JP7227713B2 - Measuring device and measuring method for measuring activity of microorganisms, biological treatment system and biological treatment method - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定装置及び測定方法に関するものである。また、本発明は、被処理液を微生物で処理する生物処理槽と、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定装置と、を備えた生物処理システムに関するものである。また、本発明は、被処理液を微生物で処理する生物処理工程と、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定工程と、を備えた生物処理方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a measuring apparatus and measuring method for measuring the activity of microorganisms in liquid using electrochemical means. The present invention also relates to a biological treatment system comprising a biological treatment tank for treating a liquid to be treated with microorganisms and a measuring device for measuring the activity of microorganisms in the liquid using electrochemical means. The present invention also relates to a biological treatment method comprising a biological treatment step of treating a liquid to be treated with microorganisms and a measuring step of measuring the activity of the microorganisms in the liquid using an electrochemical means.
従来、液体中の微生物の含量を測定する方法としては、所定の環境条件下で微生物を培養した後、微生物のコロニー数を計測する方法が用いられてきた。しかし、この方法では、コロニーを形成するための培養やコロニー数を計測するための作業に多大な時間を要するという問題があった。そこで、近年、微生物の代謝活性を電気化学的に直接測定する方法が提案されている。 Conventionally, as a method for measuring the content of microorganisms in a liquid, a method of measuring the number of colonies of microorganisms after culturing microorganisms under predetermined environmental conditions has been used. However, this method has the problem that it takes a lot of time to culture for forming colonies and to count the number of colonies. Therefore, in recent years, a method for electrochemically directly measuring the metabolic activity of microorganisms has been proposed.
例えば、特許文献１には、生物電気化学槽において電流測定手段を用いて液体中の微生物の含量を測定する方法であって、メディエータを最初に槽中で酸化させた後、試料となる微生物を含有するフィルターと接触させて、電極に第一の応答を生じさせ、次いで、フィルターに含まれる微生物を殺生物剤で洗浄し、その後、メディエータを再度接触させて第二の応答を生じさせる方法が開示されている。この方法によれば、干渉物質による第二の応答を第一の応答から差し引くため、試料又はフィルターに含まれていることがある干渉を除き、微生物の含量のみに依存した応答を得られるというものである。
For example,
電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する方法では、微生物による基質の酸化反応により生じた電子を、細胞外の電極に伝達するためのメディエータを使用する。メディエータは、細胞膜を通過することが可能な酸化還元物質であり、基質と共に細胞内に入り、基質の酸化により生じた電子を受け取り（還元反応）、その後、細胞外に出て、電極に電子を放出する（酸化反応）ものである。この方法では、メディエータが細胞膜を通過する量を勘案して、多量のメディエータを使用するという問題がある。 A method of measuring the activity of microorganisms in a liquid using electrochemical means uses a mediator for transferring electrons generated by the oxidation reaction of a substrate by microorganisms to an extracellular electrode. A mediator is a redox substance that can pass through the cell membrane. It enters the cell together with the substrate, receives electrons generated by the oxidation of the substrate (reduction reaction), then exits the cell and transfers electrons to the electrode. It releases (oxidation reaction). This method has the problem of using a large amount of mediator in consideration of the amount of mediator that passes through the cell membrane.
本発明の課題は、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定装置又は測定方法において、メディエータの使用量を低減することが可能な測定装置又は測定方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a measuring device or a measuring method for measuring the activity of microorganisms in a liquid using an electrochemical means, which can reduce the amount of mediator used. be.
本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出し、これをメディエータとして利用することにより、外部から添加するメディエータの添加量を低減できることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の微生物の活性を測定する測定装置、微生物の活性を測定する測定方法、生物処理システム及び生物処理方法である。
As a result of intensive studies on the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have found that it is possible to reduce the amount of externally added mediator by extracting redox substances present in the cells of microorganisms outside the cells and using them as mediators. and completed the present invention.
That is, the present invention provides the following measuring device for measuring microbial activity, measuring method for measuring microbial activity, biological treatment system, and biological treatment method.
上記課題を解決するための本発明の微生物の活性を測定する測定装置は、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定装置であって、前記微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出す細胞破壊部と、前記酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定する測定部と、を備えたことを特徴とする。
この測定装置によれば、細胞破壊部で微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出すため、細胞内の酸化還元物質を直接電極に反応させることができる。よって、外部から添加するメディエータの添加量を低減することが可能となり、薬品の使用量を低減することができる。更には、メディエータを添加することなく微生物の活性を測定することも可能であり、その場合には、メディエータを添加するための手段を省略できるため、装置構成を簡素化することができる。
The measuring device for measuring the activity of microorganisms of the present invention for solving the above-mentioned problems is a measuring device for measuring the activity of microorganisms in liquid using electrochemical means, wherein The present invention is characterized by comprising a cell disruption section for taking redox substances out of cells, and a measuring section for measuring electrochemical changes occurring in the redox substances.
According to this measuring device, since redox substances present in the cells of microorganisms are taken out of the cells in the cell disruption section, the redox substances in the cells can be reacted directly with the electrodes. Therefore, it is possible to reduce the amount of mediator added from the outside, and the amount of chemicals used can be reduced. Furthermore, it is also possible to measure the activity of microorganisms without adding a mediator, in which case the means for adding the mediator can be omitted, thereby simplifying the device configuration.
更に、本発明の微生物の活性を測定する測定装置の一実施態様によれば、細胞破壊部は、物理的処理又は化学的処理による破壊であるという特徴を有する。
この特徴によれば、確実に細胞を破壊することができるという効果がある。また、化学的処理は、薬剤の添加量を正確に調整することができるため、細胞の破壊の程度を正確に制御することができる。物理的処理は、薬剤の添加せずに処理することができるため、試薬調製の必要がなく、簡易的な操作で測定することができる。
Furthermore, according to one embodiment of the measuring device for measuring the activity of microorganisms of the present invention, the cell disruption section is characterized by destruction by physical treatment or chemical treatment.
According to this feature, there is an effect that the cells can be surely destroyed. In addition, chemical treatment can precisely control the degree of cell destruction because the amount of drug to be added can be precisely adjusted. Since the physical treatment can be performed without the addition of chemicals, there is no need to prepare reagents, and measurement can be performed with simple operations.
更に、本発明の微生物の活性を測定する測定装置の一実施態様によれば、細胞破壊部及び測定部は密閉された状態であるという特徴を有する。
この特徴によれば、細胞破壊部及び測定部は密閉された空間に存在するため、細胞破壊部により取り出された酸化還元物質が、酸素などの酸化還元反応に影響する物質と接触することを制限するという効果がある。よって、酸化還元物質に生じる電気化学的変化を正確に測定することができる。
Furthermore, according to one embodiment of the measuring device for measuring the activity of microorganisms of the present invention, the cell disruption section and the measuring section are in a sealed state.
According to this feature, since the cell disruption section and the measurement section exist in a closed space, the oxidation-reduction substances taken out by the cell disruption section are restricted from coming into contact with substances such as oxygen that affect the oxidation-reduction reaction. has the effect of Therefore, it is possible to accurately measure the electrochemical change that occurs in the oxidation-reduction substance.
上記課題を解決するための本発明の微生物の活性を測定する測定方法は、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定方法であって、前記微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出す細胞破壊工程と、前記酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定する測定工程と、を備えたことを特徴とする。
この測定方法によれば、細胞破壊工程で微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出すため、細胞内の酸化還元物質を直接電極に反応させることができる。よって、外部から添加するメディエータの添加量を低減することが可能となり、薬品の使用量を低減することができる。更には、メディエータを添加することなく微生物の活性を測定することも可能であり、その場合には、メディエータを添加するための工程を省略できるため、測定操作を簡素化することができる。
The measuring method for measuring the activity of microorganisms of the present invention for solving the above problems is a measuring method for measuring the activity of microorganisms in a liquid using electrochemical means, wherein The method is characterized by comprising a cell destruction step of extracting a redox substance from the cell and a measuring step of measuring an electrochemical change occurring in the redox substance.
According to this measuring method, since redox substances present in the cells of microorganisms are taken out of the cells in the cell destruction step, the redox substances in the cells can be reacted directly with the electrode. Therefore, it is possible to reduce the amount of mediator added from the outside, and the amount of chemicals used can be reduced. Furthermore, it is also possible to measure the activity of microorganisms without adding mediators, in which case the step of adding mediators can be omitted, thereby simplifying the measurement operation.
上記課題を解決するための本発明の生物処理システムは、被処理液を微生物で処理する生物処理槽と、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定装置と、を備えた生物処理システムであって、前記測定装置は、前記微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出す細胞破壊部と、前記酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定する測定部と、を具備することを特徴とする。
この生物処理システムによれば、生物処理槽の微生物の活性を簡易的に測定し、生物処理槽における生物処理を監視することができる。
A biological treatment system of the present invention for solving the above problems comprises a biological treatment tank for treating a liquid to be treated with microorganisms, and a measuring device for measuring the activity of the microorganisms in the liquid using an electrochemical means. In the biological treatment system, the measuring device includes a cell destruction unit that removes redox substances present in the cells of the microorganisms to the outside of the cells, and a measuring unit that measures an electrochemical change that occurs in the redox substances. , is provided.
According to this biological treatment system, it is possible to simply measure the activity of microorganisms in the biological treatment tank and monitor the biological treatment in the biological treatment tank.
上記課題を解決するための本発明の生物処理方法は、被処理液を微生物で処理する生物処理工程と、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定工程と、を備えた生物処理方法であって、前記測定工程は、前記微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出す細胞破壊工程と、前記酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定する測定工程と、を具備することを特徴とする。
この生物処理方法によれば、生物処理工程における微生物の活性を簡易的に測定し、安定した生物処理を実施することができる。
A biological treatment method of the present invention for solving the above problems comprises a biological treatment step of treating a liquid to be treated with microorganisms, and a measuring step of measuring the activity of the microorganisms in the liquid using an electrochemical means. In the biological treatment method, the measuring step includes a cell destruction step of extracting redox substances present in the cells of the microorganism to the outside of the cells, and a measuring step of measuring an electrochemical change occurring in the redox substances. , is provided.
According to this biological treatment method, the activity of microorganisms in the biological treatment process can be easily measured, and stable biological treatment can be carried out.
本発明によれば、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定装置又は測定方法において、メディエータの使用量を低減することが可能な測定装置又は測定方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a measuring device or a measuring method for measuring the activity of microorganisms in a liquid using electrochemical means, which can reduce the amount of mediator used. can.
以下、本発明の測定装置及び生物処理システムの実施態様について、添付図面を参照して詳細に説明する。
なお、実施態様に記載する測定装置及び生物処理システムについては、本発明の測定装置及び生物処理システムを説明するために例示したに過ぎず、これに限定されるものではない。また、本発明の測定装置及び生物処理システムの各部の説明は、各部における処理工程の説明を記載しているものとする。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereafter, the measuring device of this invention and embodiment of a biological treatment system are described in detail with reference to an accompanying drawing.
It should be noted that the measuring device and the biological treatment system described in the embodiments are merely examples for explaining the measuring device and the biological treatment system of the present invention, and are not limited thereto. Also, the description of each part of the measuring device and the biological treatment system of the present invention shall describe the description of the treatment process in each part.
本発明の測定装置は、電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定するものである。本発明の測定装置で測定される微生物は、特に制限されず、好気性微生物、通性嫌気性微生物、絶対嫌気性微生物のいずれでもよく、また、単細胞の微生物だけでなく、多細胞の微生物でもよい。具体的には、水処理等に利用する活性汚泥や、食品の製造に利用する酵母などが挙げられる。また、大腸菌などの研究等に使用される微生物でもよい。 The measuring device of the present invention measures the activity of microorganisms in liquid using electrochemical means. Microorganisms to be measured by the measuring device of the present invention are not particularly limited, and may be any of aerobic, facultative and obligate anaerobic microorganisms, and not only single-celled microorganisms but also multicellular microorganisms. good. Specific examples include activated sludge used for water treatment and the like, yeast used for food production, and the like. Microorganisms used for research, such as Escherichia coli, may also be used.
本発明の測定装置は、例えば、下水処理設備、排水処理設備、廃水処理設備などの生物処理槽の管理に好適に使用される。より具体的には、生物処理槽の処理効率の監視や、種汚泥の活性量の評価や、難分解性物質や毒性物質等の混入による被処理水の水質の評価などに利用することができる。また、ビール、日本酒、焼酎、ウイスキーなどの酒類、ヨーグルト、みそ、納豆、醤油などの発酵食品等の製造に使用する発酵槽の管理に利用することもできる。その他、飲食品等に混入した微生物の検査や、医療研究等の学術的研究に利用することもできる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The measuring device of the present invention is suitably used, for example, for managing biological treatment tanks such as sewage treatment facilities, wastewater treatment facilities, and wastewater treatment facilities. More specifically, it can be used to monitor the treatment efficiency of biological treatment tanks, evaluate the amount of activity of seed sludge, and evaluate the quality of water to be treated due to contamination with persistent substances, toxic substances, etc. . It can also be used to manage fermenters used in the production of alcoholic beverages such as beer, sake, shochu, and whiskey, and fermented foods such as yogurt, miso, natto, and soy sauce. In addition, it can also be used for examination of microorganisms mixed in foods and drinks, and academic research such as medical research.
［第１の実施態様］
図１は、本発明の第１の実施態様の微生物の活性を測定する測定装置１Ａを示す概略説明図である。図１に示すように、本発明の測定装置１Ａは、微生物の活性を測定するための試料を内部に保持する容器４、微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出すための細胞破壊部２Ａ、酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定する測定部３Ａを備える。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing a measuring device 1A for measuring the activity of microorganisms according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the measuring device 1A of the present invention includes a
酸化還元物質は、酸化還元反応を行う物質であり、微生物の細胞内に元々存在するものである。本発明の測定装置１Ａは、この酸化還元物質に生じる電気化学的変化を直接測定することにより、微生物の活性を測定するものである。図２を参照して、本発明の微生物の活性を測定する方法の原理を説明する。図２に示すように、微生物Ｃは、細胞内において有機物等の基質Ａ１を酵素Ｅで代謝物Ａ２に分解することにより生存に必要なエネルギーを形成している。そして、基質を分解する際に、微生物Ｃの持つＮＡＤ＋などの酸化還元物質が電子（ｅ－）を受け取ることにより生体内にエネルギーを蓄積する。これらの酸化還元物質は、微生物Ｃの細胞膜Ｍを通過することができないため、本発明の測定装置では、細胞破壊部２Ａにより細胞膜を破壊（溶菌）して、酸化還元物質を細胞の外部に取り出す。細胞外に取り出された酸化還元物質は測定部３Ａに到達することが可能となり、測定部３Ａで酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定する。 A redox substance is a substance that undergoes a redox reaction and is originally present in the cells of microorganisms. The measuring device 1A of the present invention measures the activity of microorganisms by directly measuring the electrochemical change that occurs in this redox substance. The principle of the method for measuring the activity of microorganisms according to the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2, microorganism C forms energy necessary for survival by decomposing substrate A1 , such as an organic substance, into metabolite A2 with enzyme E in the cell. When the substrate is decomposed, redox substances such as NAD + in the microorganism C receive electrons (e − ), thereby accumulating energy in the body. Since these redox substances cannot pass through the cell membrane M of the microorganism C, in the measuring device of the present invention, the cell membrane is destroyed (bacteriolysis) by the cell destruction unit 2A, and the redox substances are taken out of the cell. . The redox substance taken out of the cell can reach the measurement unit 3A, and the electrochemical change occurring in the redox substance is measured in the measurement unit 3A.
（容器）
容器４は、微生物の活性を測定するための試料を内部に保持し、微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出すためのものである。第１の実施態様では、試料入口４１、試料出口４２を備え、試料入口４１から測定するための試料Ｓ１が流入し、試料出口４２から測定後の試料Ｓ２を流出させる。試料Ｓ１の流入は、ポンプ（不図示）など流入制御手段により制御する。また、測定部３Ａのカソード３２側には、空気室７を備え、空気室７と外部を連通するガス入口４３と、ガス出口４４が形成されている。
(container)
The
第１の実施態様では、容器４の内部に、物理的処理により微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出すための細胞破壊部２Ａが設置されている。また、容器４の内部には、細胞破壊部２Ａの近傍に、酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定する測定部３Ａが設置されている。これらの細胞破壊部２Ａと測定部３Ａは、容器４の内部に密閉された状態で設置される。ここで、密閉された状態とは、容器４に流入した試料Ｓ１が外気との接触を制限した状態であることを意味する。細胞破壊部２Ａと測定部３Ａを密閉した状態とすることにより、酸素などの外的な酸化還元反応に影響する物質と接触することを制限し、酸化還元物質に生じる電気化学的変化を正確に測定することができる。なお、本発明の実施態様では、細胞破壊部２Ａと測定部３Ａを密閉した状態とする例を挙げるが、細胞破壊部２Ａと測定部３Ａのいずれか又は各部とも開放された状態で測定することも可能である。
In the first embodiment, a cell disrupting section 2A is provided inside the
また、第１の実施態様では、細胞破壊部２Ａと測定部３Ａが近接した位置に配置されている。細胞破壊部２Ａと測定部３Ａを近接した位置に配置すると、細胞破壊部２Ａにより細胞外に取り出された酸化還元物質は、測定部３Ａに素早く到達することができるため、試料Ｓ１に含まれる外的な物質（例えば、溶存酸素など）による影響を受けずに測定することができる。細胞から取り出された酸化還元物質が測定部３Ａの到達時間としては、特に制限されないが、例えば、１０分以内であり、より好ましくは５分以内であり、更に好ましくは１分以内であり、特に好ましくは３０秒以内である。なお、到達時間は、細胞破壊部による破壊処理を開始後から、測定部により検出が開始されるまでの時間である。到達時間は、細胞破壊部と測定部の配置だけでなく、試料Ｓ１の流入速度や、容器の容量等によっても調整することができる。 In addition, in the first embodiment, the cell destruction section 2A and the measurement section 3A are arranged in close proximity. When the cell disruption section 2A and the measurement section 3A are arranged in close proximity, the oxidation-reduction substances taken out of the cells by the cell disruption section 2A can quickly reach the measurement section 3A . It can be measured without being affected by external substances (for example, dissolved oxygen, etc.). The arrival time of the oxidation-reduction substances taken out from the cells to the measurement part 3A is not particularly limited, but is, for example, within 10 minutes, more preferably within 5 minutes, even more preferably within 1 minute, particularly within 1 minute. It is preferably within 30 seconds. The arrival time is the time from the start of the destruction process by the cell destruction unit to the start of detection by the measurement unit. The arrival time can be adjusted not only by the arrangement of the cell disruption section and the measurement section, but also by the inflow speed of the sample S1 , the capacity of the container, and the like.
第１の実施態様では、細胞破壊部２Ａと測定部３Ａが同一の容器４の内部に配置されているが、細胞破壊部２Ａと測定部３Ａは別の容器にそれぞれ配置し、各容器を流路等で接続してもよい。例えば、マイクロ流路などにより、流路内で細胞を破砕し、その後段に測定部を設けて測定してもよい。
In the first embodiment, the cell disruption section 2A and the measurement section 3A are arranged inside the
（細胞破壊部）
細胞破壊部２Ａは、微生物の細胞膜を破壊し、微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出すためのものである。第１の実施態様の細胞破壊部２Ａは、具体的には加熱装置であり、熱により細胞膜を破壊するものである。
(cell destruction part)
The cell destruction unit 2A is for destroying the cell membrane of microorganisms and extracting redox substances present in the cells of microorganisms to the outside of the cells. The cell disruption unit 2A of the first embodiment is specifically a heating device, which destroys cell membranes by heat.
細胞破壊部は、細胞膜を破壊し、酸化還元物質を細胞外に取り出すものであればよく、例えば、熱処理、超音波処理、電気パルス処理、剪断処理、キャビテーション処理、高圧噴流処理などの物理的処理や、酸処理、アルカリ処理、界面活性剤処理、ウイルス処理、酵素処理、酸化剤処理などの化学的処理等が挙げられる。また、熱アルカリ処理のように、各処理を併用してもよい。化学的処理は、薬剤の添加量を正確に調整することができるため、細胞の破壊の程度を正確に制御することができる。なお、酸化剤処理等のように酸化還元反応に影響する化学的処理は、酸化剤などの薬剤の添加量を調整することによりその差分で評価することも可能である。また、物理的処理は、薬剤を添加せずに処理することができるため、試薬調製の必要がなく、簡易的な操作で測定することができる。 The cell disruption part may be any one that destroys cell membranes and extracts redox substances outside the cells, for example, physical treatment such as heat treatment, ultrasonic treatment, electric pulse treatment, shearing treatment, cavitation treatment, high pressure jet treatment, etc. and chemical treatments such as acid treatment, alkali treatment, surfactant treatment, virus treatment, enzyme treatment, and oxidant treatment. In addition, each treatment may be used in combination, such as thermal alkali treatment. Chemical treatment allows precise control of the degree of cell destruction, since the amount of drug to be added can be precisely adjusted. Chemical treatments such as oxidant treatment that affect oxidation-reduction reactions can be evaluated based on the difference by adjusting the added amount of chemicals such as oxidants. In addition, since the physical treatment can be performed without adding a chemical agent, there is no need to prepare a reagent, and the measurement can be performed with a simple operation.
（測定部）
測定部３Ａは、微生物の細胞から取り出した酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定するものである。第１の実施態様の測定部３Ａは、具体的には、酸化還元物質から電極に電子を移動した際に生じる電流値を検出するものである。
(Measuring part)
The measurement unit 3A measures an electrochemical change occurring in the oxidation-reduction substance extracted from the cells of the microorganism. Specifically, the measurement unit 3A of the first embodiment detects a current value generated when electrons are transferred from the redox substance to the electrode.
図１に示すように、測定部３Ａは、細胞破壊部２Ａの近傍にアノード３１、空気室７の内部の空気と接触する位置にカソード３２を備え、アノード３１とカソード３２の間には水素イオン（Ｈ＋）を選択的に透過する陽イオン交換膜３３が設置されている。また、アノード３１とカソード３２は、配線により電気的に結合しており、その間に電流値を検出する検出部３４を備えている。
なお、陽イオン交換膜３３は、電極間の水素イオン（Ｈ＋）が移動するイオン移動部であり、イオン移動部としては、例えば、第１の実施態様の陽イオン交換膜だけでなく、素焼きの陶板や、セラミックス、塩橋などでもよい。
As shown in FIG. 1, the measurement unit 3A includes an anode 31 near the cell disruption unit 2A and a cathode 32 in contact with the air inside the air chamber 7. Between the anode 31 and the cathode 32, hydrogen ions A cation exchange membrane 33 that selectively permeates (H + ) is provided. Moreover, the anode 31 and the cathode 32 are electrically connected by wiring, and a detector 34 for detecting a current value is provided between them.
The cation exchange membrane 33 is an ion transfer section in which hydrogen ions (H + ) move between electrodes. Ceramic plates, ceramics, salt bridges, etc. are also acceptable.
細胞破壊部２Ａにより細胞から取り出された酸化還元物質（ＮＡＤＨ）は、アノード３１の表面で酸化されてＮＡＤ＋に変化する。その際に、電極に電子（ｅ－）が流れ、液体中には水素イオン（Ｈ＋）が放出される。電子（ｅ－）は、配線を通ってカソード３２に流れるため、検出部３４で電流値が検出される。水素イオン（Ｈ＋）は、陽イオン交換膜３３を透過して、カソード３２の表面で空気室７に流入する酸素（Ｏ２）と電子（ｅ－）と反応して水蒸気（Ｈ２Ｏ）を生成する。第１の実施態様の測定部３Ａは、検出部３４の電流値の変化から微生物の活性を測定することができる。 The oxidation-reduction substances (NADH) removed from the cells by the cell destruction unit 2A are oxidized on the surface of the anode 31 and changed to NAD + . At that time, electrons (e − ) flow to the electrode and hydrogen ions (H + ) are released into the liquid. Since the electrons (e − ) flow through the wiring to the cathode 32 , the current value is detected by the detector 34 . Hydrogen ions (H + ) pass through the cation exchange membrane 33 and react with oxygen (O 2 ) and electrons (e − ) flowing into the air chamber 7 on the surface of the cathode 32 to form water vapor (H 2 O). to generate The measurement unit 3A of the first embodiment can measure the activity of microorganisms from changes in the current value of the detection unit 34. FIG.
なお、測定部は、微生物の細胞から取り出した酸化還元物質に生じる電気化学的変化を測定するものであればよく、電流値を検出する手段の他、例えば、ＯＲＰ計（酸化還元電位計）のように電位差を検出する手段でもよい。また、ＮＡＤＨから放出された水素イオン（Ｈ＋）をｐＨ計により検出する方法や、空気室７における酸素（Ｏ２）の消費量をガス検知器により検出する方法などのように、酸化還元物質に生じる電気化学的変化を間接的に測定する手段であってもよい。 Note that the measuring unit may be any unit that measures electrochemical changes occurring in the oxidation-reduction substances extracted from the cells of the microorganism. A means for detecting a potential difference may be used. In addition, a method of detecting hydrogen ions (H + ) released from NADH with a pH meter, a method of detecting the consumption of oxygen (O 2 ) in the air chamber 7 with a gas detector, and the like. It may also be a means for indirectly measuring the electrochemical change that occurs in the
次に、本発明の測定装置により測定された電位変化と、従来の細胞から酸化還元物質を取り出さずにメディエータを用いて測定した電位変化について比較する。メディエータは、細胞膜を通過することが可能な酸化還元物質であり、基質と共に細胞内に入り、基質の酸化により生じた電子を受け取り（還元反応）、その後、細胞外に出て、電極に電子を放出する（酸化反応）ものである。図３に、本発明の測定装置により測定された電位変化の結果と、メディエータを用いて測定した電位変化の結果を比較するグラフを示す。グラフに示すとおり、メディエータを使用せず、細胞も破壊しない場合（バッファー＋菌体）と、メディエータを使用し、細胞を破壊しない場合（メディエータ＋菌体）では、メディエータの作用により、電位変化が大きくなる。そして、本発明の測定装置により測定された電位変化（バッファー＋溶菌液（熱））では、メディエータを使用した場合と同等の電位変化が示された。よって、本発明の測定装置を使用することにより、メディエータを使用することなく、微生物の活性を測定することが可能であることがわかった。なお、本発明の測定装置では、メディエータを使用することにより、より高感度に測定することも可能である。 Next, the potential change measured by the measuring device of the present invention is compared with the potential change measured using a mediator without taking out the oxidation-reduction substance from the conventional cell. A mediator is a redox substance that can pass through the cell membrane. It enters the cell together with the substrate, receives electrons generated by the oxidation of the substrate (reduction reaction), then exits the cell and transfers electrons to the electrode. It releases (oxidation reaction). FIG. 3 shows a graph comparing the result of potential change measured by the measuring device of the present invention and the result of potential change measured using the mediator. As shown in the graph, when mediator is not used and cells are not destroyed (buffer + cells) and when mediator is used and cells are not destroyed (mediator + cells), the action of mediator causes a change in potential. growing. The potential change (buffer + lysate (heat)) measured by the measuring device of the present invention showed the same potential change as when the mediator was used. Therefore, by using the measuring device of the present invention, it was found possible to measure the activity of microorganisms without using a mediator. In addition, in the measuring apparatus of the present invention, it is also possible to measure with higher sensitivity by using a mediator.
［第２の実施態様］
図４は、本発明の第２の実施態様の微生物の活性を測定する測定装置１Ｂを示す概略説明図である。
第２の実施態様の測定装置１Ｂは、細胞破壊部２Ｂとして、アルカリを添加する手段を備え、アルカリにより細胞膜を破壊するものである。なお、第１の実施態様における測定装置１Ａの構造と同じものについては説明を省略する。
この測定装置１Ｂによれば、薬剤の添加量を正確に調整することができるため、細胞の破壊の程度を正確に制御することができる。
[Second embodiment]
FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing a measuring device 1B for measuring the activity of microorganisms according to the second embodiment of the present invention.
The measuring device 1B of the second embodiment is equipped with means for adding alkali as the cell disrupting section 2B, and destroys cell membranes with the alkali. The description of the same structure as that of the measuring device 1A in the first embodiment will be omitted.
According to this measuring device 1B, the amount of drug to be added can be accurately adjusted, so the degree of cell destruction can be accurately controlled.
［第３の実施態様］
図５は、本発明の第３の実施態様の微生物の活性を測定する測定装置１Ｃを示す概略説明図である。
第３の実施態様の測定装置１Ｃは、測定部３Ｂとして、ＯＲＰ計を備え、微生物の細胞から取り出された酸化還元物質に生じる電気化学的変化を電位差により検出するものである。なお、第１の実施態様における測定装置１Ａの構造と同じものについては説明を省略する。
この測定装置１Ｃによれば、簡易的なＯＲＰ計を容器内に挿入すればよいため、簡素な装置構成とすることができる。
[Third embodiment]
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram showing a measuring device 1C for measuring the activity of microorganisms according to the third embodiment of the present invention.
The measurement device 1C of the third embodiment includes an ORP meter as the measurement unit 3B, and detects electrochemical changes occurring in oxidation-reduction substances extracted from microbial cells by means of potential difference. The description of the same structure as that of the measuring device 1A in the first embodiment will be omitted.
According to this measuring device 1C, since a simple ORP meter can be inserted into the container, the configuration of the device can be simplified.
［第４の実施態様］
図６は、本発明の第４の実施態様の微生物の活性を測定する測定装置１Ｄを示す概略説明図である。
第４の実施態様の測定装置１Ｄは、微生物の活性を測定するための試料を内部に保持する容器として、マイクロ流路を使用したものである。図４に示すように、測定装置１Ｄは、基板５と、基板５の表面に形成されたマイクロ流路Ｌ１、マイクロ流路Ｌ２と、細胞破壊部２Ａとしてマイクロ流路Ｌ１を下部から加熱するヒーターと、マイクロ流路Ｌ１とマイクロ流路Ｌ２の間に設置された測定部３Ｂを備える。
[Fourth embodiment]
FIG. 6 is a schematic explanatory diagram showing a measuring device 1D for measuring the activity of microorganisms according to the fourth embodiment of the present invention.
A measuring device 1D of the fourth embodiment uses a microchannel as a container for holding a sample for measuring the activity of microorganisms. As shown in FIG. 4, the measurement device 1D includes a
マイクロ流路Ｌ１は、試料Ｓ１を流入し、細胞破壊処理を行うための流路である。マイクロ流路Ｌ１は、ヒーター（細胞破壊部２Ａ）により加熱される領域では、蛇行して形成されている。マイクロ流路Ｌ１を蛇行して形成することにより、ヒーターの設置領域を縮小化しつつ、加熱処理に必要な時間を十分に確保することができる。マイクロ流路Ｌ１の流路幅は特に制限されないが、微生物の大きさ等を勘案すると、下限値としては好ましくは５０μｍ以上である。また、加熱処理の効率を勘案すると、好ましくは１ｍｍ以下であり、より好ましくは５００μｍ以下であり、好ましくは２００μｍ以下である。 The microchannel L1 is a channel for inflowing the sample S1 and performing cell disruption treatment. The microchannel L1 is formed meandering in the region heated by the heater (the cell disruption section 2A). By forming the microchannel L1 in a meandering manner, it is possible to sufficiently secure the time required for the heat treatment while reducing the installation area of the heater. The channel width of the microchannel L1 is not particularly limited, but considering the size of microorganisms, etc., the lower limit is preferably 50 μm or more. In consideration of efficiency of heat treatment, the thickness is preferably 1 mm or less, more preferably 500 μm or less, and preferably 200 μm or less.
一方、マイクロ流路Ｌ２は、測定部３Ｂにより酸化還元物質に生じる電位差を測定した後に、測定装置１Ｄから液体を排出するための流路であるため、流路幅等はどの程度でもよい。 On the other hand, the microchannel L2 is a channel for discharging the liquid from the measurement device 1D after measuring the potential difference generated in the oxidation-reduction substance by the measurement unit 3B, so the channel width and the like may be arbitrary.
マイクロ流路を用いることにより、細胞破壊処理の時間を短縮することができるため、素早く微生物の活性を測定することができる。また、細胞破壊部から測定部までの到達時間を正確に調整することができるため、移動における他の影響を制限し、微生物の活性を正確に測定することができる。
なお、本実施態様では、基板に形成されたマイクロ流路を例示したが、微細管によりマイクロ流路を形成してもよい。
By using a microchannel, the time required for cell disruption treatment can be shortened, so that the activity of microorganisms can be measured quickly. In addition, since the time of arrival from the cell disruption section to the measurement section can be precisely adjusted, other influences on migration can be limited and the activity of microorganisms can be accurately measured.
In this embodiment, the microchannel formed on the substrate is exemplified, but the microchannel may be formed by a fine tube.
［第５の実施態様］
図７は、本発明の第５の実施態様の生物処理システム１００を示す概略説明図である。
第５の実施態様の生物処理システム１００は、本発明の測定装置１Ａを排水処理設備の生物処理槽１０に適用した例である。
生物処理槽１０は、被処理水Ｗ０を流入するための被処理液流入部１１、生物処理槽１０の内部で生物処理された処理液Ｗ１を排出するための処理水排出部１２を備えた槽であり、下水や工場排水等の有機性排水に含まれる有機物を微生物により分解して水質を改善するための装置である。生物処理槽１０における生物処理は、好気性処理、嫌気性処理のいずれであってもよい。
[Fifth Embodiment]
FIG. 7 is a schematic explanatory diagram showing a biological treatment system 100 of the fifth embodiment of the invention.
A biological treatment system 100 of the fifth embodiment is an example in which the measuring device 1A of the present invention is applied to a biological treatment tank 10 of a wastewater treatment facility.
The biological treatment tank 10 includes a liquid-to-be-treated inlet 11 for introducing the water W0 to be treated, and a treated-water discharge part 12 for discharging the liquid W1 biologically treated in the biological treatment tank 10. It is a tank that improves water quality by decomposing organic substances contained in organic wastewater such as sewage and industrial wastewater with microorganisms. The biological treatment in the biological treatment tank 10 may be either aerobic treatment or anaerobic treatment.
生物処理槽１０と測定装置１Ａは、配管Ｌ３及び配管Ｌ４を介して連結されている。配管Ｌ３は、生物処理槽１０の液体の一部を試料Ｓ１として抜き取り、測定装置１Ａに送液するための配管であり、配管Ｌ４は、微生物の活性の測定後の試料Ｓ２を生物処理槽１０に返送するための配管である。測定後の試料Ｓ２を生物処理槽１０に返送することにより、廃液を削減できるという効果がある。なお、測定後の試料Ｓ２は、生物処理槽１０に返送せずに、廃液として系外に排出してもよい。 The biological treatment tank 10 and the measuring device 1A are connected via pipes L3 and L4 . The pipe L3 is a pipe for extracting part of the liquid in the biological treatment tank 10 as the sample S1 and sending it to the measuring device 1A, and the pipe L4 is a pipe for transferring the sample S2 after the microbial activity measurement. This is a pipe for returning to the biological treatment tank 10 . By returning the sample S2 after measurement to the biological treatment tank 10, there is an effect that waste liquid can be reduced. Note that the sample S2 after measurement may be discharged outside the system as a waste liquid without being returned to the biological treatment tank 10 .
この生物処理システム１００によれば、測定装置１Ａを備えるため、廃水処理設備における生物処理を簡易的に監視し、安定した生物処理を実現することができる。また、測定装置１Ａの変動から、被処理液Ｗ０への難分解性物質や毒性物質の混入などを検知し、これらの問題に対する早期対応を可能とするという効果もある。 Since the biological treatment system 100 includes the measuring device 1A, it is possible to easily monitor the biological treatment in the wastewater treatment facility and realize stable biological treatment. In addition, it is possible to detect contamination of the liquid to be treated W0 with a persistent substance or a toxic substance from fluctuations in the measuring device 1A, and to enable early countermeasures against these problems.
［第６の実施態様］
図８は、本発明の第６の実施態様の生物処理システム１０１を示す概略説明図である。
第６の実施態様の生物処理システム１０１は、生物処理槽１０の内部に、本発明の測定装置１Ｅを設置した例である。測定装置１Ｅを生物処理槽１０の内部に設置することにより、細胞破壊部により取り出された酸化還元物質と外気との接触を遮断することができる。また、生物処理システム１０１を縮小化することができる。
[Sixth embodiment]
FIG. 8 is a schematic explanatory diagram showing the biological treatment system 101 of the sixth embodiment of the present invention.
A biological treatment system 101 of the sixth embodiment is an example in which the measuring device 1E of the present invention is installed inside the biological treatment tank 10 . By installing the measuring device 1E inside the biological treatment tank 10, it is possible to block the contact between the oxidation-reduction substances taken out by the cell disruption unit and the outside air. Also, the biological treatment system 101 can be downsized.
測定装置１Ｅは、図８に示すように、生物処理槽１０の壁面に設置されている。測定部３Ａは、第１の実施態様と同様のものであり、カソード３２を生物処理槽１０の外気と接触するように配置している。
また、細胞破壊部２Ａは、第１の実施態様と同様、電源Ｅに接続された加熱装置であり、アノード３１の近傍に設置されている。
The measuring device 1E is installed on the wall surface of the biological treatment tank 10, as shown in FIG. The measuring section 3A is similar to that of the first embodiment, and the cathode 32 is arranged so as to be in contact with the outside air of the biological treatment tank 10. As shown in FIG.
Also, the cell disruption section 2A is a heating device connected to the power supply E and installed near the anode 31, as in the first embodiment.
測定装置１Ｅは、容器の内部に試料Ｓ１を投入するためのサンプリング器６を備えている。このサンプリング器６は、容器の天面と底面が同時に上下方向に移動するものであり、サンプリング器６を移動することにより生物処理槽１０から試料Ｓ１を採取し、測定後の試料Ｓ２を生物処理槽１０に戻すことができる。
なお、生物処理槽１０から測定装置へ試料Ｓ１を採取する手段は、どのような装置により採取してもよく、例えば、ポンプ等により測定装置の容器内に試料Ｓ１を送液してもよいし、生物処理槽１０内に発生する被処理液Ｗ０の流れを利用して容器内に試料Ｓ１を送液してもよい。
The measuring device 1E has a sampler 6 for putting the sample S1 into the container. The sampler 6 moves vertically at the same time on the top and bottom surfaces of the container. It can be returned to the biological treatment tank 10 .
The means for collecting the sample S1 from the biological treatment tank 10 to the measurement device may be any device. Alternatively, the flow of the liquid to be treated W0 generated in the biological treatment tank 10 may be utilized to feed the sample S1 into the container.
本発明の測定装置は、例えば、下水処理設備、排水処理設備、廃水処理設備などの生物処理槽の管理に好適に使用される。より具体的には、生物処理槽の処理効率の監視や、種汚泥の活性量の評価や、難分解性物質や毒性物質等の混入による被処理水の水質の評価などに利用することができる。また、ビール、日本酒、焼酎、ウイスキーなどの酒類、ヨーグルト、みそ、納豆、醤油などの発酵食品等の製造に使用する発酵槽の管理に利用することもできる。その他、飲食品等に混入した微生物の検査や、医療研究等の学術的研究に利用することもできる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The measuring device of the present invention is suitably used, for example, for managing biological treatment tanks such as sewage treatment facilities, wastewater treatment facilities, and wastewater treatment facilities. More specifically, it can be used to monitor the treatment efficiency of biological treatment tanks, evaluate the amount of activity of seed sludge, and evaluate the quality of water to be treated due to contamination with persistent substances, toxic substances, etc. . It can also be used to manage fermenters used in the production of alcoholic beverages such as beer, sake, shochu, and whiskey, and fermented foods such as yogurt, miso, natto, and soy sauce. In addition, it can also be used for examination of microorganisms mixed in foods and drinks, and academic research such as medical research.
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…測定装置、２Ａ，２Ｂ…細胞破壊部、３Ａ，３Ｂ…測定部、３１…アノード、３２…カソード、３３…陽イオン交換膜、３４…検出部、４…容器、４１…試料入口、４２…試料出口、４３…ガス入口、４４…ガス出口、５…基板、６…サンプリング器、７…空気室、１０…生物処理槽、１００，１０１…生物処理システム、Ｓ１，Ｓ２…試料、Ｃ…微生物、Ｅ…酵素、Ｍ…細胞膜、Ａ１…基質、Ａ２…代謝物、Ｌ１，Ｌ２…流路、Ｌ３，Ｌ４…配管、Ｗ０…被処理液、Ｗ１…処理液、Ｖ…電源
1A, 1B, 1C, 1D, 1E... Measuring device, 2A, 2B... Cell destruction part, 3A, 3B... Measurement part, 31... Anode, 32... Cathode, 33... Cation exchange membrane, 34... Detection part, 4... Container 41 Sample inlet 42 Sample outlet 43 Gas inlet 44
Claims (6)
前記微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出す細胞破壊部と、
前記酸化還元物質により電極に流れる電流値を、電極に走査電位を印加せずに測定する測定部と、を備えたことを特徴とする測定装置。 A measuring device for measuring the activity of microorganisms in a liquid using electrochemical means,
a cell destruction unit that removes redox substances present in the cells of the microorganism to the outside of the cells;
A measuring device, comprising : a measuring unit that measures a current value flowing through the electrode due to the oxidation-reduction substance without applying a scanning potential to the electrode .
電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定装置と、を備えた生物処理システムであって、
前記測定装置は、
前記微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出す細胞破壊部と、
前記酸化還元物質により電極に流れる電流値を、電極に走査電位を印加せずに測定する測定部と、を具備することを特徴とする、生物処理システム。 a biological treatment tank for treating the liquid to be treated with microorganisms;
A biological treatment system comprising a measuring device that measures the activity of microorganisms in a liquid using electrochemical means,
The measuring device is
a cell destruction unit that removes redox substances present in the cells of the microorganism to the outside of the cells;
A biological treatment system, comprising: a measuring unit that measures a current value flowing through an electrode due to the oxidation-reduction substance without applying a scanning potential to the electrode .
前記微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出す細胞破壊工程と、
前記酸化還元物質により電極に流れる電流値を、電極に走査電位を印加せずに測定する測定工程と、を備えたことを特徴とする測定方法。 A measurement method for measuring the activity of microorganisms in a liquid using electrochemical means, comprising:
a cell destruction step of extracting redox substances present in the cells of the microorganism to the outside of the cells;
and a measuring step of measuring a current value flowing through the electrode due to the redox substance without applying a scanning potential to the electrode .
電気化学的手段を用いて液体中の微生物の活性を測定する測定工程と、を備えた生物処理方法であって、
前記測定工程は、
前記微生物の細胞内に存在する酸化還元物質を細胞外に取り出す細胞破壊工程と、
前記酸化還元物質により電極に流れる電流値を、電極に走査電位を印加せずに測定する測定工程と、を具備することを特徴とする、生物処理方法。 a biological treatment step of treating the liquid to be treated with microorganisms;
A biological treatment method comprising a measuring step of measuring the activity of microorganisms in a liquid using electrochemical means,
The measuring step includes
a cell destruction step of extracting redox substances present in the cells of the microorganism to the outside of the cells;
and a measuring step of measuring a current value flowing through the electrode due to the oxidation-reduction substance without applying a scanning potential to the electrode .
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