔てて配置される。そして、Ｈ字型容器２６の一方の容器２６ａが密閉構造とされていることから、活性制御槽７は密閉構造となる。したがって、対電極槽８から発生するガスが活性制御槽７に侵入するのを防ぎながら、活性制御槽７から発生するバイオガスが活性制御槽７から漏洩するのを防ぐことができる。したがって、図５に示す活性制御装置を用いた場合と同様の効果が得られる。
【００６７】
尚、本実施形態における他方の容器２６ｂの開放とは、容器２６を完全に開放した場合は勿論のこと、一方の容器２６ａと同様に密閉構造としつつ、対電極槽８において発生するガスを対電極槽８の外に排出するガス排出管を備える場合も含むことを意味している。ガス排出管を備える場合には、対電極槽８から発生するガスを所望の位置から排出させることができるので、これを回収して再利用し易くなる。
【００６８】
＜第二の実施形態＞
第二の実施形態にかかる本発明の方法は、作用電極と対電極と参照電極とを定電位設定装置に結線し、培養液と対電極とをイオン交換膜を介して接触させ、培養液に作用電極と参照電極を接触させ、作用電極の電位を３電極方式で制御することにより、培養液の酸化還元電位を基準電位よりもマイナス側に大きくなるように制御するようにしている。つまり、第一の実施形態における方法とは、電解液を用いることなく対電極を直接イオン交換膜に接触させている点のみが異なっている。
【００６９】
しかしながら、第一の実施形態のように電解液４ａを用いずとも、作用電極９と対電極１０との間でイオン交換膜６を介してイオン電流は流れ得る。また、培養液４中の水素資化性メタン菌を対電極１０側に移動（拡散）させることなく、活性制御槽７に留める効果も得られる。さらには、培養液４中の酸化還元物質３を対電極１０側に透過させない効果も得られる。したがって、第二の実施形態にかかる方法によれば、第一の実施形態と同様の電位制御条件で、同様の効果を得ることが可能である。
【００７０】
第二の実施形態にかかる本発明の方法は、例えば図９に示す活性制御装置により実施される。図９に示す活性制御装置１は、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造の容器５内に作用電極９と参照電極１１が配置され、容器５の外側に対電極１０が配置され、容器５に培養液４が収容されると共に作用電極９と参照電極１１が培養液４に浸され、容器４のイオン交換膜６は容器５に培養液４が収容されたときに少なくともその一部がイオン交換膜６と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜６の培養液４の接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極１０が接触して配置されているものとしている。図９に示す活性制御装置１では、容器５の培養液４の液面よりも下部に開口部５ａが設けられ、開口部５ａがイオン交換膜６で塞がれ、容器５の外側のイオン交換膜６の表面の少なくとも一部に対電極１０が接触して配置されているものとしている。つまり、図９に示す活性制御装置１では、容器５全体が活性制御槽７として機能することとなる。
【００７１】
したがって、図９に示す活性制御装置１によれば、容器５からバイオガスが漏洩することがない。また、対電極１０から発生するガスが容器５内に漏れ出すことがないので、バイオガスに対電極１０から発生したガスが混入してバイオガスのメタン濃度を低下させたり、対電極１０から発生したガスが培養液４に溶け込んで水素資化性メタン菌の生育や機能に悪影響を及ぼすこともない。さらに、容器５を密閉構造としているので、容器５内を嫌気環境に制御し易い利点もある。
【００７２】
尚、図９に示す活性制御装置１では、第一の実施形態と同様に、ガス回収手段１５、培養液採取手段１６を備えるようにしているが、上記の通り、ガス回収方法、培養液採取方法は、これらの手段を利用したものには限定されない。また、第一の実施形態と同様、培養液４に物質を添加・供給する手段を設けるようにしてもよい。
【００７３】
以下、図９に示す活性制御装置１の詳細について説明する。但し、以下に説明する以外の構成については、第一の実施形態と実質的に同一であり、説明は省略する。
【００７４】
容器５は、イオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造としている。容器５の材質としては、例えば、ガラス、プラスチック、絶縁処理を施した金属、コンクリート等が挙げられるがこれらに限定されるものではない。尚、図９では、密閉構造の容器５の培養液４の液面よりも下部に設けられた開口部５ａをイオン交換膜６により塞ぐようにしているが、容器５の形態や構造は特に限定されない。例えば容器５全体をイオン交換膜６で形成した袋状の容器としてもよいし、袋状の容器の片面だけをイオン交換膜６で構成してもよいし、一つの面のさらに一部分をイオン交換膜６のみで構成するようにしてもよい。部分的にイオン交換膜６を用いる場合には、その他の部分はガラス等の上記材質で構成してもよいし、イオン交換膜６以外の膜材、例えば培養液４と培養液４中の成分（水素資化性メタン菌を含む）の双方を透過させることがない膜材により構成してもよい。要は、容器５に収容される培養液４が容器５の少なくとも一部を構成するイオン交換膜６と接触しうる構造の容器とすればよい。
【００７５】
対電極１０は、イオン交換膜６の培養液４との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に接触させるようにしている。本実施形態において、対電極１０は板状の炭素電極としているが、対電極１０の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、イオン交換膜６との接触が可能な形状であり、且つ作用電極９における酸化還元反応に対して電子の授受を補完する反応を進行させることが可能な材質とすればよい。また、本実施形態では、対電極１０の面積をイオン交換膜６の面積よりも大きなものとしてイオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うようにし、イオン交換膜６と対電極１０とを接触させるようにしているが、イオン交換膜６の培養液４との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極１０を接触させれば、イオン交換膜６を介して培養液４から対電極１０にイオンが伝達するので、必ずしもイオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うようにしてイオン交換膜６と対電極１０とを接触させずともよい。但し、イオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆うことで、対電極１０をイオン交換膜６の保護材としても機能させることができると共に、培養液４からのイオンの伝達面が増大する結果として、培養液４の電位制御性を高めることができる利点があり、好適である。イオン交換膜６全体を対電極１０で完全に覆う方法としては、例えば、容器５の開口部５ａの周囲に接着剤を塗布して対電極１０を接着することにより、開口部５ａを塞ぐイオン交換膜６全体と対電極１０とを接触させるようにしてもよいし、容器５の開口部５ａの周囲に接着剤を塗布して対電極１０の表面の少なくとも一部に塗布形成されたイオン交換膜６を接着することにより、開口部５ａをイオン交換膜６で塞ぎつつ、開口部５ａを塞ぐイオン交換膜６全体と対電極１０とを接触させるようにしてもよい。イオン交換膜６を塗布形成するための薬剤としては、例えばナフィオン分散液が挙げられるが、これに限定されるものではない。また、対電極１０の表面にナフィオン分散液を塗布し、ナフィオン分散液が乾燥する前にイオン交換膜６を貼り付けるようにしてもよい。この場合には、イオン交換膜６の対電極１０の表面への接着性と接触性とを十分なものとすることができる。
【００７６】
ここで、対電極１０は多孔質体とすることが好適である。この場合には、イオン交換膜６と対電極１０との接触面で発生したガスを接触面とは反対側の面に通過させやすくなる。尚、対電極１０を多孔質体とし、ナフィオン分散液を用いてイオン交換膜６を貼り付けることで、ナフィオン分散液の多孔質体の孔への侵入によりイオン交換膜６と対電極１０との接触面積を増大させて電気化学反応をより進行させやすくすることができ、好適である。
【００７７】
上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００７８】
例えば、上述の第一の実施形態及び第二の実施形態では、メタン生成活性を高める場合の本発明の方法について図５〜図９に基づいて説明したが、上述の実施形態がメタン生成活性を低下させる場合の本発明の方法にも適用できることは言うまでもない。
【００７９】
また、本発明を実施するための活性制御装置は、例えば図１０に示すように、培養液４と電解質４ａをイオン交換膜６ではなく、イオンや水素資化性メタン菌を一切透過させることのない不透過部材４０で隔て、あるいは活性制御槽７と対電極槽８を別の容器で形成し、塩橋４１（寒天等にＫＣｌ等の飽和電解質溶液を入れたもの）を介して培養液４と電解質４ａを接触（液絡）させるようにしてもよい。この場合にも、培養液４中の水素資化性メタン菌の対電極槽８への移動を防ぐことができ、しかも、塩橋４１によってイオン電流の流れが許容される。また、培養液４に含まれる酸化還元物質３についても対電極槽８に透過しないので、培養液４の電位の制御性も確保される。
【実施例】
【００８０】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はこれら実施例に限られるものではない。
＜実験装置及び実験方法＞
図４に示す実験装置を用いて実験を行った。２５０ｍＬ容のガラスバイアル瓶（Ｄｕｒａｎ製）を培養容器５とし、培養液４の液面より下部に開口部を３つ設けた。１つめの開口部５ｂには参照電極１１（東亜ＤＤＫ製、ＨＳ−２０５Ｃ、銀・塩化銀電極）を差し込んで参照電極１１と培養液４とを接触させた。２つめの開口部５ｃは培養液４を採取するために設け、蓋の開閉により培養液４を採取可能とした。３つめの開口部５ａはイオン交換膜６を介して対電極１０で塞いだ。対電極１０にはポーラス板状の炭素電極を用いた。イオン交換膜６にはナフィオン膜Ｎ１１７（デュポン製）を用い、対電極１０の下半分に２０％ナフィオン分散液ＤＥ２０２１（デュポン製）を塗布してイオン交換膜６を貼り付けて用いた。作用電極９として板状の炭素電極を培養液４に浸した。そして、作用電極９と対電極１０と参照電極１１とを３電極式の電位制御装置（ポテンシオスタット、東方技研、PS-08）１２に結線して、作用電極９の電位を厳密に制御可能とした。尚、培養液４は培養容器５の８分目程度まで入れ、液面上部にヘッドスペースを確保した。培養容器５には蓋１８をし、蓋１８の上面１８ａに弾性材料であるシリコーンゴムを備えて、注射器の注射針を差し込んで培養容器５内のヘッドスペースからガス状物質を回収可能とし、且つ注射針の差し込みにより生じた孔が注射針を抜いた際に塞がるようにした。
【００８１】
培養液４の組成は、以下の通りとした。
［培養液の組成（／Ｌ）］
・ＫＨ２ＰＯ４ ０．３ｇ
・（ＮＨ４）２ＳＯ４ １．５ｇ
・ＮａＣｌ ０．６ｇ
・ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ０．１２ｇ
・ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ ０．０８ｇ
・ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ４ｍｇ
・Ｋ２ＨＰＯ４ ０．１５ｇ
・Ｎａ２ＣＯ３ ４．０ｇ
・微量ビタミン １０ｍｌ
・微量元素溶液 １０ｍｌ
【００８２】
培養液４の微量元素溶液の組成は、以下の通りとした。
［微量元素溶液の組成（／Ｌ）］
・Ｎａ２-ＥＤＴＡ ０．６４ｇ
・ＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ６．２ｇ
・ＭｎＳＯ４・４Ｈ２Ｏ ０．５５ｇ
・ＮａＣｌ １．０ｇ
・ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ０．１ｇ
・ＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ ０．１７ｇ
・ＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ ０．１８ｇ
・ＣｕＳＯ４ ０．０５ｇ
・ＫＡｌ（ＳＯ４）２・１２Ｈ２Ｏ ０．０１８ｇ
・Ｈ３ＢＯ３ ０．０１ｇ
・Ｎａ２ＭｏＯ４・２Ｈ２Ｏ ０．０１１ｇ
ＮｉＣｌ２・６Ｈ２Ｏ ０．０２５ｇ
【００８３】
培養液４の微量ビタミンの組成は、以下の通りとした。
［微量ビタミンの組成（／Ｌ）］
・ビオチン ２．０ｍｇ
・葉酸 ２．０ｍｇ
・ピリドキシン−ＨＣｌ １０．０ｍｇ
・チアミン−ＨＣｌ ５．０ｍｇ
・リボフラビン ５．０ｍｇ
・ニコチン酸 ５．０ｍｇ
・パントテン酸カルシウム ５．０ｍｇ
・ビタミンＢ１２ ０．１ｍｇ
・ｐ−アミノ安息香酸 ５．０ｍｇ
・リポ酸 ５．０ｍｇ
【００８４】
実験中の培養温度（培養液温度）は５５℃とし、培養液４は攪拌子１９で攪拌し続けた。また、培養液４には、ＡＱＤＳ（アントラキノン−２，６−ジスルホン酸）を０．５ｍＭとなるように添加した。また、上部のシリコーンゴム栓に注射針を１本刺し、別の注射針を培養液採取口５Ｃのゴム栓部分に挿入し、そこからからＨ２／ＣＯ２＝８０／２０（体積比）の混合ガスを通気することで培養液および培養液上部の気相を混合ガスで置換した。培養液４のｐＨは７．２とした。
【００８５】
水素資化性メタン菌として、Methanothermobacter thermautotrophicus DSM1053を用いて実験を行った。
【００８６】
＜分析方法＞
１．化学分析
培養容器５から排出されるバイオガス生成量を水上置換法により測定し、熱伝導率検出器（ＧＣ３９０Ｂ、ＧＬサイエンス製）と活性炭充填カラム（ＧＬサイエンス製）を備えたガスクロマトグラフィーによりバイオガスの組成を分析して、メタンガス生成量を算出した。
【００８７】
２．生物学的分析
培養液４中の菌体密度を顕微鏡Nikon ECLIPSE E400（ニコン製）、バクテリアカウンター血球計算板（サンリードガラス製）により測定した。
【００８８】
（実施例１）
培養液４に水素資化性メタン菌を初期菌体密度が６．０×１０７ｃｅｌｌｓ／ｍＬとなるように添加して実験を行った。尚、この初期菌体密度は、通常の培養法での定常期の菌体密度に相当し、以下のいずれの実験条件においても菌体密度の増加が見られないことが確認されている。
【００８９】
作用電極９の設定電位を参照電極１１（銀・塩化銀電極）に対して＋０．２Ｖ、−０．２Ｖ、−０．５Ｖ、−０．８Ｖに制御することにより、培養液４の酸化還元電位をそれぞれ＋０．２Ｖ、−０．２Ｖ、−０．５Ｖ、−０．８Ｖに電気的に制御した条件での培養試験を実施した。
【００９０】
また、比較試験として、通電を行なわずに培養液４にＬ−システイン・ＨＣｌ・Ｈ２Ｏ、Ｎａ２Ｓ・９Ｈ２Ｏをそれぞれ終濃度０．５ｇ／Ｌになるように添加して、培養液４の酸化還元電位を化学的に−０．４５Ｖに調整した条件での培養試験を実施した。この条件は、添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位、即ち基準電位に該当する条件である。
【００９１】
各種条件での培養試験におけるメタン生成量の経時変化を測定した結果を図１に示す。−０．５Ｖでは比較試験との差が殆ど見られなかったが、−０．８Ｖでは比較試験と比べて顕著にメタン生成量が増加する傾向が見られ、近似直線の傾きから計算したメタン生成速度は比較試験よりも１．７倍向上していることが明らかとなった。これに対し、＋０．２Ｖ及び−０．２Ｖでは比較試験と比べて顕著にメタン生成量が減少する傾向が見られた。
【００９２】
ここで、実施例１では、いずれの実験条件においても菌体密度の増加が見られないことが確認されていることから、メタン生成量の増減は、水素資化性メタン菌１個体のメタン生成活性の増減によってもたらされたものであると推定された。
【００９３】
つまり、実施例１における培養試験結果から、水素資化性メタン菌の菌体自体のメタン生成活性を、培養液４の酸化還元電位の電気的な制御によってコントロールできることが明らかとなった。
【００９４】
また、実施例１における培養試験結果から、培養液４の酸化還元電位を−０．８Ｖよりもマイナス側に大きな値に制御することで、−０．８Ｖに制御した場合と近似した効果が得られるものと推定された。さらに、＋０．２Ｖ及び−０．２Ｖでは比較試験と比べて顕著にメタン生成量が減少する傾向が見られたことから、培養液４の酸化還元電位を基準電位よりもプラス側に大きな値に制御すれば、メタン生成活性を低下させることができ、−０．２Ｖよりもプラス側に大きな値に制御すれば、メタン生成活性を確実に低下させることができ、−０．２Ｖ〜＋０．２Ｖに制御すれば、メタン生成活性をより確実に低下させることができるものと推定された。
【００９５】
（実施例２）
培養液４に水素資化性メタン菌を初期菌体密度が１．５×１０６ｃｅｌｌｓ／ｍＬとなるように添加して実験を行い、水素資化性メタン菌の生育に対する酸化還元電位の電気的な制御による影響について検討した。
【００９６】
作用電極９の設定電位を参照電極１１（銀・塩化銀電極）に対して＋０．４Ｖ、−０．１Ｖ、−０．４Ｖ、−０．８Ｖに制御することにより、培養液４の酸化還元電位をそれぞれ＋０．４Ｖ、−０．１Ｖ、−０．４Ｖ、−０．８Ｖに電気的に制御した条件での培養試験を実施した。
【００９７】
また、実施例１と同様の条件で比較試験を実施した。
【００９８】
各種条件で一週間培養を行った後の培養液４の菌体密度を図２に示す。尚、図２における縦軸の数値は、比較試験における菌体密度を１とした場合の相対値である。−０．８Ｖでは比較試験と比べて顕著に菌体密度が増加することが明らかとなった。
【００９９】
次に、各種条件で一週間培養を行った際のメタン生成量を図３に示す。尚、図３における縦軸の数値は、比較試験におけるメタン生成量を１とした場合の相対値である。また、図３におけるメタン生成量は、菌体当たりのメタン生成量に換算した値である。−０．８Ｖでは比較試験と比べて顕著にメタン生成量が増加することが明らかとなった。
【０１００】
ここで、実施例１では、−０．８Ｖとすることで水素資化性メタン菌の菌体自体のメタン生成活性を向上できることが明らかになったことから、実施例２において得られた結果は、−０．８Ｖとすることで水素資化性メタン菌の菌体自体のメタン生成活性（呼吸活性）が向上した結果として、生育が促進されたものと推定された。
【符号の説明】
【０１０１】
４ 培養液（環境）
９ 電極（作用電極）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、
前記水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、前記電極に電位を印加して前記環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御し、前記水素資化性メタン菌のメタン生成活性を前記基準電位における前記水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めることを特徴とする水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項２】
前記電極を接触させる前記環境が前記基準電位を有している請求項１に記載の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項３】
内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、
前記水素資化性メタン菌を含むと共に前記基準電位を有する環境に電極を接触させ、前記電極に電位を印加して前記環境の酸化還元電位を前記基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御し、前記水素資化性メタン菌のメタン生成活性を前記基準電位における前記水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させることを特徴とする水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項４】
前記水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で前記環境に含まれている請求項１または３に記載の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項５】
前記電極により制御される前記環境の酸化還元電位が銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖである請求項１に記載の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項６】
前記電極により制御される前記環境の酸化還元電位が銀・塩化銀電極電位基準で−０．２Ｖを含んで−０．２Ｖよりもプラス側に大きな電位である請求項３に記載の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項１】
内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、
前記水素資化性メタン菌を含む環境に電極を接触させ、前記電極に電位を印加して前記環境の酸化還元電位を銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖを含んで−０．８Ｖよりもマイナス側に大きくなるように制御し、前記水素資化性メタン菌のメタン生成活性を前記基準電位における前記水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも高めることを特徴とする水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項２】
前記電極を接触させる前記環境が前記基準電位を有している請求項１に記載の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項３】
内在するあるいは添加される化学成分によって環境中に形成され得る水素資化性メタン菌が生育可能な酸化還元電位を基準電位とし、
前記水素資化性メタン菌を含むと共に前記基準電位を有する環境に電極を接触させ、前記電極に電位を印加して前記環境の酸化還元電位を前記基準電位よりもプラス側に大きくなるように制御し、前記水素資化性メタン菌のメタン生成活性を前記基準電位における前記水素資化性メタン菌のメタン生成活性よりも低下させることを特徴とする水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項４】
前記水素資化性メタン菌が定常期の生育段階に相当する菌体密度で前記環境に含まれている請求項１または３に記載の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項５】
前記電極により制御される前記環境の酸化還元電位が銀・塩化銀電極電位基準で−０．８Ｖである請求項１に記載の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【請求項６】
前記電極により制御される前記環境の酸化還元電位が銀・塩化銀電極電位基準で−０．２Ｖを含んで−０．２Ｖよりもプラス側に大きな電位である請求項３に記載の水素資化性メタン菌のメタン生成活性制御方法。
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１】
【図２】
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【公開番号】特開２０１１−２２３８９５（Ｐ２０１１−２２３８９５Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９４３５７（Ｐ２０１０−９４３５７）
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「微生物機能を活用した環境調和型製造基盤技術開発／微生物群のデザイン化による高効率型環境バイオ処理技術開発／デザイン化微生物群を用いた高効率型固定床メタン発酵の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「微生物機能を活用した環境調和型製造基盤技術開発／微生物群のデザイン化による高効率型環境バイオ処理技術開発／デザイン化微生物群を用いた高効率型固定床メタン発酵の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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