(57)【要約】【課題】培養中に静止電位の計測を可能にする。複数の培養器を同時に使用して電気培養を行うのに適した方法を提供する。【解決手段】培養液に電圧を印加しながら微生物を培養する微生物電気培養方法であって、複数の培養器の培養液に対して電圧の印加を間欠的に順番に行い（ステップ５１〜ステップＳ５５）、培養器ごとに電圧を印加していない状態で培養液の静止電位を計測する（ステップＳ５２）ようにしている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養液に電圧を印加しながら微生物を培養する微生物電気培養方法において、電圧の印加を間欠的に行い、電圧を印加していない状態で培養液の静止電位を計測することを特徴とする微生物電気培養方法。
【請求項２】
複数の培養器の培養液に対して電圧の印加を順番に行い、前記培養器毎に電圧を印加していない状態で培養液の静止電位を計測することを特徴とする請求項１記載の微生物電気培養方法。
【請求項３】
前記培養器毎に異なる値の電圧を印加することを特徴とする請求項２記載の微生物電気培養方法
【請求項４】
計測した静止電位に基づいて培養液中の酸化還元種の濃度を推定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の微生物電気培養方法。
【請求項５】
計測した静止電位が目標値となるように電圧を印加することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の微生物電気培養方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微生物電気培養方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、電気化学反応によって再生できるエネルギーで生育する鉄還元微生物のような微生物（独立栄養微生物）等の培養に適した微生物電気培養方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の微生物電気培養方法として、電位制御装置あるいは定電流源につないだ電極を培養液中に設置し、一定電位あるいは一定電流値の下で微生物の増殖に必要な鉄（ＩＩＩ）イオン等の酸化還元種を電気化学的に再生させながら電気培養を行うものがある（一定電位による電気培養方法として非特許文献１、一定電流による電気培養方法として非特許文献２）。
【０００３】
即ち、微生物電気培養方法は培養液中の作用極と対極との間に電流を流しながら微生物を培養するものであり、例えば鉄（ＩＩＩ）イオンを鉄（ＩＩ）イオンに還元することで呼吸し増殖する鉄還元微生物などの懸濁培養系に対し、微生物によって消費された鉄（ＩＩＩ）イオンを作用極で酸化再生させることで、微生物の増殖を維持し、高濃度培養させるものである。一定電位による電気培養方法では、培養液中に参照電極を設置し、電圧が印加されている作用極の電位を参照電極を利用して監視し、常に作用極の電位を一定に保つように電位制御を行っている。また、一定電流による電気培養方法では、定電流源を用いることで、常に一定の電流を培養液中に流すようにしている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１０３９６０号
【非特許文献１】S. Nakasono, et.al., "Electrochemical cultivation of Thiobacillus ferrooxidans by potential control", Bioelectrochemistry and Bioenergetics, 43, 61-66 (1997).
【非特許文献２】S.B. Yunker, J. M. Radovich, "Enhancement of growth and ferrous iron oxidation rates of T. ferrooxidans by electrochemical reduction of ferric iron", Biotechnology and Bioengineering, 28, 1867-1875 (1986).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の一定電位による電気培養方法では、作用極に電圧を印加し続けることで作用極の電位を常に一定に保つように電位制御を行っており、培養中に培養液の静止電位を計測することができない。また、上述の一定電流による電気培養方法では、定電流源を用いて常に一定の電流を培養液に流しており、培養中に培養液の静止電位を計測することができない。つまり、いずれの方法も培養中に静止電位を計測することができないものである。静止電位とは、作用極に電流が流れていないときの参照極を基準とした作用極−参照極間の電位差であり、電気培養を行う上での重要な条件の一つである。このため、電気培養を行いながらそのときの静止電位を計測したいとの要請があった。
【０００６】
また、上述の一定電位による電気培養方法では常に電圧を印加し続けているので、また、上述の一定電流による電気培養方法では常に電流を流し続けているので、一の培養器に対して一の電位制御系又は電流制御系が必要である。このため、複数の培養器を同時に使用して電気培養を行うには、培養器の数と同じ数の制御系（制御回路）が必要になり、装置の大型化を招くと共に総合的な制御が煩雑なものになり、複数の培養器を同時に使用して電気培養を行う方法としては不向きであった。特に、多数の培養器（セル）を縦横に多数並べるアレイ電気培養では、培養器の多さから装置の大型化や制御の煩雑化の傾向は顕著である。
【０００７】
本発明は、培養中に静止電位の計測が可能な微生物電気培養方法を提供することを目的とする。また、本発明は、複数の培養器を同時に使用して電気培養を行うのに適した微生物電気培養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】
【０００８】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、培養液に電圧を印加しながら微生物を培養する微生物電気培養方法において、電圧の印加を間欠的に行い、電圧を印加していない状態で培養液の静止電位を計測するものである。
【０００９】
培養液に電流を流すには培養液に電圧を印加、即ち培養液中の作用極に電圧を印加する必要がある。また、培養液に電圧を印加している状態では、作用極自体の電位を計測できたとしても、静止電位を計測することはできない。一方、電圧の印加は微生物の培養に必要な酸化還元種を再生するためであり、電圧の印加を一時的に停止しても微生物を培養することはできる。本発明では、電圧の印加を間欠的に行うことで一時的に電圧を印加していない状態を作り出すことができるので、培養液に電流を流して培養液中の酸化還元種を再生することと、培養液に電流を流すのを止めて静止電位を計測することを両立させることができる。
【００１０】
また、請求項２記載の微生物電気培養方法は、複数の培養器の培養液に対して電圧の印加を順番に行い、培養器毎に電圧を印加していない状態で培養液の静止電位を計測するものである。
【００１１】
一の培養器について電圧を間欠的に印加しているので、複数の培養器に対して順番に電圧を印加することで、一の制御系で複数の培養器に対して電圧の印加が可能になり、複数の培養器を使用して微生物の電気培養を行うことができる。即ち、培養器を複数備えていても、複数の培養器について電圧の印加を一の制御系（制御回路）で行うことができる。
【００１２】
また、請求項３記載の微生物電気培養方法は、培養器毎に異なる値の電圧を印加するものである。したがって、印加する電圧を変えた電気培養を同時に行うことができる。
【００１３】
また、請求項４記載の微生物電気培養方法のように、計測した静止電位に基づいて培養液中の酸化還元種の濃度を推定するようにしても良い。
【００１４】
さらに、請求項５記載の微生物電気培養方法のように、計測した静止電位が目標値となるように電圧を印加するようにしても良い。
【発明の効果】
【００１５】
しかして、請求項１記載の微生物電気培養方法では、電圧の印加を間欠的に行い、電圧を印加していない状態で培養液の静止電位を計測するようにしているので、電気培養を行いながらリアルタイムで培養液の静止電位を計測することができる。また、電圧を印加していない状態を作り出しているので、この時間を利用して他の培養器について電圧を印加することができ、複数の培養器を同時に使用して電気培養を行うのに適した方法を提供することができる。
【００１６】
また、請求項２記載の微生物電気培養方法では、複数の培養器の培養液に対して電圧の印加を順番に行い、培養器毎に電圧を印加していない状態で培養液の静止電位を計測するようにしているので、複数の培養器についての電圧の印加を一の制御系で行うことができる。このため、制御に必要な装置類を小型軽量化することができると共に、製造コストを安くすることができる。また、従来の方法、即ち培養器毎に専用制御系を有し、これらを更に総合的に制御する方法に比べて、本発明では制御が容易であり、制御の信頼性を向上させることができる。
【００１７】
また、請求項３記載の微生物電気培養方法では、培養器毎に異なる値の電圧を印加するようにしているので、印加する電圧を変えた電気培養を同時に行うことができ、微生物の成育状況を比較するのが容易である。このため、微生物の培養に適した条件を探し出すのが容易になる。
【００１８】
また、請求項４記載の微生物電気培養方法では、計測した静止電位に基づいて培養液中の酸化還元種の濃度を推定するので、微生物が必要とする培養液中の酸化還元種の濃度をリアルタイムでモニタリングしながら電気培養を行うことができる。また、一般に、培養中の電流値に基づいて微生物の成育状況の推定が可能であるが、培養液中の酸化還元種の濃度をモニタリングすることで、微生物の成育状況をより正確に推定することができる。
【００１９】
さらに、請求項５記載の微生物電気培養方法では、計測した静止電位が目標値となるように電圧を印加するので、電圧の印加をフィードバック制御することができ、より正確な電圧の条件で微生物の電気培養を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
図１に、本発明の微生物電気培養方法の実施形態の一例を示す。微生物電気培養方法は、培養液に電圧を印加しながら微生物を培養する方法であって、電圧の印加を間欠的に行い（ステップＳ５３等）、電圧を印加していない状態で培養液の静止電位（ステップＳ５２等）を計測するものである。本実施形態では、複数の培養器の培養液に対して電圧の印加を順番に行い（ステップＳ５１〜Ｓ５６等）、培養器毎に電圧を印加していない状態で培養液の静止電位を計測するようにしている。
【００２２】
ここで、微生物電気培養方法を実施する微生物電気培養装置の一例を図２〜図４に示す。この微生物電気培養装置１は複数の培養器２を備えている。培養器２は例えばプラスチック製の円筒形状の容器であり、底側開口がメンブランフィルタ３によって塞がれており、上側開口がガス透過性シリコン製の栓４によって塞がれている。培養器２には炭素製の作用極５と銀・塩化銀参照電極６が設けられており、これらは栓４を貫通している。培養器２の大きさは、例えば直径約１０ｍｍ、高さ約１０ｍｍである。作用極５及び参照電極６の大きさは、例えば直径２ｍｍ、長さ２５ｍｍである。
【００２３】
培養器２は例えば３列×６列に並べられており、合計１８個の培養器２で１つのマイクロアレイ培養ユニット７を構成している。つまり、マイクロアレイ培養ユニット７の外枠８内には中枠９が配置されており、中枠９の底部開口に張られたイオン交換膜１０上に１８個の培養器２が接触するように並べられている。中枠９内には、例えば表１に示す組成の培養液１１が充填されている。また、外枠８内には、例えば表１に示す組成より鉄イオンを除いた組成の対極槽側電解液１２が充填されている。中枠９は外枠８内の電解液１２中に浸されているが、中枠９の底部開口に張られたイオン交換膜１０が培養液１１中の鉄イオンの電解液１２中への流出を阻止する。なお、培養液１１中の金属溶液の組成を表２に示す。
【００２４】
【表１】
2005198509.tif 000003
【表２】
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【００２５】
また、中枠９の底面には、例えばステンレス網製の対極１３が取り付けられている。対極１３の大きさは、例えば長さ２０ｃｍ、幅１０ｃｍである。対極１３、作用極５、参照電極６はコントローラ１４に接続されている。
【００２６】
培養器２には、表１に示す組成の培養液１１に微生物を懸濁させたものが例えば５００μＬ程度注入されている。培養器２の底側開口にはメンブランフィルタ３が張られているので培養器２内の培養液１１ならびに微生物を保持したまま、外部との間に液絡をつくり作用極５と対極１３との間に電流を流すことができる。
【００２７】
本実施形態では、マイクロアレイ培養ユニット７を２つ備えている。微生物の培養には、温度と雰囲気のコントロールが重要である。このため、２つのマイクロアレイ培養ユニット７はガス密閉容器１６内に収容され、さらに恒温槽１７内に収容されている。
【００２８】
培養する微生物は、例えば嫌気性の微生物である。嫌気性微生物を培養する場合には、作用極５を陽極、対極１３を陰極にする。また、微生物電気培養装置１は、微生物の培養に必要な元素を含むガスを外枠８内に供給する図示しないガス供給手段を備えている。ガス供給手段は例えばチューブである。嫌気性微生物を培養する場合には、ガス供給手段によって例えば水素と二酸化炭素の混合ガスを供給する。水素は嫌気性微生物への電子の供給源となり、二酸化炭素は嫌気性微生物への炭素の供給源となる。
【００２９】
ガス供給手段によりガスの状態で外枠８内に供給された水素と二酸化炭素は、電解液１２、培養液１１に溶けて培養器２内に移動する。培養器２内の微生物は水素から電子を得ると共に、培養液１１中の３価の鉄イオン（鉄（ＩＩＩ）イオン）に電子を供給して２価の鉄イオン（鉄（ＩＩ）イオン）に変換する。また、微生物は二酸化炭素を採り入れる。微生物によって２価に変換された鉄イオンは作用極５に電子を供給して３価に戻る。鉄イオンはイオン交換膜１０によって培養器２内から流出するのを阻止されるので、培養器２内で繰り返し利用される。
【００３０】
微生物に電子を与えることでイオン化された水素イオンは、イオン交換膜１０を通過して電解液１２中に移動し、対極１３から電子を得て水素となる。
【００３１】
コントローラ１４はコンピュータ１５に接続されており、コンピュータ１５からの指示に従って作用極５に電圧を印加すると共に、培養器２内の培養液１１の静止電位及び電流値を計測する。
【００３２】
コンピュータ１５は、例えば、少なくとも１つのＣＰＵやＭＰＵなどの中央演算装置と、データの入出力を行うインターフェースと、プログラムやデータを記憶するメモリ等を備えており、所定の制御ないし演算プログラムを実行することでコントローラ１４を操作して本発明の微生物電気培養方法を実施する。また、コンピュータ１５には、例えばディスプレイやプリンター等の出力装置が接続されている。
【００３３】
コンピュータ１５の中央演算装置が本発明の微生物電気培養方法を実施するプログラムの実行を開始すると、まず、図１のステップＳ４１では初期設定がされているか否か、即ち電位制御時間（電圧印加時間）ｔｅｌｅｃ、静止電位測定時間（インターバル時間ｔｉｎｔ）、総培養時間（培養時間）Ｔが設定されているか否かを判断する。そして、初期設定が既にされている場合にはステップＳ４５に進む。一方、初期設定がされていない場合には初期設定ルーチンを実行して電位制御時間ｔｅｌｅｃの入力（ステップＳ４２）、インターバル時間ｔｉｎｔの入力（ステップＳ４３）、培養時間Ｔの入力（ステップＳ４４）を行った後、ステップＳ４５に進む。
【００３４】
ステップＳ４５では、同時に培養を行う培養器（セル）２の数ｎを入力する。いま、同時に培養を行う培養器２の数が例えば５であったとすると、５を入力する。そして、変数ｉに１を代入してこれを初期化した（ステップＳ４６）後、ステップＳ４７からステップＳ４９を実行して各々のセル２における設定電位Ｅを入力する。つまり、セルｉ（ｉ番目のセル２）の設定電位Ｅ（ｉ）をｉ＝１〜５について入力する。なお、ここではセル２毎に異なる値の設定電位Ｅ（ｉ）を設定しておき、セル２毎に異なる値の電圧を印加するようにしている。
【００３５】
各設定値の入力が終了すると、コンピュータ１５は微生物の電気培養を開始する（ステップＳ５０）。即ち、変数ｉに１を代入してこれを初期化した（ステップＳ５１）後、ステップＳ５２からステップＳ５６を実行して各々のセル２に対して順番に静止電位（溶液電位）Ｅ０（ｉ）の計測と、作用極５への電圧の印加が行われる。なお、静止電位（溶液電位）とは、作用極５に電流が流れていないときの作用極５と参照電極６間の電位差（参照電極６を基準にした作用極５の電位）である。
【００３６】
図５（Ａ）に培養中のセル毎の作用極５の電位の変化の様子を、図５（Ｂ）に培養中のセル毎の電流値の変化の様子をそれぞれ示す。図５（Ａ）（Ｂ）とも、上から１番目の線が１番目のセル２を、上から２番目の線が２番目のセル２を、…、上から５番目（一番下）の線が５番目のセル２を示している。また、図５（Ａ）の▽印は着目しているセル２の溶液電位Ｅ０（ｉ）を計測するタイミングを示し、図５（Ｂ）の▼印は着目しているセル２の電流値Ｉ（ｉ）を計測するタイミングをそれぞれ示している。
【００３７】
変数ｉ＝１のとき、図５（Ａ）に符号Ｐ１で示す▽印のタイミングで１番目のセル２の溶液電位Ｅ０（１）を測定した（ステップＳ５２）後、１番目のセル２の作用極５に電位制御時間ｔｅｌｅｃの間だけ電圧を印加して設定電位Ｅ（１）を与える（ステップＳ５３）。このとき、計測した溶液電位Ｅ０（１）が目標値である設定電位Ｅ（１）となるように電圧を印加する。つまり、作用極５と参照電極６との間の電位差が設定電位Ｅ（１）となるように、作用極５と対極１３との間に流れる電流をフィードバック制御する。また、ステップＳ５３では、作用極５と対極１３との間に流れる電流値Ｉ（１）の計測も行われる。なお、電流値Ｉ（１）の計測は電位制御時間ｔｅｌｅｃが経過するタイミングで行われる（図５（Ｂ）に符号Ｐ２で示す▼印）。
【００３８】
その後、インターバル時間ｔｉｎｔの間だけ電圧の印加（電解）を停止し（ステップＳ５４）、ステップＳ５５からステップＳ５６に進んでｉに１を加え（ｉ＝２）、ステップＳ５２に戻る。そして、ステップＳ５２からステップＳ５６を繰り返し、１番目のセル２と同様に２番目のセル２についても、溶液電位Ｅ０（２）の計測（ステップＳ５２）と、電位制御時間ｔｅｌｅｃに亘る作用極５への設定電位Ｅ（２）の付与と、作用極５と対極１３との間に流れる電流値Ｉ（２）の計測（ステップＳ５３）を行う。以降、同様の操作が３番目のセル２、４番目のセル２、５番目のセル２についても順番に行われる。即ち、ステップＳ５５の条件が満たされるまで、各セル２について上述の操作が行われる。
【００３９】
つまり、一のセル２については電圧の印加を間欠的に行い、５つのセル２に対して電圧の印加を行うタイミングをずらすことで、５つのセル２に対して電圧の印加を１つずつ順番に行い、セル２毎に電圧を印加していない状態で培養液１１の溶液電位（静止電位）を計測している。
【００４０】
そして、培養開始（ステップＳ５０）から培養時間Ｔが経過するまで（ステップＳ５７）、５つのセル２に対して上述の操作が繰り返し行われ、培養時間Ｔの経過により、電気培養を終了する（ステップＳ５８）。
【００４１】
この後、コンピュータ１５は溶液電位Ｅ０（ｉ）、設定電位Ｅ（ｉ）、電流値Ｉ（ｉ）の時間変化を出力し（ステップＳ５９）、プログラムを終了する。
【００４２】
なお、インターバル時間ｔｉｎｔは、以下のように機能する。つまり、インターバル時間ｔｉｎｔを設定することで、例えばセル数ｎの異なる２つの培養（測定）を行う場合等に電気培養条件をそろえることが可能になる。具体的に説明すると、例えば、測定１において、セル数ｎが２０、電位制御時間ｔｅｌｅｃが１分、インターバル時間ｔｉｎｔは０分であったとする。このとき、一のセル２については１分間の電圧印加がなされ、そのあとの１９分間は通電のない状態となる（順に他のセル２の電位制御を行うため）。即ち、一のセル２について、２０分おきに１分間の電解がなされることになる。これに対し、別時刻に実施した測定２では、セル数ｎが１０であったとする。このとき、測定１と全く同じ電位制御時間ｔｅｌｅｃ、インターバル時間ｔｉｎｔを設定した場合、一のセル２については１０分間おきに１分間の電解がされることになり、測定１と条件が変わってしまう。このとき、測定２において、インターバル時間ｔｉｎｔを１分に設定することで、測定１と全く同じ、すなわち２０分おきに１分間の電圧印加が実現できるようになる。
【００４３】
このように本発明では、一のセル２については電圧の印加を間欠的に行い、複数のセル２に対して電圧の印加を行うタイミングをずらすことで、全てのセル２に対して電圧の印加を１つずつ順番に行い、いわば巡回型の電位制御を可能にしている。これにより、培養液１１の溶液電位Ｅ０と作用極５に流れる電流値Ｉの時間変化を知ることができ、電解電位や培養液環境の異なる培養を複数の培養器２を同時に使用して行う際にも、培養状況を的確に把握することが可能となるため、環境中の鉄還元微生物等の最適培養条件を容易に決定することが出来る。したがって、培養器２を複数個配列させ、それぞれの培養器２に環境微生物を植菌し、異なる電解電位、あるいは培養液環境を作った状態で、本発明の微生物電気培養方法を実施して培養を行うことで、対象となる微生物の最適な印加電位及び培養液環境を、１回の試行により決定することが可能となる。この様な同一サンプルの同時計測は、時間経過によって性質が変化してしまう生物試料を対象とする実験系には不可欠であり、的確な微生物特性の把握につながるものといえる。
【００４４】
なお、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。例えば上述の説明では、５つの培養器（セル）２を同時に使用する場合を例にしていたが、同時に使用する培養器２の数は５つ（ｎ＝５）に限るものではなく、５つ以外の複数個（ｎ≧２且つｎ≠５）であっても良く、また、１つ（ｎ＝１）であっても良い。
【００４５】
また、上述の説明では、培養器２毎に異なる値の設定電位Ｅを設定し、培養器２毎に異なる値の電圧を印加するようにしていたが、必ずしもこれに限るものではなく、全ての培養器２について同じ値の設定電位Ｅを設定し、全ての培養器２について同じ値の電圧を印加するようにしても良い。なお、「培養器２毎に異なる値の電圧を印加する」として、上述の説明のように培養器２の一つ一つに別々の値の電圧を印加しても良いが、培養器２を複数のグループに分けておき（例えば、列毎のグループ分け）、グループ内では同じ値の電圧を印加し、グループ毎に異なる値の電圧を印加するようにしても良い。
【００４６】
また、上述の説明では、ステップＳ５３において、計測した溶液電位Ｅ０が目標値である設定電位Ｅとなるように電圧を印加してフィードバック制御を行っていたが、フィードバック制御を行わなくても良い。即ち、設定電位Ｅに対応する電圧値を予め決めておき、当該値の電圧を印加するようにしても良い。
【００４７】
また、上述の説明では、電気培養の終了（ステップＳ５８）後に溶液電位Ｅ０（ｉ）、設定電位Ｅ（ｉ）、電流値Ｉ（ｉ）の時間変化を出力する（ステップＳ５９）ようにしていたが、これに限るものではない。例えば、電気培養を行いながら液電位Ｅ０（ｉ）、電流値Ｉ（ｉ）を計測するごとにリアルタイムで出力するようにしても良い。そして、例えば図５（Ａ）や図５（Ｂ）に示すようなグラフで溶液電位Ｅ０（ｉ）及び電流値Ｉ（ｉ）を表示するようにしても良い。また、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、溶液電位Ｅ０（ｉ）及び電流値Ｉ（ｉ）の時間変化をグラフで表示するようにしても良い。なお、図６（Ａ）は、図５（Ａ）に▽印で示すタイミングで計測した溶液電位Ｅ０（ｉ）を示し、培養開始からの溶液電位Ｅ０（ｉ）の時間変化を示している。また、図６（Ｂ）は、図５（Ｂ）に▼印で示すタイミングで計測した電流値Ｉ（ｉ）を示し、培養開始からの電流値Ｉ（ｉ）の時間変化を示している。なお、ディスプレイ等の出力装置には、例えば図５に示すグラフと図６に示すグラフとを別々のウインドウに表示し、各ウインドウを切り換え表示しても良く、または各ウインドウを並べて一緒に表示するようにしても良い。
【００４８】
また、計測した溶液電位Ｅ０に基づいて培養液１１中の酸化還元種の濃度を推定するようにしても良い。つまり、溶液電位Ｅ０の推移は、微生物の呼吸に必要な培養液１１中の鉄イオン（酸化還元種）の濃度の算出に用いることができ、培養液１１の状態を推し量るのに極めて有効である。即ち、溶液電位をＥａとすると、溶液電位Ｅａは理論的に数式１に示すネルンストの式によって決定される。
【００４９】
［数１］
Ｅａ＝Ｅ０＋ＲＴ／ｎＦ×ｌｎ（鉄（ＩＩＩ）の濃度／鉄（ＩＩ）の濃度）
ここで、Ｅ０は鉄（ＩＩＩ）⇔鉄（ＩＩ）の標準酸化還元電位、Ｒは気体定数、Ｔ：絶対温度、ｎ：反応電子数、Ｆ：ファラデー定数である。
【００５０】
数式１は、溶液電位を測定することによって、培養液１１中の鉄（ＩＩＩ）イオンと鉄（ＩＩ）イオンの割合を算出可能であることを意味しており、総鉄濃度が既知であれば、培養液１１中の鉄（ＩＩＩ）濃度、鉄（ＩＩ）濃度を求めることができる。溶液電位を計測するためには作用極５に電流が流れない状態を作る必要があるが、本発明では電圧の印加を間欠的に行うことで作用極５に電流が流れない状態を一時的に作り出し、これによって溶液電位の計測を可能にしている。即ち、微生物の電気培養と溶液電位の計測とを両立させることができ、培養液１１中の酸化還元種の濃度をリアルタイムでモニタリングしながら、微生物の電気培養を行うことができる。
【００５１】
特に、複数の培養器２を同時に使用し、各培養器２毎に作用極５の設定電位Ｅを異なる値にする場合や、あるいは異なる培養液環境で電気培養を実施する場合等には有効である。つまり、培養器２毎に異なる設定電位Ｅあるいは異なる培養液環境で電気培養を行う場合等には、作用極５に流れる電流値Ｉは必ずしも微生物の生育状況を反映しない。その一例として、例えば作用極５の電位をより酸化側に設定した場合、鉄（ＩＩ）の酸化反応以外にも、培養液１１中の酸化還元種が酸化反応をおこす可能性があり、この場合鉄（ＩＩ）イオン濃度が低いにもかかわらずより多くの電流が流れるという現象が起こりうる。このため、電流値Ｉに基づいて微生物の成育状況を判断し難くなる。しかしながら、本発明では微生物の電気培養を行いながら溶液電位Ｅ０の計測が可能であり、計測した溶液電位Ｅ０に基づいて鉄（ＩＩ）イオン濃度を求めることができるのは上述の通りであり、鉄（ＩＩ）イオン濃度を考慮しながら電流値Ｉについて判断できるので、微生物の成育状況の正しい判断を容易にすることができる。
【００５２】
また、計測した電流値Ｉに基づいて微生物の成育状況を推定するようにしても良い。つまり、電位制御による電気培養の下では、培養液１１中の総鉄イオン濃度が一定でかつ設定電位が一定の条件では、培養時に作用極５に流れる電流は、作用極５上で酸化反応にあずかる鉄（ＩＩ）イオンの濃度に比例する。すなわち、微生物の密度が高い、あるいは呼吸活性が高い場合にはより多くの電流が流れる。言い換えれば、培養中の電流値Ｉの変化を計測することで、培養液１１中の微生物の生育状況を推定することが可能である。このように、電流値Ｉは、作用極５に印加する電位ならびに培養液環境の等しい条件の下では、微生物による鉄イオンの消費速度と密接に関連している。このため、電流値Ｉに基づいて微生物の密度、活性を推定することができる。また、このとき、上述したように培養液１１中の酸化還元種の濃度をモニタリングすることで微生物の成育状況をより一層正しく推定することができる。
【００５３】
また、培養期間中に計測した溶液電位Ｅ０、電流値Ｉについてのデータをコンピュータ１５に記憶しておき、これらのデータを培養終了後に編集して解析しても良い。即ち、培養終了後に各セル２の溶液電位Ｅ０の変化を比較したり、各セル２毎に電流値Ｉを積分して総電荷量を求める等の解析を行うようにしても良い。
【００５４】
さらに、上述の説明では、嫌気性微生物の電気培養を例にしていたが、好気性微生物の電気培養に適用しても良いことは勿論である。なお、好気性微生物の電気培養に適用する場合には、例えば作用極５を陰極とし、対極１３を陽極にすることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の微生物電気培養方法の実施形態の一例を示す流れ図である。
【図２】本発明の微生物電気培養方法を実施する装置の一例を示す概略構成図である。
【図３】マイクロアレイ培養ユニットの断面図である。
【図４】培養器の断面図である。
【図５】本発明の微生物電気培養方法による制御の様子を示し、（Ａ）は作用極の電位の時間変化を短期時間幅で表示したグラフ、（Ｂ）は電流値の時間変化を短期時間幅で表示したグラフである。
【図６】本発明の微生物電気培養方法による制御の様子を示し、（Ａ）は溶液電位の時間変化を長期時間幅で表示したグラフ、（Ｂ）は電流値の時間変化を長期時間幅で表示したグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１  微生物電気培養装置
２  培養器（セル）
５  作用極
６  参照電極
１１  培養液
１３  対極
【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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【図６】
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