(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水底の嫌気性土壌中に第１電極を埋設すると共にその上方の水中に第２電極を設置し，両電極間に接続した電位制御装置により第１電極を前記土壌中の所定微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位に制御してなる水底土壌の微生物反応制御方法。
【請求項２】
請求項１の制御方法において，前記電位制御装置により第１電極の電位を切り替えながら所定微生物反応の生成物発生量を測定することにより前記土壌中の所定微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位を検出し且つその検出電位に第１電極を制御してなる水底土壌の微生物反応制御方法。
【請求項３】
請求項１又は２の制御方法において，前記土壌中又はその上方の水中に所定汚染物質含有廃水を流入させ，前記第１電極をその汚染物質の分解微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位に制御してなる水底土壌の微生物反応制御方法。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの制御方法において，前記第１電極をメタン菌のメタンガス生成反応が抑制される酸化還元電位に制御してなる水底土壌の微生物反応制御方法。
【請求項５】
請求項１から３の何れかの制御方法において，前記第１電極を亜酸化窒素還元細菌の還元反応が促進される酸化還元電位に制御してなる水底土壌の微生物反応制御方法。
【請求項６】
水底の嫌気性土壌中に埋設する第１電極，その上方の水中に設置する第２電極，及び両電極間に接続されて第１電極を前記土壌中の所定微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位に制御する電位制御装置を備えてなる水底土壌の微生物反応制御システム。
【請求項７】
請求項６の制御システムにおいて，前記所定微生物反応の生成物発生量を測定する測定手段と，前記第１電極の電位を切り替えながら所定微生物反応の生成物発生量を測定することにより前記土壌中の所定微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位を検出する検出手段とを含めてなる水底土壌の微生物反応制御システム。
【請求項８】
請求項６又は７の制御システムにおいて，前記土壌中又はその上方の水中に所定汚染物質含有廃水を流入させる流入路を設け，前記電位制御装置により第１電極をその汚染物質の分解微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位に制御してなる水底土壌の微生物反応制御システム。
【請求項９】
請求項６から８の何れかの制御システムにおいて，前記第１電極をメタン菌のメタンガス生成反応が抑制される酸化還元電位に制御してなる水底土壌の微生物反応制御システム。
【請求項１０】
請求項６から８の何れかの制御システムにおいて，前記第１電極を亜酸化窒素還元細菌の還元反応が促進される酸化還元電位に制御してなる水底土壌の微生物反応制御システム。
【請求項１１】
請求項６から１０の何れかの制御システムにおいて，前記電位制御装置を，前記第１電極及び第２電極に接続されると共に，常に一定の酸化還元電位を示す基準電極を有する３電極式の電位制御装置としてなる水底土壌の微生物反応制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水底土壌の微生物反応制御方法及びシステムに関し、とくに水底の嫌気性土壌中の微生物反応を電気化学的に制御する方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球の大気圏温度を上昇させる可能性のある二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）その他の温室効果ガス（以下、温暖化ガスということがある）は、人間生活に悪影響を与える洪水・異常気象等の原因になりうるため、その発生量を抑制・削減することが求められている。例えば工業プロセスにおいて発生する温暖化ガスは、投入エネルギーと生産性とを考慮したうえでプロセスの運用方法（運転時間や間隔等）を最適化することで発生量を抑制・削減する努力が図られている。また、工業プロセスにおいて発生した温暖化ガスを例えば触媒等で分解することにより、プロセス全体からの発生量を抑制する技術の開発も進められている。
【０００３】
温暖化ガスは、工業プロセスだけでなく、湖沼、河川等の自然水域、水田等の農耕作地、下水処理場や廃棄物の処分場・埋立地その他の自然的環境からも相当量が発生している。工業プロセスで発生する温暖化ガスは主に燃焼・改質等の物理化学的反応で発生するのに対し、自然的環境等で発生する温暖化ガスは主に微生物反応を起源としている。例えば湖沼・河川等では、周辺地域から流入する廃水中に含まれる汚染物質（有機物や窒素系化合物等）が水底で嫌気的に微生物分解されることで温暖化ガスが発生する。このため、湖沼・河川等に流入する廃水に対して適切な廃水処理を施して有機物等の汚染物質を除去することにより温暖化ガスの発生量を抑制・削減する努力が図られている。また、水田等では嫌気的な水底に堆積した有機物が微生物に分解されてメタンが発生する。このため、水田の土壌中に酸化マグネシウム粉末及び／又は水酸化マグネシウム粉末を添加してメタンの発生量を削減する方法等が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１５５７２号公報
【特許文献２】特開２００７−２２７２１６号公報
【特許文献３】特開２００４−２６６６２９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】渡辺正・中林誠一郎「電子移動の化学−電気化学入門」朝倉書店、１９９６年４月２５日発行、1〜７３頁
【非特許文献２】社団法人電気化学会「電気化学測定マニュアル・基礎編」丸善出版、平成１４年４月５日発行、３〜５２頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
湖沼・河川等において発生する温暖化ガスは、上述した廃水処理によりある程度抑制することができる。しかし、湖沼・河川等では、周辺から流入する汚染物質以外にも自然発生的にヘドロ、底泥、落葉等の有機物泥が堆積し、その堆積泥からも嫌気的分解によってメタンその他の温暖化ガスが発生するので、上述した廃水処理だけでは水底の堆積泥から発生する温暖化ガスを充分に抑制できない問題点がある。現状では人為的に浚渫等して除去する以外に堆積泥から温暖化ガスの発生を抑える適当な方法がなく、堆積した原位置において温暖化ガスの発生を抑える適当な技術は未だ開発されていない。また、最近の水田等では生産性向上のため過剰な窒素肥料が施される傾向にあり、水田の嫌気的な底泥からメタン以外に亜酸化窒素等の温暖化ガスも発生しているが、従来のメタンの削減対策では必ずしも亜酸化窒素等の発生を適切に抑制できない問題点がある。更に、下水処理場や廃棄物の処分場・埋立地等においても、濾過槽・放流池等の水底の嫌気的な堆積物からメタンや亜酸化窒素等を含む相当量の温暖化ガスが発生している。
【０００７】
従来、湖沼・河川等の水底堆積泥、水田等の底泥、下水処理場等の水底堆積物等（以下、これらをまとめて水底土壌ということがある）から発生する温暖化ガスは、工業プロセスでの技術革新による温暖化ガス発生の削減に比べ、積極的に抑制・削減の対象とされてこなかった。しかし、水底土壌から発生する温暖化ガスの総量は決して少ないわけではなく、例えば湖沼・河川等に流入する汚染物質が適切に管理されていない場合、或いは生ごみ等の有機物が埋め立て処分場に直接投棄される場合等には、水底土壌が膨大な温暖化ガスの発生源となりうる。発生する温暖化ガスは土壌の性状に応じて異なるが、水底土壌の性状に応じて土壌中の微生物反応を適切に制御できれば温暖化ガスの発生を抑制・削減することが期待できる。
【０００８】
そこで本発明の目的は、水底土壌に応じて様々な土壌中の様々な微生物反応を適切に制御できる方法及びシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、微生物を利用して有機物から電気エネルギーを回収する微生物燃料電池（Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の原理に着目した。微生物燃料電池は、例えば図５に符合３０で示すように、有機性基質を貯えた容器内に挿入する導電性のアノード（負電極）３１と、空気（又は電子受容体）に接触させる導電性のカソード（正電極）３２と、両電極３１、３２の間に挟み込まれたイオン交換膜３３とを有し、外部回路３４を介してアノード３１とカソード３２とを相互に接続して閉回路を形成したものである。アノード３１に有機性基質（有機性物質を含む水溶液又はガス）を供給し、アノード３１上の微生物反応によって有機性基質から水素イオン（Ｈ＋）及び電子（ｅ−）を生成し、生成した水素イオンをイオン交換膜３３経由でカソード３２側へ移動させ、電子を外部回路３４経由でカソード３２側へ移動させる。他方、カソード３２に空気（又は電子受容体）を供給し、アノード３１から移動した水素イオン及び電子を酸素（又は電子受容体）結合させることにより消費する。微生物燃料電池３０は、この一連の反応により外部回路３４を介して有機性基質から電気エネルギーを回収する。
【００１０】
例えば、図５のアノード３１周辺にメタン生成菌又は脱窒菌を導入して微生物燃料電池３０を構成するが（特許文献２及び３参照）、その場合にアノード３１周辺で生起する微生物反応は、水底土壌において温暖化ガス（メタンガスや亜酸化窒素）を発生する微生物反応と同様である。また、微生物燃料電池３０のカソード３２側で発生する反応は、水底土壌の上方の水相においても生起しうる反応である。更に、微生物燃料電池３０は両電極３１、３２の間にイオン交換膜３３を挟み込んでイオン交換及び絶縁を行っているが、水底土壌と水相との間の境界相（水底土壌の上部層）も同様のイオン交換及び絶縁の機能を果たすことができる。微生物燃料電池３０は微生物反応の酸化還元電位に応じた電気エネルギーを回収するものであるが、全ての微生物反応（生化学反応）は酸化還元電位に依存しているから、逆に両電極３１、３２の間（外部回路３４）に適当な酸化還元電位を印加してやれば、アノード３１を介して水底土壌で生起する微生物反応を制御することも可能である。本発明は、この着想に基づく研究開発の結果、完成に到ったものである。
【００１１】
図１の実施例を参照するに、本発明による水底土壌の微生物反応制御方法は、水底の嫌気性土壌Ｅ中に第１電極１１を埋設すると共にその上方の水Ｗ中に第２電極１２を設置し、両電極１１、１２の間に接続した電位制御装置２０により第１電極１１を土壌Ｅ中の所定微生物反応（例えばメタン菌のメタンガス生成反応、亜酸化窒素還元細菌の還元反応等）が抑制又は促進される酸化還元電位Ｖに制御してなるものである。
【００１２】
また、図１の実施例を参照するに、本発明による水底土壌の微生物反応制御システムは、水底の嫌気性土壌Ｅ中に埋設する第１電極１１、その上方の水Ｗ中に設置する第２電極１２、及び両電極１１、１２間に接続されて第１電極１１を土壌Ｅ中の土壌Ｅ中の所定微生物反応（例えばメタン菌のメタンガス生成反応、亜酸化窒素還元細菌の還元反応等）が抑制又は促進される酸化還元電位Ｖに制御する電位制御装置２０を備えてなるものである。
【００１３】
好ましくは、図２に示すように、電位制御装置２０に加え、所定微生物反応の生成物発生量を測定する測定手段２７と、第１電極１１の電位を切り替えながら所定微生物反応の生成物発生量を測定することにより土壌Ｅ中の所定微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位Ｖを検出する検出手段２８とを含める。望ましい実施例では、図４に示すように、土壌Ｅ中又はその上方の水Ｗ中に所定汚染物質含有廃水Ｄを流入させる流入路７を設け、電位制御装置２０により第１電極１１をその汚染物質の分解微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位Ｖに制御することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による水底土壌の微生物反応制御方法及びシステムは、水底の嫌気性土壌Ｅ中に埋設した第１電極１１とその上方の水Ｗ中に設置した第２電極１２との間に電位制御装置２０を接続し、電位制御装置２０によって第１電極１１を水底土壌Ｅ中の所定微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位Ｖに制御するので、次の効果を奏する。
【００１５】
（イ）従来は浚渫する以外に適切な抑制法のなかった湖沼・河川等の水底堆積泥（水底土壌Ｅ）から発生する温暖化ガスを、原位置において電極対１１、１２を設置して水底土壌Ｅ中の酸化還元電位Ｖを制御するだけで、温暖化ガスを生産又は消費する微生物反応を抑制又は促進することにより、抑制・削減することができる。
（ロ）また、水底土壌Ｅ中の所定微生物反応の生成物発生量を測定する測定手段２７を設け、酸化還元電位Ｖを切り替えながら所定微生物反応の生成物発生量を測定することにより、水底土壌Ｅに応じた適切な酸化還元電位Ｖを選択して温暖化ガスの発生を安定的・効率的に抑制することができる。
（ハ）水底土壌Ｅに応じて酸化還元電位Ｖを適切に選択することにより、その土壌Ｅで生起する様々な微生物反応を抑制又は促進することができ、メタン、亜酸化窒素等だけでなく他の温暖化ガスを含めて同時に抑制する場合にも適用・活用することができる。
【００１６】
（ニ）温暖化ガスを生産又は消費する微生物反応だけでなく、水底土壌Ｅで生起する他の微生物反応を抑制又は促進する場合にも利用可能であり、有害物質や各種栄養塩の分解微生物反応を抑制又は促進することにより水底土壌Ｅの浄化や周辺の水質改善に寄与することも期待できる。
（ホ）例えば、所定汚染物質の含有廃水を水底土壌Ｅに流入させ、その汚染物質の分解微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位Ｖに水底土壌Ｅを制御することにより、本発明を廃水処理に利用することができる。
（ヘ）従来は温暖化ガスの抑制・削減の対象とされてこなかった湖沼・河川・水田等の水底土壌を、本発明の適用により対象に含めることができるようになり、例えば温暖化ガスの排出権取引（ＣＤＭ）や企業の社会貢献（ＣＳＲ）にも利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
【図１】は、本発明による水底土壌の微生物反応制御方法の一実施例のブロック図である。
【図２】は、本発明による微生物反応制御方法の効果を確認する実験の説明図である。
【図３】は、図２の実験結果を示すグラフの一例である。
【図４】は、本発明による水底土壌の微生物反応制御方法の他の実施例の説明図である。
【図５】は、従来の微生物燃料電池の原理を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、温暖化ガスの発生を抑制すべき湖沼・河川、水田等の水底土壌Ｅに本発明の微生物反応制御システムを適用した実施例を示す。図示例のシステムは、水底の嫌気性土壌Ｅ中に埋設する第１電極１１と、その上方の水Ｗ中に設置する第２電極１２と、両電極１１、１２間に接続する電位制御装置２０とを有する。一般に水底土壌Ｅは、上方の水Ｗに接する表面の酸化層以外は嫌気的であり、その嫌気層において有機物が嫌気性微生物により分解されてメタンその他の温暖化ガスが発生する。図示例において第１電極１１は、水底土壌Ｅの酸化層より下方の嫌気層に埋設する。第２電極１２は、例えば図２に示すように適当な支持部材１５によって水底土壌Ｅから離して上方に支持するが、第１電極１１との絶縁が確保できれば水底土壌Ｅの表面に直接載置してもよい。
【００１９】
図示例の電極１１、１２は何れも、例えば炭素繊維、炭素板、グラファイトその他の導電性材料製とすることができ、金属材料製とすることもできる。両電極１１、１２間に接続した電位制御装置２０によって第１電極１１の電位を制御し、水底土壌Ｅ中に酸化力又は還元力を供給して土壌Ｅ中の温暖化ガスを生産又は消費する所定微生物反応を抑制し又は促進することにより、土壌Ｅ中の微生物叢又は微生物代謝を改変せしめて温暖化ガスの発生を抑制する。上述したように、全ての微生物反応（生化学反応）は酸化還元電位に依存しているので、第１電極１１の酸化還元電位Ｖを制御することにより水底土壌Ｅ中の微生物反応の代謝経路及び代謝速度に変化を及ぼすことができる。
【００２０】
例えば、水底土壌Ｅにおいて有機性化合物は、加水分解を受けて低分子化された後、先ず酸生成細菌群により有機酸に分解され、次いで水素生成細菌により有機酸が水素、二酸化炭素、酢酸等に分解され、最終的にメタン菌によって酢酸（ＣＨ３ＣＯＯ−）が還元されてメタン（ＣＨ４）が発生する（（１）式参照）。（１）式の微生物反応を右側へ進めるためには酸化還元電位を−２４０ｍＶ以下にする必要があり、これ以上の酸化還元電位ではメタンは発生せず、鉄還元反応等の微生物による酢酸からの電子放出反応（（２）式）又は酸素呼吸反応（（３）式）により酢酸は二酸化炭素に酸化される。すなわち、図示例において電位制御装置２０により第１電極１１を−２４０ｍＶ以上に制御すれば、理論的には水底土壌Ｅ中の（１）式の微生物反応は抑制され、水底土壌Ｅからのメタンの放出を抑制することができる。メタンに代わり（２）〜（３）式の微生物反応により二酸化炭素が発生するものの、二酸化炭素の温暖化係数（地球の大気圏温度を上昇させる温室効果の強さ）はメタンの約２０分の１であるから、メタンに代えて二酸化炭素が放出されても地球温暖化に与える影響は小さい。
【００２１】
ＣＨ３ＣＯＯ−＋９Ｈ＋＋８ｅ−→２ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ  ………………………（１）
ＣＨ３ＣＯＯ−＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋７Ｈ＋＋８ｅ−  ………………………（２）
ＣＨ３ＣＯＯ−＋Ｏ２→２ＣＯ２＋３Ｈ＋＋４ｅ−  ……………………………（３）
２Ｈ２Ｏ→４Ｈ＋＋４Ｏ２＋４ｅ−  ………………………………………………（４）
４Ｈ＋＋４Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  ………………………………………………（５）
【００２２】
（１）式と（２）〜（３）式との比較から分かるように、図示例のシステムでは、第１電極１１の酸化還元電位Ｖを制御することにより、第１電極１１と第２電極１２との間で電子（ｅ−）の移動方向を切り替えることができる。すなわち、酸化還元電位が−２４０ｍＶ以下であれば第２電極１２から第１電極１１に還元力が供給されて（第２電極１２から第１電極１１に電子が放出されて）メタンが発生し（（１）式と（４）式参照）、酸化還元電位を−２４０ｍＶ以上に制御すれば第１電極１１に酸化力が供給されて（第１電極１１から第２電極１２に電子が放出されて）二酸化炭素が発生する（（２）〜（３）式と（５）式参照）。第１電極１１の付近において消費される酢酸は周囲の有機物の発酵反応により適宜補われ、第２電極１２の付近において消費されるＨ＋は周囲の水Ｗから適宜補われる。海水中には多量の電解質（すなわち塩）が溶け込んでおり、淡水中にも様々な電解質が溶け込んでいる場合が多く、さらに一般的に水底土壌Ｅから様々な電解質が溶け出してくるので、とくに水Ｗ中に電解質等を溶解しなくても（１）〜（５）式の反応を進めることができるが、必要に応じて水Ｗ中に適当な電解質（無機塩類等）を添加することも有効である。
【００２３】
図示例の電位制御装置２０は、上述した（１）式と（２）〜（３）式とが切り替わるように第１電極１１の酸化還元電位Ｖを制御する。一般に電気分解では第１電極１１と第２電極１２と間に電位差を設けて分解反応を進行させるが、２つの電極１１、１２だけでは酸化反応と還元反応とが同時に進行するので各電極の正確な電位を特定できず、一方の電極１１を特定の酸化還元電位（例えば上述した−２４０ｍＶ以上）に制御することは難しい。図示例では、電位制御装置２０として、第１電極（動作電極）１１及び第２電極（補助電極）１２と共に、常に一定の酸化還元電位を示す基準電極１４を有する３電極式のポテンショスタットを用いている。３電極式の電位制御装置２０は、基準電極１４と第１電極１１との電位差（電圧）から第１電極１１の正確な電位を特定して制御することができる。ただし、本発明で用いる電位制御装置２０はポテンショスタットに限定されるものではなく、ガルバノスタットとしても良い。
【００２４】
図示例の３電極式の電位制御装置２０は、動作電極（第１電極）１１と補助電極（第２電極）１２との間に大部分の電流を流し、動作電極１１と基準電極１４との間に微小電流を流して動作電極１１の電位を定める電位制御回路２１を設けている。電位制御回路２１の可変電圧回路２２により動作電極１１の電位を切り替え可能とし、電圧計２３の計測値と基準電極１４の電位とに基づき動作電極１１の電位を制御する（非特許文献１及び２参照）。例えば電位制御回路２１のメモリ２４に酸化還元電位の目標値（例えば（１）式の酸化還元電位）を設定しておき、可変電圧回路２２及び電圧計２３により動作電極１１を精度よく目標電位に一致させる。なお、図示例の電位制御装置２０は動作電極１１と補助電極１２との間に電流測定回路２５及び電流計２６を設けており、電流計２６の計測値に基づき動作電極１１の電位を制御することも可能である。
【００２５】
ただし、水底土壌Ｅにおいてメタンを生成する微生物反応は（１）式のみではなく、複数のメタン菌が関与することが知られている。また、水底土壌Ｅにおける微生物反応の環境も一定ではなく、土壌Ｅを構成する材料（シルト、砂等の構成割合）、土壌Ｅの物理的性質を決める気相、液相、固相の割合や団粒形成状態によって微細構造やｐＨ、水分量が変化し、それらの影響によって酸化還元電位Ｖが変動しうる。例えば、水底土壌Ｅにおけるメタン生成を抑えるためには−１５０ｍＶ以上の酸化還元電位が必要であるとの報告もある。温暖化ガスの発生を安定的・効率的に抑制するためには、原位置の水底土壌Ｅの構成材料や物理的性質に応じた酸化還元電位Ｖとする必要があり、そのためには原位置毎に温暖化ガスの発生が抑制される酸化還元電位Ｖ（例えば、原位置における（１）式の酸化還元電位Ｖ）を検出して制御に利用することが望ましい。
【００２６】
図２は、原位置の水底土壌Ｅに応じた酸化還元電位Ｖを検出して制御に利用する電位制御装置２０の実施例を示す。図示例の電位制御装置２０は、微生物反応の生成物発生量（例えばメタン濃度）を測定する測定手段２７を有する。また、原位置の水底土壌Ｅ中に埋設した第１電極１１の電位を切り替えながら微生物反応の生成物発生量（例えばメタン発生量）の測定値を入力し、原位置においてその微生物反応が実際に抑制される酸化還元電位Ｖ（例えば、原位置において（１）式の微生物反応が抑制されて（２）〜（３）式の微生物反応に切り替わる酸化還元電位Ｖ）を検出する検出手段２８を有している。後述する実験例１に示すように、図示例の電位制御装置２０によって原位置毎に温暖化ガスの発生が抑制される酸化還元電位Ｖを検出し、例えばその検出電位Ｖを電位制御装置２０の目標値に設定して第１電極１１を制御することにより、温暖化ガスの発生を安定的・効率的に抑制することができる。
【００２７】
［実験例１］
本発明による微生物反応制御方法の効果を確認するため、図２に示す実験装置を作成して効果を確認する実験を行った。本実験では、原位置の水底土壌Ｅとして淡水魚の養殖場からサンプリングした底泥と園芸店で購入した土とを混合した模擬底泥を調製し、約０．６リットルの模擬底泥Ｅを容積約２リットルの蓋付き容器５（ＰＥＴボトル製）に充填し、模擬底泥Ｅの底部に導線付き第１電極（グラファイト板、縦６ｃｍ×横５ｃｍ×厚さ０．８ｃｍ）を埋設した。また、模擬底泥Ｅの上部に約０．４リットルの水Ｗを入れ、その水Ｗ中に支持部材１５で支持して第１電極と同じサイズの導線付き第２電極１２（グラファイト板、縦６ｃｍ×横５ｃｍ×厚さ０．８ｃｍ）を設置した。第１電極１１及び第２電極１２の導線をそれぞれ３電極式の電位制御装置２０（ポテンショスタット）に接続して回路を形成し、電位制御装置２０の基準電極１４を第１電極１１近くの水中に設置し、電位制御装置２０によって模擬底泥Ｅ中の酸化還元電位Ｖを任意に設定できる構造とした。
【００２８】
図２の実験では、模擬底泥Ｅの上方の水Ｗ中に無機塩培地（主成分はリン酸ナトリウムと微量塩類）を希釈したうえで電解質として添加した。更に、容器５の上部開口に光音響型マルチガスモニター２７を接続し、模擬底泥Ｅ中の微生物反応で発生した容器５内の気相ガス中のメタン濃度（メタン発生量）を連続的に測定すると共に、電位制御装置２０に目標電位を切り替える検出手段２８を接続し、模擬底泥Ｅ中の第１電極１１の制御電位Ｖをそれぞれ設定して気相中のメタン濃度の変化を測定した。実験結果を図３のグラフに示す。
【００２９】
図３のグラフのうち、「Ｂｌａｎｋ」は電極を設置していない状態のメタン発生濃度を示し、「無制御」は電極１１、１２を埋設・設置するが両電極１１、１２間に抵抗を接続して電極１１に電位を加えない状態（無制御状態）のメタン発生濃度を示す。無制御状態において両電極１１、１２の回路に流れる電流を電位制御装置２０でモニタリングしたところ、約１２０日間にわたり電流値が徐々に上昇し、その後も一定の電流を発生していることが認められた。この電流産生は模擬底泥Ｅ中の有機物の分解によるものと考えられることから、模擬底泥Ｅ中の電流産生菌ジオバクター属の微生物分布を定量ＰＣＲ法によって確認したところ、第１電極１１の近傍には他の部位に比べ約３倍、第１電極１１自体には約１５倍の濃度でこの微生物が偏在していた。同様にメタン菌数を計測したところ、第１電極１１の近傍では他の部位に比べて約１／７まで減少していた。更に、第１電極１１の近傍の模擬底泥Ｅをサンプリングし、電極１１と離れた部位の模擬底泥Ｅとメタン発生活性を比較したところ、約１／２５にまで活性が低下していた。これらのことから、無制御状態においても両電極１１、１２の回路を介して上部水Ｗ中から模擬底泥Ｅ中に酸化力が供給され、メタン発生量がある程度抑制されていることが確認された。ただし、図３に示すように無制御状態では、Ｂｌａｎｋのメタンガス濃度よりは若干低いものの、容器５内の気相中に約７ｐｐｍのメタンが検出され、メタン発生量を安定的・効率的に抑制できていない。
【００３０】
上記のことから自然電位差だけでも水底土壌Ｅ中に酸化力が供給されることを確認できたが、図３のグラフは、さらに積極的に電位制御装置２０を用いて第１電極１１の酸化還元電位Ｖを切り替えることにより容器５内の気相中のメタン濃度が変化することを示している。図３は銀／塩化銀電極を基準電極１４とした酸化還元電位Ｖを表しており、酸化還元電位Ｖが−２００ｍＶ以下のときは約７ｐｐｍのメタンが発生するのに対し、酸化還元電位Ｖを−１００ｍＶ以上に設定することでメタン発生量が約半分の３ｐｐｍ以下に抑制されることを示している。この実験結果から、本実験で用いた模擬底泥Ｅ中においてメタン菌のメタンガス生成反応が抑制される酸化還元電位Ｖ（（１）式の微生物反応が抑制されて（２）〜（３）式の微生物反応に切り替わる酸化還元電位Ｖ）は−１００ｍＶ以上であり、電位制御装置２０によって基準電極（銀／塩化銀電極）１４に対する第１電極１１を−１００ｍＶ以上の酸化還元電位Ｖとなるように制御することで、電極近傍から周囲への汚泥の酸化還元電位が広く引き上げられ、メタンの発生を安定的・効率的に抑制できることが確認できた。
【００３１】
なお、上述した図２及び図３の実験はメタンだけでなく他の温暖化ガス、例えば水底土壌Ｅ中の亜酸化窒素の発生を抑制するために有効な酸化還元電位Ｖを検出するためにも利用できる。自然環境中においてアンモニア（例えばタンパク質又は動物等のし尿を起源とするアンモニア）は、水底土壌Ｅ中において単独又は複数の微生物反応が関与する硝化、脱窒プロセスにより硝酸、亜硝酸が生成され、さらに硝酸から亜酸化窒素に分解されたのち（（１１）式参照）、最終的に窒素に分解されて大気中に放出される（（１２）式参照）。アンモニアから硝酸、亜硝酸の生成反応は酸素を必要とする絶対好気条件下で進行するのに対し、（１２）式の亜酸化窒素還元細菌の還元反応は嫌気条件、すなわち酸化還元電位Ｖの低い状態で進行する。
２ＨＮＯ３＋８Ｈ＋＋８ｅ−→５Ｈ２Ｏ＋Ｎ２Ｏ  ………………………………（１１）
Ｎ２Ｏ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｎ２＋Ｈ２Ｏ  …………………………………………（１２）
【００３２】
例えば図２の実験において、水底土壌Ｅ中にアンモニア又は硝酸を添加し、容器５の開口に接続したガス濃度測定装置（光音響型マルチガスモニター）によって気相ガス中の亜酸化窒素濃度を連続的に測定し、電位制御装置２０により水底土壌Ｅ中の酸化還元電位Ｖを切り替えながら亜酸化窒素発生量の変化を測定する。土壌Ｅの酸化還元電位Ｖが高い状態では亜酸化窒素還元細菌の還元反応（（１２）式の脱窒反応）が進行せず、酸化還元電位Ｖを低くして土壌Ｅ中に還元力を供給することにより亜酸化窒素の分解が促進されて脱窒が増加する。この亜酸化窒素濃度の増減から、土壌Ｅに応じて亜酸化窒素還元細菌の還元反応が促進される酸化還元電位Ｖを検出し、その検出電位Ｖを電位制御装置２０の目標値に設定して土壌Ｅの酸化還元電位Ｖを制御することにより、二酸化炭素の約３００倍の温暖化係数を有する亜酸化窒素の発生を安定的・効率的に抑制することができる。
【００３３】
こうして本発明の目的である「水底土壌に応じて様々な土壌中の様々な微生物反応を適切に制御できる方法及びシステム」を達成することができる。
【実施例１】
【００３４】
以上、水底土壌Ｅ中の温暖化ガスを生産又は消費する微生物反応を抑制し又は促進する方法について説明したが、本発明のシステムは水底土壌Ｅ中で生起する他の微生物反応を抑制又は促進する場合にも利用可能である。例えば表１に示すように硝酸態窒素・硫化水素その他の有害物質やリンその他の栄養塩類を分解又は生成する微生物反応の酸化還元電位Ｖが知られており、表１に基づいて水底土壌Ｅの酸化還元電位Ｖを制御することにより、土壌Ｅ中の有害物質や栄養塩類の分解を促進し又は生成を抑制することができる。また図２の実験装置において、気相中の反応生成物（メタン等）の測定に代えて、測定手段２７により土壌Ｅ中の反応生成物（有害物質や栄養塩類等）を測定することにより、原位置の水底土壌Ｅの性状に応じて有害物質や栄養塩類の分解を促進し又は生成を抑制できる最適の酸化還元電位Ｖを検出し、その検出電位Ｖに基づき第１電極１１を制御することにより、有害物質や栄養塩類の分解又は生成の安定化・効率化を図ることも可能である。
【００３５】
【表１】
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【実施例２】
【００３６】
図４は、本発明の微生物反応制御システムを廃水処理に利用した実施例を示す。図示例は、廃水処理施設の濾過槽（又はオープンポンド等の放流池）６の水底土壌Ｅ中に第１電極１１を埋設し、その上方の水Ｗ中に第２電極１２を設置する。例えば、濾過槽６の流入路７から土壌Ｅ中又はその上方の水Ｗ中に汚染物質（例えば酢酸等の有機物又は硝酸態窒素等）を含む廃水Ｄを流入させ、両電極１１、１２間に接続した電位制御装置２０によって土壌Ｅ中の汚染物質の分解微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位Ｖに制御することにより、土壌Ｅ中に浸透した汚染物質を分解する。汚染物質の分解微生物反応が抑制又は促進される酸化還元電位Ｖは、上述したメタン菌のメタンガス生成反応又は亜酸化窒素還元細菌の還元反応の場合と同様に定めることができる。汚染物質を分解した後の廃水Ｄは、土壌Ｅ中を緩速濾過させて好気化したのち放水路８から（好気化が必要ないときは放水路９から）放流する。
【００３７】
図示例の濾過槽６において、酢酸等の汚染物質を含む廃水Ｄを流入させた場合は、水底土壌Ｅ中の第１電極１１の周囲領域Ａにおいて酢酸を分解して電極１１に電子を渡す微生物が生息し、水Ｗ中の第２電極１２の周囲領域Ｃにおいて電子をもらって酸素を分解する好気性微生物が繁茂し、両者の境界の土壌上層領域において酸素を消費しつつ水素イオンを通す微生物膜が形成される。電極１１、１２の表面が汚れて電流不足となるときは、例えば電位制御装置２０により逆電位をかけて電極面の汚れを除去することができる。また、水底土壌Ｅに目詰まり等が発生したときは、図中に一転鎖線で示すように、処理後廃水を放水路８から土壌Ｅに逆流させて洗浄（逆洗）することができる。
【符号の説明】
【００３８】
５…容器                      ６…濾過槽（放流池）
７…流入路                    ８…放水路
９…放水路
１１…第１電極                １２…第２電極
１４…基準電極                １５…支持部材
２０…電位制御装置            ２１…電位制御回路
２２…可変電圧回路            ２３…電圧計
２４…メモリ                  ２５…電流測定回路
２６…電流計                  ２７…測定手段
２８…検出手段
３０…微生物燃料電池          ３１…アノード（負電極）
３２…カソード（正電極）      ３３…イオン交換膜
３４…回路
Ｄ…廃水
Ｅ…水底土壌
Ｗ…水
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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