[スマートファーマーズ] 新しい技術が水中の微生物の定着を助ける

中国は世界最大の水産養殖国であり、世界の食糧安全保障と栄養供給に重要な貢献をしてきました。私の国の伝統的な海洋養殖は主に沿岸養殖に基づいています。国民の生活水準が向上し続けるにつれて、わが国の水産物の需要は増加し続けており、養殖業も収穫量の少ない沿岸放流から高密度の集約循環養殖へと移行しています。高密度の集中循環型養殖システムでは、残った餌や排泄物がアンモニア性窒素や亜硝酸態窒素などの可溶性無機汚染物質に容易に変換され、養殖水中に存在し、養殖製品の成長と繁殖に重大な悪影響を及ぼします。したがって、循環型養殖システムでは、効率的な廃水処理技術を使用して、水中の過剰な窒素含有無機汚染物質を除去することが重要です。

現在、養殖廃水処理に使用されているプロセスは、主に物理的方法、化学的方法、生物学的方法の3種類に分けられます。物理的方法は、水中の粒子状汚染物質の処理には適していますが、水中の可溶性汚染物質の除去にはそれほど効果的ではありません。化学的方法は水中の可溶性汚染物質を除去できますが、化学試薬をリアルタイムで追加する必要があり、運用コストが増加するだけでなく、異物も混入します。

そのため、微生物分解を利用した生物学的方法は、除去効果が高く、運用コストが低いことから、養殖廃水処理に広く使用されています。生物学的廃水処理プロセスでは、汚染物質の除去の主体は微生物であるため、微生物の数、活動、および個体群の種類は、プロセスの除去効果に直接影響を及ぼします。

従来の方法は、廃水処理システムに遊離細菌を追加することでシステム内の機能性微生物の数を増やし、廃水処理効果を高めるという目的を達成することです。しかし、このようにして接種された微生物は、不利な環境に対する耐性が低く、水体とともに失われやすく、理想的な処理効果を達成できないことがよくあります。そのため、機能性微生物の付着担体として固定化材料を使用し、微生物の高い個体密度と生物学的活性を維持する微生物固定化技術がますます注目され、生物学的廃水処理プロセスで広く使用されています (Shi Guanghui et al.、2015)。

微生物のカプセル化と固定化は、高多孔性高分子ゲルポリマー材料を使用して、細孔内に微生物を吸着して保持し、固定するプロセスです。カプセル化ビーズは、機械的強度が高く、衝撃荷重に強く、微生物が脱落しにくいという特徴があり、水処理の分野で独自の利点を持っています。微生物が付着して増殖するためのキャリアとして、選択された材料の物理的および化学的特性は、システムの物質移動性能と微生物の活動に直接影響します。固定化に使用される担体材料には、基質の流入と微生物による除去後の生成物の流出を確実にするために十分な細孔が必要です。また、固定化された微生物の損失を制限し、微生物の活動にほとんど影響を与えないことも必要です。さらに、固定化操作の難しさ、キャリアの安定性、再利用性、経済的コストなど、多くの要素を考慮する必要があります。したがって、適切かつ効果的なキャリアを見つけることは、システムの除去性能に影響を与える重要な要素の 1 つです。

現在、キャリアは無機キャリアと有機キャリアの 2 つのカテゴリに分類できます。

無機担体には主にセラミック、ゼオライト、石英砂、砂、活性炭、発泡金属、無機ガラスなどが含まれます。無機担体は機械的強度が高く、物質移動性能が良好で、化学的性質が安定しており、材料が比較的安価ですが、細胞結合能力が低く、微生物の脱落や損失を引き起こしやすくなります。

有機キャリアは、寒天、アルギン酸塩、キトサン、籾殻などの天然有機キャリアと、ポリエチレン（PE）、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリエチレングリコール（PEG）などのポリマー材料を含む合成有機キャリアに分けられます（Zhu Gangli、2010）。天然有機担体は、物質移動性能が良好で、固定化操作が簡単で、生物に対して無毒ですが、機械的強度が低く、安定性が悪く、微生物の損失を引き起こしやすいです。合成有機担体は機械的強度が高く、安定性が良好で、生分解性にも優れていますが、物質移動性能が悪く、固定化プロセスが比較的複雑で、一部の担体にはわずかな毒性があります。

単一のキャリアのみを使用して複数のニーズを満たすことは困難です。近年、専門家や学者はキャリアの改良や組み合わせ、架橋方法の改良を行っており、いずれも比較的理想的な結果を達成しています。しかし、生産環境は多様です。実際のアプリケーションでは、システムの最高の除去性能を確保するために、キャリアの種類または組み合わせをニーズに応じて変更する必要があります。

微生物は汚染物質を除去する生物学的手段の主な担い手です。したがって、微生物の種類と特性も、システムの除去性能に影響を与える重要な要素の 1 つです。養殖廃水処理に使用される微生物は、安全で、無毒で無害な生成物を生成し、汚染物質を急速に分解する必要があります。海洋養殖に用いられる微生物も耐塩性が必要です。現在一般的に利用されている微生物は、主に光エネルギーを利用する光合成細菌と化学エネルギーを利用する窒素循環細菌です。

光合成細菌は、光エネルギーと二酸化炭素などの無機炭素源を使用して有機物を合成し、嫌気性環境で自身の成長と発達を維持する原核微生物の一種です。光合成細菌は環境耐性が強く、水中の無機窒素、硫黄、その他の汚染物質を分解することができます。また、養殖魚の飼料添加物として栽培することもでき、養殖業界では多くの注目と研究が行われています。

窒素循環細菌は、化学エネルギーを利用し、アンモニア性窒素、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素などの窒素含有無機物を除去する能力を持つ原核微生物の一種です。主に嫌気性アンモニア酸化細菌、硝化細菌、脱窒細菌の3種類が含まれます。嫌気性アンモニウム酸化細菌は炭素源や曝気を必要とせず、除去効果が高く、運転コストが低いが、成長が遅く、システムの起動時間が長く、成長条件が厳しい。硝化細菌は水中のアンモニア性窒素と亜硝酸性窒素を除去することができ、これは水産養殖にとって非常に重要です。脱窒細菌は水から硝酸性窒素を除去し、最終生成物は窒素ガスです。水中のTNを減らし、その後の処理手順を減らすことができます。従来の脱窒理論では、脱窒は嫌気性条件下でのみ起こるとされています。好気性脱窒細菌の発見により、脱窒プロセスが好気性環境でも起こり得ることが証明されました。これに基づいて、硝化細菌と脱窒細菌を同じリアクターに接種することができ、フットプリントが削減されるだけでなく、運用コストも削減されます。したがって、硝化細菌と脱窒細菌を固定化した複合細菌剤を調製し、それを適用して養殖廃水の除去効率を向上させることは、さらに研究する価値がある（Zhang、2022）。

埋め込み固定化技術は、微生物の豊富さを効果的に増加させ、微生物の活動を強化し、排水の品質を改善し、養殖生物に対して無毒で無害です。養殖廃水処理において、非常に大きな応用範囲を持っています。しかし、養殖システムの複雑さ、微生物群集の多様性、水中の汚染物質の範囲の広さ、システムの運用環境の不安定さなどの理由から、カプセル化固定化技術は主に模擬養殖廃水を研究対象としており、実際の環境では広く使用されていません。したがって、高効率の複合細菌株のスクリーニング、高性能で低コストのキャリアの開発、固定方法の最適化などの分野でさらなる研究を実施し、養殖廃水処理におけるカプセル化および固定化技術の広範な応用を実現することができます。

参考文献:

[1] 馬洪景、2022年。カプセル化固定化好気性脱窒細菌による海洋養殖廃水の強化処理に関する研究[D]。大連海洋大学。

[2] Shi Guanghui、Liu Qingsong、Zhang Xufeng、et al.、2015。養殖水処理におけるカプセル化固定化微生物技術の研究の進歩[J]。水処理技術。

[3] 朱剛里、2010。嫌気性アンモニウム酸化混合培養の埋め込みおよび固定化特性に関する研究[D]。華南理工大学。

[4] Shuai Zhang、Amjad Ali、Junfeng Su、et al.、2022。優勢な微生物による固定化バイオリアクターでの硝酸塩除去のための酸化還元メディエーターの性能と強化メカニズム[J]。水研究、209、117899。

著者: 劉培武、蘇欣 (大連海洋大学水産養殖設備工学研究センター大学院生)

科学評論：劉英（浙江大学生物システム工学・食品科学学院博士課程指導教員）、韓睿（大連海洋大学水産養殖設備工学研究センター准教授・大学院指導教員）