(57)【要約】【課題】  様々な地質状態の汚染サイトを修復することができ、短工期・低コストの修復工事が可能となる有機ハロゲン化合物、特には有機塩素化合物によって汚染された土壌又は汚染地下水或いは底質土の生物学的修復に用いる添加剤を提供する。【解決手段】  微生物コンソーシアムを造成・活性化する物質と、嫌気性微生物の還元的脱ハロゲン化を促進する物質と、嫌気状態を造成する物質と、さらには生長物質とによって、土着の微生物群（微生物コンソーシアム）は、土壌、地下水或いは底質土中の酸素を消費して修復対象を嫌気性雰囲気とし、この造成された嫌気性雰囲気において、嫌気性微生物は供給された電子供与体或いは供給された他の添加剤が分解して発生する電子供与体を利用して還元的脱ハロゲン化により電子受容体である有機ハロゲン化合物を分解し、最終的には無機ハロゲン塩にまで分解する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
微生物コンソーシアムを造成・活性化する物質と嫌気性微生物の還元的脱ハロゲン化を促進する物質と嫌気状態を造成する物質とを有し、前記微生物コンソーシアムを造成・活性化する物質が活性酵母、不活性酵母、および酵母エキスからなる群から選択される少なくとも一の物質であり、前記嫌気性微生物の還元的脱ハロゲン化を促進する物質がプロピオン酸、酪酸、乳酸、およびそれらの塩からなる群から選択される少なくとも一の物質であり、前記嫌気状態を造成する物質がグルコース、ガラクトース、フルクトース、ラクトース、スクロース、マルトース、およびデンプンからなる群から選択される少なくとも一の物質である添加剤であって、
前記添加剤は前記微生物の生長物質として作用する水溶性金属化合物、ビタミン類、およびアミノ酸のうち少なくとも一の物質を有することを特徴とする有機ハロゲン化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土の修復に使用する添加剤。
【請求項２】
前記水溶性金属化合物がマンガン、亜鉛、鉄、マグネシウム、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、ナトリウム、およびホウ素からなる群から選択される少なくとも一の物質であり、前記ビタミン類がチアミン、ｐ−アミノ安息香酸、コリン、アスコルビン酸、パントテン酸、ピリドキシン、リボフラビン、ニコチン酸、ビオチン、イノシトール、葉酸、リポ酸、およびビタミンＢ−１２からなる群から選択される少なくとも一の物質であり、前記アミノ酸がアスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、およびリシンからなる群から選択される少なくとも一の物質であることを特徴とする請求項１に記載の有機ハロゲン化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土の修復に使用する添加剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機ハロゲン化合物、特には有機塩素化合物によって汚染された土壌、地下水或いは底質土の修復に使用する添加剤に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、ジクロロエチレン、ダイオキシン類、ポリ塩素化ビフェニル類などの有機塩素化合物に代表される有機ハロゲン化合物による土壌、地下水或いは底質土の汚染が深刻な問題となっている。
現在、このような有機ハロゲン化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土などの修復技術として、汚染地下水を汲み上げた後、その汲み上げた地下水に活性炭や樹脂を投入することによる汚染物の吸着や、汚染された土壌の風乾による揮散除去などの物理的処理法が有効とされている（例えば、非特許文献１参照）。しかし、いずれも初期設備投資や動力コストが高く、汚染物質を完全に無害化する技術ではないため根本的な対処策とはならない。そこで、微生物を活用して土壌、地下水或いは底質土などに含まれる難分解性の有害物質を分解して汚染を除去するバイオレメディエーション技術の開発が期待されている。
【０００３】
バイオレメディエーション（微生物修復法）は、有害な有機化合物を生物学的に分解し、炭酸ガスやメタン、水、無機塩、バイオマスなどのような無害な物質に変換する技術である。最近では、バイオレメディエーションの概念は有害廃棄物や汚染された土壌、地下水或いは底質土を修復する技術に拡大している。そうした中、国内でのクロロカーボン汚染のバイオレメディエーションについてこれまで好気性微生物を利用した研究開発が行われてきた。
バイオスティミュレーション（微生物活性法）は、汚染現場に生息している特定の好気性微生物を増殖・活性化させることにより汚染の分解・除去を促進させるため、外部からメタンなどの炭素源物質、空気又は純酸素、栄養塩等の必要物質を供給する手法である。
バイオオーギュメンテーション（微生物添加法）は、優れた分解能を持つ単一の微生物を大量に培養・活性化し、これを酸化剤とともに汚染現場の地下に注入して汚染を分解・除去させる手法である。
また、特に有機塩素化合物を分解する手段として、嫌気性微生物による還元的脱塩素化がある（例えば、非特許文献１参照）。嫌気性微生物は、有機酸などの電子供与体が供給されると、有機塩素化合物を電子受容体とする還元的脱塩素化により有機塩素化合物を分解する。したがって、このプロセスを有機塩素化合物による汚染の修復に応用する場合、汚染地域を嫌気状態とする手段が必要となる。
【０００４】
【非特許文献１】環境浄化技術  Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１（第８０−８４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、これらの方法には以下のような問題があった。バイオスティミュレーションは、酸化剤や大量の空気の導入に多額の設備投資と修復コストを要するという問題があった。また、バイオオーギュメンテーションは、微生物の分解能が注入された汚染地域の環境に依存し、必ずしも注入した微生物の能力が十分に発揮されないという問題があった。また、嫌気性微生物による還元的脱塩素化は、有機ハロゲン化合物の分解能を持つ嫌気性微生物を利用するために修復対象地域を嫌気性状態にする手段が考慮されていないなどという問題があった。このように、これまでに開発されたバイオレメディエーション技術のいずれもが問題を内包しており、それらを解消する修復技術の開発が求められてきた。
【０００６】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、様々な土質の汚染サイトに修復効果を再現することができ、短工期、低コストの修復工事が可能となる有機ハロゲン化合物、特には有機塩素化合物によって汚染された土壌、地下水或いは底質土などの生物学的修復に用いる添加剤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】
【０００７】
本出願の発明に係る有機ハロゲン化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土の修復に使用する添加剤は、微生物コンソーシアムを造成・活性化する物質と嫌気性微生物の還元的脱ハロゲン化を促進する物質と嫌気状態を造成する物質とを有し、前記微生物コンソーシアムを造成・活性化する物質が活性酵母、不活性酵母、および酵母エキスからなる群から選択される少なくとも一の物質であり、前記嫌気性微生物の還元的脱ハロゲン化を促進する物質がプロピオン酸、酪酸、乳酸、およびそれらの塩からなる群から選択される少なくとも一の物質であり、前記嫌気状態を造成する物質がグルコース、ガラクトース、フルクトース、ラクトース、スクロース、マルトース、およびデンプンからなる群から選択される少なくとも一の物質であることを特徴とする。
【０００８】
有機ハロゲン化合物、特には有機塩素化合物によって汚染された地域の土壌、地下水或いは底質土を微生物によって修復するには、嫌気状態の造成と絶対嫌気性微生物による有機塩素化合物の脱塩素化による分解が必要である。好気性微生物と偏性嫌気性微生物は、添加剤に含まれるグルコース、ガラクトース、フルクトース、ラクトース、スクロース、マルトース、及び澱粉を利用して硝酸イオン、硫酸イオン、及び酸素を電子受容体として消費し、土壌、地下水或いは底質土を嫌気条件にする。
【０００９】
このように修復対象が嫌気状態になると、絶対嫌気性微生物が有機ハロゲン化合物、特には有機塩素化合物を電子受容体として還元的脱ハロゲン化により分解することが可能となる。例えば、テトラクロロエチレンは、逐次的に起こる還元的脱塩素化反応によりトリクロロエチレン、さらにはジクロロエチレンとなり、最終的には安定な無機塩にまで分解される。
本出願の添加剤に含まれるプロピオン酸、酪酸、乳酸、及びそれらの塩は、絶対嫌気性微生物による有機ハロゲン化合物の還元的脱ハロゲン化を促進して汚染を浄化する。
【００１０】
有機ハロゲン化合物の浄化には、好気性微生物、偏性嫌気性微生物、絶対嫌気性微生物といった多くの種類の微生物が関与しており、このように、ある環境において構成されている微生物群を微生物コンソーシアムと呼ぶ。
本出願の添加剤に含まれる活性酵母、不活性酵母、及び酵母エキスは、この微生物コンソーシアムに含まれる微生物全体にとって栄養源として作用して微生物を活性化・増殖させる。微生物コンソーシアムを活性化することにより、塩化ビニルなどのハロゲン化数が少なく脱ハロゲン化による分解が困難な物質を浄化することが可能となる。
以上のように、嫌気状態を造成する物質と、還元的脱ハロゲン化を促進する物質と、微生物コンソーシアムを活性化する物質とを有する添加剤により有機ハロゲン化合物を浄化することができる。
【００１１】
ここで、嫌気条件における微生物の脱塩素化反応において、塩素化数が低いジクロロエチレンや塩化ビニルなどは、テトラクロロエチレンやトリクロロエチレンに比べて嫌気性微生物による生分解が遅い。この原因は、土着の微生物がジクロロエチレンや塩化ビニルの分解を開始するまでに、ジクロロエチレンや塩化ビニルの生成により造成された新たな環境に順応するための誘導期と呼ばれる増殖のための準備期間を必要とするためである。
【００１２】
汚染サイトの多くの微生物は、誘導期において周囲の環境に応じて酸素、硝酸イオン、硫酸イオンなどを消費したり、有機ハロゲン化合物を分解して増殖するために必要な酵素、補酵素、生体物質などを自身で生成して増殖するが、なかにはこれらの物質を自身で生成できない微生物がいる。こういった微生物を有機ハロゲン化合物の分解や嫌気状態の造成に利用するためには、酵素、補酵素、生体物質を生成するために必要な生長物質を外部から供給してやる必要がある。
【００１３】
そこで、本出願の発明に係る有機ハロゲン化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土の修復に使用する添加剤は、微生物の生長物質として作用する水溶性金属化合物、ビタミン類、およびアミノ酸のうち少なくとも一の物質を有することを特徴とする。
【００１４】
添加剤に含まれる水溶性金属化合物、ビタミン類、およびアミノ酸は、土壌及び地下水中の微生物コンソーシアムに含まれる多くの微生物にとって生長物質として作用し、酵素、補酵素、生体物質の構成要素となり微生物の増殖を促進する。特に自身で酵素などを生成することのできない微生物は、微生物コンソーシアムにおいて供給された生長物質を利用して酵素などを生産して有機ハロゲン化合物及びその分解生成物の浄化に寄与し、汚染浄化の促進、シスー１，２−ジクロロエチレンや塩化ビニルなどの有害副生成物の残留の防止に役立つ。
これにより、微生物コンソーシアムの微生物の誘導期を短縮することができるため、浄化工事を短縮化することが可能となる。
【００１５】
また、生長物質は、有機ハロゲン化合物を分解する微生物のみならず、酸素を消費して嫌気条件を造成する微生物、汚染サイトの電子受容体（硝酸イオン、硫酸イオンなど）を消費して有機ハロゲン化合物の嫌気分解の開始を早める微生物など、微生物コンソーシアムに含まれる多くの微生物に作用する。したがって、生長物質を汚染サイトに供給すると、生長物質を供給しなければ有機ハロゲン化合物の分解プロセスに寄与しない微生物を浄化に活用することができ、さらには微生物コンソーシアムをも活性化することにより、嫌気条件の達成と有機ハロゲン化合物の分解を効率化し、塩化ビニルなどの有害な難分解性の物質を確実に浄化することが可能になる。
【００１６】
また、本出願の発明に係る有機ハロゲン化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土の修復に使用する添加剤は、水溶性金属化合物がマンガン、亜鉛、鉄、マグネシウム、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、ナトリウム、およびホウ素からなる群から選択される少なくとも一の物質であり、ビタミン類がチアミン、ｐ−アミノ安息香酸、コリン、アスコルビン酸、パントテン酸、ピリドキシン、リボフラビン、ニコチン酸、ビオチン、イノシトール、葉酸、リポ酸、およびビタミンＢ−１２からなる群から選択される少なくとも一の物質であり、アミノ酸がアスパラギン酸、グルタミン酸、グリシン、アラニン、バリン、ロイシン、およびリシンからなる群から選択される少なくとも一の物質であることを特徴とする。
【００１７】
これらの各種生長物質の機能の例を表１に示す。これにより、ビタミン類、水溶性金属類、およびアミノ酸は、有機塩素化合物の分解に寄与する微生物の活性化、酵素の生産、蛋白質の合成等に寄与することがわかる。
【００１８】
表１  有機塩素化合物による汚染の浄化における各種生長物質の機能
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【００１９】
本出願の添加剤を使用すると、まず添加剤に含まれるグルコース、ガラクトース、フルクトース、ラクトース、スクロース、マルトース、澱粉の働きにより、好気性微生物、および偏性嫌気性微生物が活性化されて増殖し、汚染媒体が嫌気状態になる。
この際、好気性微生物は、生長物質によりさらに活性化される。さらには生長物質を自身で生成できない好気性微生物、および偏性嫌気性微生物も添加された生長物質を利用して酸素、その他の電子受容体を消費するので、生長物質を添加しない場合よりも迅速に嫌気状態を達成できる。
【００２０】
次に、添加剤に含まれるプロピオン酸、酪酸、乳酸の働きにより、絶対嫌気性微生物が、嫌気状態において還元的脱ハロゲン化反応により有機ハロゲン化合物を分解する反応が促進される。
この際、添加剤に含まれる生長物質は、分解に関与する絶対嫌気性微生物を活性化し、さらに本来は自身で酵素などを生成できず有機塩素化合物の分解に寄与できない絶対嫌気性微生物をも活性化するので、有機塩素化合物の分解をさらに促進することができる。
【００２１】
さらに、添加剤に含まれる活性酵母、不活性酵母、および酵母エキスの働きにより造成・活性化された微生物コンソーシアムに含まれる絶対嫌気性微生物は、生長物質により活性化された絶対嫌気性微生物とともに、還元的脱ハロゲン化の過程で生成する有害な中間生成物のうち分解が困難な物質、例えば塩化ビニルモノマー、シス-1,2-ジクロロエチレンなどを効果的に分解する。従って、嫌気性微生物を用いる修復作業において有害な中間生成物が残留しにくい。
【００２２】
このように、有機ハロゲン化合物、特に有機塩素化合物を分解する過程で関与する微生物コンソーシアム全体の働きを考慮して、複数種類の生長物質を添加剤として供給することにより、効率的で、しかも有害物質が残留しにくいバイオレメディエーション工法が可能となる。さらに、修復に利用する微生物が嫌気性であることから酸化剤や空気の供給を必要とせず、低コストでの修復工事が可能である。
なお、添加剤を構成するそれぞれの物質の配合比は修復対象の土質に合わせて設定することで修復の効果を高めることができる。
【００２３】
また、本発明における修復対象は、有機ハロゲン化合物、特には有機塩素化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土などである。また、有機ハロゲン化合物とは、脂肪族、または芳香族炭化水素の水素とハロゲン（フッ素、塩素など）が置換した物質である。例えば、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン及びジクロロエチレンなどの脂肪族有機塩素化合物、ポリ塩素化ジベンゾジオキシン（ＰＣＤＤ）及びポリ塩素化ジベンゾフラン（ＰＣＤＦ）などのダイオキシン類、コプラナーポリ塩素化ビフェニルなどのＰＣＢ類及びクロロベンゼンなどの芳香族有機塩素化合物がこれに該当する。なお、以上の記載は例示であり、その記載によっては本発明の修復対象や除去すべき化学物質は限定されない。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、有機ハロゲン化合物、特には有機塩素化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土などを修復するにあたって、修復対象内の土着の好気性及び嫌気性微生物を含む微生物コンソーシアムを造成・活性化する物質と、嫌気性微生物の還元的脱ハロゲン化を促進する物質と、嫌気状態を造成する物質と、さらには微生物コンソーシアムの誘導期を短縮して多くの種類の微生物を活性化する生長物質とを修復対象に供給することで、微生物コンソーシアムが速やかに嫌気状態を造成し、係る嫌気状態で効率的に脱ハロゲン化が進行する。したがって、有害な物質が残留しにくい修復工事が可能となり、かつ短工期の修復工事が実現できるため低コストの修復工事が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本実施形態においては、実験室におけるミクロコスムの研究により、汚染地域に土着の微生物群、すなわち微生物コンソーシアムに応じた適切な添加剤の成分の混合比率が決定される。ミクロコスムは、汚染地域から採取した土壌、地下水或いは底質土で形成される。水溶性金属化合物、ビタミン類、アミノ酸などから選択される生長物質と、酵母などと、ラクトースなどと、プロピオン酸塩などとを種々の比率で混合してミクロコスムに加え、一定温度の下、培養する。嫌気条件において土又は水をミクロコスムから定期的に採取し、有機塩素化合物、メタン、塩化ビニル、塩素イオン、溶存酸素量、酸化還元電位、硝酸イオン、硫酸イオンの濃度をモニタリングする。有機塩素化合物、メタン、塩化ビニル及び塩素イオンは、汚染物及びその分解生成物の濃度を確認するためである。溶存酸素量及び酸化還元電位は、ミクロコスムが絶対嫌気雰囲気になっていることを確認するためである。これらがそれぞれ０．５ｍｇ／Ｌ、−５０ｍＶとなると絶対嫌気条件である。硝酸イオン及び硫酸イオンは、嫌気性微生物の還元反応において有機塩素化合物よりも優先して消費される。したがって、硝酸イオン及び硫酸イオンの濃度を測定することで、ミクロコスムにおける還元反応が開始されたことが確認できる。一定期間、通常は一から二ヶ月程度の実験の結果に基づき、汚染地域の修復対象に最適な成分の配合比が決定される。
【００２６】
添加剤は、汚染地域の土壌、地下水或いは底質土中に添加される。添加剤の形態は、固体状、液体状、スラリー状などであり、汚染地域の地層などの地質状態や、汚染地域の汚染状況に基づいて決定される。
【００２７】
微生物コンソーシアムは、添加剤に含まれる物質を分解したり、その分解で生成した電子供与体を利用したり、生長物質を利用しながら増殖することで、土壌、地下水或いは底質土中の溶存酸素を消費し、修復対象の環境を嫌気性雰囲気である嫌気状態とする。この際、硝酸イオン、硫酸イオンなど元来汚染地域に存在する電子受容体も同時に消費する。そして、微生物コンソーシアムに含まれる絶対嫌気性微生物は、造成された嫌気状態において、供給された或いは分解生成物として発生した電子供与体や生長物質を利用して電子受容体である有機塩素化合物を還元的脱塩素化により分解する。嫌気性微生物の脱塩素化による有機塩素化合物の分解は、高い塩素化数の化合物から逐次的に生じ、最終的には無機塩化物にまで分解する。
【００２８】
以下に本発明の実施例を示す。
有機塩素化合物により汚染された地下水の原位置修復において、生長物質を加えた添加剤による還元脱塩素化反応の促進効果を実証するため、実験室規模のミクロコスムの実験を行った。実験に使用するサンプルは、トリクロロエチレン（以下、ＴＣＥと記述する）、シス−１，２−ジクロロエチレン（同上、C-ＤＣＥ）、などの有機塩素化合物により汚染された地下水を汚染地域から採取した。試料は、予め滅菌した６０本の３００ｍLの褐色ガラス容器に満杯になるまで入れ、４℃で冷蔵しながら実験室に運搬した。
次に、嫌気条件において上記の試料に下記の処理を施した試料を各処理につき２０本ずつ作成した。各処理の内容を表２に示す。
【００２９】
表２  処理の内容
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【００３０】
以上の処理を施した後、培養開始直前に各処理につき５本ずつの容器から試料を採取してガスクロマトグラフにより有機塩素化合物を分析した。そして、容器の頭隙（ヘッドスペース）の空気を窒素ガスと置換した後に封印し、これを暗所において２０℃で９０日間培養した。培養開始から３０日経過するごとに各処理につき５本づつの試料に含まれる有機塩素化合物の濃度をガスクロマトグラフにより分析した。その結果を図１から図３に示す。なお、全ての分析結果は、５つの試料の平均値である。
【００３１】
図１は添加剤及び生長物質によるトリクロロエチレン（ＴＣＥ）の分解促進を表す図であり、図２は添加剤及び生長物質によるシス−１，２―ジクロロエチレン（ｃ−ＤＣＥ）の分解促進を表す図であり、図３は添加剤及び生長物質による塩化ビニル（ＶＣ）の分解促進を表す図である。
図１および図２より、処理１（添加剤のみ）と処理２（添加剤及び生長物質）の場合には、トリクロロエチレン、シス−１、２−ジクロロエチレンを検出下限以下まで分解することに成功している。しかし、図２よりシス−１，２−ジクロロエチレンは、処理２の場合の方が、短期間で浄化されていることがわかる。
さらに、図３より、塩化ビニルは、処理１の場合には分解はしているものの９０日間の培養期間で環境基準以下まで分解できていないが、処理２の場合は環境基準及び検出下限以下まで分解されている。一方、添加剤及び生長物質を添加していない処理３の場合には、いずれの物質もほとんど分解されていない。以上の結果より、添加剤に生長物質を加えることにより、シス−１，２−ジクロロエチレンや塩化ビニルといった生分解が困難な物質を短期間で浄化可能なことを実証することができた。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
有機ハロゲン化合物により汚染された土壌、地下水或いは底質土の修復工事に本願発明に係る添加剤を活用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】添加剤及び生長物質によるトリクロロエチレン（ＴＣＥ）の分解促進を表す図である。
【図２】添加剤及び生長物質によるシス−１，２―ジクロロエチレン（ｃ−ＤＣＥ）の分解促進を表す図である。
【図３】添加剤及び生長物質による塩化ビニル（ＶＣ）の分解促進を表す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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