電気培養方法及び電気培養装置
【課題】微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を培養容器の外に漏洩させず、微生物を培養することのできる電気培養装置を提供する。
【解決手段】イオン交換膜６を備えた密閉構造の培養容器５と、作用電極９及び対電極１０と、電源１２とを備え、一方の槽には作用電極９が酸化還元物質３を含む培養液４に浸され、他方の槽には対電極１０が電解液が浸され、培養液４に微生物２が添加されて、電源１２により作用電極９と対電極１０との間に電位差を与えながら微生物２を培養する電気培養装置において、作用電極９は培養容器５内に、対電極１０は培養容器５の外側に配置され、培養容器５に培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、培養容器５のイオン交換膜６は培養容器５に培養液４が収容されたときに培養液４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との接触面とは反対側の面に対電極１０が接触して配置されている。
【解決手段】イオン交換膜６を備えた密閉構造の培養容器５と、作用電極９及び対電極１０と、電源１２とを備え、一方の槽には作用電極９が酸化還元物質３を含む培養液４に浸され、他方の槽には対電極１０が電解液が浸され、培養液４に微生物２が添加されて、電源１２により作用電極９と対電極１０との間に電位差を与えながら微生物２を培養する電気培養装置において、作用電極９は培養容器５内に、対電極１０は培養容器５の外側に配置され、培養容器５に培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、培養容器５のイオン交換膜６は培養容器５に培養液４が収容されたときに培養液４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との接触面とは反対側の面に対電極１０が接触して配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気培養方法及び電気培養装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、ガス状物質や揮発性物質を生産する微生物の培養に好適な電気培養方法及び電気培養装置、さらには、この電気培養方法を利用してガス状物質や揮発性物質を生産する方法、揮発性の有害物質を微生物により分解処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物の新たな培養技術として、電気培養技術の研究が進められている。電気培養とは、培養液の酸化還元電位を培養対象たる微生物の至適範囲に制御しながら微生物の培養を行う手法である（特許文献１参照）。培養液の酸化還元電位を培養対象たる微生物の至適範囲に制御することによって、その微生物のみを選択的に活性化させて、増殖の促進や物質分解能等といった微生物の諸機能を向上させることができる。また、電気培養には、微生物により酸化された物質を還元したり、逆に還元された物質を酸化したりすることにより微生物に必要な物質を再生し続けながら培養を行う方法も含まれる（特許文献２及び特許文献３参照）。
【０００３】
電気培養手法を実施するための電気培養装置の具体例として、例えば図５に示す電気培養装置が知られている（特許文献１参照）。図５に示す電気培養装置１０１は、イオン交換膜１０６によって仕切られた二つの槽（培養槽１０７と対電極槽１０８）を備える培養容器１０５と、作用電極１０９及び対電極１１０と、作用電極１０９と対電極１１０との間に電位差を与える電源１１２とを有し、培養槽１０７には酸化還元物質１０３を含む培養液１０４が収容されると共に作用電極１０９が培養液１０４に浸され、対電極槽１０８には電解液１０４ａが収容されると共に対電極１１０が電解液１０４ａに浸され、培養液１０４に培養対象たる微生物１０２が添加されて、電源１１２により作用電極１０９と対電極１１０との間に電位差が与えられながら微生物１０２が培養される。尚、図５に示す電気培養装置１０１では、培養液１０４に参照電極１１１が浸され、作用電極１０９、対電極１１０及び参照電極１１１は３電極式の電位制御装置であるポテンシオスタット１１２に結線され、培養槽１０７内の培養液１０４の酸化還元電位を厳密に設定可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５４６４６号公報
【特許文献２】特開２００６−５５１３４号公報
【特許文献３】特開２００７−８９５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の電気培養装置は培養容器が密閉構造とはなっていなかったことから、ガス状物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合、この微生物が生産するガス状物質が培養容器の外に揮散してしまい、この微生物が生産するガス状物質の量を正確に分析したり、漏れなく回収したりすることが困難であった。
【０００６】
また、揮発性物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合にも、ガス状物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合と同様の問題が生じていた。即ち、この微生物が生産する揮発性物質が揮発して生じたガス成分が培養容器の外に揮散してしまう結果、この微生物が生産する揮発性物質の量を正確に分析したり、漏れなく回収したりすることが困難であった。
【０００７】
さらに、揮発性の有害物質を分解する微生物を対象として電気培養を実施しながら、培養液に添加した揮発性の有害物質を分解処理する場合、分解対象物である揮発性の有害物質が培養容器の外に揮散してしまい、効率よく分解処理が行えないという問題があった。
【０００８】
また、従来の電気培養装置は培養容器が密閉構造とはなっていなかったことから、窒素ガス等を培養容器内に流してもガスが培養容器の外に揮散してしまい、微生物の培養環境を嫌気性に制御することが困難であった。そこで、従来は、例えばアクリル製の密閉構造の嫌気ボックスに培養容器を収容し、嫌気ボックスに窒素ガス等を流すことによって培養環境を嫌気性に制御していた。しかしながら、密閉構造の嫌気ボックス等に培養容器を収容してしまうと、培養容器そのものの管理、例えば培養液に物質を添加したりする処理が極めて煩雑になるという問題があった。また、電気培養終了後、再度培養を行う際には培養容器とともに嫌気ボックスも滅菌処理する必要が生じ、その手間が極めて煩雑なものとなっていた。
【０００９】
そこで、本発明は、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を培養容器の外に漏洩させることなく微生物を培養することのできる電気培養方法及び電気培養装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を培養容器の外に漏洩させることなく効率よく回収することのできる物質生産方法を提供することを目的とする。
【００１１】
さらに、本発明は、揮発性の有害物質を培養容器の外に漏洩させることなく微生物を利用して効率よく分解処理することのできる物質分解処理方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】
【００１２】
かかる課題を解決するため、本願発明者等は、従来の電気培養装置の培養容器を密閉して微生物を培養することについて検討を行った。その結果、従来の電気培養装置を単に密閉構造とするだけでは、微生物の生育状態に悪影響を及ぼす場合があることが判明した。本願発明者等はこの原因について検討を行った結果、培養容器の内部に配置された対電極から発生するガスが培養液に溶け込むことによって、微生物の生育状態に悪影響を及ぼす場合があることを突き止めた。
【００１３】
そこで、本願発明者等はさらなる検討を行い、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく、しかも対電極から発生するガス成分が培養容器内の培養液に溶け込むことのない新たな電気培養方法及び電気培養装置の構成を着想し、本願発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明の電気培養方法は、イオン交換膜によって仕切られ且つ開放されている二つの槽を備える培養容器の一方の槽に酸化還元物質を含む培養液を収容すると共に培養液に作用電極を浸し、他方の槽に電解液を収容すると共に電解液に対電極を浸し、一方の槽に培養対象たる微生物を添加して、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養方法において、培養容器をイオン交換膜により二つの槽に仕切ることなくイオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、作用電極を培養容器内に配置すると共に対電極を培養容器の外側に配置し、培養容器内に培養液を収容してイオン交換膜の少なくとも一部に培養液を接触させると共に培養液に作用電極を浸し、イオン交換膜の培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極を接触させ、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養するようにしている。
【００１５】
また、本発明の電気培養装置は、イオン交換膜によって仕切られ且つ開放された二つの槽を備える培養容器と、作用電極及び対電極と、作用電極と対電極との間に電位差を与える電源とを有し、二つの槽のうちの一方の槽に酸化還元物質を含む培養液が収容されると共に作用電極が培養液に浸され、二つの槽のうちの他方の槽に電解液が収容されると共に対電極が電解液に浸され、培養液に培養対象たる微生物が添加されて、電源により作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養装置において、培養容器をイオン交換膜により二つの槽に仕切ることなくイオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、作用電極は培養容器内に配置されると共に対電極は培養容器の外側に配置され、培養容器に培養液が収容されると共に作用電極が培養液に浸され、培養容器のイオン交換膜は培養容器に培養液が収容されたときに少なくともその一部が培養液と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜の培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極が接触して配置されているものとしている。本発明の電気培養装置は、例えば、培養容器の培養液の液面よりも下部に開口部が設けられ、開口部がイオン交換膜で塞がれ、培養容器の外側のイオン交換膜の表面の少なくとも一部に対電極が接触して配置されているものとしている。
【００１６】
したがって、本発明の電気培養方法及び電気培養装置によると、対電極が密閉構造の培養容器の外側に配置されるので、対電極から発生するガス成分が培養容器内の培養液に溶け込むことがない。つまり、本発明の電気培養方法及び電気培養装置によると、培養容器を密閉構造としながらも、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除することができる。
【００１７】
次に、本発明の物質生産方法は、本発明の電気培養方法によりガス状物質を生産する微生物または揮発性物質を生産する微生物を培養し、ガス状物質または揮発性物質が揮発して発生したガス成分を培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留させ、これを回収するようにしている。
【００１８】
上記の通り、本発明の電気培養方法によると、培養容器を密閉構造としていることから、培養容器内で発生するガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）は培養容器の外の漏洩することなく、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留する。したがって、本発明の物質生産方法によると、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、この微生物由来のガス状物質を効率よく回収することができる。
【００１９】
次に、本発明の物質生産方法は、本発明の電気培養方法により揮発性物質を生産する微生物を培養し、微生物が生産する揮発性物質を培養容器内の培養液から回収するようにしている。
【００２０】
上記の通り、本発明の電気培養方法によると、培養容器を密閉構造としていることから、微生物により生産される揮発性物質が揮発して生じたガス成分が培養容器の外に漏洩することがない。したがって、本発明の物質生産方法によると、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、この微生物により生産された揮発性物質を効率よく回収することができる。
【００２１】
次に、本発明の物質分解処理方法は、本発明の電気培養方法により揮発性の有害物質を分解する微生物を培養し、培養液に添加された揮発性の有害物質を分解処理するようにしている。
【００２２】
上記の通り、本発明の電気培養方法によると、培養容器を密閉構造としていることから、培養液に添加された揮発性の有害物質が培養容器の外に漏洩することがない。したがって、本発明の物質分解処理方法によると、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養液に添加された揮発性の有害物質を効率よく分解処理することができる。
【００２３】
ここで、本発明の電気培養装置において、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備えるものとすることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の電気培養装置において、培養容器内の培養液を採取する培養液採取手段を備えるものとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の電気培養方法及び電気培養装置によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養容器内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）を培養容器の外に漏洩することなく、微生物の電気培養を行うことが可能となる。したがって、培養時に与えられた電位と培養対象微生物によるガス状物質や揮発性物質の生産量との関係を正確に分析することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の電気培養方法及び電気培養装置によれば、従来のように培養液または電解液を収容した対電極槽を備える必要が無くなる。したがって、従来と比較して電気培養装置をよりコンパクトなものとできる。
【００２７】
さらに、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備える本発明の電気培養装置によれば、培養容器内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
【００２８】
また、培養容器内の培養液を採取する培養液採取手段を備える本発明の電気培養装置によれば、培養容器内で微生物が生産した揮発性物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
【００２９】
さらに、本発明の物質生産方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、この微生物由来のガス状物質を効率よく回収することができる。したがって、培養容器内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
【００３０】
また、本発明の物質生産方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、この微生物が生産する揮発性物質を効率よく回収することができる。したがって、培養容器内で発生した揮発性物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
【００３１】
また、本発明の物質分解処理方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養液に添加された揮発性の有害物質を効率よく分解処理することができる。したがって、微生物による揮発性有害物質の分解処理効率を良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の電気培養装置の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】実施例において使用した電気培養装置を示す断面図である。
【図３】メタン生成菌の生育曲線を示す図である。
【図４】培養容器内のメタンガス生成量を示す図である。
【図５】従来の電気培養装置の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の電気培養装置の実施形態の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
本発明の電気培養方法は、イオン交換膜によって仕切られ且つ開放されている二つの槽を備える培養容器の一方の槽に酸化還元物質を含む培養液を収容すると共に培養液に作用電極を浸し、他方の槽に電解液を収容すると共に電解液に対電極を浸し、一方の槽に培養対象たる微生物を添加して、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養方法において、培養容器をイオン交換膜により二つの槽に仕切ることなくイオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、作用電極を培養容器内に配置すると共に対電極を培養容器の外側に配置し、培養容器内に培養液を収容してイオン交換膜の少なくとも一部に培養液を接触させると共に培養液に作用電極を浸し、イオン交換膜の培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極を接触させ、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養するようにしている。
【００３５】
本発明の電気培養方法の実施するための電気培養装置の形態の一例を図１に示す。図１に示す電気培養装置１は、イオン交換膜６によって仕切られ且つ開放された二つの槽を備える培養容器５と、作用電極９及び対電極１０と、作用電極９と対電極１０との間に電位差を与える電源１２とを少なくとも備え、二つの槽のうちの一方の槽に酸化還元物質３を含む培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、二つの槽のうちの他方の槽に電解液４ａが収容されると共に対電極１０が電解液４ａに浸され、培養液４に培養対象たる微生物２が添加されて、電源１２により作用電極９と対電極１０との間に電位差を与えながら微生物２を培養する電気培養装置において、培養容器５をイオン交換膜６により二つの槽に仕切ることなくイオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、作用電極９は培養容器５内に配置されると共に対電極１０は培養容器５の外側に配置され、培養容器５に培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、培養容器５のイオン交換膜６は培養容器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培養液４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が接触して配置されているものとしている。本実施形態では、培養容器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、培養容器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。
【００３６】
また、図１に示す電気培養装置１は、培養容器５内の培養液４の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段１５と、培養容器５内の培養液４を採取する培養液採取手段１６とを備えるものとしている。
【００３７】
本発明の電気培養装置１は、特開２００８−５４６４６号公報に開示されている従来の電気培養装置（図５）を改良したものであり、イオン交換膜６によって仕切られ且つ開放された二つの槽を備える培養容器５と、作用電極９及び対電極１０と、作用電極９と対電極１０との間に電位差を与える電源１２とを少なくとも備え、二つの槽のうちの一方の槽に酸化還元物質３を含む培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、二つの槽のうちの他方の槽に電解液４ａが収容されると共に対電極１０が電解液４ａに浸され、培養液４に培養対象たる微生物２が添加されて、電源１２により作用電極９と対電極１０との間に電位差を与えながら微生物２を培養する電気培養装置である点においては図５に示す従来の電気培養装置と共通するものである。
【００３８】
図５に示す従来の電気培養装置と本発明の電気培養装置との違いは、培養容器５をイオン交換膜６で二つの槽に仕切ることなく、容器自体の少なくとも一部にイオン交換膜６を備えて密閉構造としている点と、対電極１０を培養容器５の外側に配置している点にある。これにより、対電極１０から発生するガスが培養容器５内の培養液４に溶け込むことがなくなる。したがって、対電極１０から発生するガスによる微生物２の生育状態への悪影響を排除しながら、微生物２由来のガス状物質や培養容器５内への添加物（ガス状物質や揮発性物質）を培養容器５の外に漏洩することなく、微生物２の電気培養を行うことが可能となる。
【００３９】
本発明において使用する培養容器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。培養容器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。本実施形態では、図１に示す培養容器５のように、密閉構造の培養容器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、培養容器５の形態や構造は特に限定されない。例えば培養容器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、培養容器５に収容される培養液４が培養容器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。
【００４０】
本発明において使用する対電極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、つまり、作用電極９において酸化反応が生じる際に還元反応を進行させることが可能な材質の電極とすればよい。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（応答性）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、培養容器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、培養容器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。
【００４１】
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。
【００４２】
本発明において使用する作用電極９は、従来の電気培養装置と同様、培養液４に浸され、酸化還元物質３の酸化還元反応を可逆的に進行させるものである。本実施形態において、作用電極９は板状の炭素電極としているが、作用電極９の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、培養液４中の酸化還元物質３の酸化還元反応を可逆的に進行させ得る電極とすればよい。
【００４３】
尚、本実施形態では、培養容器５の内部に参照電極１１（例えば銀・塩化銀参照電極）を配置して、参照電極１１を培養液４に浸し、従来の電気培養装置と同様に、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）に結線して、培養液４の電位を厳密に制御可能としているが、図６に示すように、参照電極１１を備えることなく、作用電極９と対電極１０との間に電源１２により電位差を与えさえすれば、培養液４の電位の制御は可能である。
【００４４】
本発明において使用するイオン交換膜６は、従来の電気培養装置と同様、培養液４に含まれる酸化還元物質３を対電極１０側に透過させることなく培養液４中に留まらせ、且つ培養液４に含まれるイオンを対電極１０側に透過させるものである。具体的には、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜等が挙げられるがこれに限定されるものではない。一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜を用いることで、例えば酸化還元物質３として鉄イオンを用いる場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンは透過しないことから、酸化還元物質３を対電極１０側へ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。また、培養液４には通常、水素イオン、ナトリウムイオン(Ｎａ＋)、カリウムイオン（Ｋ＋）などの一価の陽イオンが含まれていることから、これらの陽イオンが対電極１０側へ透過し、作用電極９と対電極１０との間でイオン電流が生じる。その結果、作用電極９において生じる反応における電子の授受を補完する反応が対電極１０で生じ、培養液４の酸化還元電位が一定に制御される。例えば、作用電極９で酸化反応が生じた場合には、対電極１０で還元反応が生じ、培養液４の酸化還元電位が一定に制御される。
【００４５】
尚、本発明において使用する酸化還元物質３は、従来の電気培養装置と同様、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、培養対象たる微生物２に対して毒性を呈さ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。
【００４６】
酸化還元物質３の培養液４への添加量は、培養液４の酸化還元電位を制御できる量であれば特に限定されないが、培養液４中の酸化還元物質濃度を０．１〜１００ｍｍｏｌ／Ｌとすることが好適である。酸化還元物質濃度が低すぎると酸化還元電位の制御を十分に行うことができない可能性があり、酸化還元物質濃度が高すぎると酸化還元物質３が培養液４に完全に溶解できなかったり、微生物２の生育阻害を生じる可能性がある。
【００４７】
尚、培養液４の酸化還元電位は、数式１に示すネルンストの式により表される。
[数式１] Ｅ＝Ｅ０＋ＲＴ／ｎＦ×ｌｎ（Ｃｏｘ／Ｃｒｅｄ）
【００４８】
数式１において、Ｅは溶液の酸化還元電位、Ｅ０は酸化還元物質の標準酸化還元電位、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、ｎは反応電子数、Ｆはファラデー定数、Ｃｏｘは酸化体の濃度、Ｃｒｅｄは還元体の濃度であり、培養液４中に含まれる酸化還元物質３の酸化体の濃度と還元体の濃度の比を一定に制御することにより、培養液４自体の酸化還元電位を制御することができる。つまり、酸化還元物質３が培養液４の酸化還元電位を決定する要素であり、培養液４の組成は酸化還元電位にほとんど影響を与えることがない。
【００４９】
３極式の電位制御装置１２では、作用電極９と参照電極１１間の電位差を測定し、測定した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。このようにして作用電極の電位９を一定の電位に制御し、酸化還元物質３の酸化体の濃度と還元体の濃度の比を一定に制御することにより、培養液４自体の酸化還元電位を一定に制御している。ここで、培養液４の酸化還元電位は、作用電極９の電位に相当する。したがって、設定電位、つまり、参照電極１１に対する作用電極９の電位が培養液４の酸化還元電位に相当することとなる。但し、培養液４の酸化還元電位を設定するために必要な作用電極９と対電極１０との間の電流量が予め分かっている場合には、図６に示すように、参照電極１１を設けることなく、培養液４の酸化還元電位を制御することができる。また、微生物により酸化された物質を還元したり、逆に還元された物質を酸化したりすることにより微生物に必要な物質を再生し続けながら培養を行う場合には、培養液４の酸化還元電位を制御する必要はなく、微生物により酸化または還元された物質を還元または酸化して再生するために必要な電位差を作用電極９と対電極１０との間に与えればよい。
【００５０】
培養容器５内の培養液４の酸化還元電位を制御しながら微生物２を培養することで、微生物２が活性化される。即ち、微生物の増殖が促進されることにより微生物群の機能が高まったり、機能している微生物の割合が増えることにより微生物群の機能が高まったりする。また、微生物の代謝機構そのものが変化した結果として代謝物が増加する場合もある。
【００５１】
したがって、本発明の電気培養方法及び電気培養装置により微生物２を培養することで、微生物２の活性化を促すことができる。そして、培養容器５を密閉構造とし、且つ対電極１０を培養容器５の外側に配置することによって、対電極１０から発生するガス成分が培養液４に溶け込むことがなくなり、微生物２の生育状態を良好なものとすることができる。
【００５２】
例えばガス状物質を生産する微生物を培養対象微生物２とした場合、この微生物２によるガス状物質生産量（生産速度）を高めながらも、生産されたガス状物質を培養容器５の外部に漏洩させることがなくなる。そして、ガス状物質は、培養容器５内の培養液４が存在しない空間、例えば図１における培養容器５の培養液４よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するので、このヘッドスペースからガス状物質を回収することができる。したがって、微生物２により生産される物質を効率よく回収することができる。
【００５３】
ガス状物質を生産する微生物としては、例えば、水素と二酸化炭素からメタンガスを生産するメタン酸化菌が挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物はこれに限定されるものではない。
【００５４】
また、例えば揮発性物質を生産する微生物を培養対象微生物２とした場合、揮発性物質の生産量（生産速度）を高めながらも、生産された揮発性物質を培養容器５の外部に漏洩させることがなくなる。そして、揮発性物質は培養液４に溶け込むと共に、一部は揮発して培養容器５内の培養液４が存在しない空間、例えば図１における培養容器５の培養液４よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留する。したがって、培養液４を回収し、培養液４から例えば蒸留等により揮発性物質のみを分離して回収することにより、あるいは揮発してガス状物質としてヘッドスペースに滞留する揮発性物質を回収することにより、微生物２により生産される物質を効率よく回収することができる。
【００５５】
揮発性物質を生産する微生物としては、例えばグルコースからエタノールやブタノール、アセトンを生産するClostridium acetobutylicumが挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物はこれに限定されるものではない。
【００５６】
さらに、本発明の電気培養方法及び電気培養装置は、微生物により物質を生産させる場合以外にも用いることができる。例えば、環境汚染物質等の有害物質を微生物により分解処理を行う場合、この有害物質が揮発性を有すると、微生物を培養しながら有害物質を分解処理する際に、有害物質が培養容器５の外に揮散してしまう。そこで、培養容器５を密閉構造としている本発明の電気培養方法及び電気培養装置により、培養液４に揮発性の有害物質を添加して微生物２を培養することで、揮発性の有害物質を培養容器５の外部に漏洩させることなく、微生物２により分解処理することが可能になる。
【００５７】
揮発性の有害物質を分解する微生物としては、揮発性を有する有機塩素化合物を分解する微生物、例えばテトラクロロエチレン（ＰＣＥ）脱塩素微生物（例えばDesulfitobacterium, Dehalococcoides, Dehalobacter, Geobacter等）、ジクロロエチレン（ＤＣＥ）脱塩素微生物（例えばDehalococcoides等）、ビニルクロライド（ＶＣ）脱塩素微生物等（例えばDehalococcoides等）が挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物及び分解対象とする有害物質はこれに限定されるものではない。
【００５８】
尚、揮発性物質を培養容器５内で揮発させることなく、その全量を培養液４から回収したい場合や、揮発性の有害物質を分解処理する場合には、培養容器５内にガス状物質が滞留する空間を形成することなく、培養容器５内を培養液４で完全に満たすようにすることが好ましい。
【００５９】
尚、本実施形態では、図１に示すように、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するガス状物質を培養容器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、培養容器内のガス状物質を回収するようにしている。しかしながら、ガスの回収方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、培養容器５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ガス状物質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ので、ガス状物質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、培養容器５の密閉状態が維持される。
【００６０】
さらに、本実施形態では、図１に示すように、培養容器内の培養液の液面よりも下部に、培養容器５内の培養液４を培養容器５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、培養容器５内から培養液４を採取するようにしている。しかしながら、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く、上記と同様、培養容器５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。または培養槽７に開口部を設け、この開口部から両端が開口された管を入れて開口部を合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、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。
【００６１】
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、培養容器５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、微生物２に必要な栄養源や、微生物２が目的の物質を生産するのに必要な物質、微生物２の増殖や代謝に伴い変動する培養液４の状態を一定の状態に維持するための中和剤、培養液４そのもの等を必要に応じて添加することができる。また、培養環境を嫌気性や好気性に維持するためにガスを供給することもできる。しかしながら、培養液に物質を添加・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。
【００６２】
本発明の電気培養方法及び電気培養装置によれば、培養容器５自体を密閉構造としていることから、培養容器５内に供給したガス等が培養容器５外に漏洩することが無い。したがって、培養環境を嫌気性や好気性に制御しやすく、従来のように培養容器５をボックスに収容することなく、培養容器５内の培養液４の培養環境をそのまま管理することができる。したがって、培養容器をボックスに収容していた従来法と比較して培養環境の管理が容易になると共に、再度培養を行う際にボックスを滅菌する手間を省くこともできる。
【００６３】
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。例えば、図１及び図２に示す電気培養装置では、作用電極９をイオン交換膜６から離して配置しているが、作用電極９のイオン交換膜６に対する位置は、培養容器５内に配置される限りにおいては、特に限定されるものではない。例えば、作用電極９をイオン交換膜６に接触させて電気培養を行うようにしてもよい。例えば、イオン交換膜６を作用電極９と対電極１０とで挟持するようにしても、培養液４の電位制御を行うことが可能である。尚、作用電極９をイオン交換膜６に接触させる場合には、作用電極９とイオン交換膜６と培養液４との接触面積を増大させて電気化学反応の進行状態を良好なものとするために、電極を多孔質体とすることが好適である。
【００６４】
また、微生物２を通過させないメンブレンフィルタを培養液採取手段１６の培養液排出管６の途中に設け、培養容器５内の微生物２を培養容器５外に排出することなく、培養液４のみを培養容器５外に排出するようにしてもよい。この場合には、培養容器５内の微生物２を長期間保持しつつ、培養液４中に含まれる揮発性物質、即ち微生物２が生産した揮発性物質を回収することが可能になる。また、培養容器５内の微生物２を長期間保持することができるので、微生物２の物質の分解処理能力を長期間発揮させて、揮発性物質の分解を長期にわたり効率よく実施することが可能となる。
【００６５】
さらに、本発明の電気培養装置において培養しうる微生物は、上述のものには限定されない。例えば、ガス資化性細菌である水素細菌、光合成細菌等の培養が可能である。本発明の電気培養装置は、培養対象微生物を収容する培養槽を密閉構造としているので、生育の際にガス状物質や揮発性物質を必要とする微生物を培養する際にも、これらの物質を培養槽の外へ漏洩させることなく、無駄なく微生物に供給することができるという優れた利点を有する。尚、水素細菌は、好気条件下において水素を酸化し、その反応によって生じるエネルギーを用いて二酸化炭素を固定しながら生育する微生物であり、二酸化炭素からの有用物質生産に利用することができる。また、光合成細菌は、硫化水素やメルカプタン（悪臭の原因）を電子供与体とし、二酸化炭素を炭素源として生育する微生物である。尚、光合成細菌は有機物（廃棄物）を炭素源として水素生産を行うことも可能である。さらに、揮発性有害物質分解菌として、メタン、エタン、プロパンといったガス状アルカンを分解する微生物や、メタン、メタノール、シックハウス症候群の原因物質であるホルムアルデヒドのようなＣ１化合物を分解する微生物も、本発明の電気培養装置において培養することが可能である。
【実施例】
【００６６】
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。
【００６７】
（実験装置）
図２に示す電気培養装置１により実験を行った。培養容器５は２５０ｍＬ容のガラスバイアル瓶（Ｄｕｒａｎ製）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）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はポーラス板状の炭素電極（対電極１０）で塞ぎ、この板状の炭素電極の片側表面の下半分には２０％ナフィオン分散液（ＤＥ２０２１）を塗布し、さらにナフィオン膜Ｎ１１７で覆うことでイオン交換膜６を形成し、イオン交換膜６によって３つめの開口部５ａが塞がれるようにした。対電極１０をポーラスなものとした理由は、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対電極１０の反対側の面に通過しやすくするためである。作用電極９として板状の炭素電極を培養液４に浸した。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）１２に結線して、培養液４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。
【００６８】
（実施例１）
微生物２として、メタン生成菌であるMethanobacterium thermoautotrophicus（以下、単にメタン生成菌と呼ぶ）を用いた。この微生物は、水素ガス（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタンガス（ＣＨ４）を生成することのできる微生物である。培養温度は５５℃とした。また、酸化還元物質３としてＡＱＤＳ（アントラキノン−２，６−ジスルホン酸）を用い、培養液４のＡＱＤＳ濃度は０．５ｍＭとした。実験に使用した培養液４の構成成分を表１に示す。尚、培養液４は攪拌子１９で攪拌し、上部のシリコーンゴム栓に注射針を２本刺し、一方の注射針からＨ２／ＣＯ２＝８０／２０混合ガスを１時間通気することにより、ヘッドスペースをＨ２とＣＯ２の混合ガスで置換した。
【００６９】
【表１】
【００７０】
Trace vitaminesとTrace element solutionの組成は以下の通りとした。
<Trace vitamins 1L>
Biotin: 2.0mg, Folic acid: 2.0mg, Pyridoxine・HCl: 10.0mg, Thiamine・HCl: 5.0mg, Riboflavin: 5.0mg, Nicotinic acid: 5.0mg, Calcium pantothenate: 5.0mg, Vitamin B12: 0.1mg, p-aminobenzoic acid: 5.0mg, Lipoic acid: 5.0mg
<Trace element solution 1L>
Na2EDTA: 0.64g, MgSO4・H2O: 6.2g, MnSO4・4H2O: 0.55g, NaCl: 1.0g, FeSO4・7H2O: 0.1g, CoCl2・6H2O: 0.17g, CaCl2・2H2O: 0.13g, ZnSO4・7H2O: 0.18g, CuSO4: 0.05g, KAl(SO4)2・12H2O: 0.018g, H3BO3: 0.01g, Na2MoO4・2H2O: 0.011g, NiCl2・6H2O: 0.025g
【００７１】
培養液４の通電電位、即ち酸化還元電位は、＋０．４Ｖ、−０．１Ｖ、−０．４Ｖ、−０．８Ｖとした。また、対照実験として、通電を行わない場合についても実験を行った。通電を行わなかった実験のうち、none(Na2S,Cys)の条件は、培養液４にL-Cysteine・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、化学的に酸化還元電位を制御した条件である。
【００７２】
培養を１５０時間行った際のセル密度の経時変化を図３に示す。図３に示す結果から、特に−０．８Ｖにおいてセル密度が高まりやすくなり、メタン生成菌の生育・増殖が促進されていることが明らかとなった。
【００７３】
次に、培養開始から１５０時間経過した後の培養容器内のメタンガス量をガスクロマトグラフィー（ＧＬサイエンス）で測定した。結果を図４に示す。図４に示す結果から、−０．８Ｖにおいて特にメタンガスの生成量が高まることが明らかとなった。また、図３に示されるメタン生成菌の増殖結果と、図４に示されるメタンガス生成量の測定結果から、本発明の電気培養装置により、メタン生成菌により生成されたメタンガスが培養容器の外に漏洩することなく、定量分析に供されたことがわかった。
【００７４】
以上の結果から、本発明の電気培養装置が、密閉性を有しながらも酸化還元電位を制御しながら微生物を培養できるものであることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００７５】
１ 電気培養装置
２ 培養対象微生物
３ 酸化還元物質
４ 培養液
５ 培養容器
５ａ 開口部
６ イオン交換膜
９ 作用電極
１０ 対電極
１２ 電源
１５ ガス回収手段
１６ 培養液採取手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気培養方法及び電気培養装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、ガス状物質や揮発性物質を生産する微生物の培養に好適な電気培養方法及び電気培養装置、さらには、この電気培養方法を利用してガス状物質や揮発性物質を生産する方法、揮発性の有害物質を微生物により分解処理する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物の新たな培養技術として、電気培養技術の研究が進められている。電気培養とは、培養液の酸化還元電位を培養対象たる微生物の至適範囲に制御しながら微生物の培養を行う手法である（特許文献１参照）。培養液の酸化還元電位を培養対象たる微生物の至適範囲に制御することによって、その微生物のみを選択的に活性化させて、増殖の促進や物質分解能等といった微生物の諸機能を向上させることができる。また、電気培養には、微生物により酸化された物質を還元したり、逆に還元された物質を酸化したりすることにより微生物に必要な物質を再生し続けながら培養を行う方法も含まれる（特許文献２及び特許文献３参照）。
【０００３】
電気培養手法を実施するための電気培養装置の具体例として、例えば図５に示す電気培養装置が知られている（特許文献１参照）。図５に示す電気培養装置１０１は、イオン交換膜１０６によって仕切られた二つの槽（培養槽１０７と対電極槽１０８）を備える培養容器１０５と、作用電極１０９及び対電極１１０と、作用電極１０９と対電極１１０との間に電位差を与える電源１１２とを有し、培養槽１０７には酸化還元物質１０３を含む培養液１０４が収容されると共に作用電極１０９が培養液１０４に浸され、対電極槽１０８には電解液１０４ａが収容されると共に対電極１１０が電解液１０４ａに浸され、培養液１０４に培養対象たる微生物１０２が添加されて、電源１１２により作用電極１０９と対電極１１０との間に電位差が与えられながら微生物１０２が培養される。尚、図５に示す電気培養装置１０１では、培養液１０４に参照電極１１１が浸され、作用電極１０９、対電極１１０及び参照電極１１１は３電極式の電位制御装置であるポテンシオスタット１１２に結線され、培養槽１０７内の培養液１０４の酸化還元電位を厳密に設定可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５４６４６号公報
【特許文献２】特開２００６−５５１３４号公報
【特許文献３】特開２００７−８９５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の電気培養装置は培養容器が密閉構造とはなっていなかったことから、ガス状物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合、この微生物が生産するガス状物質が培養容器の外に揮散してしまい、この微生物が生産するガス状物質の量を正確に分析したり、漏れなく回収したりすることが困難であった。
【０００６】
また、揮発性物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合にも、ガス状物質を生産する微生物を対象として電気培養を実施した場合と同様の問題が生じていた。即ち、この微生物が生産する揮発性物質が揮発して生じたガス成分が培養容器の外に揮散してしまう結果、この微生物が生産する揮発性物質の量を正確に分析したり、漏れなく回収したりすることが困難であった。
【０００７】
さらに、揮発性の有害物質を分解する微生物を対象として電気培養を実施しながら、培養液に添加した揮発性の有害物質を分解処理する場合、分解対象物である揮発性の有害物質が培養容器の外に揮散してしまい、効率よく分解処理が行えないという問題があった。
【０００８】
また、従来の電気培養装置は培養容器が密閉構造とはなっていなかったことから、窒素ガス等を培養容器内に流してもガスが培養容器の外に揮散してしまい、微生物の培養環境を嫌気性に制御することが困難であった。そこで、従来は、例えばアクリル製の密閉構造の嫌気ボックスに培養容器を収容し、嫌気ボックスに窒素ガス等を流すことによって培養環境を嫌気性に制御していた。しかしながら、密閉構造の嫌気ボックス等に培養容器を収容してしまうと、培養容器そのものの管理、例えば培養液に物質を添加したりする処理が極めて煩雑になるという問題があった。また、電気培養終了後、再度培養を行う際には培養容器とともに嫌気ボックスも滅菌処理する必要が生じ、その手間が極めて煩雑なものとなっていた。
【０００９】
そこで、本発明は、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を培養容器の外に漏洩させることなく微生物を培養することのできる電気培養方法及び電気培養装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を培養容器の外に漏洩させることなく効率よく回収することのできる物質生産方法を提供することを目的とする。
【００１１】
さらに、本発明は、揮発性の有害物質を培養容器の外に漏洩させることなく微生物を利用して効率よく分解処理することのできる物質分解処理方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】
【００１２】
かかる課題を解決するため、本願発明者等は、従来の電気培養装置の培養容器を密閉して微生物を培養することについて検討を行った。その結果、従来の電気培養装置を単に密閉構造とするだけでは、微生物の生育状態に悪影響を及ぼす場合があることが判明した。本願発明者等はこの原因について検討を行った結果、培養容器の内部に配置された対電極から発生するガスが培養液に溶け込むことによって、微生物の生育状態に悪影響を及ぼす場合があることを突き止めた。
【００１３】
そこで、本願発明者等はさらなる検討を行い、微生物が生産するガス状物質や揮発性物質を電気培養装置の外に漏洩させることなく、しかも対電極から発生するガス成分が培養容器内の培養液に溶け込むことのない新たな電気培養方法及び電気培養装置の構成を着想し、本願発明を完成するに至った。
【００１４】
即ち、本発明の電気培養方法は、イオン交換膜によって仕切られ且つ開放されている二つの槽を備える培養容器の一方の槽に酸化還元物質を含む培養液を収容すると共に培養液に作用電極を浸し、他方の槽に電解液を収容すると共に電解液に対電極を浸し、一方の槽に培養対象たる微生物を添加して、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養方法において、培養容器をイオン交換膜により二つの槽に仕切ることなくイオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、作用電極を培養容器内に配置すると共に対電極を培養容器の外側に配置し、培養容器内に培養液を収容してイオン交換膜の少なくとも一部に培養液を接触させると共に培養液に作用電極を浸し、イオン交換膜の培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極を接触させ、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養するようにしている。
【００１５】
また、本発明の電気培養装置は、イオン交換膜によって仕切られ且つ開放された二つの槽を備える培養容器と、作用電極及び対電極と、作用電極と対電極との間に電位差を与える電源とを有し、二つの槽のうちの一方の槽に酸化還元物質を含む培養液が収容されると共に作用電極が培養液に浸され、二つの槽のうちの他方の槽に電解液が収容されると共に対電極が電解液に浸され、培養液に培養対象たる微生物が添加されて、電源により作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養装置において、培養容器をイオン交換膜により二つの槽に仕切ることなくイオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、作用電極は培養容器内に配置されると共に対電極は培養容器の外側に配置され、培養容器に培養液が収容されると共に作用電極が培養液に浸され、培養容器のイオン交換膜は培養容器に培養液が収容されたときに少なくともその一部が培養液と接触しうる位置に備えられ、イオン交換膜の培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極が接触して配置されているものとしている。本発明の電気培養装置は、例えば、培養容器の培養液の液面よりも下部に開口部が設けられ、開口部がイオン交換膜で塞がれ、培養容器の外側のイオン交換膜の表面の少なくとも一部に対電極が接触して配置されているものとしている。
【００１６】
したがって、本発明の電気培養方法及び電気培養装置によると、対電極が密閉構造の培養容器の外側に配置されるので、対電極から発生するガス成分が培養容器内の培養液に溶け込むことがない。つまり、本発明の電気培養方法及び電気培養装置によると、培養容器を密閉構造としながらも、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除することができる。
【００１７】
次に、本発明の物質生産方法は、本発明の電気培養方法によりガス状物質を生産する微生物または揮発性物質を生産する微生物を培養し、ガス状物質または揮発性物質が揮発して発生したガス成分を培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留させ、これを回収するようにしている。
【００１８】
上記の通り、本発明の電気培養方法によると、培養容器を密閉構造としていることから、培養容器内で発生するガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）は培養容器の外の漏洩することなく、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留する。したがって、本発明の物質生産方法によると、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、この微生物由来のガス状物質を効率よく回収することができる。
【００１９】
次に、本発明の物質生産方法は、本発明の電気培養方法により揮発性物質を生産する微生物を培養し、微生物が生産する揮発性物質を培養容器内の培養液から回収するようにしている。
【００２０】
上記の通り、本発明の電気培養方法によると、培養容器を密閉構造としていることから、微生物により生産される揮発性物質が揮発して生じたガス成分が培養容器の外に漏洩することがない。したがって、本発明の物質生産方法によると、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、この微生物により生産された揮発性物質を効率よく回収することができる。
【００２１】
次に、本発明の物質分解処理方法は、本発明の電気培養方法により揮発性の有害物質を分解する微生物を培養し、培養液に添加された揮発性の有害物質を分解処理するようにしている。
【００２２】
上記の通り、本発明の電気培養方法によると、培養容器を密閉構造としていることから、培養液に添加された揮発性の有害物質が培養容器の外に漏洩することがない。したがって、本発明の物質分解処理方法によると、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養液に添加された揮発性の有害物質を効率よく分解処理することができる。
【００２３】
ここで、本発明の電気培養装置において、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備えるものとすることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の電気培養装置において、培養容器内の培養液を採取する培養液採取手段を備えるものとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の電気培養方法及び電気培養装置によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養容器内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）を培養容器の外に漏洩することなく、微生物の電気培養を行うことが可能となる。したがって、培養時に与えられた電位と培養対象微生物によるガス状物質や揮発性物質の生産量との関係を正確に分析することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の電気培養方法及び電気培養装置によれば、従来のように培養液または電解液を収容した対電極槽を備える必要が無くなる。したがって、従来と比較して電気培養装置をよりコンパクトなものとできる。
【００２７】
さらに、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備える本発明の電気培養装置によれば、培養容器内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
【００２８】
また、培養容器内の培養液を採取する培養液採取手段を備える本発明の電気培養装置によれば、培養容器内で微生物が生産した揮発性物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
【００２９】
さらに、本発明の物質生産方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、この微生物由来のガス状物質を効率よく回収することができる。したがって、培養容器内で発生したガス状物質（微生物が生産したガス状物質や微生物が生産した揮発性物質が揮発して生じたガス成分）無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
【００３０】
また、本発明の物質生産方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、この微生物が生産する揮発性物質を効率よく回収することができる。したがって、培養容器内で発生した揮発性物質を無駄なく回収して回収効率を良好なものとすることができる。
【００３１】
また、本発明の物質分解処理方法によれば、対電極から発生するガスによる微生物の生育状態への悪影響を排除しながら、培養液に添加された揮発性の有害物質を効率よく分解処理することができる。したがって、微生物による揮発性有害物質の分解処理効率を良好なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の電気培養装置の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】実施例において使用した電気培養装置を示す断面図である。
【図３】メタン生成菌の生育曲線を示す図である。
【図４】培養容器内のメタンガス生成量を示す図である。
【図５】従来の電気培養装置の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の電気培養装置の実施形態の他の例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
本発明の電気培養方法は、イオン交換膜によって仕切られ且つ開放されている二つの槽を備える培養容器の一方の槽に酸化還元物質を含む培養液を収容すると共に培養液に作用電極を浸し、他方の槽に電解液を収容すると共に電解液に対電極を浸し、一方の槽に培養対象たる微生物を添加して、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養する電気培養方法において、培養容器をイオン交換膜により二つの槽に仕切ることなくイオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、作用電極を培養容器内に配置すると共に対電極を培養容器の外側に配置し、培養容器内に培養液を収容してイオン交換膜の少なくとも一部に培養液を接触させると共に培養液に作用電極を浸し、イオン交換膜の培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に対電極を接触させ、作用電極と対電極との間に電位差を与えながら微生物を培養するようにしている。
【００３５】
本発明の電気培養方法の実施するための電気培養装置の形態の一例を図１に示す。図１に示す電気培養装置１は、イオン交換膜６によって仕切られ且つ開放された二つの槽を備える培養容器５と、作用電極９及び対電極１０と、作用電極９と対電極１０との間に電位差を与える電源１２とを少なくとも備え、二つの槽のうちの一方の槽に酸化還元物質３を含む培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、二つの槽のうちの他方の槽に電解液４ａが収容されると共に対電極１０が電解液４ａに浸され、培養液４に培養対象たる微生物２が添加されて、電源１２により作用電極９と対電極１０との間に電位差を与えながら微生物２を培養する電気培養装置において、培養容器５をイオン交換膜６により二つの槽に仕切ることなくイオン交換膜６を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、作用電極９は培養容器５内に配置されると共に対電極１０は培養容器５の外側に配置され、培養容器５に培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、培養容器５のイオン交換膜６は培養容器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培養液４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が接触して配置されているものとしている。本実施形態では、培養容器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、培養容器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。
【００３６】
また、図１に示す電気培養装置１は、培養容器５内の培養液４の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段１５と、培養容器５内の培養液４を採取する培養液採取手段１６とを備えるものとしている。
【００３７】
本発明の電気培養装置１は、特開２００８−５４６４６号公報に開示されている従来の電気培養装置（図５）を改良したものであり、イオン交換膜６によって仕切られ且つ開放された二つの槽を備える培養容器５と、作用電極９及び対電極１０と、作用電極９と対電極１０との間に電位差を与える電源１２とを少なくとも備え、二つの槽のうちの一方の槽に酸化還元物質３を含む培養液４が収容されると共に作用電極９が培養液４に浸され、二つの槽のうちの他方の槽に電解液４ａが収容されると共に対電極１０が電解液４ａに浸され、培養液４に培養対象たる微生物２が添加されて、電源１２により作用電極９と対電極１０との間に電位差を与えながら微生物２を培養する電気培養装置である点においては図５に示す従来の電気培養装置と共通するものである。
【００３８】
図５に示す従来の電気培養装置と本発明の電気培養装置との違いは、培養容器５をイオン交換膜６で二つの槽に仕切ることなく、容器自体の少なくとも一部にイオン交換膜６を備えて密閉構造としている点と、対電極１０を培養容器５の外側に配置している点にある。これにより、対電極１０から発生するガスが培養容器５内の培養液４に溶け込むことがなくなる。したがって、対電極１０から発生するガスによる微生物２の生育状態への悪影響を排除しながら、微生物２由来のガス状物質や培養容器５内への添加物（ガス状物質や揮発性物質）を培養容器５の外に漏洩することなく、微生物２の電気培養を行うことが可能となる。
【００３９】
本発明において使用する培養容器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。培養容器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。本実施形態では、図１に示す培養容器５のように、密閉構造の培養容器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、培養容器５の形態や構造は特に限定されない。例えば培養容器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、培養容器５に収容される培養液４が培養容器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。
【００４０】
本発明において使用する対電極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、つまり、作用電極９において酸化反応が生じる際に還元反応を進行させることが可能な材質の電極とすればよい。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（応答性）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、培養容器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、培養容器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。
【００４１】
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。
【００４２】
本発明において使用する作用電極９は、従来の電気培養装置と同様、培養液４に浸され、酸化還元物質３の酸化還元反応を可逆的に進行させるものである。本実施形態において、作用電極９は板状の炭素電極としているが、作用電極９の形状と材質はこれに限定されるものではなく、要は、培養液４中の酸化還元物質３の酸化還元反応を可逆的に進行させ得る電極とすればよい。
【００４３】
尚、本実施形態では、培養容器５の内部に参照電極１１（例えば銀・塩化銀参照電極）を配置して、参照電極１１を培養液４に浸し、従来の電気培養装置と同様に、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）に結線して、培養液４の電位を厳密に制御可能としているが、図６に示すように、参照電極１１を備えることなく、作用電極９と対電極１０との間に電源１２により電位差を与えさえすれば、培養液４の電位の制御は可能である。
【００４４】
本発明において使用するイオン交換膜６は、従来の電気培養装置と同様、培養液４に含まれる酸化還元物質３を対電極１０側に透過させることなく培養液４中に留まらせ、且つ培養液４に含まれるイオンを対電極１０側に透過させるものである。具体的には、一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜等が挙げられるがこれに限定されるものではない。一価の陽イオンのみを透過する膜であるナフィオン膜を用いることで、例えば酸化還元物質３として鉄イオンを用いる場合に、二価の鉄イオンや三価の鉄イオンは透過しないことから、酸化還元物質３を対電極１０側へ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。また、培養液４には通常、水素イオン、ナトリウムイオン(Ｎａ＋)、カリウムイオン（Ｋ＋）などの一価の陽イオンが含まれていることから、これらの陽イオンが対電極１０側へ透過し、作用電極９と対電極１０との間でイオン電流が生じる。その結果、作用電極９において生じる反応における電子の授受を補完する反応が対電極１０で生じ、培養液４の酸化還元電位が一定に制御される。例えば、作用電極９で酸化反応が生じた場合には、対電極１０で還元反応が生じ、培養液４の酸化還元電位が一定に制御される。
【００４５】
尚、本発明において使用する酸化還元物質３は、従来の電気培養装置と同様、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、培養対象たる微生物２に対して毒性を呈さ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。
【００４６】
酸化還元物質３の培養液４への添加量は、培養液４の酸化還元電位を制御できる量であれば特に限定されないが、培養液４中の酸化還元物質濃度を０．１〜１００ｍｍｏｌ／Ｌとすることが好適である。酸化還元物質濃度が低すぎると酸化還元電位の制御を十分に行うことができない可能性があり、酸化還元物質濃度が高すぎると酸化還元物質３が培養液４に完全に溶解できなかったり、微生物２の生育阻害を生じる可能性がある。
【００４７】
尚、培養液４の酸化還元電位は、数式１に示すネルンストの式により表される。
[数式１] Ｅ＝Ｅ０＋ＲＴ／ｎＦ×ｌｎ（Ｃｏｘ／Ｃｒｅｄ）
【００４８】
数式１において、Ｅは溶液の酸化還元電位、Ｅ０は酸化還元物質の標準酸化還元電位、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、ｎは反応電子数、Ｆはファラデー定数、Ｃｏｘは酸化体の濃度、Ｃｒｅｄは還元体の濃度であり、培養液４中に含まれる酸化還元物質３の酸化体の濃度と還元体の濃度の比を一定に制御することにより、培養液４自体の酸化還元電位を制御することができる。つまり、酸化還元物質３が培養液４の酸化還元電位を決定する要素であり、培養液４の組成は酸化還元電位にほとんど影響を与えることがない。
【００４９】
３極式の電位制御装置１２では、作用電極９と参照電極１１間の電位差を測定し、測定した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。このようにして作用電極の電位９を一定の電位に制御し、酸化還元物質３の酸化体の濃度と還元体の濃度の比を一定に制御することにより、培養液４自体の酸化還元電位を一定に制御している。ここで、培養液４の酸化還元電位は、作用電極９の電位に相当する。したがって、設定電位、つまり、参照電極１１に対する作用電極９の電位が培養液４の酸化還元電位に相当することとなる。但し、培養液４の酸化還元電位を設定するために必要な作用電極９と対電極１０との間の電流量が予め分かっている場合には、図６に示すように、参照電極１１を設けることなく、培養液４の酸化還元電位を制御することができる。また、微生物により酸化された物質を還元したり、逆に還元された物質を酸化したりすることにより微生物に必要な物質を再生し続けながら培養を行う場合には、培養液４の酸化還元電位を制御する必要はなく、微生物により酸化または還元された物質を還元または酸化して再生するために必要な電位差を作用電極９と対電極１０との間に与えればよい。
【００５０】
培養容器５内の培養液４の酸化還元電位を制御しながら微生物２を培養することで、微生物２が活性化される。即ち、微生物の増殖が促進されることにより微生物群の機能が高まったり、機能している微生物の割合が増えることにより微生物群の機能が高まったりする。また、微生物の代謝機構そのものが変化した結果として代謝物が増加する場合もある。
【００５１】
したがって、本発明の電気培養方法及び電気培養装置により微生物２を培養することで、微生物２の活性化を促すことができる。そして、培養容器５を密閉構造とし、且つ対電極１０を培養容器５の外側に配置することによって、対電極１０から発生するガス成分が培養液４に溶け込むことがなくなり、微生物２の生育状態を良好なものとすることができる。
【００５２】
例えばガス状物質を生産する微生物を培養対象微生物２とした場合、この微生物２によるガス状物質生産量（生産速度）を高めながらも、生産されたガス状物質を培養容器５の外部に漏洩させることがなくなる。そして、ガス状物質は、培養容器５内の培養液４が存在しない空間、例えば図１における培養容器５の培養液４よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するので、このヘッドスペースからガス状物質を回収することができる。したがって、微生物２により生産される物質を効率よく回収することができる。
【００５３】
ガス状物質を生産する微生物としては、例えば、水素と二酸化炭素からメタンガスを生産するメタン酸化菌が挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物はこれに限定されるものではない。
【００５４】
また、例えば揮発性物質を生産する微生物を培養対象微生物２とした場合、揮発性物質の生産量（生産速度）を高めながらも、生産された揮発性物質を培養容器５の外部に漏洩させることがなくなる。そして、揮発性物質は培養液４に溶け込むと共に、一部は揮発して培養容器５内の培養液４が存在しない空間、例えば図１における培養容器５の培養液４よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留する。したがって、培養液４を回収し、培養液４から例えば蒸留等により揮発性物質のみを分離して回収することにより、あるいは揮発してガス状物質としてヘッドスペースに滞留する揮発性物質を回収することにより、微生物２により生産される物質を効率よく回収することができる。
【００５５】
揮発性物質を生産する微生物としては、例えばグルコースからエタノールやブタノール、アセトンを生産するClostridium acetobutylicumが挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物はこれに限定されるものではない。
【００５６】
さらに、本発明の電気培養方法及び電気培養装置は、微生物により物質を生産させる場合以外にも用いることができる。例えば、環境汚染物質等の有害物質を微生物により分解処理を行う場合、この有害物質が揮発性を有すると、微生物を培養しながら有害物質を分解処理する際に、有害物質が培養容器５の外に揮散してしまう。そこで、培養容器５を密閉構造としている本発明の電気培養方法及び電気培養装置により、培養液４に揮発性の有害物質を添加して微生物２を培養することで、揮発性の有害物質を培養容器５の外部に漏洩させることなく、微生物２により分解処理することが可能になる。
【００５７】
揮発性の有害物質を分解する微生物としては、揮発性を有する有機塩素化合物を分解する微生物、例えばテトラクロロエチレン（ＰＣＥ）脱塩素微生物（例えばDesulfitobacterium, Dehalococcoides, Dehalobacter, Geobacter等）、ジクロロエチレン（ＤＣＥ）脱塩素微生物（例えばDehalococcoides等）、ビニルクロライド（ＶＣ）脱塩素微生物等（例えばDehalococcoides等）が挙げられるが、本発明において培養対象とする微生物及び分解対象とする有害物質はこれに限定されるものではない。
【００５８】
尚、揮発性物質を培養容器５内で揮発させることなく、その全量を培養液４から回収したい場合や、揮発性の有害物質を分解処理する場合には、培養容器５内にガス状物質が滞留する空間を形成することなく、培養容器５内を培養液４で完全に満たすようにすることが好ましい。
【００５９】
尚、本実施形態では、図１に示すように、培養容器内の培養液の液面よりも上部の空間（ヘッドスペース）に滞留するガス状物質を培養容器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、培養容器内のガス状物質を回収するようにしている。しかしながら、ガスの回収方法は、この方法に限定されるものではない。例えば、培養容器５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ガス状物質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ので、ガス状物質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、培養容器５の密閉状態が維持される。
【００６０】
さらに、本実施形態では、図１に示すように、培養容器内の培養液の液面よりも下部に、培養容器５内の培養液４を培養容器５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、培養容器５内から培養液４を採取するようにしている。しかしながら、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く、上記と同様、培養容器５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。または培養槽７に開口部を設け、この開口部から両端が開口された管を入れて開口部を合成ゴム等の弾性材料で塞ぎ、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。
【００６１】
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、培養容器５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、微生物２に必要な栄養源や、微生物２が目的の物質を生産するのに必要な物質、微生物２の増殖や代謝に伴い変動する培養液４の状態を一定の状態に維持するための中和剤、培養液４そのもの等を必要に応じて添加することができる。また、培養環境を嫌気性や好気性に維持するためにガスを供給することもできる。しかしながら、培養液に物質を添加・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。
【００６２】
本発明の電気培養方法及び電気培養装置によれば、培養容器５自体を密閉構造としていることから、培養容器５内に供給したガス等が培養容器５外に漏洩することが無い。したがって、培養環境を嫌気性や好気性に制御しやすく、従来のように培養容器５をボックスに収容することなく、培養容器５内の培養液４の培養環境をそのまま管理することができる。したがって、培養容器をボックスに収容していた従来法と比較して培養環境の管理が容易になると共に、再度培養を行う際にボックスを滅菌する手間を省くこともできる。
【００６３】
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。例えば、図１及び図２に示す電気培養装置では、作用電極９をイオン交換膜６から離して配置しているが、作用電極９のイオン交換膜６に対する位置は、培養容器５内に配置される限りにおいては、特に限定されるものではない。例えば、作用電極９をイオン交換膜６に接触させて電気培養を行うようにしてもよい。例えば、イオン交換膜６を作用電極９と対電極１０とで挟持するようにしても、培養液４の電位制御を行うことが可能である。尚、作用電極９をイオン交換膜６に接触させる場合には、作用電極９とイオン交換膜６と培養液４との接触面積を増大させて電気化学反応の進行状態を良好なものとするために、電極を多孔質体とすることが好適である。
【００６４】
また、微生物２を通過させないメンブレンフィルタを培養液採取手段１６の培養液排出管６の途中に設け、培養容器５内の微生物２を培養容器５外に排出することなく、培養液４のみを培養容器５外に排出するようにしてもよい。この場合には、培養容器５内の微生物２を長期間保持しつつ、培養液４中に含まれる揮発性物質、即ち微生物２が生産した揮発性物質を回収することが可能になる。また、培養容器５内の微生物２を長期間保持することができるので、微生物２の物質の分解処理能力を長期間発揮させて、揮発性物質の分解を長期にわたり効率よく実施することが可能となる。
【００６５】
さらに、本発明の電気培養装置において培養しうる微生物は、上述のものには限定されない。例えば、ガス資化性細菌である水素細菌、光合成細菌等の培養が可能である。本発明の電気培養装置は、培養対象微生物を収容する培養槽を密閉構造としているので、生育の際にガス状物質や揮発性物質を必要とする微生物を培養する際にも、これらの物質を培養槽の外へ漏洩させることなく、無駄なく微生物に供給することができるという優れた利点を有する。尚、水素細菌は、好気条件下において水素を酸化し、その反応によって生じるエネルギーを用いて二酸化炭素を固定しながら生育する微生物であり、二酸化炭素からの有用物質生産に利用することができる。また、光合成細菌は、硫化水素やメルカプタン（悪臭の原因）を電子供与体とし、二酸化炭素を炭素源として生育する微生物である。尚、光合成細菌は有機物（廃棄物）を炭素源として水素生産を行うことも可能である。さらに、揮発性有害物質分解菌として、メタン、エタン、プロパンといったガス状アルカンを分解する微生物や、メタン、メタノール、シックハウス症候群の原因物質であるホルムアルデヒドのようなＣ１化合物を分解する微生物も、本発明の電気培養装置において培養することが可能である。
【実施例】
【００６６】
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。
【００６７】
（実験装置）
図２に示す電気培養装置１により実験を行った。培養容器５は２５０ｍＬ容のガラスバイアル瓶（Ｄｕｒａｎ製）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）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はポーラス板状の炭素電極（対電極１０）で塞ぎ、この板状の炭素電極の片側表面の下半分には２０％ナフィオン分散液（ＤＥ２０２１）を塗布し、さらにナフィオン膜Ｎ１１７で覆うことでイオン交換膜６を形成し、イオン交換膜６によって３つめの開口部５ａが塞がれるようにした。対電極１０をポーラスなものとした理由は、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対電極１０の反対側の面に通過しやすくするためである。作用電極９として板状の炭素電極を培養液４に浸した。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）１２に結線して、培養液４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。
【００６８】
（実施例１）
微生物２として、メタン生成菌であるMethanobacterium thermoautotrophicus（以下、単にメタン生成菌と呼ぶ）を用いた。この微生物は、水素ガス（Ｈ２）と二酸化炭素（ＣＯ２）からメタンガス（ＣＨ４）を生成することのできる微生物である。培養温度は５５℃とした。また、酸化還元物質３としてＡＱＤＳ（アントラキノン−２，６−ジスルホン酸）を用い、培養液４のＡＱＤＳ濃度は０．５ｍＭとした。実験に使用した培養液４の構成成分を表１に示す。尚、培養液４は攪拌子１９で攪拌し、上部のシリコーンゴム栓に注射針を２本刺し、一方の注射針からＨ２／ＣＯ２＝８０／２０混合ガスを１時間通気することにより、ヘッドスペースをＨ２とＣＯ２の混合ガスで置換した。
【００６９】
【表１】
【００７０】
Trace vitaminesとTrace element solutionの組成は以下の通りとした。
<Trace vitamins 1L>
Biotin: 2.0mg, Folic acid: 2.0mg, Pyridoxine・HCl: 10.0mg, Thiamine・HCl: 5.0mg, Riboflavin: 5.0mg, Nicotinic acid: 5.0mg, Calcium pantothenate: 5.0mg, Vitamin B12: 0.1mg, p-aminobenzoic acid: 5.0mg, Lipoic acid: 5.0mg
<Trace element solution 1L>
Na2EDTA: 0.64g, MgSO4・H2O: 6.2g, MnSO4・4H2O: 0.55g, NaCl: 1.0g, FeSO4・7H2O: 0.1g, CoCl2・6H2O: 0.17g, CaCl2・2H2O: 0.13g, ZnSO4・7H2O: 0.18g, CuSO4: 0.05g, KAl(SO4)2・12H2O: 0.018g, H3BO3: 0.01g, Na2MoO4・2H2O: 0.011g, NiCl2・6H2O: 0.025g
【００７１】
培養液４の通電電位、即ち酸化還元電位は、＋０．４Ｖ、−０．１Ｖ、−０．４Ｖ、−０．８Ｖとした。また、対照実験として、通電を行わない場合についても実験を行った。通電を行わなかった実験のうち、none(Na2S,Cys)の条件は、培養液４にL-Cysteine・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、化学的に酸化還元電位を制御した条件である。
【００７２】
培養を１５０時間行った際のセル密度の経時変化を図３に示す。図３に示す結果から、特に−０．８Ｖにおいてセル密度が高まりやすくなり、メタン生成菌の生育・増殖が促進されていることが明らかとなった。
【００７３】
次に、培養開始から１５０時間経過した後の培養容器内のメタンガス量をガスクロマトグラフィー（ＧＬサイエンス）で測定した。結果を図４に示す。図４に示す結果から、−０．８Ｖにおいて特にメタンガスの生成量が高まることが明らかとなった。また、図３に示されるメタン生成菌の増殖結果と、図４に示されるメタンガス生成量の測定結果から、本発明の電気培養装置により、メタン生成菌により生成されたメタンガスが培養容器の外に漏洩することなく、定量分析に供されたことがわかった。
【００７４】
以上の結果から、本発明の電気培養装置が、密閉性を有しながらも酸化還元電位を制御しながら微生物を培養できるものであることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００７５】
１ 電気培養装置
２ 培養対象微生物
３ 酸化還元物質
４ 培養液
５ 培養容器
５ａ 開口部
６ イオン交換膜
９ 作用電極
１０ 対電極
１２ 電源
１５ ガス回収手段
１６ 培養液採取手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜によって仕切られ且つ開放されている二つの槽を備える培養容器の一方の槽に酸化還元物質を含む培養液を収容すると共に前記培養液に作用電極を浸し、他方の槽に電解液を収容すると共に前記電解液に対電極を浸し、前記一方の槽に培養対象たる微生物を添加して、前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えながら前記微生物を培養する電気培養方法において、
前記培養容器を前記イオン交換膜により二つの槽に仕切ることなく前記イオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、前記作用電極を前記培養容器内に配置すると共に前記対電極を前記培養容器の外側に配置し、前記培養容器内に前記培養液を収容して前記イオン交換膜の少なくとも一部に前記培養液を接触させると共に前記培養液に前記作用電極を浸し、前記イオン交換膜の前記培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に前記対電極を接触させ、前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えながら前記微生物を培養することを特徴とする電気培養方法。
【請求項２】
前記対電極が多孔質体で構成されている請求項１に記載の電気培養方法。
【請求項３】
請求項１記載の電気培養方法によりガス状物質を生産する微生物または揮発性物質を生産する微生物を培養し、前記ガス状物質または前記揮発性物質が揮発して発生したガス成分を前記培養容器内の前記培養液の液面よりも上部の空間に滞留させ、これを回収することを特徴とする物質生産方法。
【請求項４】
請求項１記載の電気培養方法により揮発性物質を生産する微生物を培養し、前記微生物が生産する前記揮発性物質を前記培養容器内の前記培養液から回収することを特徴とする物質生産方法。
【請求項５】
請求項１記載の電気培養方法により揮発性の有害物質を分解する微生物を培養し、前記培養容器内の前記培養液に添加された前記有害物質を分解処理することを特徴とする物質分解処理方法。
【請求項６】
イオン交換膜によって仕切られ且つ開放された二つの槽を備える培養容器と、作用電極及び対電極と、前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与える電源とを有し、前記二つの槽のうちの一方の槽に酸化還元物質を含む培養液が収容されると共に前記作用電極が前記培養液に浸され、前記二つの槽のうちの他方の槽に電解液が収容されると共に前記対電極が前記電解液に浸され、前記培養液に培養対象たる微生物が添加されて、前記電源により前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えながら前記微生物を培養する電気培養装置において、
前記培養容器を前記イオン交換膜により二つの槽に仕切ることなく前記イオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、前記作用電極は前記培養容器内に配置されると共に前記対電極は前記培養容器の外側に配置され、前記培養容器に前記培養液が収容されると共に前記作用電極が前記培養液に浸され、前記培養容器の前記イオン交換膜は前記培養容器に前記培養液が収容されたときに少なくともその一部が前記培養液と接触しうる位置に備えられ、前記イオン交換膜の前記培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に前記対電極が接触して配置されていることを特徴とする電気培養装置。
【請求項７】
前記培養容器の前記培養液の液面よりも下部に開口部が設けられ、前記開口部が前記イオン交換膜で塞がれ、前記培養容器の外側の前記イオン交換膜の表面の少なくとも一部に前記対電極が接触して配置されている請求項６に記載の電気培養装置。
【請求項８】
前記対電極が多孔質体で構成されている請求項６または７に記載の電気培養装置。
【請求項９】
前記培養容器内の前記培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備える請求項５または６に記載の電気培養装置。
【請求項１０】
前記培養容器内の前記培養液を採取する培養液採取手段を備える請求項５または６に記載の電気培養装置。
【請求項１】
イオン交換膜によって仕切られ且つ開放されている二つの槽を備える培養容器の一方の槽に酸化還元物質を含む培養液を収容すると共に前記培養液に作用電極を浸し、他方の槽に電解液を収容すると共に前記電解液に対電極を浸し、前記一方の槽に培養対象たる微生物を添加して、前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えながら前記微生物を培養する電気培養方法において、
前記培養容器を前記イオン交換膜により二つの槽に仕切ることなく前記イオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、前記作用電極を前記培養容器内に配置すると共に前記対電極を前記培養容器の外側に配置し、前記培養容器内に前記培養液を収容して前記イオン交換膜の少なくとも一部に前記培養液を接触させると共に前記培養液に前記作用電極を浸し、前記イオン交換膜の前記培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に前記対電極を接触させ、前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えながら前記微生物を培養することを特徴とする電気培養方法。
【請求項２】
前記対電極が多孔質体で構成されている請求項１に記載の電気培養方法。
【請求項３】
請求項１記載の電気培養方法によりガス状物質を生産する微生物または揮発性物質を生産する微生物を培養し、前記ガス状物質または前記揮発性物質が揮発して発生したガス成分を前記培養容器内の前記培養液の液面よりも上部の空間に滞留させ、これを回収することを特徴とする物質生産方法。
【請求項４】
請求項１記載の電気培養方法により揮発性物質を生産する微生物を培養し、前記微生物が生産する前記揮発性物質を前記培養容器内の前記培養液から回収することを特徴とする物質生産方法。
【請求項５】
請求項１記載の電気培養方法により揮発性の有害物質を分解する微生物を培養し、前記培養容器内の前記培養液に添加された前記有害物質を分解処理することを特徴とする物質分解処理方法。
【請求項６】
イオン交換膜によって仕切られ且つ開放された二つの槽を備える培養容器と、作用電極及び対電極と、前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与える電源とを有し、前記二つの槽のうちの一方の槽に酸化還元物質を含む培養液が収容されると共に前記作用電極が前記培養液に浸され、前記二つの槽のうちの他方の槽に電解液が収容されると共に前記対電極が前記電解液に浸され、前記培養液に培養対象たる微生物が添加されて、前記電源により前記作用電極と前記対電極との間に電位差を与えながら前記微生物を培養する電気培養装置において、
前記培養容器を前記イオン交換膜により二つの槽に仕切ることなく前記イオン交換膜を少なくとも一部に備える密閉構造の容器とし、前記作用電極は前記培養容器内に配置されると共に前記対電極は前記培養容器の外側に配置され、前記培養容器に前記培養液が収容されると共に前記作用電極が前記培養液に浸され、前記培養容器の前記イオン交換膜は前記培養容器に前記培養液が収容されたときに少なくともその一部が前記培養液と接触しうる位置に備えられ、前記イオン交換膜の前記培養液との接触面とは反対側の面の少なくとも一部に前記対電極が接触して配置されていることを特徴とする電気培養装置。
【請求項７】
前記培養容器の前記培養液の液面よりも下部に開口部が設けられ、前記開口部が前記イオン交換膜で塞がれ、前記培養容器の外側の前記イオン交換膜の表面の少なくとも一部に前記対電極が接触して配置されている請求項６に記載の電気培養装置。
【請求項８】
前記対電極が多孔質体で構成されている請求項６または７に記載の電気培養装置。
【請求項９】
前記培養容器内の前記培養液の液面よりも上部の空間に滞留するガス状物質を回収するガス回収手段を備える請求項５または６に記載の電気培養装置。
【請求項１０】
前記培養容器内の前記培養液を採取する培養液採取手段を備える請求項５または６に記載の電気培養装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２０７１９３（Ｐ２０１０−２０７１９３Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５９７８７（Ｐ２００９−５９７８７）
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【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２０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槽の研究開発」、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２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【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２０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槽の研究開発」、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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