(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光タンパク質遺伝子、及び処理対象物質に対する処理機能を発現させる機能強化遺伝子が、遺伝子組換えにより組み込まれた遺伝子組換え微生物を保持し、前記遺伝子組換え微生物によって処理水を生物処理する生物反応槽と、
前記生物反応槽で生物処理された前記処理水を濾過する濾過膜と、
前記濾過膜を通過して前記生物反応槽から排出された前記処理水の蛍光を測定する蛍光測定手段と、
前記蛍光測定手段の後段に設けられた、前記処理水を滅菌する滅菌手段、又は前記処理水の排出を一時的に遮断する遮断手段と、
前記蛍光測定手段で得られた蛍光測定結果に基づいて、前記滅菌手段又は遮断手段の動作を制御する制御部と、を備える処理装置。
【請求項２】
前記滅菌手段を備え、前記滅菌手段が紫外線照射装置であり、前記制御部は、前記蛍光測定手段で得られた蛍光測定結果に基づいて、紫外線照射を制御する請求項１に記載の処理装置。
【請求項３】
更に、前記生物反応槽から排出された前記遺伝子組換え微生物を含む汚泥を滅菌する、汚泥滅菌手段を備える請求項１又は２に記載の処理装置。
【請求項４】
前記汚泥滅菌手段は、乾燥滅菌装置である請求項３に記載の処理装置。
【請求項５】
前記機能強化遺伝子は、処理対象物質に対する処理機能を有する酵素をコードする遺伝子であり、前記遺伝子組換え微生物は、前記酵素を分泌又は細胞表層に提示するものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項６】
前記機能強化遺伝子は、リパーゼ系酵素をコードする遺伝子、セルラーゼ系酵素をコードする遺伝子、プロテアーゼ系酵素をコードする遺伝子、及びアミラーゼ系酵素をコードする遺伝子からなる群から選ばれるいずれか一種以上である請求項５に記載の処理装置。
【請求項７】
前記機能強化遺伝子は、前記遺伝子組換え微生物内でのポリリン酸の合成能を促進する遺伝子である請求項１〜４のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項８】
前記機能強化遺伝子は、金属吸着能を有するタンパク質をコードする遺伝子であり、前記遺伝子組換え微生物は、前記金属吸着能を有するタンパク質を細胞表層に提示するものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項９】
更に、前記遺伝子組換え微生物を培養する培養槽を備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１０】
更に、前記生物反応槽から排出された前記遺伝子組換え微生物を含む汚泥を脱水する脱水手段と、
前記脱水手段によって得られた脱離液を前記生物反応槽に返送する返送手段と、を備える請求項１〜９のいずれか一項に記載の処理装置。
【請求項１１】
蛍光タンパク質遺伝子、及び処理対象物質に対する処理機能を発現させる機能強化遺伝子が遺伝子組換えにより組み込まれた遺伝子組換え微生物によって、処理水を生物処理する処理工程と、
前記生物処理された処理水の少なくとも一部を、前記処理水を濾過する濾過膜を通過させる分離工程と、
前記濾過膜を通過した処理水の蛍光を測定する蛍光測定工程と、
前記蛍光測定工程で得られた蛍光測定結果に基づいて、滅菌手段又は遮断手段の動作を制御する制御工程と、
を含む処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、処理装置及び処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、有機性排水を浄化処理する手段として、微生物を利用した水処理方式が主流であり、特に活性汚泥法が主に採用されている。近年は処理水質のさらなる向上の点から、嫌気―好気活性汚泥法、循環式硝化脱窒法、嫌気―無酸素―好気法（Ａ２Ｏ法）など窒素・リンも同時に除去する方式の採用も進みつつある。さらに、処理水の濁質成分の除去、省スペース化を目的として、活性汚泥の固液分離を濾過膜によって行う濾過膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ：Membrane  Bio−Reactor）が導入されている。
一方、微生物の種類を強化する手段として、遺伝子操作により、微生物の機能を強化し、処理対象物の分解性を高める方法がある。遺伝子組換えを行った微生物に関しては、国際法であるカルタヘナ法により、環境水中へ流出しないようにすることが求められている。しかし、処理プラント系外への遺伝子組み換え微生物の流出防止について、十分な対処が図られていない場合があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】細胞表層工学の開発とバイオテクノロジーへの展開、Bioscience  &  Industry, 69(1), 8-15, 2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、遺伝子組み換え微生物の処理プラント系外への流出を防止しつつ、高効率に処理対象水を処理可能な処理装置及び処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の処理装置は、生物反応槽と、濾過膜と、蛍光測定手段と、滅菌手段又は遮断手段と、制御部と、を持つ。生物反応槽は、蛍光タンパク質遺伝子、及び処理対象物質に対する処理機能を発現させる機能強化遺伝子が、遺伝子組換えにより組み込まれた遺伝子組換え微生物を保持し、前記遺伝子組換え微生物によって処理水を生物処理する。濾過膜は、前記生物反応槽で生物処理された前記処理水を濾過する。蛍光測定手段は、前記濾過膜を通過して前記生物反応槽から排出された前記処理水の蛍光を測定する。滅菌手段は、前記蛍光測定手段の後段に設けられ、前記処理水を滅菌する。遮断手段は、前記蛍光測定手段の後段に設けられ、前記処理水の排出を一時的に遮断する。制御部は、前記蛍光測定手段で得られた蛍光測定結果に基づいて、前記滅菌手段又は遮断手段の動作を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態における、処理装置の構成例を示す図。
【図２】実施形態に好適に用いられる遺伝子組換え微生物の説明図。
【図３】第２の実施形態における、処理装置の構成例を示す図。
【図４】第３の実施形態における、処理装置の構成例を示す図。
【図５】従来の処理装置の構成例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態の処理装置を、図面を参照して説明する。
【０００８】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における、処理装置１の構成例を示す図である。第１の実施形態では、処理装置は、「処理装置１ａ」という。一例として、処理装置１ａは、下水処理場に設置される。
【０００９】
処理装置１ａは、生物反応槽１０と、濾過膜２０と、蛍光測定装置（蛍光測定手段）４０と、紫外線照射装置（滅菌手段）５０とを備える。また、処理装置１ａは、脱水機６０と、乾燥機７０とを備える。
【００１０】
生物反応槽１０は、遺伝子組換え微生物を保持し、遺伝子組換え微生物により処理水の生物処理を行う槽である。生物反応槽１０には、配管２を介して処理水の原水である排水が導入される。排水としては、下水、農業集落排水、工場排水等が挙げられる。
配管２には、排水中の比較的大きな塵を除去するスクリーン２ａが設けられ、生物反応槽１０への塵の導入を防止する。スクリーン２ａは、例えば、１ｍｍ目ほどのフィルターを用いることができる。
【００１１】
生物反応槽１０には遺伝子組換え微生物が保持されている。生物反応槽１０に導入された処理水の原水は、遺伝子組換え微生物によって高効率に生物処理される。
遺伝子組換え微生物は、蛍光タンパク質遺伝子、及び処理対象物質に対する処理機能を発現させる機能強化遺伝子が、遺伝子組換えにより組み込まれた微生物である。遺伝子組換え微生物は、蛍光タンパク質遺伝子が組み込まれているので、蛍光タンパクを発現することで、励起光が照射されると蛍光を呈する。また、遺伝子組換え微生物は、機能強化遺伝子が組み込まれているので、処理水中の処理対象物質に対し、優れた処理機能を発揮する。遺伝子組換え微生物は、排水中の有機物や、自身の排水処理によって生じた分解物の有機物を使って、増殖する。
【００１２】
図２は、処理装置１ａに用いられる遺伝子組換え微生物の説明図である。
酵母に、リパーゼの情報をコードしている遺伝子を遺伝子組換えにより導入することで、リパーゼを酵母に作らせることが可能である。リパーゼは、油脂を分解する機能を有する。
また、酵母に蛍光タンパク質遺伝子を遺伝子組換えにより導入することで、蛍光タンパク質を酵母に作らせることが可能である。
図２に示す態様では、蛍光タンパク質遺伝子ＥＧＦＰとリパーゼ遺伝子を組み込むことにより、酵母の細胞壁が蛍光を呈し、油脂分解酵素であるリパーゼが表層に付与された酵母を作ることができる。ＥＧＦＰは、緑色の蛍光タンパクの一つで、４８８ｎｍの波長を励起した際に、５０９ｎｍの蛍光波長を検知することができる。
【００１３】
実施形態において処理水とは、生物反応槽１０内に導入されるもの、生物反応槽１０内に溜められるもの、生物反応槽１０から排出されるものを含む。処理水の液分の少なくとも一部は、生物反応槽１０内に設けられた濾過膜２０を通過することにより、遺伝子組み換え微生物が除かれ、配管３へと送られる。
【００１４】
濾過膜２０は、生物反応槽１０中に配置され、生物反応槽１０の処理水中に設けられている。濾過膜２０としては、例えば、遺伝子組換え微生物よりも小さい孔径の孔を備えたものを用いることができ、活性汚泥の固液分離を膜によって行う膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ）において、通常用いられる膜を用いればよい。例えば、酵母の径は、おおよそ５〜１０μｍであり、濾過膜はそれより小さい孔径のものであれば、どのようなものであってもよい。市場によく出回っているＭＦ膜の孔径は０．１μｍ〜０．５μｍ程度である。
濾過膜２０に対し、洗浄用ブロワ１０ａから供給される空気が気泡となって処理水中に放出され、濾過膜２０の目詰まりを防止する。洗浄用ブロワ１０ａから供給される空気は、生物反応槽１０内の処理水の溶存酸素濃度を高め、遺伝子組換え微生物の生育に適した溶存酸素濃度の提供にも寄与する。図１に示すように、生物反応槽１０内の溶存酸素濃度をさらに上昇させるため、生物反応槽１０内の処理水に空気の供給を行う補助散気ブロワが設けられていてもよい。
【００１５】
生物反応槽１０から排出された処理水は、配管３を通り、処理装置１ａ外へと排出される。
配管３には、蛍光測定装置４０が設置されている。遺伝子組換え微生物は、濾過膜２０によって分離されるため、濾過膜を通過した処理水中には遺伝子組換え微生物は含まれていない。しかし、濾過膜２０が破断する等の何らかの異常により、濾過膜２０を通過した処理水中に遺伝子組換え微生物が混入するリスクがゼロとまではいえない。しかし、実施形態の処理装置１ａによれば、蛍光測定装置４０によって、濾過膜を通過した処理水中の遺伝子組換え微生物が呈する蛍光を検知でき、生物反応槽から排出された処理水中の遺伝子組換え微生物の存在を検知可能である。蛍光測定装置は、例えば、励起光光源および受光部を備える。励起光光源から発せられた励起光が遺伝子組換え微生物に照射されると、蛍光タンパク質から発せられた蛍光は、受光部に検知される。励起光光源は、例えば、キセノンランプやレーザー発振器、紫外線LED等である。受光部は、例えば、光検出器、ＣＣＤイメージセンサ等である。
例えば、実施形態の遺伝子組換え微生物は、ＥＧＦＰを発現しているので、処理水をＥＧＦＰの波長に対応した蛍光測定装置４０（励起波長４８８ｎｍ、蛍光波長５０９ｎｍ）により、観測する。処理水の観測は、常時行ってもよく、例えば１０〜２０分に１回程度おこなってもよい。処理水中の蛍光の測定は、濾過膜を通過し生物反応槽から排出された全ての処理水を対象とせずともよく、処理水の一部を試料液として、この試料液に対して蛍光の測定を行ってもよい。
【００１６】
処理装置１ａは、前記蛍光測定手段の後段に、前記処理水を滅菌する滅菌手段を備える。
配管３には、蛍光測定装置４０の下流に、紫外線照射装置５０が設置されている。上述のように、遺伝子組換え微生物は、濾過膜２０によって分離されるため、配管３内の処理水中には遺伝子組換え微生物は含まれていない。しかし、濾過膜２０が破断する等の何らかの異常により、処理水中に遺伝子組換え微生物が混入した場合であっても、紫外線照射装置５０によって、処理水中の遺伝子組換え微生物を滅菌処理し、死滅させることができる。紫外線照射装置を通過後の処理水は、遺伝子組換え微生物を含まないため、河川等の公共水域に放流することができる。
【００１７】
処理装置１ａは、蛍光測定手段で得られた蛍光測定結果に基づいて、滅菌手段の動作を制御する制御部を備える。すなわち、処理装置１ａは、蛍光測定装置４０によって検出された蛍光の測定値によって、紫外線照射装置の紫外線照射を制御する制御部８０を備える。
例えば、通常運転時には、紫外線照射装置５０は作動しないが、蛍光測定装置４０によって蛍光がわずかにでも測定された場合には、紫外線照射装置５０を作動させる。そして紫外線照射装置５０により処理水を滅菌し、濾過膜２０を通過した処理水中の遺伝子組み換え微生物を、滅菌処理するように構成してもよい。
また例えば、制御部８０が、蛍光測定装置４０によって検出された蛍光強度に基づいて、紫外線照射装置５０の紫外線照射量を算出する算出部を備える構成としてもよい。検出された蛍光の強度から、濾過膜２０を通過した配管３内の処理水中の、遺伝子組換え微生物の濃度、及び遺伝子組換え微生物を滅菌可能な程度の紫外線照射量を算出する。制御部は、算出された紫外線照射量を照射するように、紫外線照射装置５０の紫外線照射量を制御してもよい。
【００１８】
処理装置１ａは、生物反応槽１０から排出された遺伝子組換え微生物を含む汚泥を脱水する脱水手段と、脱水手段によって得られた脱離液を前記生物反応槽に返送する返送手段と、を備える。
生物反応槽１０内の遺伝子組換え微生物及びその他の微生物は、排水処理量に応じて増殖するため、余剰汚泥として、定期的に生物反応槽１０から引き抜かれることが好ましい。
引き抜かれた余剰汚泥の一部は、配管４を通じて、ポンプ４ａにより、脱水機６０（脱水手段）へと送られ脱水される。脱水機６０は、余剰汚泥を脱水処理するための手段を備えたものであれば特に限定されず、遠心脱水機、圧縮脱水機等が挙げられる。脱水された液分である脱離液は、返送管６を介して、生物反応槽１０に返送される。返送手段としては、返送管６及び返送管６に設けられたポンプである。
引き抜かれた余剰汚泥の一部は返送汚泥として、配管５を通じてポンプ５ａにより生物反応槽へと返送される。
【００１９】
処理装置１ａは、生物反応槽１０から排出された遺伝子組換え微生物を含む汚泥を滅菌する、汚泥滅菌手段を備える。
脱水により残った汚泥の固形分は、乾燥機７０（乾燥滅菌装置）へと送られ、１２０℃の熱により乾燥される。１２０℃の熱により汚泥の固形分中に含まれる遺伝子組換え微生物は死滅するため、乾燥機７０は、汚泥滅菌手段も兼ねる。
係る構成により、遺伝子組換え微生物は滅菌され、且つ余剰汚泥が減量化される。乾燥処理を経た余剰汚泥は、最終的には廃棄物となるか、又は肥料として利用することができる。
【００２０】
第１の実施形態の処理装置１ａによれば、上記のように、蛍光タンパク質遺伝子が組み込まれた遺伝子組換え微生物の呈する蛍光を検出可能な蛍光測定装置４０を備えるため、遺伝子組換え微生物の流出を検知できる。
【００２１】
さらに、第１の実施形態の処理装置１ａによれば、処理水を滅菌する紫外線照射装置５０を備えるため、遺伝子組換え微生物を滅菌可能であり、処理プラント系外への遺伝子組換え微生物の流出を防止できる。
【００２２】
以下、第１の実施形態の処理方法について説明する。
【００２３】
実施形態の処理方法は、処理工程と、分離工程と、蛍光測定工程とを含む。処理工程は、蛍光タンパク質遺伝子、及び処理対象物質に対する処理機能を発現させる機能強化遺伝子が遺伝子組換えにより組み込まれた遺伝子組換え微生物によって、処理水を生物処理する工程である。分離工程は、前記生物処理された処理水の少なくとも一部を、前記処理水を濾過する濾過膜を通過させる工程である。蛍光測定工程は、前記濾過膜を通過した処理水の蛍光を測定する工程である。
実施形態の処理方法を実施するための装置は、特に制限されるものではないが、実施形態の処理装置を用いることが好ましい。以下、第１の実施形態の処理装置１ａを用いた第１の実施形態の処理方法を説明する。なお、第１の実施形態の処理装置での説明と共通する点について説明を省略する。
【００２４】
まず、遺伝子組換え微生物が保持されている生物反応槽１０に、配管２を介して処理水の原水である排水を導入して、遺伝子組換え微生物によって、処理水を生物処理する（処理工程）。
ここでいう生物処理とは、例えば、遺伝子組換え微生物が、処理対象物質を分解する機能、処理対象物質を別の物質に変換する機能、処理対象物質を取込む機能、処理対象物質を吸着する機能等を挙げることができる。これらの機能により、処理水を浄化することができる。
【００２５】
次に、生物処理された処理水の少なくとも一部を、処理水中の前記遺伝子組換え微生物を通過させず、処理水中の液体成分を通過させる濾過膜２０を通過させ、濾過膜２０を通過した処理水を得る（分離工程）。処理水が濾過膜２０を通過することにより、処理水から遺伝子組み換え微生物が除かれる。
【００２６】
濾過膜２０を通過した処理水を配管３へと送液し、蛍光測定装置４０によって、濾過膜２０を通過して生物反応槽１０から排出された処理水の蛍光を測定する（測定工程）。遺伝子組換え微生物は、濾過膜２０によって分離されるため、濾過膜２０を通過した処理水中には遺伝子組換え微生物は含まれていない。しかし、濾過膜２０が破断する等の何らかの異常により、濾過膜２０を通過した処理水中に遺伝子組換え微生物が混入した場合、蛍光測定装置４０によって、遺伝子組換え微生物から発せられた蛍光が検知され、処理水中の遺伝子組換え微生物の存在を検知可能である。
【００２７】
第１の実施形態の処理方法は、測定工程で得られた蛍光測定結果に基づいて、滅菌手段の動作を制御する制御工程を有していてもよい。例えば、通常運転時には、紫外線照射装置５０は作動しないが、測定工程において、蛍光測定装置４０によって蛍光がわずかにでも測定された場合には、紫外線照射装置５０を作動させて、検出された遺伝子組み換え微生物を、紫外線照射により滅菌処理してもよい。
また、第１の実施形態の処理方法は、制御工程が、測定工程で得られた蛍光測定結果に基づいて、紫外線照射装置の紫外線照射量を算出する算出工程を有していてもよい。例えば、測定工程において検出された蛍光の強度から、濾過膜２０を通過した処理水中の遺伝子組換え微生物の濃度、及び遺伝子組換え微生物を滅菌可能な程度の紫外線照射量を算出する。算出された紫外線照射量により、制御部は、算出された紫外線照射量を照射するように、紫外線照射装置５０の紫外線照射量を制御してもよい。
【００２８】
第１の実施形態の処理方法によれば、リパーゼの機能遺伝子を付与されている遺伝子組換え微生物を用いることで、通常、生物分解が難しい油脂分を含有する排水の処理が可能である。
【００２９】
第１の実施形態の処理方法によれば、５〜１０ｎｍと比較的大きな微生物である酵母を組み換え体として使用することで、濾過膜での固液分離が容易である。
【００３０】
第１の実施形態の処理方法によれば、蛍光タンパク質を使うことで、高感度に遺伝子組換え微生物を検出できる。また、励起波長／蛍光波長が既知の蛍光タンパク質を用いることで、容易且つ精度よく遺伝子組換え微生物を検出することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、処理装置１に、生物反応槽１０に代えて生物反応槽１１が設けられている点、貯留槽３０、及び配管７，８，９が設けられている点、紫外線照射装置５０に代えて、処理水の排出を一時的に遮断する遮断弁１００（遮断手段）が設けられている点が、第１の実施形態と相違する。生物反応槽１１は、嫌気性の遺伝子組換え微生物を保持し、嫌気性の遺伝子組換え微生物によって処理水を生物処理する反応槽である。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００３２】
図３は、第２の実施形態における、処理装置１の構成例を示す図である。第２の実施形態では、処理装置は「処理装置１ｂ」という。
【００３３】
生物反応槽１１は、担体を貯留する中空筒状の容器である。生物反応槽１１の下端に、処理水の流入口１１ｄが設けられ、上部に処理水の排出口１１ｃが設けられている。また、生物反応槽１１の上端には嫌気処理に伴って発生したガスの排気口１１eが設けられている。生物反応槽１１には、微生物を付着させる担体が貯留されている。処理水は、生物反応槽１１の下部から上部に向けて流れるように構成されている。流入口１１ｄから流入された処理水は、担体を通過する際に嫌気性微生物による嫌気処理が行われる。担体を通過した処理水は排出口１１cから生物反応槽１１の外部に排出される。嫌気処理時に発生したガスは、排気口１１eから排出される。
第１の実施形態の処理装置１ａでは、生物反応槽内の微生物は、遺伝子組換え微生物を含め好気性の微生物を用いていたため、補助散気ブロワ１０ｂ及び洗浄用ブロワ１０ａによって、生物反応槽１０内に空気を送り込むように構成されていた。図３に示す処理装置１ｂは、槽外部から空気が導入されるのではなく、排気口１１eから排出されたガスが、配管７を通じて洗浄用ブロワ１１ａに送られる。濾過膜２０に対し、洗浄用ブロワ１１ａから供給されるガスが気泡となって生物反応槽１１中の水に放出され、濾過膜２０の目詰まりが防止される。
配管８の一端は、生物反応槽１１の排出口１１ｃに接続されている。生物反応槽１１内の処理水が配管８を通じて排出され、貯留槽３０に溜められる。配管９は生物反応槽１１の流入口１１ｄに接続されている。貯留槽３０内の処理水は、配管９を介して流入口１１ｄから、生物反応槽に導入される。
【００３４】
処理装置１ｂは、蛍光測定手段で得られた蛍光測定結果に基づいて、遮断手段の動作を制御する制御部を備える。すなわち、処理装置１ｂは、蛍光測定装置４０によって検出された蛍光の測定値によって、遮断弁１００の開閉を制御する制御部８０を備える。
例えば、通常運転時には、遮断弁１００は開いているが、蛍光測定装置４０によって蛍光がわずかにでも測定された場合には、遮断弁１００を閉じて、検出された遺伝子組み換え微生物が系外へ流出することを防止するようにしてもよい。
【００３５】
第２の実施形態の処理装置１ｂによれば、配管３に遮断弁１００が設けられているため、系外への遺伝子組換え微生物の流出を防止できる。
【００３６】
第２の実施形態の処理装置１ｂによれば、嫌気性の微生物を用いて排水の生物処理を行うことができ、嫌気性の微生物を排水の処理機能が強化された遺伝子組換え微生物として使用することができる。
【００３７】
以下、第２の実施形態の処理装置１ｂを用いた第２の実施形態の処理方法を説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００３８】
第２の実施形態の処理方法は、測定工程で得られた蛍光測定結果に基づいて、遮断手段の動作を制御する制御工程を有していてもよい。すなわち、第２の実施形態の処理方法は、蛍光測定装置４０によって検出された蛍光の測定値によって、遮断弁１００の開閉を制御する制御工程を有していてもよい。例えば、通常運転時には、遮断弁１００が開いた状態とさせておき、測定工程において、蛍光測定装置４０によって蛍光がわずかにでも測定された場合には、遮断弁１００を閉じる。このようにして、検出された遺伝子組み換え微生物が系外へ流出することを防止するようにしてもよい。
【００３９】
第２の実施形態の処理方法によれば、遮断弁１００の動作を制御することにより、遺伝子組換え微生物を含む処理水を遮断でき、系外への遺伝子組換え微生物の流出を防止できる。
【００４０】
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、処理装置１に、遺伝子組換え微生物を培養する微生物培養槽９０が設けられている点が、第１の実施形態と相違する。第３の実施形態では、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００４１】
図４は、第３の実施形態における、処理装置１の構成例を示す図である。第３の実施形態では、処理装置は「処理装置１ｃ」という。
【００４２】
微生物培養槽９０は、遺伝子組換え微生物の培養を行う槽である。例えば、遺伝子組換え微生物を、微生物培養槽９０から生物反応槽１０に定期的（例えば、週１回）に投入するようにしてもよく、生物反応槽１０における生物処理性能が低下した場合に、追加投入するように構成してもよい。或いは、遺伝子組換え微生物を、微生物培養槽９０から生物反応槽１０に、常時、定量投入されるようにしてもよい。
【００４３】
微生物培養槽９０は、遺伝子組換え微生物が好適に増殖するための手段を備えている。係る手段としては、一例として温度制御手段、ｐＨ制御手段、濁度計等の基質濃度制御手段、圧力制御手段、攪拌手段等が挙げられる。
一例として、遺伝子組換え微生物として酵母を用いる場合、微生物培養槽９０は、槽内環境が２０〜３０℃、ｐＨ４〜７となるように制御される。
【００４４】
微生物培養槽９０には、微生物培養槽９０へと供給する培地を溜める基質槽が連結されていてもよい。培地は、微生物培養槽９０中の微生物等を培養できるものであれば特に限定されず、炭素源、窒素源、無機塩類等を含有するものが好ましい。
炭素源としては、グルコース、フルクトース、シュークロース等の糖類；デンプン又はデンプン加水分解物等の炭水化物が挙げられる。
窒素源としては、アンモニア、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、酢酸アンモニウム等の無機酸または有機酸のアンモニウム塩、ペプトン、肉エキス、酵母エキス、コーンスティーブリカー、カゼイン加水分解物、大豆粕、大豆粕加水分解物、各種発酵菌体消化物等が挙げられる。
無機塩類としては、リン酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、塩化ナトリウム、リン酸第一カリウム、リン酸第二カリウム、硫酸第一鉄、硫酸マンガン、硫酸銅、炭酸カルシウム等が挙げられる。
【００４５】
第３の実施形態の処理装置１ｃによれば、第１の実施形態と同様な効果が得られるとともに、以下の効果も得られる。
第３の実施形態の処理装置１ｃによれば、生物反応槽１０とは別の培養槽である微生物培養槽９０で培養された遺伝子組換え微生物を、生物反応槽１０に投入できるため、生物反応槽１０の処理性能を安定させることができる。
【００４６】
なお、上記各実施形態では、処理水中の遺伝子組換え微生物を滅菌する滅菌手段として、紫外線照射装置を例示したが、滅菌装置は、処理水中の遺伝子組換え微生物を死滅させる手段を備えたものであれば特に限定されない。滅菌装置としては、オゾン処理手段、加温手段、ｐＨ調整手段、圧力制御手段等を備えたものが挙げられる。オートクレーブのように、高温高圧の飽和水蒸気による滅菌手段を備えたものであってもよい。
【００４７】
なお、上記各実施形態では、濾過膜は生物反応槽中に配置される実施形態を例示したが、濾過膜は生物反応槽で生物処理された処理水を濾過可能なものであれば、生物反応槽外に配置されていてもよい。
【００４８】
なお、上記各実施形態では、遺伝子組換え微生物について蛍光タンパク質遺伝子ＥＧＦＰ及びリパーゼ遺伝子が遺伝子組換えにより導入された微生物としたが、以下に示す微生物であってもよい。
【００４９】
以下、遺伝子組換え微生物ついて詳細に説明する。
微生物は所有している遺伝子情報（ＤＮＡ）を基に、酵素等の種々の物質の合成を行うことができる。そこで例えば、特定の微生物に、排水中の処理対象物質の処理機能を有する物質の情報をコードしている遺伝子を人為的に導入（遺伝子組み換え）することで、目的の物質を微生物に作らせることが可能である。
【００５０】
実施形態において「蛍光タンパク質遺伝子」とは、蛍光タンパク質をコードする遺伝子である。蛍光タンパク質遺伝子が微生物に導入されることで、微生物において蛍光タンパク質が発現される。
蛍光タンパク質としては、ＥＧＦＰの他、ＧＦＰ、ＹＦＰ、ＣＦＰ、ｍＯｒａｎｇｅ、ｍＢａｎａｎａなど励起波長・蛍光波長が既知の蛍光タンパクであれば、どのようなものであってもよい。
微生物に蛍光タンパク質遺伝子を導入することで、微生物をマーキングできる。
【００５１】
蛍光タンパク質は、蛍光タンパク質遺伝子として微生物に導入され、当該蛍光タンパク質遺伝子の情報をもとに微生物によって合成されたものである。仮に、微生物を蛍光染色するなど、後代に遺伝しない方法を蛍光マーカーとして採用した場合、増殖した分の微生物はマーキングされない。一方、本実施形態では、蛍光タンパク質遺伝子が、後代に遺伝するので、微生物が増殖した場合でも、増殖分の微生物においても微生物がマーキングされる。
【００５２】
なお、図２では、細胞壁が蛍光を呈した微生物を例示したが、蛍光タンパク質は、微生物を検出可能な部位に位置していればよく、微生物の内部に位置していてもよい。また、蛍光タンパク質は、微生物の特定の部位に局在化していてもよく、微生物全体に一様に配置されていてもよい。
図２に示すように、蛍光タンパク質は、微生物の細胞壁又は細胞膜に配置されることが好ましい。蛍光タンパク質が微生物の細胞壁又は細胞膜に配置されることで、微生物の検出感度が高まる。また、図２に示すように、蛍光タンパク質は、微生物の形状を特定可能な程度に、一様に配置されることが好ましい。蛍光タンパク質が一様に配置されることで、実施形態の測定工程において微生物の形状を検出でき、微生物の検出精度が高まる。
【００５３】
本実施形態において「機能強化遺伝子」とは、微生物に導入されて機能発現することで、該微生物に、処理対象物質に対する処理機能を付与又は促進させる働きを有するものである。
機能強化遺伝子としては、処理対象物質に対する処理機能を有するタンパク質をコードするものの他、微生物の本来の処理機能を強化する遺伝子調節配列や、ＲＮＡｉ誘導核酸等、全ての遺伝可能な機能因子も含むものとする。
微生物に機能強化遺伝子を導入することで、微生物の排水処理機能を機能強化することができる。
【００５４】
蛍光タンパク質遺伝子及び機能強化遺伝子は、両者共に後代に遺伝可能なように、遺伝子組換えにより微生物に組み込まれる。例えば、機能強化遺伝子が導入された部分のごく近傍に蛍光タンパク質遺伝子を導入することが挙げられる。蛍光タンパク質遺伝子及び機能強化遺伝子の両方が遺伝されることで、遺伝子組換え微生物であるかどうかを蛍光により確認することができる。
蛍光タンパク質遺伝子及び機能強化遺伝子は、それぞれ一種類のみ導入されてもよく、それぞれ複数種類が導入されてもよい。
【００５５】
処理対象物質としては、処理水に含まれる物質であり、有機物であっても無機物であってもよい。処理対象物質は、例えば、各種有機物、リン、リン化合物、金属、重金属等である。
【００５６】
機能強化遺伝子の処理機能とは、例えば、機能強化遺伝子を発現した微生物が、処理対象物質を分解する機能、処理対象物質を別の物質に変換する機能、処理対象物質を取込む機能、処理対象物質を吸着する機能等を挙げることができる。これらの機能により、処理水を浄化することができる。
【００５７】
機能強化遺伝子が処理対象物質に対する分解機能を有するかどうかは、機能強化遺伝子が組み込まれた組換え微生物と、機能強化遺伝子が組み込まれていないコントロールの微生物とを比較することで判別可能である。
例えば、同一条件の比較において、コントロールの微生物によって生物処理された処理水よりも、組換え微生物によって生物処理された処理水のほうが、処理水中の処理対象物質の濃度が低められ分解産物の濃度が上昇していた場合、当該機能強化遺伝子が処理対象物質に対する分解機能を有していると判断できる。
【００５８】
機能強化遺伝子が処理対象物質に対する変換機能を有するかどうかは、機能強化遺伝子が組み込まれた組換え微生物と、機能強化遺伝子が組み込まれていないコントロールの微生物とを比較することで、判別が可能である。
例えば、同一条件の比較において、コントロールの微生物によって生物処理された処理水よりも、組換え微生物によって生物処理された処理水のほうが、処理水中の処理対象物質の濃度が低められ変換産物が増加していた場合、当該機能強化遺伝子が処理対象物質に対する変換機能を有していると判断できる。
【００５９】
機能強化遺伝子が処理対象物質に対する取込み機能を有するかどうかは、機能強化遺伝子が組み込まれた組換え微生物と、機能強化遺伝子が組み込まれていないコントロールの微生物とを比較することで、判別が可能である。
例えば、同一条件の比較において、コントロールの微生物によって生物処理された処理水よりも、組換え微生物によって生物処理された処理水のほうが、処理水中の処理対象物質の濃度が低められ組換え微生物中の処理対象物質が増加していた場合、当該機能強化遺伝子が処理対象物質に対する取込み機能を有していると判断できる。
【００６０】
機能強化遺伝子が処理対象物質に対する吸着機能を有するかどうかは、機能強化遺伝子が組み込まれた組換え微生物と、機能強化遺伝子が組み込まれていないコントロールの微生物とを比較することで、判別が可能である。
例えば、同一条件の比較において、コントロールの微生物によって生物処理された処理水よりも、組換え微生物によって生物処理された処理水のほうが、処理水中の処理対象物質の濃度が低められ組換え微生物表面の処理対象物質が増加していた場合、当該機能強化遺伝子が処理対象物質に対する吸着機能を有していると判断できる。
【００６１】
機能強化遺伝子は、処理対象物質に対する処理機能を有する酵素をコードする遺伝子であることが好ましい。
酵素としては、加水分解酵素、酸化還元酵素、転移酵素、脱離酵素、異性化酵素、合成酵素が好ましく、加水分解酵素がより好ましい。
加水分解酵素としては、アミノアシラーゼ、α−アミラーゼ、グルコアミラーゼ、セルラーゼ、インベルターゼ、カルボキシペプチダーゼ、ロイシンアミノペプチダーゼ、ペニシリンアミダーゼ、ＡＭＰデアミナーゼ、プロテアーゼ、リゾチーム、パパイン、キチナーゼ、コレステロールエステルヒドロラーゼ、アルカリホスファターゼ、β−グルコシダーゼ、β−Ｄ−ガラクトシダーゼ、アスパラギナーゼ、グルタミナーゼ、ウレアーゼ、ペニシリナーゼ、クレアチニナーゼ、クレアチナーゼ、クレアチンデイミナーゼ、ペクチナーゼ、カタラーゼ、リパーゼ、ヘミセルラーゼ、アミノペプチターゼ、キモトリプシン、ウロキナーゼ、ウレアーゼ、アミダーゼ、グルコースフォスファターゼ、リボヌクレアーゼ、各種制限酵素（エンドデオキシリボヌクレアーゼ）、フォスフォリパーゼ、サッカラーゼ等が挙げられ、アミラーゼ、セルラーゼ、プロテアーゼ、リゾチームが好ましい。
【００６２】
実施形態に好適に用いられる機能強化遺伝子としては、リパーゼ系酵素をコードする遺伝子、セルラーゼ系酵素をコードする遺伝子、プロテアーゼ系酵素をコードする遺伝子、及びアミラーゼ系酵素をコードする遺伝子からなる群から選ばれるいずれか一種以上であることが挙げられる。
リパーゼ系酵素とは、脂質を分解する機能を有する酵素群であり、例えば、トリアシルグリセリドリパーゼである。セルラーゼ系酵素とは、グリコシド結合を加水分解する機能を有する酵素群であり、例えば、セルラーゼ、ヘミセルラーゼである。プロテアーゼ系酵素とは、ペプチド結合を加水分解する機能を有する酵素群である。アミラーゼ系酵素とはグリコシド結合を加水分解する機能を有する酵素群であり、例えば、α−アミラーゼ、グルコアミラーゼである。
【００６３】
遺伝子組換えされる微生物としては、Pseudomonas alcaligenes 、P. putida、P. dacunhae 等のPseudomonas 属のグラム陰性細菌；Gluconobacter melanogenes 、G. oxydans等のGluconobacter 属のグラム陰性細菌；Alcaligenes eutrophus 等のAlcaligenes 属のグラム陰性細菌；Acetobacter suboxydans等の酢酸菌；Escherichia coli、E. freundii 、Enterobacter aerogenes等の大腸菌群細菌；Erwinia carotovora、Serratia marcescens 、Protaminobacter rubrum、Proteus mirabilis 等のその他のグラム陰性細菌などを挙げることができる。
また、Streptococcus faecalis、Leuconostoc mensenteroides、Lactobacillus delbruckii等の乳酸菌；Bacillus subtilis 、B. megaterium 等のBacillus属のグラム陽性細菌；Clostridium acetobutylicum、C. beijerinckii 等のClostridium 属のグラム陽性細菌；Arthrobacter simplex等のArthrobacter属のグラム陽性細菌；Corynebacterium glutamicum、Brevibacterium ammoniagenes 、B. flavum 、Propionibacterium sp. 等のその他のグラム陽性細菌などを挙げることができる。
さらに、Nocardia rhodocrous 、Streptomyces phaeochromogenes 、S. rimosus、S. roseochromogenes 、S. tendae 、S. rimosus等の放線菌、Saccharomyces sp. 、Hansenula jadinii 、Candida tropicalis、Rhodotorula minuta等の酵母、Rhizopus nigricans、R. stolonofer 、Curvularia lunata 、Aspergillusochraceus 、A. niger、Penicillium chrysogenum 等の糸状菌などを挙げることができる。
遺伝子組換えされる微生物として２種以上の異なる微生物を用いてもよい。
【００６４】
前記遺伝子組換え微生物は、前記酵素を分泌又は細胞表層に提示するものであることが好ましい。
遺伝子組み換え微生物によって作り出された酵素は、遺伝子組み換え微生物から分泌されてもよい。また、遺伝子組み換え微生物によって作り出された酵素は、図２に示すように、微生物の細胞表面に上記酵素を提示（アーミング）されてもよい。
【００６５】
機能強化遺伝子に微生物の細胞表面に提示する指令配列を加えることで、合成された酵素を細胞表層に提示することができる。
微生物に上記酵素を提示させる方法としては、一例として、遺伝子操作により機能強化遺伝子と細胞表層提示タンパクをコードしている遺伝子を特定の微生物に導入する方法が挙げられる。遺伝子の発現により、微生物の細胞内から酵素が合成された後、細胞表層に提示される。より具体的には、遺伝子組換えされる微生物（酵母）に以下の配列、分泌シグナル、目標酵素、アグルチニンタンパク質、及び上記アンカー付着シグナルをコードする遺伝子を含む配列を導入することが挙げられる。アグルチニンタンパク質は、上記酵素を固定するアンカーとなる。アンカー付着シグナルとしては、グリコシルフォスファチジルイノシトール（GPI）が挙げられる。上記特徴を有する配列を酵母に導入することにより、目標酵素を微生物にアーミングすることができる。分解酵素が提示された微生物は生体触媒となり、有機物の低分子化に作用する。上記技術を利用して、微生物、例えば、一般的に利用される酵母、大腸菌等を使い、上記方法で有機物の低分子化能を持つ生体触媒を作製し、排水中の有機物の低分子化処理に用いることが可能である。
また、生体触媒として、酵母等の有価物生産をする微生物を用いる場合、これらの微生物自身も低分子された有機物を餌として利用できる。例えば、酵母表層に提示されたセルラーゼの働きにより、処理水中のセルロースが低分子糖に分解され、酵母がこの低分子糖を利用し、アルコール発酵を行い、バイオエタノールを生産するように、有価物を生産することが可能となる。微生物に発現させる酵素は、一種類でも複数種類でもよい。発現効率の観点からは一種類のタンパク質を発現させることが好ましく、複数の微生物にそれぞれ異なる種類のタンパク質を一種類ずつ発現させることがより好ましい。
微生物の表層に難分解目標の分解に適した酵素を提示することによって、微生物による低分子化効率を向上させることができる。
【００６６】
実施形態に好適に用いられる機能強化遺伝子として、遺伝子組換え微生物内でのポリリン酸の合成能を促進する遺伝子を好適に例示できる。
遺伝子組換え微生物内でのポリリン酸の合成能を促進する遺伝子が組み込まれた遺伝子組換え大腸菌（ポリリン酸合成大腸菌）は、排水中のリン酸態のリン（PO4-）を菌体内に取り込みポリリン酸を合成する。この反応過程で、ポリリン酸合成大腸菌の菌体内にリンが取り込まれ、排水中のリンが除去される。遺伝子組換え微生物は、大腸菌であるため、排水中に含まれる有機物により増殖が進む。このため、生物反応槽内部では高効率にリンの除去反応が進むことになる。
このようにして、排水中のリンを安定的に除去できるため、処理水放流先の富栄養化の問題を低減することができる。余剰汚泥はリンを高濃度に含有するため、肥料として利用することができる。また、増殖速度の速い大腸菌に組み込むことにより、リンの除去をより効率的に進めることができる。
【００６７】
実施形態に好適に用いられる機能強化遺伝子として、金属吸着能を有するタンパク質をコードする遺伝子を好適に例示できる。遺伝子組換え微生物は、前記金属吸着能を有するタンパク質を細胞表層に提示するものであることが好ましい。金属を吸着できるタンパク質として、メタロチオネインが挙げられる。
メタロチオネインをコードする遺伝子が組み込まれた遺伝子組換え酵母では、メタロチオネインが細胞表層に付与され、排水中の重金属がメタロチオネインに吸着されることにより、重金属が水中より除去される。メタロチオネインは、亜鉛（Zn2+）、銅（Cu+）、カドミウム（Cd2+）、鉛（Pb2+）、銀（Ag+）、水銀（Hg2+）等の重金属を吸着することができる。機能強化された酵母は排水中の有機物を利用して増殖するため、高効率に重金属を吸着除去することができる。
このようにして、排水中の重金属を安定的に除去できるため、通常、薬品処理によって行われる重金属の処理を経済的な処理である生物処理で実施することができる。
なお、遺伝子組換えにより、細胞表層に付与される金属吸着タンパクはメタロチオネインに限らず、システイン、シスチン、ヒスチジン等の重金属を吸着する機能を有することが知られているタンパク質であればどのようなものであってもよい。
【００６８】
従来の、膜分離活性汚泥法（ＭＢＲ）を行う処理装置の構成例を図５に示す。ＭＢＲでは、微生物の量を従来の活性汚泥法よりも高濃度に保てることから、省スペースが実現でき、さらに活性汚泥の固液分離を膜で行うために、非常に高い処理性能（ＢＯＤ、ＳＳ、窒素）を得られる。しかしながら、このＭＢＲの方式では、処理水を再利用するためには多くの場合、生物難分解性の有機成分である難分解ＣＯＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｄｅｍａｎｄ）の除去のために、後段にオゾンなどの酸化装置、もしくは凝集処理などの薬品処理や逆浸透膜など膜処理をもう一段行うなどの処理が必要となり、運転コストの面で改善の余地がある。活性汚泥に存在する微生物による分解が難しい成分である油成分やセルロース系の有機成分などは他の処理の併用が必要である。安定したリンの除去のためにはＰＡＣ（ポリ塩化アルミニウム）などの凝集剤の添加が必要である、という問題がある。
【００６９】
対して、実施形態の処理装置および処理方法によれば、処理対象物質に対する処理機能を発現させる機能強化遺伝子が、遺伝子組換えにより組み込まれた遺伝子組換え微生物を用いるので、従来生物処理が難しかった物質であっても、生物反応槽内で処理可能である。これにより、従来生物処理が難しかった物質を処理するために必要であった処理設備を簡略化できる。
【００７０】
以上に述べた少なくとも一つの実施形態によれば、蛍光測定手段を持つことにより、蛍光タンパク質遺伝子が組み込まれた遺伝子組換え微生物を検知でき、遺伝子組換え微生物が環境中に放出されることの防止につながる。
【００７１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７２】
１…処理装置、１ａ…処理装置、１ｂ…処理装置、１ｃ…処理装置、２…配管、２ａ…スクリーン、３…配管、４…配管、４ａ…ポンプ、５…配管、５ａ…ポンプ、６…返送管、７…配管、８…配管、９…配管、１０…生物反応槽、１０ａ…洗浄用ブロワ、１０ｂ…補助散気ブロワ、１１…生物反応槽、１１ａ…洗浄用ブロワ、１１ｃ…排出口、１１ｄ…流入口、１１e…排気口、２０…濾過膜、３０…貯留槽、４０…蛍光測定装置、５０…紫外線照射装置、６０…脱水機、７０…乾燥機、８０…制御部、９０…微生物培養槽、１００…遮断弁
【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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