(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタンを基質とし、基質の酸化に伴って誘導した分解酵素により有機塩素化合物を分解するメタン資化菌を利用して、有機塩素化合物による汚染地層および地下水の有機塩素化合物濃度を低下させ、汚染地層および地下水を浄化する方法であって、
メタン資化菌の増殖に必要な酸素、栄養塩及び基質を汚染地層に連続的に供給して、汚染地層中でメタン資化菌を単位容積当たり所定菌数にまで増殖させる資化菌増殖工程と、
酸素及び栄養塩の供給を停止することなく、地下水の溶存基質濃度が資化菌増殖工程の溶存基質濃度より低くなるように調整して、汚染地層に基質を供給しつつ、メタン資化菌により誘導された分解酵素により有機塩素化合物を分解する有機塩素化合物分解工程と
を備え、
資化菌増殖工程では、汚染地層中の地下水に溶存するメタンの濃度が５．０〜１０ｍｇ／ｌの範囲になるようにメタンを供給し、有機塩素化合物分解工程では、汚染地層中の地下水に溶存するメタンの濃度が０．１〜６．０ｍｇ／ｌの範囲になるようにメタンを供給することを特徴とする有機塩素化合物で汚染された地層および地下水の浄化方法。
【請求項２】
資化菌増殖工程と、有機塩素化合物分解工程とを繰り返して実施することを特徴とする請求項１に記載の有機塩素化合物で汚染された地層および地下水の浄化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トリクロロエチレン等の有機塩素化合物で汚染された地層およびこの地層中の地下水を微生物学的に浄化する方法に関し、更に詳細には、原位置バイオレメディエーション技術により有機塩素化合物汚染地層を速やかに、かつ経済的に浄化する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トリクロロエチレン（C2HCl3、以下、ＴＣＥと略記する) や、テトラクロロエチレン（Cl2C=CCl2)などの有機塩素化合物は、油脂等に対する溶解性が高いので、一般溶剤、脱脂用洗浄剤等として各種の工場及びクリーニング店等で広く使用されている。そのため、長年の間に、これらの有機塩素化合物のかなりの量が、使用中に誤って外部に流出したり、或いは廃棄されたりして、地層及び地下水を汚染している。
ところで、これらの有機塩素化合物は発ガン性物質であると言う恐れがあるため、汚染された地層及び地下水の浄化が、近年、大きな社会的要望となっている。そこで、汚染地層及び地下水を浄化するための対策が、従来から、種々の方法により施されて来た。
【０００３】
これまでに施されて来た浄化方法は、主として、有機塩素化合物を一定の領域に封じ込める封じ込め法、汚染土壌を掘削して非汚染土壌で埋め戻す取り替え法、地下水を揚水し、次いで曝気して有機塩素化合物を大気中に放散する曝気法、真空抽気と活性炭吸着などの組み合わせによるポンプ＆トリート法等の物理化学的方法である。
しかし、これらの物理化学的方法は、高濃度の有機塩素化合物汚染には有効であるものの、設備費及び運転費が嵩むために広範囲の低濃度汚染の浄化には経済性に乏しく、また有機塩素化合物を分解し、無害化する技術ではないために、汚染地層から回収した有機塩素化合物による二次汚染の問題があった。
【０００４】
そこで、微生物を利用して有機塩素化合物を分解する処理方法、特に汚染サイトで実施する原位置バイオレメディエーション技術の開発が進んでいる。
原位置バイオレメディエーション（bioremediation）による地層および地下水の浄化方法は、有機塩素化合物等の汚染物質に対する分解能を有する微生物を汚染サイトの地層中で増殖、活性化して、汚染物質を原位置、即ち地層中で分解して無害な物質に転化することにより、地層および地下水を浄化する方法を言う。
【０００５】
有機塩素化合物による汚染を微生物学的に浄化する場合、有機塩素化合物を直接資化できる菌は、地層中に存在していないので、メタン、トルエン、フェノール、アンモニア等をそれぞれ資化する菌（以下、それぞれメタン資化菌、トルエン資化菌、フェノール資化菌、アンモニア資化菌と言う）の共酸化を利用した処理方法が検討されている。
この方法は、メタン資化菌等の資化菌の増殖に必要な栄養塩及び酸素に加えて、メタン資化菌等の資化菌のそれぞれの基質として、環境的に比較的害の少ないメタン、トルエン、フェノール、アンモニアなどを処理リアクター又は汚染サイトに注入して資化菌を増殖し、有機塩素化合物を基質として分解する分解酵素を資化菌により誘導する。そして、誘導された分解酵素により有機塩素化合物を分解し、無害な物質に転化する方法である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のような資化菌の共酸化を利用した原位置バイオレメディエーション方法を実施する際、メタンなどの基質が汚染サイトに高濃度で有機塩素化合物と共存した場合、基質の競争阻害が生じ、汚染物質の分解速度が極端に低下する。
【０００７】
以下に、メタン資化菌を例にして更に説明する。メタン資化菌は、メタンの酸化の過程で、ＴＣＥ等の有機塩素化合物を分解する可溶性メタンモノオキシゲナーゼ（以下、ｓＭＭＯと略記する）と、有機塩素化合物の分解に寄与しない膜結合性メタンモノオキシゲナーゼ（以下、ｐＭＭＯと略記する）との２種類のメタンモノオキシゲナーゼを誘導することが知られている。
メタン資化菌によるメタンの酸化反応は、図６に示す４段階の酵素反応で進行し、メタン資化菌より誘導されたｓＭＭＯは、メタンを酸化してメタノールを生成する第１段階の反応を触媒する。
図６に示すメタン酸化反応の第１段階において、基質がメタンからＴＣＥに代わると、図７に示すような共酸化によるＴＣＥ分解反応が起きる。このＴＣＥ分解反応は、図６のメタンの酸化反応の第２段階以降では起こらず、また、還元剤であるＮＡＤＨは再生されないので、ＴＣＥの分解反応が進行するにつれて、ＮＡＤＨが不足することになる。
【０００８】
ｓＭＭＯが触媒するＴＣＥ分解反応では、本来の基質であるメタンと共酸化反応の基質であるＴＣＥとは互いに競争的な阻害剤として作用するので、ＴＣＥの分解反応は、高濃度のメタンにより競争的に阻害されると言う問題がある。即ち、メタンが高濃度で共存した場合には、ＴＣＥはほとんど分解されず、逆に、メタンが不足する場合には、メタン資化菌が増殖せず、またｓＭＭＯも誘導されることもない。
また、ｓＭＭＯによるＴＣＥの分解反応が進行すると、ＴＣＥの分解反応の反応中間体であるトリクロロエチレンエポキシドが蓄積し、それによりｓＭＭＯの活性が失活すると言う問題がある。
【０００９】
そこで、従来、共酸化を利用した有機塩素化合物汚染地層の浄化方法を実施する際、栄養塩、酸素及びメタン等の基質を注入して、専ら資化菌を増殖させる増殖フェーズと、次いで、栄養塩、酸素及び基質の注入を停止し、資化菌により誘導された分解酵素により専ら有機塩素化合物を分解する分解フェーズとに分けていた。更には、分解フェーズを長期間にわたり実施すると、有機塩素化合物の分解反応で生成した反応中間体が分解酵素を失活させ、有機塩素化合物の分解が実質的に停止するので、分解フェーズの実施期間を分解酵素の活性が存続する短い期間に限る必要があった。
そこで、従来法では、数ケ月間にわたって増殖フェーズを実施し、次に実施する分解フェーズを短期間で終了し、二つのフェーズを交互に繰り返すことにより、浄化を行って来た。
この結果、フェーズの切替えに毎に、異なるモードで原位置バイオレメディエーション装置を制御する必要から、制御システムが複雑になって、装置の費用が嵩むと言う問題、また、フェーズ切り替えの判断が難しいと言う問題、更には分解フェーズが短期間であるために、有機塩素化合物分解の効率が悪いと言う問題があった。
【００１０】
以上のように、フェーズ毎の制御の問題、分解フェーズを長期間持続できない問題等のために、原位置バイオレメディエーション技術による有機塩素化合物汚染の従来の地層および地下水の浄化方法は、実用化するには浄化効率が低く、経済性に欠けていた。
よって、本発明の目的は、原位置バイオレメディエーション技術により有機塩素化合物で汚染された地層および地下水を効率良く浄化する方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するために、先ず、以下のような実験を多数回行った結果、メタン資化菌のＴＣＥ分解活性の強さ及び持続時間が、分解フェーズにおけるメタン濃度により異なることを見い出した。
【００１２】
実験例１
無機塩培地としてＮＭＳ（Nitrate Mineral Salts ) 培地を使用し、ＴＣＥで汚染された汚染サイトから採取した地下水（以下、実験例１及び２では単に地下水と言う）とＮＭＳ培地とメタンガスとをバイアルビンに注入し、密閉した後、温度を３０度に維持しつつ、振とう培養することにより、メタン資化菌の集積培養を行った。
得られたメタン資化菌の集積培養体を遠心分離して集菌し、ＮＭＳ培地で洗浄した後、再び地下水を混入させた別のＮＭＳ培地に懸濁させて菌体懸濁液を調製した。懸濁に際しては、菌体懸濁液の菌体懸濁濃度が、波長６００ｎｍでのＯＤ（Optical Density 光学濃度）が約２となるようにしてバイアルビンに封入した。
【００１３】
次いで、溶存メタン濃度が１０mg/lになるようにメタンを菌体懸濁液に注入し、更に、ＴＣＥ濃度が３mg/lになるようにＴＣＥを注入して、実験試料１を調製した。続いて、ヘッドスペース法によるガスクロマトグラフ分析（ＰＩＤ）によって実験試料１のＴＣＥ濃度を経時的に定量し、図１のグラフに示すような結果を得た。
同様にして、溶存メタン濃度が２．０mg/lになるようにメタンを注入したことを除いて上述と同様の実験試料２及びメタンを注入しなかったこと除いて上述の同様の実験試料３をそれぞれ調製し、各々について実験試料１と同様にＴＣＥ濃度を経時的に定量して、同じく図１のグラフに示すような結果を得た。
【００１４】
また、ブランク試験例及びコントロール試験例を実施し、同様に図１にその結果を示した。ブランク試験例は、菌体無添加試験例であって、先ず、ＴＣＥ濃度が３mg/lになるようにＴＣＥを溶解した純水を試料としてバイアルビンに収容した後、温度を３０℃に維持しつつ、実験試料１と同様にして試料のＴＣＥ濃度を経時的に定量した試験例である。コントロール試験例は、滅菌菌体添加試験例であって、滅菌した菌体懸濁液により試料を調製したことを除いて、実験試料１〜３と同様に試料を調製し、次いで試料のＴＣＥ濃度を経時的に定量した試験例である。
【００１５】
図１に示す結果から、メタン資化菌によるＴＣＥ分解系において、メタン資化菌のＴＣＥ分解特性は、確かに、溶存メタン濃度が高い時は競争的阻害要因のために速やかに低下するが、溶存メタン濃度が０の状態よりは、寧ろ、２．０mg/l程度の低溶存メタン濃度でのメタンとＴＣＥとの共存下で最大のＴＣＥ分解活性が得られることが判った。
よって、分解フェーズでも、低濃度のメタンとＴＣＥとが共存している方が、メタン資化菌のＴＣＥ分解特性が高いと結論できる。
【００１６】
実験例２
実験例２では、ＴＣＥ濃度が低下した時点でＴＣＥの再添加を繰り返して、更に、溶存メタンとＴＣＥとの共存下におけるメタン資化菌のＴＣＥ分解活性の持続性について検討した。
先ず、実験例１と同様にして、メタン濃度がそれぞれ０．０、２．０及び１０mg/lになるように３種類の実験試料を調製し、実験例１と同様にして、実験試料のＴＣＥ濃度を経時的に定量した。ＴＣＥ濃度が、検出限界以下、例えば１μg/l になった時点で、ＴＣＥ濃度が再び３mg/lになるように、２．０mg/lのメタン濃度の実験試料に２回、また０及び１０mg/lのメタン濃度の試料に各１回のＴＣＥの再添加を繰り返して、実験例１より長い期間にわたりＴＣＥ濃度の経時的な変化を調べた。
その結果は、図２に示される通りである。また、実験例１と同様に、ブランク試験例及びコントロール試験例についてもＴＣＥ濃度を経時的に測定した。
【００１７】
この結果、メタンが共存しない系では５時間で約５０μｇのＴＣＥを分解した後に活性が消失したのに対し、微量メタン共存系では７時間にわたり高いＴＣＥ分解活性が持続され、約１１０μｇのＴＣＥを分解することができた。
これにより、メタンが共存しない状態に比べて、低濃度のメタンとＴＣＥとが共存している状態の方が、メタン資化菌のＴＣＥ分解特性が長時間持続し、ＴＣＥの分解量が多いと結論できる。
【００１８】
上述した実験例１及び２から、分解フェーズにおいても低濃度のメタンとＴＣＥとを共存させることにより、メタン資化菌の高いＴＣＥ分解活性を長時間持続できることが明らかになった。
よって、以上の実験に基づき、本発明者は、原位置バイオレメディエーションによる従来の有機塩素化合物汚染地層の浄化方法とは異なり、分解フェーズでも資化菌に対して少量の基質を供給して、増殖フェーズよりは低いが競争的阻害要因にならない程度の溶存基質濃度に維持することにより、ＴＣＥ分解速度を速め、ＴＣＥ分解活性をより長く持続できることを見い出し、本発明を完成するに到った。
【００１９】
上記目的を達成するために、以上の知見に基づいて、本発明に係る有機塩素化合物で汚染された地層および地下水の浄化方法は、メタンを基質とし、基質の酸化に伴って誘導した分解酵素により有機塩素化合物を分解するメタン資化菌を利用して、有機塩素化合物による汚染地層および地下水の有機塩素化合物濃度を低下させ、汚染地層および地下水を浄化する方法であって、
メタン資化菌の増殖に必要な酸素、栄養塩及び基質を汚染地層に連続的に供給して、汚染地層中でメタン資化菌を単位容積当たり所定菌数にまで増殖させる資化菌増殖工程と、
酸素及び栄養塩の供給を停止することなく、地下水の溶存基質濃度が資化菌増殖工程の溶存基質濃度より低くなるように調整して、汚染地層に基質を供給しつつ、メタン資化菌により誘導された分解酵素により有機塩素化合物を分解する有機塩素化合物分解工程と
を備え、
資化菌増殖工程では、汚染地層中の地下水に溶存するメタンの濃度が５．０〜１０ｍｇ／ｌの範囲になるようにメタンを供給し、有機塩素化合物分解工程では、汚染地層中の地下水に溶存するメタンの濃度が０．１〜６．０ｍｇ／ｌの範囲になるようにメタンを供給することを特徴としている。
【００２０】
本発明方法において、資化菌増殖工程の終了の基準となる所定菌数は、地層及び地下水の性質等によって異なり、予め実験等により定められる値である。また、有機塩素化合物分解工程での溶存基質濃度は、基質と有機塩素化合物との共存により競争的阻害要因にならない程度の基質の濃度であって、有機塩素化合物の種類、地層及び地下水の性質等によって異なり、予め実験等により定められる値である。
栄養塩は、酸素、基質以外にメタン資化菌の増殖に必要な物質であって、例えば鉄、コバルト等の重金属を言う。
【００２１】
本発明では、有機塩素化合物分解工程でも、メタンを微量に注入しながら、長時間にわたり有機塩素化合物を分解することが特徴となっている。すなわち、競争的阻害要因にならない程度の低濃度の基質と有機塩素化合物とを共存させることにより、基質、有機塩素化合物、有機塩素化合物の反応中間体が相互に競合するので、酵素失活作用が抑制され、高いＴＣＥ分解特性を長時間にわたり維持できると思われる。
また、基質が存在することにより、ＮＡＤＨなどの還元剤が再生される効果、及び、基質が存在することにより、メタン資化菌が継続的に増殖する効果などが生じて、長い時間にわたり多量の有機塩素化合物を分解することが可能になると思われる。
【００２２】
本発明方法は、資化菌増殖工程と、有機塩素化合物分解工程とを繰り返して実施することもできる。資化菌増殖工程と有機塩素化合物分解工程の切替えは、定期的でも、または不定期でも良い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、本発明方法の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
図３は、本発明方法を適用する原位置バイオレメディエーション設備（以下、簡単に地層浄化設備と言う）の一例の構成を示す概念図である。地層浄化設備１０は、汚染地層に存在するメタン資化菌を利用して、本発明方法により有機塩素化合物汚染地層を浄化する設備であって、汚染地層の上に設置されている。
地層浄化設備１０は、図３に示すように、酸素、メタン及び必要な栄養塩を水に溶解する溶解・注入装置１２と、酸素、メタン及び必要な栄養塩を溶解した水を汚染地層に注水する注入井１４と、地下水中の酸素濃度、メタン濃度、栄養塩濃度、メタン資化菌の菌数、汚染物質濃度等を測定するための観測井１６と、汚染地層中の地下水を汲み上げる揚水井１８と、揚水井１８で揚水した地下水を曝気する曝気塔２０とを備えている。
【００２５】
曝気塔２０で曝気された地下水は、ポンプ２２により溶解・注入装置１２に送水される。送水された地下水は、そこで、酸素、メタン及び必要な栄養塩を溶解するための水として使用され、再び地層中に返される。
曝気塔２０は、ラシヒリング等の通常の充填材で形成された充填層と、ブロア２４から送入される空気を噴出するように充填層の下に設けたノズルとを備え、揚水した地下水を塔上部から流下させつつ、充填層の下から空気を噴出させて、地下水を充填層中で曝気する。尚、曝気塔２０は、本発明方法の実施には必ずしも必要ではない。
【００２６】
以下に、本地層浄化設備１０を使用して、本発明方法を実施する例を説明する。
資化菌増殖工程では、溶解・注入装置１２でメタン資化菌の増殖に必要な酸素、栄養塩及びメタンを溶解させ、次いで注入井１４から汚染地層に連続的に注入する。尚、注入井１４を複数とし、例えば酸素と栄養塩とを溶解した水流及びメタンと栄養塩とを溶解した水流の２種類の水流あるいはその他の組合せとしてそれ以上の水流で注入しても良い。
メタンを注入する際、地層中の地下水に溶存しているメタン濃度が５．０〜１０mg/lの範囲になるようにメタン供給量を調整する。メタン濃度の測定は、観測井１６を介して連続的又は断続的に行う。
【００２７】
地層の地下水中のメタン資化菌の菌数が、所定菌数、例えば１０4 〜１０6 ＭＰＮ/ml の範囲の菌数に到達した時点で、資化菌増殖工程を終了し、次の有機塩素化合物分解工程に移行する。
有機塩素化合物分解工程では、酸素及び栄養塩の供給を停止することなく、さらに地層中の地下水に溶存しているメタン濃度が０．１〜６．０mg/lの範囲になるように少量のメタンを供給する。
【００２８】
以上の工程を実施することにより、図４に模式的に示すように、資化菌増殖工程では汚染地層中のメタン資化菌の単位容積当たりの菌数は増加して行く。所定の菌数に達した段階で、資化菌増殖工程が終了する。次いで、有機塩素化合物分解工程では有機塩素化合物の分解に伴いメタン資化菌の単位容積当たりの菌数は徐々に減少し、工程の終わりでは元の水準に戻る。
また、図５に模式的に示すように、資化菌増殖工程ではＴＣＥ濃度が徐々に低下し、或るＴＣＥ濃度で平衡に達する。有機塩素化合物分解工程ではメタン資化菌の菌数の減少に伴い、ＴＣＥ濃度が徐々に増大し、工程の終了段階では、元の水準に達する。
図４及び図５中、破線のグラフは従来方法による有機塩素化合物分解工程でのメタン資化菌の菌数の減少及びＴＣＥ濃度の上昇を示している。本発明方法による場合の実線のグラフと比較することにより、本発明方法の有利性が顕著であることが判る。
【００２９】
【発明の効果】
本発明方法によれば、有機塩素化合物分解工程において、酸素及び栄養塩の供給を停止することなく、地下水の溶存基質濃度が、資化菌増殖工程の溶存基質濃度より低くなるように調整して基質を汚染地層に供給しつつ、メタン資化菌により誘導された分解酵素により有機塩素化合物を分解することにより、従来の方法に比べて、メタン資化菌の有機塩素化合物分解特性を高いレベルで長時間持続させることができる。
本発明方法を適用することにより、従来法よりも、制御が容易で、かつ浄化期間の短いバイオレメディエーションによる有機塩素化合物汚染の地層浄化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験例１の実験結果を示すグラフである。
【図２】実験例２の実験結果を示すグラフである。
【図３】本発明方法を実施する地層浄化装置の一例の構成を示す概念図である。
【図４】メタン資化菌の菌数の増減を示す模式的グラフである。
【図５】ＴＣＥ濃度の増減を示す模式的グラフである。
【図６】メタンの酸化反応の進行を示す式である。
【図７】ＴＣＥの分解反応の進行を示す式である。
【符号の説明】
１０  地層浄化設備
１２  溶解・注入装置
１４  注入井
１６  観測井
１８  揚水井
２０  曝気塔
２２  ポンプ
【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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【図７】
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