説明

温室気体の生物隔離および有機同化

温室効果の一因となる気体の生物隔離および有機同化方法がここで提供される。この方法では、温室効果の一因となる気体を泥炭地に入れ、そこでそれをその後に隔離しそして有機的に同化させる。捕獲方法を本発明と共に使用して工業場所から泥炭地またはその近くに配置された処理施設への気体の移送を可能にすることができる。関連処理施設に移送されたら、捕獲された気体を再生しそしてその後にその生物隔離および有機同化のために泥炭地内に導入することができる。本発明の概念では、気体は温室気体(CHG)、硫黄酸化物(SO)気体、および/または揮発性有機化合物(VOC)でありうる。

【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
人間の影響のない環境では、地球と大気温室気体との間に均衡があった。工業的な時代以降、人間に基づく活動が温室効果(greenhouse effect)として知られる事象を生じた。温室効果の一因は、
・メタン
・炭素酸化物
〇 一酸化炭素COおよび二酸化炭素CO
・窒素酸化物(NO
〇 非反応性気体状窒素、N
〇 反応性NO、NO、NO、NOおよびNO
・硫黄酸化物(SO
〇 主としてSOおよびSO
・揮発性有機化合物(VOC)
・粒状物質(PM)
・炭素−ハロゲン化合物
・硫黄ハロゲン化合物
二酸化炭素は最も普遍的な温室気体である。「米国環境保護省によるとメタンは二酸化炭素の21倍の効力がある」(非特許文献1)。「吸収赤外線中でNOはCOより分子当たり200倍も効果的な温室気体である。NOは大気中のその長い滞在時間(150年間)およびその比較的他界赤外吸収(二酸化炭素のものの>200倍)のために地球温暖化に対する推定5%寄与度の有力な温室気体である。」(非特許文献2)。さらに、大気中のNOは紫外線の存在下で励起された酸素と反応してNOを生成し、それが大気オゾン(O)の破壊に触媒作用を与える。大気がすでに78%Nである場合には、脱ニトロ化による大気へのN放出は有意な大気効果を有さないが、これらの損失は形態系窒素プールに影響を与えうる。大気Nは数千年の代謝時間を有する」(非特許文献3)。紫外線は地球の大気に針そして通常はオゾン層を通して逆に反射される。NO放出はオゾン層内で反応して紫外線を捕捉して温室効果として知られる地球温暖化をもたらす。
【非特許文献1】Segelken, Roger. “Cornell biologists aim to grow ‘bugs’ responsible for greenhouse gas, methane, in NFS−funded microbial observatory.” Cornell News 8 Feb. 2002
【非特許文献2】Apel, William A., Turick, Charles E. “The use of denitrifying bacteria for the removal of nitrogen oxides from combustion gases, “Fuel, Vol72, Issue 12, pg.1715−1718, 1993
【非特許文献3】“Chapter 8. Terrestrial Nutrient Cycling.” Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology Chapin III, F. Stuart, Matson, Pamela, Mooney, Harold A. 1st ed. 2002 Corr. 2nd printing, 2004, XIV, 436p. 199 illus
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
発明の要旨
本発明は温室効果の一因となる気体の生物隔離(biosequestration)および有機同化に関する。
【課題を解決するための手段】
【0003】
これらの方法は、温室効果の一因となる気体を泥炭地に導入し、そこでそれをその後に隔離しそして有機的に同化させることを含んでなる。この方法は、捕獲した気体の移送および気体の再生を可能にする捕獲手段を用いて温室気体を捕獲し、捕獲された気体を泥炭地またはその近くに配置された処理施設に移送し、そして泥炭地内への気体の導入前に気体を再生することをさらに含んでなる。
【0004】
本発明の概念では、温室効果の一因となる気体は温室気体(CHG)、硫黄酸化物(SO)気体、および揮発性有機化合物(VOC)よりなる群から選択される。温室気体はさらにメタン(CH)、炭素酸化物、窒素酸化物(NO)、炭素−ハロゲン含有気体、および硫黄−ハロゲン含有気体よりなる群から選択することができる。炭素酸化物は一酸化炭素(CO)および二酸化炭素(CO)よりなる群から選択することができる。窒素酸化物はNO、NO、NO、NO、N、N、N、およびNよりなる群から選択することができる。炭素−ハロゲン含有気体はヒドロフルオロカーボン(HFC)、クロロフルオロカーボン(CFC)、およびペルフルオロカーボン(PFC)よりなる群から選択することができる。ペルフルオロカーボン(PFC)はCFおよびCよりなる群から選択することができる。炭素−ハロゲン含有気体は臭化メチル(CHBr)および四塩化炭素(CCl)よりなる群から選択することができる。硫黄−ハロゲン含有気体は六弗化硫黄(SF)を含んでなりうる。
【0005】
温室効果が酸性雨である場合には、本発明の方法は二酸化硫黄(SO)、三酸化硫黄(SO)、および硫酸塩(SO−2)を生物隔離しそして有機同化するために使用することができる。さらに、本発明の方法は非メタン炭化水素、アルコール、アルデヒドおよび有機酸を生物隔離しそして有機同化するために使用することができる。
【0006】
工業的場所における気体の捕獲は、温室気体を吸収、会合、破砕、キレート化、ストリッピング、解離、溶解、捕捉、改質、沈殿、または精製する能力により特徴づけられうる。捕獲は水、アミン、アルカリ、および/またはアルカノールアミン溶液を用いて達成できる。アルカノールアミン溶液はモノエタノールアミン(MEA)、ジエタノールアミン(DEA)、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン(MDEA)、および/または2−アミノ−2−メチル−1−プロパノールアミン(AMP)、並びに/或いはそれらの水性配合物を含んでなりうる。
【0007】
捕獲されたら、気体は例えば捕獲溶液の熱脱着の如き方法により再生されうる。再生されたら、気体を泥炭地に例えば一方向射出の如き方法により気相または液相で泥炭の奥底に導入することができる。
図面の簡単な記述
図1は温室気体捕獲の簡素化された例を示す。
【0008】
図2は温室気体再生の簡素化された例を示す。
【0009】
図3はN、N、NO、N、およびNを含有するNO気体混合物のクロマトグラムを示す。クロマトグラムは5個のピークを含有し、そこで各ピークは5種の気体のそれぞれに起因する。
【0010】
図4は泥炭を用いるNO気体の20分間の処理後の上部空間のクロマトグラムを示す。5種のNO気体の4種に相当するピークは泥炭処理後の混合物には不在である。
【0011】
図5は泥炭処理後に残存するNピークを囲むクロマトグラフ領域の拡大尺を表わす。Nは泥炭処理後に検出可能な唯一の気体であり、ピーク下面積の減少により示されるように濃度が68%減少して存在する。
発明の詳細な記述
本発明は工業廃棄物からの1種もしくはそれ以上の環境汚染物の生物隔離および有機同化方法に関する。本発明は工業廃棄物から1種もしくは複数の有毒気体および/または粒状物質を捕獲しそして同化するための費用効果的手段を提供する。
【0012】
一面で、本発明は温室効果の一因となる気体の生物隔離および有機同化方法に関する。この方法は、温室効果の一因となる気体を泥炭地に入れ、そこでそれをその後に隔離しそして有機的に同化することを含んでなる。本発明の方法では、泥炭地は地理学的位置とは無関係ないずれの泥炭地でもよく、そして多雨性(ombrotropic)または多鉱性(minerotropic)のいずれであってもよい。泥炭地はいずれの規模であってもよくそして天然または人工環境中に存在しうる。泥炭地が導入された気体の有効な生物隔離のためのシステムを含んでなることが本発明の条件である。好ましい態様では、泥炭地はキャップすなわち一団として約50cmの深さに達するミズゴケ−スゲの層を含んでなる表面を含んでなる。
【0013】
本発明の温室気体は温室効果の一因となるいずれの気体であっってもよい。用語「温室効果」は、ここでは地球温暖化および/または酸性雨の環境効果を包括することを意図する。温室気体はメタン(CH)、炭素酸化物(CO)または窒素酸化物(NO)気体を含んでなりうる。本発明の炭素酸化物は一酸化炭素(CO)または二酸化炭素(CO)を含んでなりうる。本発明の窒素酸化物はNO、NO、NO、NO、N、N、N、またはNを含んでなりうる。
【0014】
温室気体はさらに炭素−ハロゲンまたは硫黄−ハロゲン含有気体を含んでなりうる。炭素−ハロゲン含有気体臭化メチル(CHBr)または四塩化炭素(CCl)を含んでなりうる。炭素−ハロゲン含有気体はヒドロフルオロカーボン(HFC)、クロロフルオロカーボン(CFC)、およびペルフルオロカーボン(PFC)よりなる群から選択することができる気体を含んでなりうる。ペルフルオロカーボン(PFC)の具体例はCFおよびCを包含する。硫黄−ハロゲン含有気体は六弗化硫黄(SF)を含んでなりうる。
【0015】
温室効果が酸性雨である場合には、本発明の方法による生物隔離および有機同化用の気体はさらに硫黄酸化物(SO)気体および/または揮発性有機化合物(VOC)を含んでなりうる。硫黄酸化物気体は二酸化硫黄(SO)、三酸化硫黄(SO)および硫酸塩(SO−2)を含んでなりうる。本発明の揮発性有機化合物の非限定例は非メタン炭化水素、アルコール、アルデヒドおよび有機酸を包含する。
【0016】
温室効果の一因となる気体の生物隔離および有機同化方法はさらに温室気体の捕獲を含んでなりうる。捕獲は大気中への一時的温室気体の逃げを不可能にする。さらに、捕獲は泥炭地から離れて発生した捕獲された気体の移送を可能にする。気体の捕獲は当該技術で既知である多くの捕獲手段のいずれかを用いて行いうる。捕獲手段は、温室気体を吸収、会合、破砕、キレート化、ストリッピング、解離、溶解、捕捉、改質、沈殿、または精製する能力により特徴づけられうる。捕獲手段は水またはアルカリ性溶液を含んでなりうる。当該技術で使用される捕獲技術の非限定例は、米国特許第6,592,829号、第3,961,019号、第4,036,593号、第4,081,509号、第5,032,252号、第5,160,426号、第6,579,507号、および第6,579,508号明細書に記載されており、それらは全て引用することにより本発明の内容となる

【0017】
温室気体は最も普遍的にはアミンまたはアルカノールアミン溶液を用いる化学反応で吸着される。これらの反応は最も費用効果的であり且つ最も良く立証された操作記録を有すると考えられている。当該技術で既知であるアルカノールアミン溶液の非限定例は、モノエタノールアミン(MEA)、ジエタノールアミン(DEA)、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン(MDEA)、および2−アミノ−2−メチル−1−プロパノールアミン(AMP)を包含する。アミン溶液の組み合わせ、および/またはアルカノールアミン/水溶液配合物を使用する方法は本発明の範囲内に入る。当該技術で既知であるアルカノールアミン/水溶液配合物の例は、H2O/MEA、H2O/DEA、H2O/MDEA、H2O/AMP、AMP/MDEA/H2O、AMP/DEA/H2O、DEA/MDEA/H2O、MDEA/MEA/H2O、およびAMP/MEA/H2Oを包含する。いずれか特定の捕獲溶液を本発明の方法と共に使用することは必要条件ではないが、高い温室気体吸収能力並びに低い蒸気圧、高い分解耐性、および低い腐食性を有する捕獲溶液が好ましい。
【0018】
捕獲用の多くの有効な専用溶媒が開発されておりそしていずれも本発明に関して使用することができる。溶媒選択基準の必須要素は、原料気体特性(組成、圧力、温度など)および捕獲された気体の明細(すなわち工程条件)である。捕獲溶媒の作用能力が捕獲場所におけるその循環速度を制定する。溶媒循環速度は吸収剤塔の寸法、配管システム、循環ポンプおよび必要な施設の寸法に直接的な影響を有する。原料気体中の温室気体の分圧がまず溶媒循環速度をほぼ決める。向流カラムが原料気体と完全に充填された富裕溶媒との接触を与える。従って、最低でも、原料中の所望する温室気体の全てを吸収しそして接触場所における吸収用の推進力を与えるのに充分な溶媒が存在していなければならない。
【0019】
生成物中の温室気体の分圧が、要求される再生度を決める。溶媒中の温室気体の平衡分圧は生成物気体の分圧より低くなければならない。圧力差が吸収剤の上部における吸収用の推進力を与える。従って、2つの最も重要な費用要素である循環速度および再生エネルギー効率は、原料および生成物中の温室気体分圧によりかなりの程度まで立証される。さらに、化学反応システムの投資のかなりの部分は再生エネルギー効率に依存する。
【0020】
捕獲されたら、温室気体を次に泥炭地またはその近くに位置する処理施設に送ることができる。捕獲により、適宜、貨物、列車またはトラックによる塊状での移送が可能になる。移送されたら、気体を次に閉鎖システム内で再生しそしてその後に泥炭地に導入することができ、そこでそれが隔離されそして有機的に同化される。導入された温室気体は、特に泥炭地が乱されてなく且つキャップが除去されていなかった場合には、泥炭の窪みの中に物理的に捕獲される。再生手段は多様であることができ、そして使用される具体的な捕獲手段に依存する。好ましい態様では、アミン溶液を用いる化学方法での吸収により捕獲される気体は熱脱着により再生される。再生段階中に気体アミン複合体を破壊するのに必要な熱の程度は反応熱に部分的に依存する。比較的低い熱反応を有する溶媒は比較的高い反応熱を有するものより再生のために少ないエネルギーを必要とする。専用溶媒を包含する種々の溶媒の溶媒作用能力は充分に記述されている(Solubility of nitrous oxide in amine solutions; Z. Bensetiti, I. Iliuta, F. Larachi, B.P.A. Grandjean, Department of Chemical Engineering & CERPIC, Laval University, Sainte Foy (Quebec) Canada G1k &p4, Industrial &
Engineering Chemistry Research 38, 328−332 (1999); the Second International Conference on Carbon Dioxide Removal in Jap
an; and the Fourth International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies in Switzerland)。
【0021】
再生されたら、気体は泥炭地の窪みの中にポンプ注入され、そこで気体は在留微生物による同化前に最初に有機物質と化学的に結合する。好ましい態様では、気体は泥炭地に例えば泥炭の窪み中への気体または液体相での一方向注入の如き方法により導入される。気体の同化が泥炭を構成する天然有機物質内への気体の導入をもたらす。温室気体と泥炭との間の化学反応が起きたら、微生物が有機物質の急速分解および鉱化において主要な役割を演ずる。有機同化に主として寄与する微生物は、真菌、細菌、および/またはアンチノマイセテス(antinomycetes)を含んでなる。温室気体は泥炭の有機化合物並びに炭素、窒素、酸素、および硫黄の元素に付加する。微生物水準における増減を調整してその後の同化を増減させうる。泥炭中でのその後の同化を行うために酸性度基準を緩和することができる。温室気体が再生されたら、捕獲溶液をさらなる捕獲および再生サイクル用に再循環することができる。
【0022】
この方法の簡単な例を発電により説明することができる。燃焼サイクル中で標的燃料気体NOをそれがアミン溶液を通って燃焼室から出て行く際に泡立たせる。例えば、モノエタノールアミン(MEA)、ジエタノールアミン(DEA)のアミン水溶液は、1モルのアミン溶液当たり約45%モルのNOを吸収しうる。アミン溶液を次に泥炭指定地に隣接する施設に移送することができる。アミン溶媒は閉鎖ループシステム内の温室気体の熱分解により再生される。NO気体を地下配管の一方向グリッドシステムを用いて泥炭窪みに注入することができる。NO放出のないアミン溶液は電気利用施設で泡立て場所に戻されてサイクルを再び繰り返すことができる。
【0023】
泥炭の窪み内での温室気体の有機同化は、泥炭内で起きる既知の化学反応により行われる。いくつかの代表的な反応を以下に示す。炭素、窒素および硫黄はそれらが大気および土壌と反応する際に同様なサイクルを有する。植物は絶えず空気から二酸化炭素を摂取しそしてそれを酸素と置換する。植物はこのCOを水と反応させてデンプンおよび酸素を生成する。この炭素サイクルに関する式は、
6CO+5HO > C10(デンプン)+6O
である。
【0024】
COはさらに泥炭中の微生物との他の反応を受けてCO(一酸化炭素)を生物学的に製造しそして最終的に酢酸塩および/またはメタンを製造する。三酸化硫黄(SO)は同様に二酸化硫黄(SO)になりそして次に最終的に硫化水素になり、そして次に不完全な燃焼で硫黄および酸素になる。SO2−>SO>SO>HS>S。これらの炭素、窒素および硫黄サイクルは同時に行うことができそして互いに似ている。
【0025】
硝化(Nitrification)は、NHがNOにそして引き続きNOに酸化される工程である。硝化剤の1種である独立栄養硝化剤はNH酸化からのエネルギー放射を用いて、光合成により炭素を固定するために植物が太陽エネルギーを使用する方法と同様にして、成長および維持において使用される炭素を固定する。第二の種類の硝化剤である独立栄養硝化剤はそれらのエネルギーを有機物質の分解から得る。独立栄養硝化剤は、2つの群、すなわちアンモニウムを亜硝酸塩に転化させるもの、例えばニトロソロブス(Nitrosolobus)および他の「ニトロソ−」属、並びに亜硝酸塩を硝酸塩に転化させる他のもの、例えばニトロバクター(Nitrobacter)および他の「ニトロ−」属、を包含する。これらの独立栄養硝化剤は、NHまたはNO酸化からのエネルギーを使用してCOを還元してCO固定を行うことにより構造および代謝炭素化合物を合成する偏性好気性菌である。独立栄養硝化は多くの生態系におい
て優勢を占めるが、従属栄養硝化も低い窒素アベイラビリティーまたは酸性土壌を有する生態系において重要でありうる。アンチノマイセテスを包含する多くの従属栄養真菌および細菌は、NHからNOまたはNOを製造する。一部は工程において有機窒素も使用する。最後に、一酸化窒素(NO)および一酸化二窒素(NO)が硝化中に製造される(”Chapter 8. Terrestrial Nutrient Cycling.” Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology Chapin III, F. Stuart, Matson, Pamela, Mooney, Harold A. 1st ed. 2002 Corr. 2nd printing, 2004, XIV, 436 p. 199 illus.)。(NH+1.5O=NO+HO+2H)(”Nitrification.” Henriksen, K, and Kemp, W.M. 1988. Nitrification in Estuarine and
Coastal Marine Sediments, pp.207−249 in
T.H. Blackburn and J. Sorensen (eds.), Nitrification in Estuarine and Coastal Marine Sediments. Nitrogen Cycling in Coastal Marine Environments, John Wiley and
Sons Ltd. Berounsky, V.M. and Nixon, S.W. 1990. Temperture and the annual cycle
of nitrification in waters of Narragansett Bay. Limnology and Oceanography 35, 1610−1617)。
【0026】
「用語脱窒(denitrification)(または完全脱窒)は大気酸素および窒素の酸化物への硝酸塩の完全な還元を示すべきであるが、硝酸塩の消滅を包含する他の方法を硝酸塩還元および硝酸塩同化と称してもよい」(Waksman, Selman
A. Principles of Soil Microbiology. Baltimore: The Williams & Wilkins Company, 1932).「脱窒微生物は多様な群であり、シュードモナス(Pseudomonas)、パラコッカス(Paracoccus)、フラボバクテリウム(Flavobacterium)、チオバシルス(Thiobacillus)、ヒフォミクロビウム(Hyphomicrobium)、アゾスピリルム(Azospirillum)、アルカリゲネス(Alcaligenes)、ニトロソモナス(Nitrosomonas)およびアクロモバクター(Achromobacter)を包含する多くの属が脱窒種を含有することが知られている。これらの属からの種は種々の生態的地位を占めそして独立栄養生物、従属栄養生物、有機栄養生物および脂肪栄養生物より構成される」(Apel, William A., Turick, Charles E. “The use of denitrifying bacteria for the removal
of nitrogen oxides from combustion gases.” Fuel, Vol. 72, Issue 12, pg.1715−1718, 1993)。脱窒方法は異化熱電子受容体として作用するNOを用いる偏性嫌気性呼吸方法であると思われていた。脱窒は好気性条件下でも起きうる(Apel, William A., Turick, Charles E. “The use of
denitrifying bacteria for the removal of nitrogen oxides from combustion gases.” Fuel, Vol. 72, Issue 12, pg.1715−1718,
1993)。嫌気性脱窒では、植物(腐敗した有機物質)が必要なエネルギー用の炭素を与える。反応は熱力学的に有利でありそしてこの反応に介在する適切な細菌が存在する時には容易に起きる(Eslick, Jack C. “Bogs: A Web Presentation.” ES767 Quaternary Geology 2
001. Anderson, W.I., 1998, Iowa’s Geological Past: Three Billion Years of Earth History, University of Iowa Press, Iowa City, Iowa. Barnhart,R.K.(editor), 1988,
Chambers Dictionary of Etymology, Chambers Harrap Publishers, Ltd., Edinburgh. Bates, R.L. and Jackson, J.A. (Editors),
1984, Dictionary of Geological Terms, 3rd Ed., Anchor Books, New York, New York. Cady, G.H., 1987, in McGraw−Hill Encyclopedia of Science and Technology, Parker, S.P. (Editor), McGraw−Hill Book Company, New York, New York. Cecil, C.B, Dulong. F.T., Cobb, J.C., and Supardi, 1993,
Allogenic and autogenic controls on sedimentation in the central Sumatra basin as an analogue for Pennsylvanian coal−bearing strata in the Appalachian basin, in; Cobb, J.C., and Cecil, C.B., eds., Modern and Ancient Coal−Forming Environments, Boulder, Colorado, Geological Society of American Special Paper 286. Chapell, F.H., 2001, Ground−Water Microbiology and Geochemistry, 2nd Ed., John Wiley & Sons Inc., New York, New York. Dammon, A.W.H., and French, T.W., 1987, The Ecology of Peat Bogs of the Glaciated Northeastern United States, U.S. Fish and Wildlife Service Biological Report 85(7.16) Supt. of Documents, Washington D.C. Davis, J.H., 1946, The Peat Deposits of Florida: Their Occurrence, Development, and Uses, Geological Bulletin No.30, The Florida Geological Survey, Tallahassee, Florida. Glob, P.V., 1965, The Bog People, Iron−age Man Preserved, Ballantine Books,
New York, New York. Eastman, J., 1995, The Book of Swamp and Bog Trees, Shrubs,
and Wildflowers of Eastern Freshwater Wetlands, Stackpole Books, Mechanicsburg,
Pennsylvannia. Eicher, D.L., 1976, Geologic Time, 2nd Ed., Prentice−Hall, Inc. Englewood Cliffs, New Jersey. Hansen, H.P., 1941, Paleoecology of Two Peat Deposits on the Oregon Coast, Oregon State University, Corvallis, Oregon. Lowe, J.J. and Walker, M.J.C., 1997, Reconstructing
Quaternary Environments, 2nd ed., Addison Wesly Longman Limited, Essex, England. Manahan, S.E., 1991, Environmental Che
mistry, 5th Ed., Lewis Publishers, Inc.,
Chelsea, Michigan. Niering, W.A., 1998,
Wetlands, Alfred A. Knopf, New York, New York, Menon, S., 1997, The People of the Bog, Discover Magazine, Vol.18 No.8, p.60−8. Parker, S.P. (Editor), 1989, Dictionary of Scientific and Technical Terms, 5th Ed., McGraw−Hill Book Company, New York, New York. Starr, C. and Taggart,
R., 1992, Biology: The Diversity of Life, 5th Ed., Wadsworth Publishing Company, Belmont, California)。
【0027】
NOの脱窒還元は2つの酵素段階でNOを必須中間体として用いて起きる。脱窒経路は、NOを遊離中間体として用いて、2種の酵素である硝酸レダクターゼおよび酸化窒素レダクターゼを包含する継続的な経路を記述している(NO→ NO → NO)。これは間接経路として知られる。生成されたNOは急速に二量化してNOを製造し、この提案はNOレダクターゼによるNOの1−電子還元後の自発的な非酵素化学反応によりNOのN=N結合が生成することを示唆している(Ye, Rick W., Averill, Bruce A., Tiedje, James M. “Denitrification: Production and Consumption
of Nitric Oxide.” Applied and Environmental Microbiology, Apr. 1994, Vol.60, No.4, pg.1053−1058)。亜硝酸塩還元および酸化窒素還元は2つの別個であるが関連する方法である。制限遺伝子がNOおよびNOの還元を生ずる。NOの還元はエネルギー保存性である。NOの1つの重要な機能は電子受容体として作用し且つエネルギーを保存することである。
【0028】
【化1】

【0029】
より少なく認められている直接経路は、NOからNOへの転化が全て亜硝酸レダクターゼにより、NOの脱水により生成した酵素−結合されたニトロシル(NO)が第二の亜硝酸塩による親核性攻撃を受けて酵素−結合されたNを生成するような方法を介して、行えることを示唆している。直接経路ではNOは必須遊離中間体でない。(Ye, Rick W., Averill, Bruce A., Tiedje,
James M. “Denitrification: Production and Consumption of Nitric Oxide.” Applied
and Environmental Microbiology, Apr. 1994, Vol.60, No.4, pg.1053−1058)。直接経路(NO → NO)は、
NO>NO>NO+NO >N>NO>N
亜硝酸レダクターゼ酵素−結合されたニトロシル(NO)の存在下
である。
「ほとんどの脱窒剤は全ての還元工程を行うための酵素能力を有する。」有意な脱窒に必要な3つの条件は、低酸素、高い硝酸塩濃度、および有機炭素の供給である。酸素供給は高い土壌水含有量により減じられ、それは土壌孔内での酸素の拡散を妨害する(”Chapter 8. Terrestrial Nutrient Cycling.” Ecosystem ecology text. Principles of Terrestrial Ecosystem Ecology Chapin III, F. Stuart, Matson, Pamela, Mooney, Harold
A. 1st ed. 2002. Corr. 2nd printing, 20
04, XIV, 436p. 199 illus.)。脱窒は主として嫌気性工程である。簡素化された一般化された脱窒経路は(NO→NO→NO→NO→N)である(Apel, William A., Turick, Charles E. “The use of denitrifying bacteria for
the removal of nitrogen oxides from combustion gases.” Fuel, Vol.72, Issue 12, pg.1715−1718, 1993)。
脱窒の最終生成物は気体状窒素Nである。ここで、
・NO−−は硝酸塩を意味し、
・NOは亜硝酸塩を意味し、
・NOは一酸化窒素を意味し、
・NOは一酸化二窒素を意味し、そして
・Nは二窒素または気体状窒素を意味する。
【0030】
泥炭の窪み内の硝化/脱窒工程に影響を与えうる最も重要な変数は水の水準である。多雨地は約98%水分である。多雨地は一般的にその水を主として降雨量から受容しそしてその水の水準を毛管作用により維持する。上部30cmは、好気性呼吸または硝化が起きる領域である。それより下では、水飽和点は98%水準に達する。高い水含有量により、比較的低い酸素水準が存在する。それ故、そこが脱窒が起きる領域である。
【0031】
泥炭の窪み内の硝化/脱窒工程に影響を与えうる第二の最も重要な変数は有機化合物のアベイラビリティーである。多雨泥炭地内の有機化合物は50%を越える溶解物質の炭素含有量を有する。このことは、それがエネルギー源でありそして脱窒が起きる物理的空間であるため、重要である。硝化はアンモニウムおよび酸素を利用して(そのエネルギーをそこから受容して)微生物が亜硝酸塩を生成可能にし、それらを次に脱窒サイクル中で使用して最終的に気体状窒素を製造する。
【0032】
硝化に最適な温度は摂氏10°〜30°の範囲である。硝化は温度が低下するにつれてより多く制限され始めるが、脱窒は比較的低い温度によってわずかに影響を受けるにもかかわらずそれは実質的な速度で続くであろう。これは異なる温度における一般的な脱窒剤の作用によることがある。例えば、シュードモナス脱窒剤を用いるNO還元の最高速度は35℃で、そしてパラコッカス脱窒剤を用いると30℃で、起きた(Apel, William A., Turick, Charles E. “The use of
denitrifying bacteria for the removal of nitrogen oxides from combustion gases.” Fuel, Vol.72, Issue 12, pg.1715−1718, 1993)。
【0033】
微生物活性が泥炭内の物質の有機同化における重要な因子である。1グラムの土壌中の微生物の数は平均200,000である。例えば栄養分のアベイラビリティーの如きある種の条件下では、微生物数は1グラム当たり7500万以上に達しうる。微生物は平均で毎秒20,000個の新しい蛋白質を製造しうる酵素を製造しうることに留意すべきである。微生物数は栄養源(例えば、人工的なNO放出)において増加を受けるまで休止状態にある。これらの微生物数は互いに競合しながら文字通り開花しうる。これが脱窒工程にとって重要である。
【0034】
窒素流束能力(nitrogen flux capacity)に関する別の重要な変数は植物キャップ(vegetative cap)である。植物キャップが妨害されない場合には、大気中への逃避放出速度は50%減じられる(Ikkonen, E.N., Kurets, V.K., Grabovik, S.I., Drozdov
, S.N. “The Rate of Carbon Dioxide Emission into the Atmosphere from a Southern Darelian Mesooligotrophi Bog.” Russina Journal of Ecology, Vol.32, No.6, 2001,, pp382−385). 窒素固定の多くは多雨泥炭地の上部30cm内で、特に根構造の節内で、起きる。硝化は土地の上層内の大きい好気性および小さい嫌気性区域で置きる。脱窒は土地の下層内の小さい空間領域内で起きる。泥炭の組成が巨大な表面積を与え、そこで細胞周辺レダクターゼ蛋白質が硝酸塩の気体状酸素への受容体還元を可能にする。脱窒に関する空間条件すなわち微細部位は非常に小さくそして泥炭の窪み全体にわたり分布されている。脱窒工程は気体状窒素の100%生成を達成し、それは次に拡散により大気に移される(Waksman, Selman A. Principles of Soil Microbiology. Baltimore: The Williams & Wilkins Company, 1932)。
【0035】
メタノゲネシス、すなわちCOからのメタンの生物学的製造、は無毒条件下で起きそして嫌気性呼吸のタイプとみなしうる。ATPの合成は電気化学的H電位中間体を伴う化学浸透機構に関連する。ADPのホスホリル化は補酵素M−補酵素Bヘテロ二硫化物の還元と連結される。基本的な反応式は以下の通りである:
4H+CO=CH+2H
微生物種のデータは、アルカエバクテリア(Archaebacteria)、メタノバクテリウム・サーモオートトロフィクム(Methanobacterium thermoautotrophicum)、メタノブレビバクター(Methanobrevibacter)、メタノサームス(Methanothermus)、メタノコッカス(Methanococcus)、メタノミクロビウム(Methanomicrobium)、メタノゲニウム(Methanogenium)、メタノスピリルム(Methanospirillum)、メタノプラヌス(Methanoplanus)、メタノクレウス(Methanoculleus)、メタノピルス(Methanopyrus)、メタノコルプスクルム(Methanocorpusculum)、メタノバクテリウム(Methanobacterium)、メタノサルシナ(Methanosarcina)、メタノサルシナ・バルケリ(Methanosarcina barkeri)、およびメタノサルシナ・サーモフィラ(Methanosarcina thermophila)に関して入手可能である。
【0036】
COからのメタノゲネシスに関する経路は以下の通りに表わすことができる(Mathews95: Mathews CK, van Holde KE Biochemistry, Second Edition The Benjamin/Cummings Publishing Company Menlo Park, CA 1995. Overbeek98: Overbeek, R, Larsen, N, Selkov, EE, Maltsev, M “The WIT Databese.” 1998 WWW URL http:/www.cme.msu.edu/WIT/. Thauer98: Thauer RK (1998). “Biochemistry of methanogenesis: a tribute to Marjory Stephenson. 1998 Marjory Stephenson Prize Lecture.” Microbiology 1998; 144(Pt9); 2377−406. PMID: 9782487):
【0037】
【化2】

【0038】
一酸化炭素デヒドロゲナーゼ(基質からの水素の除去および酸化−還元反応における受容体への水素の移送に触媒作用を与える酵素)経路は以下の通りである:(2001−2002 SRI International SRI International Pathway Tools software, page generated on Thu May 13, 2004. The resulting data set was derived computationally using Pathologic; a software module included with
Pathway Tools for creating a pathway/genome database from an annotated genome. PsuedoCyc is hosted by the Brinkman Lab,
(Simon Fraser University, Greater Vancouver, BC, Canada) and is continually being updated by the Pseudomonas Community Annotation Project (PseudoCAP)):
【0039】
【化3】

【0040】
ホモアセトジェニック(Homoacetogenic)細菌は、HおよびOから酢酸塩を合成しうる真正嫌気性菌である。種のデータはクロストリジウム・サーモアセチクム(Clostridium thermoaceticum)に関して入手可能である。酢酸塩からのメタンの生合成は以下の通りである:
【0041】
【化4】

【0042】
天然のメタンのほとんどは酢酸塩から発生するが、2種だけのメタノジェニック・アセトトロフ(methanogenic acetotrophs):メタノサルシナ(Methanosarcina)およびメタノスリックス(Methanothrix) が知られている。酢酸塩はC−CおよびC−S結合の分裂前にアセチル−CoAに活性化されるはずである。カルボニル基はCOに酸化され、メチル基はテトラヒドロサルシナプテリンを介して補酵素Mに移される。メチル−補酵素Mは補酵素Mおよび補酵素Bからの電子を有するメタンに還元的に脱メチル化される。生じた補酵素Mおよび補酵素Bの複素二硫化物は次にそれらのスルフヒドリル形態に還元される。CHおよびCOへの酢酸塩の転化は発酵である。
【0043】
基本的な反応式は、酢酸塩+H=メタン+COである。
【0044】
種のデータはメタノサルシナ・サーモフィラ(Methanosarcina the
rmophila)に関して入手可能である(Ferry92: Ferry JG (1992). “Methane from acetate.” J Bacteriol 1992; 174(17); 5489−95. PMID: 1512186
Ferry97: Ferry JG (1997). “Enzymology of the fermentation of acetate to methane
by Methanosarcina thermophila.” Biofactors 1997; 6(1); 25−35. PMID: 9233537 James93: James G. Ferry, editor Methanogenesis Ecology, Physiology, Biochemistry & Genetics Chapman & Hall, New York 1993. Thauer98: Thauer RK (1998). “Biochemistry of methanogenesis: a tribute to Marjory Stephenson. 1998 Marjory Stephenson Prize Lecture.” Microbiology 1998; 144(Pt9); 2377−406. PMID: 9782487)。
【0045】
酸化硫黄経路は泥炭中で以下の通りにして同化される:
SO−2>SO−2>H
微生物シュードモナス・アウルギノサ(Pseudomonas aeruginosa)経路は発表されている(Copyright 2001−2002 SRI International SRI International Pathway Tools software, page generated on Thu May 13, 2004. The resulting data set was derived computationally using Pathologic; a software module included with Pathway Tools for creating a pathway/genome database from an annotated genome. PsuedoCyc is hosted by the Brinkman Lab, (Simon Fraser University, Greater Vancouver, BC, Canada) and is continually being updated by the Pseudomonas Community Annotation Project (PseudoCAP)):
【0046】
【化5】

【0047】
硫化物を、チオカプサ(Thiocapsa)、デスルホビブリオ(Desulfovibrio)、テオバシリウス(Theobacillius)およびクロマチウム(Chromatium)を包含する細菌により嫌気的に硫黄に酸化させることができる。これは以下の通りに示すことができる(Bothe: Bothe H., editor, Trebst A., editor “Biology of inorganic Nitrogen and Sulfur. Springer−Verlag, Berlin Heidelberg 1981.”):
【0048】
【化6】

【0049】
さらに硫黄酸化物は種々の細菌により酸化されそして還元される。例は以下の通りである:チオバシルス・テピダリウス(Thiobacillus tepidarius)は成長のために広範囲のポリチオン酸塩を利用することができる。T.テピダリウスはトリチオン酸塩をチオ硫酸塩に酸化し、それを次に中間体として亜硫酸塩を包含しうる経路により硫酸塩に酸化するが、この反応は充分には同定されていない(Friedrich98: Friedrich CG (1998). “Physiology and
genetics of sulfur−oxidizing bacteria.”
Adv Microb Physiol 1998; 39; 235−89. PMID: 9328649. Kelly93: Kelly DP, Lu W−P, Poole RK “Cytochromes in Thiobacillus tepidarius and the respiratory chain involved in the oxidation of thiosulphate and
tetrathionate.” Archives of Microbiology 160:87−95 (1993). Kelly97: Kelly DP, Shergill JK, Lu WP, Wood AP (1997). “Oxidative metabolism of inorganic sulfur compounds by bacteria.” Antonie Van Leeuwenhoek 1997; 71(1−2); 95−107. PMID: 9049021. Lu88: Lu W−P, Kelly DP “Kinetic and energetic aspects of inorganic sulphur compound oxidation by Thiobacillus tepidarius.” Journal of General Microbiology 134: 865−876 (1988). Lu88a: Lu W−P, Kelly DP “Cellular location and partial purification of the ‘thiosulphate−oxidizing enzyme’ and ‘trithionate hydrolyase’ from Thiobacillus tepidarius.” Journal of General Microbiology 134: 877−885(1988))。
【0050】
【化7】

【0051】
として表わされる。
【0052】
細菌デスルホビブリオ(Desulfovibrio)は重亜硫酸塩をトリチオン酸塩およびチオ硫酸塩を介して還元して硫黄および亜硫酸塩を生成する(Lee73: Lee JP, LeGall J, Peck HD (1973). “Isolati
on of assimilatory− and dissimilatory−type sulfite reductases from Desulfovibrio
vulgaris.” J Bacteriol 1973; 115(2); 529−42. PMID: 4725615)。
【0053】
【化8】

【0054】
として表わされる。
【0055】
異化硫酸塩還元は細菌デススルホビブリオを使用する。硫酸塩−還元剤は硫酸塩を末端電子受容体として使用することが可能である。硫酸塩はアデノシン−ホスホ硫酸塩(APS)に活性化される。APSは亜硫酸塩に還元され、それはまた硫化水素に還元され、それが排泄される(Gottschalk86: Gottschalk, G “Bacterial Metabolism, Second Edition. “Springer−Verlag, New York. 1986. Hansen94: Hansen TA (1994). “Metabolism of sulfate−reducing prokaryotes.” Antonie Van Leeuwenhoek 1994; 66(1−3); 165−85. PMID: 7747930)。
【0056】
【化9】

【0057】
として表わされる。
【0058】
揮発性有機化合物(VOC)は泥炭中で好気的および嫌気的に分解されそして同化されうる。VOCは直接温室気体としては比較的重要でない。VOCはオゾンのような大気中で有機エーロゾルを製造し、それら自体が直接温室気体である(www.ghgonline. org/othervocs.htm., Dave Reay, GreenHouse Gas Online. orgゥ2002 and 2003)。ある種のVOCは窒素酸化物と結合してオゾンを生成する。まとめてBTEXとして知られる単環式芳香族炭化水素であるベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、並びにキシレン異性体(o−、m−、およびp−)は最も水溶性である揮発性有機化合物の一部である。芳香族化合物、例えばBTEX、は微生物のための重要な成長基質である。最初は、これらの化合物は好気性条件下で、すなわち分子酸素の存在下で、のみ分解されうることが信じられ
ている。特定の微生物は嫌気的にそのような芳香族化合物に分解しうる。そのようにして単離されたトルエン−分解細菌は、プロテオバクテリア(Proteobacteria)のβ−副群のアゾアルクス/タウエラ(Azoarcus/Thauera)分枝内に群生する硝酸塩−還元細菌から2種の硫酸塩−還元細菌(デスルホバキュラ・トルオリカ(Desulfobacula toluolica)および菌株PRTOL1並びに1種の第二鉄還元細菌(プロテオバクテリアのδ−副群に属するゲオバクター・メタリレデュセンス(Geobacter metallireducens)ないしプロテオバクテリアのα−副群に属する1種のトルエン−利用光栄養細菌(ブラストクロリス・スルホビリジス(Blastochloris sulfoviridis))まで系統発生的に広範囲にわたる(Anders95: Anders HJ, Kaetzke A,
Kampfer P, Ludwig W, Fuchs G (1995). “Taxonomic position of aromatic−degrading denitrifying pseudomonad strains K 172 and KB 740 and their description as new members of the genera Thauera, as Thauera
aromatica sp. Nov., and Azoarcus, as Azoarcus evansil sp. nov., respectively, members of the beta subclass of the Proteobacteria. “Int J Syst Bacteriol 1995; 56(2); 327−33. PMID: 7537067. Beller96: Beller HR, Spormann AM, Sharma PK, Cole JR, Reinhard M (1996). “Isolation and characterization of a novel toluene−degrading, sulfate−reducing bacterium. “Appl Environ Microbiol 1996; 62(4); 1188−96. PMID: 8919780. Beller97: Beller HR, Spormann AM (1997). “Anaerobic activation of toluene and o−xylene by addition to fumarate in denitrifying strain T.” J Bacteriol 1997; 179(3); 670−6. PMID: 9006019. Beller97a: Beller, HR, Spormann, AM “Benzylsuccinate formation as a means of anaerobic toluene activation by sulfate−reducing strain PRTOL1.” Appl Environ Microbiol (1997) 63, 3729−2731. Biegert96: Biegert T, Fuchs G, Heider J (1996). “Evidence that anaerobic oxidation of toluene in the denitrifying bacterium Thauera aromatica is initiated by formation of benzylsuccinate from toluene and fumarate.”
Eur J Biochem 1996; 238(3); 661−8. PMID: 8706665. Coschigano97: Coschigano PW, Young LY (1997). “Identification and sequence analysis of two regulatory genes involved in anaerobic toluene metabolism by strain T1.” Appl Environ Microbiol 1997; 63(2); 652−60. PMID: 9023943. Harwood99: Harwood, C.S., Burchhardt, G., Hermann, H, Fuchs, G. “Anaerobic metabolism of aromatic compounds via the benzoyl−Co
A pathway.” FEMS Microbiol Rev (1999) 22, 439−458. Heider97: Heider J, Fuchs G (1997). “Anaerobic metabolism of aromatic compounds.” Eur J Biochem 1997; 243(3); 577−96. PMID: 9057820. Heider99: Heider, J, Spormann, AM, Beller, HR, Widdel, F “Anaerobic bacterial metabolism of hydrocarbons.” FEMS Microbiol Rev (1999) 22: 459−473. Leuthner00: Leuthner B, Heider J (2000). “Anaerobic toluene catabolism of Thauera aromatica: the bbs operon codes for enzymes of beta oxidation of the intermediate benzylsuccinate.” J Bacteriol 2000; 182(2); 272−7. PMID: 10629170. Lovley93: Lovley DR, Giovannoni SJ, White DC, Champine JE, Phillips EJ, Gorby YA, Goodwin S (1993). “Geobacter metallireducens gen. nov. sp. nov., a microorganism capable of coupling the complete oxidation of organic compounds to the reduction of iron and other metals.” Arch Microbiol 1993; 159(4); 336−44. PMID: 8387263. Rabus93: Rabus R, Nordhaus R, Ludwig W, Widdel F (1993). “Complete oxidation of toluene under strictly anoxic conditions by a new sulfate−reducing bacterium.” Appl Environ Microbiol 1993; 59(5); 1444−51. PMID: 7686000. Rabus95: Rabus R, Widdel F (1995). “Anaerobic degradation fo ethylbenzene and other aromatic hydrocarbons by new denitrifying bacteria.”
Arch Microbiol 1995; 163(2); 96−103. PMID: 7710331. Rabus98: Rabus, R, Heider, J “Initial reactions of anaerobic metabolism of alkylbenzenes in denitrifying and sulfate−reducing bacteria.” Arch Microbiol (1998) 170, 377−384. Smith90: Smith
MR (1990). “The biodegradation of aromatic hydrocarbons by bacteria.” Biodegradation 1990; 1(2−3); 191−206. PMID: 1368147. Zengler99: Zengler K. Heider J, Rossello−Mora R, Widdel F (1999). “Phototrophic utilization of toluene under anoxic conditions by a new strain of blastochloris sulfoviridis.” Arch Microbiol 1999; 172(4); 204−12. PMID: 0010525736. Zhou95: Zhou J, Fries MR, Chee−Sanford JC, Tiedje JM (1995). “Phylogenetic analyses of
a new group of denitrifiers capable of anaerobic growth of toluene and descript
ion of Azoarcus tolulyticus sp. nov.” Int J Syst Bacteriol 1995; 45(3); 500−6. PMID: 8590677)。
【0059】
【化10】

【0060】
として表わされる。
【0061】
シュードモナス・メンドシナ(Pseudomonas mendocina)を介するトルエン分解は、以下に表わされるように、オルト環分割の工程を含む(Bossert89: Bossert ID, Whited G, Gibson DT, Young LY (1989). “Anaerobic oxidation of p−cresol mediated by a partially purified
methylhydroxylase from a denitrifying bacterium.” J Bacteriol 1989; 171(6); 2956−62. PMID: 2722739. McIntire86: McIntere W. Singer TP, Smith AJ, Mathews FS (1986). “Amino acid and sequence analysis of the cytochrome and flavoprotein subunits of p−cresol methylhydroxylase.” Biochemistry 1986; 25(20); 5975−81. PMID: 3790500. Whited91: Whited GM, Gibson DT (1991). “Separation and partial characterization of the enzymes of the toluene−4−monooxygenase catabolic pathway in Pseudomonas mendocina KR1.” J Bacteriol 173(9);
3017−20. PMID: 2019564. Yen91: Yen KM,
Karl MR, Blatt LM, Simon MJ, Winter RB, Fausset PR, Lu HS, Harcourt AA, Chen KK (1991). “Cloning and characterization of
a Pseudomonas mendocina KR1 gene cluster encoding toluene−4−monooxygenase.” J Bacteriol 1991; 173(17); 5315−27. PMID: 1885512):
【0062】
【化11】

【0063】
以下に表わされるような、ロードシュードモナス・パルストリス(Rhodopseudomonas palustris)によるベンゾイル−CoAの環分割による嫌気性分解(Breese98: Breese K, Boll M, Alt−Morbe
J, Schagger H, Fuchs G (1998). “Genes coding for the benzoyl−CoA pathway of anaerobic aromatic metabolism in the bacterium Thauera aromatica.” Eur J Biochem 1998; 256(1); 148−54. PMID: 9746358. Egland97: Egland PG, Pelletier DA, Dispensa M, Gibson J, Harwood CS (1997). “A cluster of bacterial genes for anaerobic benzene ring biodegradation.” Proc Natl Acad Sci U S A 1997; 94(12); 6484−9. PMID: 9177244. Hartel93: Hartel U, Eckel E, Koch
J, Fuchs G, Linder D, Buckel W (1993). “Purification of glutaryl−CoA dehydrogenase from Pseudomonas sp., an enzyme involved in the anaerobic degradation of benzoate.” Arch Microbiol 1993; 159(2); 174−81. PMID: 8439237. Harwood99a: Harwood CS, Burchhardt G, Herrmann H, Fuchs G “Anaerobic metabolism of aromatic compounds via the benzoyl−CoA pathway.” FEMS Microbiology Reviews 22:439−458 (1999). Heider98: Heider J, Boll M, Breese K, Breinig S, Ebenau−Jehle C, Feil U, Gad’on N, Laempe D, Leuthner B, Mohamed ME, Schneider S, Burchhardt G, Fuchs G (1998). “Differential induction of enzymes involved
in anaerobic metabolism of aromatic compounds in the denitrifying bacterium Tha
uera aromatica.” Arch Microbiol 1998; 170(2); 120−31. PMID: 9683649. Laempe99: Laemnpe D, Jahn M, Fuchs G (1999). “6−Hydroxycyclohex−1−ene−1−carbonyl−CoA dehydrogenase and 6−oxocyclohex−1−ene−1−carbonyl−CoA hydrolase, enzymes of the benzoyl−CoA pathway of anaerobic aromatic metabolism in the denitrifying bacterium Thauera aromatica.” Eur J Biochem 1999; 263(2); 420−9. PMID: 10406950. Pelletier00: Pelletier DA, Harwood CS (2000). “2−Hydroxycyclohexanecarboxyl coenzyme A dehydrogenase, an enzyme characteristic of the
anaerobic benzoate degradation pathway used by Rhodopseudomonas palustris.” J Bacteriol 2000; 182(10); 2753−60. PMID: 10781543. Pelletier98: Pelletier DA, Harwood CS (1998). “2−Ketocyclohexanecarboxyl coenzyme A hydrolase, the ring cleavage enzyme required for anaerobic benzoate
degradation by Rhodopseudomonas palustris.” J Bacteriol 1998: 180(9); 2330−6. PMID: 9573182)。
【0064】
【化12】

【0065】
b−副群プロテオバクテリア(EBN1、EB1)内の細菌アゾアルクス(Azoarcus)の存在下におけるガソリンの水溶性成分であるエチルベンゼンの嫌気性酸化は以下の通りに表わすことができる(Ball96: Ball HA, Johnson HA, Reinhard M, Spormann AM (1996). “Initial reactions in anaerobic ethylbenzene
oxidation by a denitrifying bacterium, strain EB1.” J Bacteriol 1996; 178(19); 5755−61. PMID: 8824622. Breese98: Breees
K, Boll M, Alt−Morbe J, Schagger H, Fuchs G (1998). “Genes coding for the benzoyl−CoA pathway of anaerobic aromatic metabolism in the bacterium Thauera aromatica.” Eur J Biochem 1998; 256(1); 148−54.
PMID: 9746358. Champion99: Champion KM,
Zengler K, Rabus R (1999). “Anaerobic degradation of ethylbenzene and touene in
denitrifying strain EbN1 proceeds via independent substrate−induced pathways.” J Mol Microbiol Biotechnol 1999; 1(1); 1
57−64. PMID: 10941798. Hartel93: Hartel U, Eckel E, Koch J, Fuchs G, Linder D, Buckel W (1993). “Purification of glutaryl−CoA dehydrogenase from Pseudomonas sp., an enzyme involved in the anaerobic degradation of benzoate.” Arch Microbiol 1993; 159(2); 174−81. PMID: 8439237. Harwood99a: Harwood CS, Burchhardt G, Herrmann H, Fuchs G “Anaerobic metabolism of aromatic compounds via the benzoyl−CoA pathway.” FEMS Microbiology Reviews 22: 439−458 (1999). Heider98: Heider J, Boll M, Breees K, Breinig S, Ebenau−Jehle C, Feil U, Gad’on N, Laempe D, Leuthner B, Mohamed ME, Schneider S, Burchhardt G, Fuchs G (1998). “Differential induction of
enzymes involved in anaerobic metabolism of aromatic compounds in the denitrifying bacterium Thauera aromatica.” Arch Microbiol 1998; 170(2); 120−31. PMID: 9683649. Johnson01: Johnson HA, Pelletier DA, Spormann AM (2001). “Isolation and characterization of anaerobic ethylbenzene
dehydrogenase, a novel Mo−Fe−S enzyme.”
J Bacteriol 2001; 183(15); 4536−42. PMID: 11443088. Johnson99: Johnson HA, Spormann AM (1999). “In vitro studies on the
initial reactions of anaerobic ethylbenzene mineralization.” J Bacteriol 1999; 181(18); 5662−8. PMID: 10482506. Kniemeyer01: Kniemeyer O, Heider J (2001). “(S)−1−phenylethanol dehydrogenase of Azoarcus sp. strain EbN1, an enzyme of anaerobic ethylbenzene catabolism.” Arch Microbiol 2001; 176(1−2); 129−35. PMID: 11479712. Laempe99: Laempe D, Jahn M, Fuchs G (1999). “6−Hydroxycyclohex−1−ene−1−carbonyl−CoA dehydrogenase and 6−oxocyclohex−1−ene−1−carbonyl−CoA hydrolase, enzymes of the benzoyl−CoA pathway of anaerobic aromatic metabolism in the denitrifying bacterium Thauera aromatica.” Eur J Biochem 1999; 263(2); 420−9. PMID: 10406950.
Platen89: Platen H, Schink B (1989). “Anaerobic degradation of acetone and higher ketones via carboxylation by newly isolated denitrifying bacteria.” J Gen Microbiol 1989; 135(Pt4); 883−91. PMID: 2557377. Rabus95: Rabus R, Widdel F (1995).
“Anaerobic degradation of ethylbenzene
and other aromatic hydrocarbons by new denitrifying bacteria.” Arch Microbiol 1995; 163(2); 96−103. PMID: 7710331. Rabus98: Rabus, R, Heider, J “Initial reactions of anaerobic metabolism of alkylbenzenes in denitrifying and sulfate−reducing
bacteria.” Arch Microbiol (1998) 170, 377−384. Sluis96: Sluis MK, Small FJ, Allen JR, Ensign SA (1996). “Involvement of
an ATP−dependent carboxylase in a CO2−dependent pathway of acetone metabolism by Xanthobacter strain Py2.” J Bacteriol 1996; 178(14); 4020−6. PMID: 8763926. Sluis97: Sluis MK, Ensign SA (1997). “Purification and characterization of acetone
carboxylase from Xanthobacter strain Py2.” Proc Natl Acad Sci U S A 1997; 94(16); 8456−61. PMID: 9237998):
【0066】
【化13】

【0067】
ヒドロフルオロカーボン(HFC)、ペルフルオロカーボン(PFC)および六弗化硫黄(SF)を包含する炭素−ハロゲン化合物は泥炭中で微細物作用により同化される。炭素並びに1種もしくはそれ以上の下記のハロゲン、すなわち弗素(F)、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)およびアスタチン(At)、を以下の通りに例示することができる:
広く使用されている農業燻蒸剤である臭化メチル(CHBr)は、成層圏オゾンを破壊する大気臭素ラジカルの重要な原料でありうる。臭化メチルの細菌仲介は急速でありそして地球大気中で見られる基準以下まで不可逆的に除去される(Nature 377,
717−719 (2002); doi: 10.1038/377717a0 R
apid degradation of atmospheric methyl bromide in soils, J.H. Shorter, C.E. Kolb, P.M. Crill, R.A. Kervin, R.W. Talbot, M.E. Hines & R.C. Harriss)。
【0068】
ブロモクロロメタン(BrCHCl)はシュードモナス・フルオレセンス(Pseudomonas fluorescens)のヒドロラーゼの存在下でハライド結合に作用させることによりBr−1+Cl−1+ホルムアルデヒド(CH=O)に還元される(SRI International 1999−2004, Marine Biological Laboratory 1998−2001, Double Twist Inc 1998−1999. Nucleic Acids Res. 30(1): 56 2002)。
【0069】
四塩化炭素(CCl)または(CT)は、クリーニング溶媒、燻蒸剤として、そして冷蔵剤の製造における中間体で使用される有毒化合物である。高度に塩素化された化合物、例えば四塩化炭素、は好気性条件下の方が嫌気性条件下より容易に分解される。しばしば脱塩素化であるCTの分解における第一段階は特定のハロ呼吸細菌により実施することができるが、アセトフェニックおよびメタノジェニック細菌も塩素化された化合物を非特異的反応により転換させることができる。アセトバクテリウム・ウーディイ(Acetobacterium woodii)は四塩化炭素を還元および置換機構により分解させることができる。これらの経路には酵素は関与しない。むしろ、金属補酵素、例えばコリノイド(corrinoids)、シトクロムP450、および鉄(II)ポルフィリンがCTの生変成において重要な役割を演ずることが知られている。アセトバクテリウムはアセチル補酵素A(CoA)経路および高水準のコリノイドを利用してCTを主としてクロロホルム、ジクロロメタン、および数種の可溶性の塩素化されていない生成物に分解させる。対照的に、アセチル−CoA経路を欠いた有機体であるシェワネラ・アルガ(Shewanell alga)BrYにおいては、CTは主として一酸化炭素に転化される(Egli88: Egli C, Tschan T, Scholtz R, Cook AM, Leisinger T (1988). “Transformation of tetrachloromethane to dichloromethane and carbon dioxide by Acetobacterium
woodii.” Appl Environ Microbiol 1988; 54(11); 2819−24. PMID: 3145712. Egli90: Egli, C, Strohmeyer, S, Cook, AM, Leisinger, T. “Transformation of tetra− and trichloromethane to CO2 by anaerobic bacteria is a non−enzymatic process.” FEMS Microbiology Letters 67: 207−212 (1990). Hashsham99: Hashsham SA, Freedman DL (1999). “Enhanced biotransformation of carbon
tetrachloride by Acetobacterium woodii upon addition of hydroxocobalamin and fructose.” Appl Environ Microbiol 1999; 65(10); 4537−42. PMID: 10508086. Van98: Van Eekert MHA, Schroder TJ, Stams AJM, Schraa G, Field JA (1998). “Degradation and Fate of Carbon Tetrachloride in Unadapted Methanogenic Granular Sludge.” Appl Environ Microbiol 1998; 64(7); 2350−6, PMID: 9647798)。
【0070】
【化14】

【0071】
として表わされる。
【0072】
ハロアルカン、ハロアルコール、ハロアルケンおよび一部のハロ芳香族化合物は泥炭中で、数例を挙げるとキサントバクター・オートトロフィクス(Xanthobacter
autotrophicus)、アルスロバクター・J・バクテリオール(Arthrobacter J. Bacteriol)およびコリネバクテリウム(Corynebacterium) の如き多くの微生物、により微生物的に同化されうる。
【0073】
これに関する一般式は、HO+ハロアルカン>R−OH+ハライドである(SRI International 1999−2004, Marine Biological Laboratory 1998−2001, Double Twist Inc 1998−1999 Nucleic Acids Res. 30(1): 56
2002; Keuning, S., Janssen, D.B. and Witholt, B. Purification and characterization of hydrolytic haloalkane dehalogenase from Xanthobacter autotrophicus GJ10. J. Bacteriol. 163 (1986) 635−639. [Medline UI: 85261076:. Scholtz, R., Leisinger, T., Suter, F. and Cook, A.M. Characterization of 1−chlorohexane halidohydrolase, a dehalogenase of wide substrate range from an Arthrobacter sp. J. Bacteriol.
169 (1987) 5016−5021. [Medline UI: 88032819]. Yokota, T., Omori, T. and Kodama,
T. Purification and properties of haloalkane dehalogenase from Corynebacterium sp. strain m15−3. J. Bacteriol. 169 (1987) 4049−4054. [Medline UI: 87307981)。
【0074】
別の態様では、本発明は工業廃棄物から環境汚染物として製造される金属の生物隔離および有機同化方法に関する。この方法は金属を泥炭地に入れ、そこでそれをその後に隔離しそして有機的に同化する。本発明の概念における金属は、アルカリ金属、軽金属、および/または重遷移金属を含んでなりうる。アルカリ金属の例は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、およびフランシウムを包含する。軽金属の例は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムおよびラジウムを包含する。重遷移金属の非限定例は、クロム、水銀、および鉛を包含する。
【0075】
数世紀にわたり、泥炭地には産業が大気中に放出する金属が滲み込み、それらを泥炭内で有機金属と結合させてきた。金属は泥炭内で同化される。例は、硫酸銅、鉛の酢酸塩に対する微生物作用および方鉛鉱の酸化である。この好例は方鉛鉱である。方鉛鉱は種々の環境において見出される最多の鉛鉱石である。方鉛鉱は硫化鉛鉱脈内で最も普遍的に見いだされ、そして火成岩および堆積岩に拡散されている。それはしばしば銀鉱石と共に見出され、そしてしばしば鉛および銀鉱山に存在する。チオバシルス・プランボフィルス(Thiobacillus plumbophilus)は成長のために方鉛鉱を酸化する。それはまたHOおよびHを酸化することもできる(Drobner92: Drobner E, Huber H, Rachel R, Stetter KO (1992). “Thiobacillus plumbophilus spec. nov., a novel galena and hydrogen oxidizer.” Arch Microbiol 1992; 157(3); 213−7. PMID: 1510552)。
【0076】
【化15】

【0077】
として表わされる。
【0078】
泥炭中への大気水銀の沈着は19世紀初めから倍増したかもしれない(Nature 355, 434−437 (1992); doi: 10.1038/355434a0 Increase in global atmospheric concentrations of mercury inferred from measurements over the Atlantic Ocean, F. Slemr
& E. Langer)。
【0079】
シュードモナス・フルオレセンス(Pseudomonas fluoresens)のある種は酢酸フェニル水銀を分解することができる。有毒なHg2+イオンはより毒性が少なく且つ揮発性であるHgに転化される(Mirgain: Mirgain I, Werneburg B, Harf C, Monteil H “Phenylmercuric acetate biodegradation by environmental strais of Psuedomonas species.”
Res Microbiol NIL; 140(9); 695−707. PMID: 2626597)。
【0080】
【化16】

【0081】
として表わされる。
【0082】
有機水銀化合物は泥炭中で例えばセラチア・マルセセンス(Serratia marcescens)の如き微生物により同化されうる(SRI International 1999−2004, Marine Biological Laboratory 1998−2001, Double Twist Inc 1998−1999.
Nucleic Acids Res. 30(1): 56 2002)。
【0083】
【化17】

【0084】
として表わされる。
【0085】
泥炭中の金属同化は泥炭中の磁性細菌の発生に一部依存する(Nature 343,
161−163 (1990); doi: 10.1038/343161a0, Occurrence of magnetic bacteria in soil,
Joerg W.E. Fassbinder, Helge Stanjekt &
Hojatollah Vali)。これは泥炭中での金属元素または化合物の増加、遅滞、沈着または再流動化において重要な役割を演ずる。
【0086】
さらに別の態様では、本発明は工業廃棄物から環境汚染物として製造される粒状物質の生物隔離および有機同化方法に関する。この方法は粒状物質を泥炭地に入れ、そこでそれをその後に生物隔離しそして有機的に同化する。本発明の概念における粒状物質は工業生産の副生物として製造される粒状物質を含んでなりうる。粒状物質の例は、煤、塵、汚物、およびエーロゾルを包含する。エーロゾルは、自動車、化粧品、食品、塗料およびワニス並びに抛射剤中での種々の製品として使用される。ある種の一般的な抛射剤はCOおよびNOである。以上で説明したように、泥炭中の微生物はこれらのエーロゾルを還元および同化しうる。
【実施例】
【0087】
実施例1.泥炭中でのNO気体の有機同化
窒素酸化物の混合物を研究室内で発生させそして泥炭のカラム中に通した。空気試料を発生システムおよび後処理中に採取し、それらを引き続きガスクロマトグラフィー/質量分光法により分析して処理システムの効果を測定した。システムは硝化/脱窒サイクルにおける泥炭生物相のよく立証された能力を利用するように設計された。
【0088】
1Lエルレンマイヤー側腕真空フラスコにゴム栓を装着した。クロマトグラフィーカラムを栓の中に入れてシステムを開けずに試薬を導入する手段を可能にした。真空口には短い長さのタイゴン(Tygon)管が付いていた。この管が1Lフラスコを同様な500
mLフラスコに連結させた。このフラスコの目的は、液体トラップを提供してNO発生反応が処理システムを越える場合に泥炭から反応フラスコおよび安全区域への液体の逆流を防止することであった。この第二フラスコに別の短い長さのラテックス管により付けられているものは、1.5インチの直径を有するガラス管であった。このガラス管の中に18グラムの質量を有する2インチの湿った泥炭(湿っているがそこから絞られた過剰水分〜=65%固体)を入れた。5グラムの銅を1−Lフラスコ中に入れ、クロマトグラフィー管に12.3mLの70%硝酸を充填した。クロマトグラフィー管上の止めコックを開いて硝酸を銅に接触させた。反応により大量の有毒な褐色の煙が発生した。酸に対する銅の相対的濃度によって異なるNO気体が発生した。酸を銅に徐々に供給することにより、正常な燃焼工程を模するためにこの比を変えて種々の形態のNOの発生を確実にした。
【0089】
反応は以下の通りである:
3CU+8HNO → 3CU(NO+4HO+2NO
CU+4HNO → CU(NO+2HO+2NO
そして、過剰の硝酸が存在する時にはNおよびNが製造される。水の存在下では:
+HO → 2HNO
+HO → 2HNO
NOは二量化して四酸化二窒素、N、を生成する。室温で2つの分子間に平衡が存在する。そして、室温より上では、Nは不安定でありそしてNおよびOに分解する。
【0090】
1ミリリットルのこのNO気体を気密注射器内で採取しそしてバリアン・サターン・II・イオン・トラップ(Varian Saturn II Ion Trap)質量分光計にインターフェースさせたバリアン3400ガスクロマトグラフィーに注入した。クロマトグラフィー分離を0.32mm内径のレステク・プロット−Q(Restek Plot−Q)カラム上で行いそして質量分光計は電子衝撃方式で70evにおいて33−96ダルトンから走査して操作された。この気体試料のクロマトグラムは下記の保持時間および質量を有するNO種に起因した5個のピークを明らかに含有していた:

ピークID 保持時間 走査数 ピーク面積
1.N 7.77 459 145,550
2.N 11.64 698 277,463
3.NO 11.83 711 321,495
4.N 12.70 763 205,362
5.N 13.72 827 156,954

(試料のいずれかが捕獲された空気である可能性を排除するために)気体をカラム中に20分間にわたり通した後に、1ミリリットルの気体を泥炭上から直接採取した。試料を採取しながら気体を湿った泥炭の2インチ栓の中に活発に通した。この試料を同じ分析システムに注入した。この分析のクロマトグラムは、1つだけのピークがNO種に属したことを示した。これは13.82分の保持時間および50,378計数の面積におけるNである。
【0091】
実験は、気体が自然に固まった泥炭の2インチ部分を通るのにかかる時間の間にNO気体の混合物が除去されることを示している。5種の気体の4種はこの実験で100%除
去されそして第5の気体は68%の濃度減少を示した。
【図面の簡単な説明】
【0092】
【図1】図1は温室気体捕獲の簡素化された例を示す。
【図2】図2は温室気体再生の簡素化された例を示す。
【図3】図3はN、N、NO、N、およびNを含有するNO気体混合物のクロマトグラムを示す。
【図4】図4は泥炭を用いるNO気体の20分間の処理後の上部空間のクロマトグラムを示す。
【図5】図5は泥炭処理後に残存するNピークを囲むクロマトグラフ領域の拡大尺を表わす。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
温室効果の一因となる気体を泥炭地に導入し、そこでそれをその後に隔離しそして有機的に同化させることを含んでなる、温室効果の一因となる気体の生物隔離および有機同化方法。
【請求項2】
a)捕獲した気体の移送および気体の再生を可能にする捕獲手段を用いて温室気体を捕獲し、
b)捕獲された気体を泥炭地またはその近くに配置された処理施設に移送し、そして
c)泥炭地内への気体の導入前に気体を再生する
ことをさらに含んでなる請求項1の方法。
【請求項3】
気体が温室気体(CHG)、硫黄酸化物(SO)気体、および揮発性有機化合物(VOC)よりなる群から選択される請求項1の方法。
【請求項4】
温室気体が
a)メタン(CH)、
b)炭素酸化物、
c)窒素酸化物(NO)、
d)炭素−ハロゲン含有気体、および
e)硫黄−ハロゲン含有気体
よりなる群から選択される請求項3の方法。
【請求項5】
炭素酸化物が一酸化炭素(CO)および二酸化炭素(CO)よりなる群から選択される請求項4の方法。
【請求項6】
窒素酸化物がNO、NO、NO、NO、N、N、N、およびNよりなる群から選択される請求項4の方法。
【請求項7】
炭素−ハロゲン含有気体がヒドロフルオロカーボン(HFC)、クロロフルオロカーボン(CFC)、およびペルフルオロカーボン(PFC)よりなる群から選択される請求項4の方法。
【請求項8】
ペルフルオロカーボン(PFC)がCFおよびCよりなる群から選択される請求項7の方法。
【請求項9】
炭素−ハロゲン含有気体が臭化メチル(CHBr)および四塩化炭素(CCl)よりなる群から選択される請求項4の方法。
【請求項10】
硫黄−ハロゲン含有気体が六弗化硫黄(SF)を含んでなる請求項4の方法。
【請求項11】
硫黄酸化物が二酸化硫黄(SO)、三酸化硫黄(SO)、および硫酸塩(SO−2)よりなる群から選択される請求項3の方法。
【請求項12】
揮発性有機化合物が非メタン炭化水素、アルコール、アルデヒドおよび有機酸よりなる群から選択される請求項3の方法。
【請求項13】
捕獲手段が温室気体を吸収、会合、破砕、キレート化、ストリッピング、解離、溶解、捕捉、改質、沈殿、または精製する能力により特徴づけられる請求項2の方法。
【請求項14】
捕獲手段が水溶液を含んでなる請求項2の方法。
【請求項15】
捕獲手段がアルカリ性溶液を含んでなる請求項2の方法。
【請求項16】
捕獲手段がアミン溶液を含んでなる請求項2の方法。
【請求項17】
アミン溶液がアルカノールアミンを含んでなる請求項16の方法。
【請求項18】
アルカノールアミンがモノエタノールアミン(MEA)、ジエタノールアミン(DEA)、トリエタノールアミン、メチルジエタノールアミン(MDEA)、および2−アミノ−2−メチル−1−プロパノールアミン(AMP)よりなる群から選択される請求項17の方法。
【請求項19】
気体が捕獲溶液の熱脱着のような方法により再生される請求項2の方法。
【請求項20】
気体を泥炭地に一方向射出のような方法により気相または液相で泥炭の奥底に導入する請求項2の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公表番号】特表2007−515261(P2007−515261A)
【公表日】平成19年6月14日(2007.6.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−521828(P2006−521828)
【出願日】平成16年6月14日(2004.6.14)
【国際出願番号】PCT/US2004/018834
【国際公開番号】WO2005/013671
【国際公開日】平成17年2月17日(2005.2.17)
【出願人】(506034927)
【Fターム(参考)】