(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物を用いて消化液を硝化液にする過程において前記消化液中に硝化液の生成が認められる前に炭を投入し、前記消化液中に硝化液の生成が認められた後に前記液中から前記炭を取り出して硝化機能を有する微生物担持炭とする微生物担持炭の製造方法であり、前記炭を前記液中に投入後、前記液中の硝酸イオンが１００ｐｐｍ増加し、前記液中のアンモニウムイオン濃度＜硝酸イオン濃度、かつ、亜硝酸イオン濃度＜硝酸イオン濃度、である場合に前記炭の一部を取り出し、１００倍の重量の水と混合したときのATP濃度が１．９×１０−９ｐｐｍ未満である場合には前記炭の残りを前記液中にとどめておき、１．９×１０−９ｐｐｍ以上である場合には前記炭の残りを前記液中から硝化機能を有する微生物担持炭として取り出すことを特徴とする微生物担持炭の製造方法。
【請求項２】
微生物を用いて消化液を硝化液にする過程において前記消化液中に硝化液の生成が認められた後に炭を投入し、その後、前記液中から前記炭を取り出して硝化機能を有する微生物担持炭とする微生物担持炭の製造方法であり、前記炭を前記液中に投入後、前記液中の硝酸イオンが１００ｐｐｍ増加し、前記液中のアンモニウムイオン濃度＜硝酸イオン濃度、かつ、亜硝酸イオン濃度＜硝酸イオン濃度、である場合に前記炭の一部を取り出し、１００倍の重量の水と混合したときのATP濃度が１．９×１０−９ｐｐｍ未満である場合には前記炭の残りを前記液中にとどめておき、１．９×１０−９ｐｐｍ以上である場合には前記炭の残りを前記液中から硝化機能を有する微生物担持炭として取り出すことを特徴とする微生物担持炭の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の条件を満たす微生物担持炭を消化液に投入し、硝化液にすることを特徴とする硝化液の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微生物担持炭の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭は細孔構造を有することから様々な微生物の棲み処となり、また、土壌の団粒構造の形成を補助するとともに、土壌中の金属成分等の吸着能やｐＨ（水素イオン濃度）の調整機能等を有する。具体的な例として、硝酸化細菌（硝化菌）を炭に担持することで、この硝化菌担持炭は有機性廃棄物や糞便中のアンモニアを短時間で硝酸イオンにまで変化させる機能を有するようになる。このような機能に着目し、最近では、牛や豚の糞便処理をメタン発酵して得られた消化液を硝酸化（硝化）し、水耕栽培や養液土耕栽培、土耕栽培の肥料養液とする研究も見られるようになった。
【０００３】
家畜排泄物である牛糞等を有機肥料として運用すること自体は古くから行われてきた。牛糞などの有機化合物を植物の栄養源として利用するためには、有機化合物を微生物によって分解し、ＮＨ４＋（アンモニウムイオン）を経由して植物が栄養分とするＮＯ３−（硝酸イオン）へと無機化する必要がある（現在、水耕栽培は化成肥料を施用することにより行われるのが一般的であり、有機質肥料を施用する方法はＮＨ４＋が作物に悪影響を及ぼすためほとんど見られない。また、植物は窒素源として、主にＮＯ３−を吸収するが、作物生育においてＮＯ３−濃度が低減すると成長速度が低下してしまう。そのため、有機質肥料を断続的に追肥する必要があるが、有機質肥料からＮＯ３−への無機化反応が遅いとＮＨ４＋濃度が上昇して植物の育成阻害を引き起こすという問題がある）。
【０００４】
このような中、水耕栽培で有機質肥料を施用する方法として、同一系内（同一装置内）における所定条件下において有機質を微生物に分解させ、ＮＨ４＋を経由してＮＯ３−へと無機化させ、養液として使用する方法等が開示されている（特許文献１、２）。また、建築廃材等の木質バイオマスを炭化処理、過熱蒸気反応処理して得た炭に硝化菌を担持する硝化菌担持炭の製造方法が開示されている（特許文献３）。
【０００５】
特許文献１は、排水口を備えた容器に軽石を充填し、これにメタン発酵後に得られるメタン消化液を徐添加して静置した後に水を添加して前記容器の排水口から流出させることで前記軽石を洗浄する処理を当該流出液に硝酸態窒素が生成され始めるまで繰り返して行うことにより、前記軽石にメタン消化液に含まれるアンモニア態窒素を硝化する活性を付与させた軽石培地の製造方法と養液栽培方法に関するものである。これはメタン消化液に含まれるアンモニア態窒素を硝化する活性を付与させた軽石を固形培地として用いることによって、メタン消化液を肥料成分として直接添加して、固形培地耕での養液栽培を行うというものである。
【０００６】
特許文献２は、水を溜めることができる容器に水を張り、並行複式無機化反応を行う微生物群を所定の条件を満たすように前記水中の環境を維持することで、前記並行複式無機化反応を行う微生物群を培養し、前記水と接する所定の固体表面にバイオフィルムを形成させ、次いで、当該バイオフィルムを回収し、回収された前記バイオフィルムを、並行複式無機化反応の触媒として最適化された微生物群の種菌とする種菌の製造方法と植物の栽培方法に関するものである。これは有機物からアンモニア態窒素への分解とアンモニア態窒素から硝酸態窒素への硝化とを同一の反応系で連続的に行うものある。この反応系における微生物担体としては竹炭や木炭などが想定されている。
【０００７】
特許文献３は、含水率１５％以下の木質バイオマスを９００〜１２００℃で炭化させる第１の工程と、前記第１工程を経た炭化物を９００〜１２００℃で過熱蒸気と反応させる第２の工程、を経て得られた炭を硝化菌担持用とし、これに硝化菌を担持するものである。
【０００８】
微生物が担体に担持しているか否かにについては、特許文献１〜３のいずれにおいても硝酸態窒素等の濃度を指標にしている。この方法は硝酸態窒素が増加した結果、担体に担持した微生物が機能したであろうと予測するものである。この方法だと狙った担体に微生物が担持しているかどうかを厳密に知ることはできない。従って、微生物担持体を流通させる場合に担体に微生物が担持していることを直接的に保証するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−８８３６０号公報
【特許文献２】特開２０１０−８８３５９号公報
【特許文献３】特許第６４５４０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は硝化性能の高い微生物担持炭の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、微生物を用いて消化液を硝化液にする過程において前記消化液中に硝化液の生成が認められる前に炭を投入し、前記消化液中に硝化液の生成が認められた後に前記液中から前記炭を取り出して硝化機能を有する微生物担持炭とする微生物担持炭の製造方法であり、前記炭を前記液中に投入後、前記液中の硝酸イオンが１００ｐｐｍ増加し、前記液中のアンモニウムイオン濃度＜硝酸イオン濃度、かつ、亜硝酸イオン濃度＜硝酸イオン濃度、である場合に前記炭の一部を取り出し、１００倍の重量の水と混合したときのATP濃度が１．９×１０−９ｐｐｍ未満である場合には前記炭の残りを前記液中にとどめておき、１．９×１０−９ｐｐｍ以上である場合には前記炭の残りを前記液中から硝化機能を有する微生物担持炭として取り出すことを特徴とする微生物担持炭の製造方法である。また、第２の発明は、微生物を用いて消化液を硝化液にする過程において前記消化液中に硝化液の生成が認められた後に炭を投入し、その後、前記液中から前記炭を取り出して硝化機能を有する微生物担持炭とする微生物担持炭の製造方法であり、前記炭を前記液中に投入後、前記液中の硝酸イオンが１００ｐｐｍ増加し、前記液中のアンモニウムイオン濃度＜硝酸イオン濃度、かつ、亜硝酸イオン濃度＜硝酸イオン濃度、である場合に前記炭の一部を取り出し、１００倍の重量の水と混合したときのATP濃度が１．９×１０−９ｐｐｍ未満である場合には前記炭の残りを前記液中にとどめておき、１．９×１０−９ｐｐｍ以上である場合には前記炭の残りを前記液中から硝化機能を有する微生物担持炭として取り出すことを特徴とする微生物担持炭の製造方法である。また、第３の発明は、第１又は第２の発明の条件を満たす硝化菌担持炭を消化液に投入し、硝化液にすることを特徴とする硝化液の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、炭を投入した液中の硝酸イオン等の濃度と微生物担持炭のＡＴＰ濃度を指標とすることで、炭に硝化機能を有する微生物が担持されたことを直接的に把握できる効果が期待できる。これにより、微生物を用いて消化液から硝化液を製造する工程において消化液中、又は硝化が進んだ液中に投下した微生物担持用炭に微生物が担持されたことを把握することができ、硝化に係る微生物が十分に担持された微生物担持炭を簡易的に製造できる効果が期待できる。また、微生物担持炭を利用して消化液から硝化液を簡易的に量産できる効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は微生物担持炭０．５ｇを用いた場合の硝化液に係る硝酸イオン濃度（ｐｐｍ）とのATP濃度（ｐｐｍ）の関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を以下に説明する。
【実施例１】
【００１５】
本実施例は平成２９年６月１日から平成３０年１２月３１日にかけて明星大学理工学部吉澤研究室において行ったものである。
（１）消化液
牛糞をメタン発酵させた以下の特性を有する消化液を用いた。
・アンモニア態窒素：２２５３ｐｐｍ
・亜硝酸態窒素：０ｐｐｍ
・硝酸態窒素：５ｐｐｍ未満
・リン：５７７５ｐｐｍ
・カリウム：１４２９ｐｐｍ
【００１６】
（２）微生物担持用炭
（株）高橋製作所製の処理装置を用いて木質バイオマスを約１０００℃で炭化処理し、次に９００℃で過熱蒸気（過熱水蒸気）処理した後に残った炭を用いた。当該炭の特性は以下の通りである。本発明のための処理装置としては、前記各工程の条件を実現できるものであれば何でもよく、全工程を一括的に処理するもの、工程別に分離処理するものでもよい。例えば、特開２０１８−００２８０８号公報に記載の装置を用いて炭を製造することができる。
・灰分：９．０％
・揮発分：５．７％
・固定炭素：８５％
・含水率：１４．３％
・比表面積：４５７ｍ２／ｇ
・木炭硬度計（炭やきの会）による木炭硬度：概ね１以下
【００１７】
（３）消化液の硝化、及び、これに伴う微生物担持炭の製造
以下の（ア）〜（ク）工程で消化液の硝化を行った。
（ア）約２０Lのポリバケツに水道水を１０Ｌ入れ、ポリバケツ底部には散気管を設置し、エアーポンプにより爆気（２００〜３００ｍL／分）を行った。
（イ）次に、種菌として牛糞堆肥５０ｇを不織布の袋に入れ、これを水中に吊り下げた。
（ウ）上記（イ）同様に炭３００ｇを３〜５個に分けて不織布の袋に入れ、これを水中に吊り下げた。
（エ）さらに消化液を５０ｇ容器中に添加した。
（オ）上記（エ）の操作後、硝酸イオンが発生する（硝化液の生成が認められる）まで曝気を続けた（期間は約３週間）（消化液の状態については、アンモニア濃度、亜硝酸濃度、硝酸濃度をリフレクトクァント (RQフレックス用試験紙)にて測定したイオン濃度で代替）。
（カ）硝酸濃度が増加したことを確認した後、種菌とした牛糞堆肥を取り出した。
（キ）硝酸態濃度が５００ｐｐｍを超え、かつ、亜硝酸態が検出されなくなったら、溶液を５分割して５倍に希釈し、それぞれに上記（ウ）と同じ量の炭を追加投入し、週２〜３回の頻度で５ｇ／Ｌの割合で消化液を追加投入した。
（ク）硝酸濃度１００ｐｐｍの増加を目安として、上記（キ）を繰り返し、硝化液２５０Ｌ（硝酸濃度３００ｐｐｍ以上）、微生物担持炭１０ｋｇを製造した。当該硝化液について経過日数と成分濃度の変化を確認した（表１：測定１と測定２は異なるサンプルである）。
【表１】
0006675567.tif 000002
【００１８】
（４）微生物担持炭とアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）濃度
上記（３）において製造した微生物担持炭とＡＴＰ濃度の関係の確認を以下（ア）、（イ）の工程により行った（ATPは微生物をはじめとして生細胞にエネルギー物質として含まれており、発光試薬と反応すると光を発する。その量はＡＴＰに比例するため、発光量を測定することによりATP濃度を求めることができる）。
（ア）微生物担持炭０．５ｇに水を５０ｍＬ加え、振とう機にて３０秒間振とうし、ろ過したものを試験液とした。
（イ）測定チューブに入れた試験液０．１ｍＬに発光試薬０．１mＬを添加し、振とう後に発光光度計にて発光量を測定した。ATP標品（２×１０−１１〜２×１０−７Ｍ）を用いて作成したＡＴＰ濃度と発光量の検量線によりＡＴＰ量を導出した（使用試薬はキッコーマンバイオケミファ製のルシフェール２５０プラス、発光光度計は明電舎製ＵＰＤ-４０００）。上記（ア）、（イ）を繰り返し行い、ＡＴＰ濃度は１．９×１０−９〜６．７×１０−６の範囲内において分布が確認された（図１、表２：硝酸濃度との関係図表）。また、硝化液のATP濃度と微生物担持炭のATP濃度には多少の差（硝化液のATP濃度は１．０×１０−７〜５．０×１０−６の範囲）があるものの、測定範囲内において両者には概ね正の相関関係が認められており、炭に担持される微生物量は硝化液中の微生物量に応じることが示唆された。
【表２】
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【００１９】
（５）微生物担持炭による消化液の硝化確認
上記（３）の微生物担持炭を消化液の硝化に用いたところ、従来の種菌を使用した硝化ではアンモニア態から亜硝酸態を経て硝酸態にするまで１カ月以上要していたのが、いずれの微生物担持炭を用いてもアンモニア態を１日以内に硝酸態に変えることが確認された。
【００２０】
（６）微生物担持炭の保存
上記（４）のATP濃度範囲にある微生物担持炭について下記（ア）〜（ウ）の工程で保存を行った。
（ア）硝化液から微生物担持炭を取り出し水気を切った。
（イ）微生物担持炭を常温室内中で乾燥した。
（ウ）乾燥後、通気性を有する袋（不織布）に詰めて１週間、常温の室内で保管した。
その後、上記（５）と同様に消化液の硝化確認を行ったところ、上記（５）の結果と同様にアンモニア態を１日以内に硝酸態に変えることが確認された。
【００２１】
（７）考察等
上記（５）から、ATP濃度は炭に硝化に係る微生物が担持されていることの指標として有用であり、微生物担持炭の製造方法に利用できることが示唆された。すなわち、消化液を硝化液にする過程において投入した炭の一部を取り出し、１００倍の重量の水と混ぜ、振とう、ろ過したろ液のＡＴＰ濃度が１．９×１０−９ｐｐｍ未満である場合には炭への微生物担持が不十分であると判断して前記炭の残りを前記液中にとどめておき、１．９×１０−９ｐｐｍ以上である場合には炭に微生物担持されたものと判断して前記炭の残りを前記液中から微生物担持炭として取り出すことで硝化機能を有する微生物担持炭を製造することができる。炭を投入するタイミングは硝化反応の開始前であっても、開始後であっても良い。また、上記（５）では消化液を硝化するのに要する時間が微生物担持炭を用いることで大幅に短縮された。この理由としては、硝化に係る菌は消化液に浮遊した状態では増殖が遅く、何らかに固定化（担持）しないと菌数が増えにくいということが考えられる。一般的に硝化菌は増殖速度が他の菌と比べて１０〜１００倍遅いと言われている。今回、こうした菌を炭に担持したことで増殖速度が向上し、消化液の硝化に寄与したものと考えられる。また、今回用いた炭は木質系バイオマスを炭化処理した後に過熱蒸気処理したものであり、過熱蒸気処理しない炭と比べると硬度が低い（木炭硬度計による硬度が１以下）、液中での拡散性が良い等の性質を有するものである。既硝化液に当該炭を投下したものでは微生物の固定化には１〜２日で十分であることが確認されており、過熱蒸気処理した炭の性質が微生物担持に特に有用である可能性が示唆される。その根拠の一つとして、本実施例において記載を省略したが、当該炭に微生物を担持して用いた家畜糞尿の処理試験では他の炭と比較して硝化反応が優れていたこと等が挙げられる。このように本実施例に係る炭には浄化に寄与する微生物がより増殖しやすい可能性が示唆されている。ただし、微生物担持用の炭を限定するものではなく、例えば一般的な製造方法で製造された竹炭を用いても微生物が担持されたことが確認されている（詳細は割愛）。      また、本実施例において製造した微生物担持炭から製造された硝化液はリーフレタス栽培等の植物栽培において栄養成分として有用であることが確認されている。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明によれば、ATP濃度を指標とすることで、微生物を用いて消化液から硝化液にする工程を利用して硝化機能の高い微生物担持炭や当該微生物担持炭を用いた硝化液を簡易的に量産することができる。
【要約】
【課題】硝化性能の高い微生物担持炭の製造方法を提供すること。
【解決手段】  微生物を用いて消化液を硝化液にする過程において前記消化液中に硝化液の生成が認められる前に炭を投入し、前記消化液中に硝化液の生成が認められた後に前記液中から前記炭を取り出して微生物担持炭とする微生物担持炭の製造方法であり、前記液中から前記炭の一部を取り出し、１００倍の重量の水と混合したときのATP濃度が１．９×１０−９ｐｐｍ未満である場合には前記炭の残りを前記液中にとどめておき、１．９×１０−９ｐｐｍ以上である場合には前記炭の残りを前記液中から微生物担持炭として取り出す。
【選択図】なし【図１】
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