バイオオーグメンテーション

生物学的増強とは、汚染物質の分解速度を速めるために必要な古細菌または細菌培養物を追加することである。^[1]汚染地域に由来する生物はすでに廃棄物を分解できる可能性があるが、おそらく非効率的で遅い。

バイオオーグメンテーションはバイオレメディエーションの一種で、バイオ刺激が可能かどうかを判断するために、その場所に存在する土着の品種を研究する必要があります。その場所で見つかった土着の細菌を発見した後、その土着の細菌が汚染物質を代謝できる場合は、汚染物質の分解を促進するために、より多くの土着の細菌培養物をその場所に導入します。バイオオーグメンテーションは、汚染物質の分解を促進するためにより多くの古細菌または細菌培養物を導入することであり、バイオ刺激は、細菌の代謝を促進するために土着の細菌に栄養補助食品を追加することです。土着の品種が修復プロセスを実行するための代謝能力を持っていない場合は、そのような洗練された経路を持つ外因性の品種が導入されます。バイオオーグメンテーションの利用は、微生物生態学と生物学、固定化、およびバイオリアクター設計の分野で進歩をもたらします。^[2]

バイオオーグメンテーションは、都市下水処理において活性汚泥バイオリアクターを再起動するために一般的に使用されています。利用可能な培養物のほとんどには、必要な微生物（B. licheniformis、B. thuringiensis、P. polymyxa、B. stearothermophilus、Penicillium sp.、Aspergillus sp.、Flavobacterium、Arthrobacter、Pseudomonas、Streptomyces、Saccharomycesなど）がすべてすでに含まれている微生物培養物が含まれています。活性汚泥システムは、一般的に、生分解性有機物を分解できる細菌、原生動物、線虫、ワムシ、真菌などの微生物に基づいています。バイオオーグメンテーションの使用には、物質を分解するプロセスの効率と速度の向上、およびエリア内の有毒粒子の削減など、多くの肯定的な結果があります。^[3]

アプリケーション

土壌修復

バイオオーグメンテーションは、バイオレメディエーションを受けた汚染土壌では好ましいが、依然として環境リスクをもたらす。これは、もともと環境に存在していた微生物が、バイオレメディエーション中に汚染土壌中の化学物質を分解するという役割を果たさなかったためである。元の細菌の失敗は、環境ストレスや突然変異率による微生物群の変化によって引き起こされる可能性がある。微生物が追加されると、それらは潜在的に新しい汚染物質の性質により適しているが、一方で古い微生物は古い汚染や汚染に似ている。^[4]しかし、これは多くの要因の1つに過ぎず、敷地の規模も非常に重要な決定要因である。バイオオーグメンテーションを実施すべきかどうかを判断するには、全体的な状況を考慮する必要がある。また、一部の高度に特殊化した微生物は、特定の敷地の環境に適応することができない。特定の微生物タイプ（バイオレメディエーションに使用されるもの）の可用性も問題となる可能性がある。バイオオーグメンテーションは汚染された土壌に対する完璧な解決策のように見えるかもしれませんが、欠点もあります。たとえば、間違った種類のバクテリアを使用すると、帯水層が詰まる可能性があり、修復結果が不完全または不十分になる可能性があります。^[4]

塩素系溶剤のバイオオーグメンテーション

土壌や地下水がテトラクロロエチレンやトリクロロエチレンなどの塩素化エチレンで汚染されている場所では、バイオオーグメンテーションを使用して、その場の微生物がこれらの汚染物質を無毒のエチレンと塩化物に完全に分解できるようにします。バイオオーグメンテーションは通常、塩素化エチレンのバイオレメディエーションにのみ適用できますが、 BTEX、クロロエタン、クロロメタン、MTBEなどの他の化合物を生分解する可能性のある培養物が登場しています。塩素化エチレンに対するバイオオーグメンテーションの適用が最初に報告されたのは、テキサス州ケリー空軍基地でした。 ^[5]バイオオーグメンテーションは通常、電子供与体の添加（バイオ刺激）と組み合わせて行われ、バイオオーグメンテーション培養物中の脱塩素微生物の成長に有利な地下水の地球化学的条件を実現します。

ニッチフィットネス

より多くの微生物を環境に含めることは、浄化期間のスピードに有益です。2 つの化合物の相互作用と競合は、元の微生物または新しい微生物が持つ可能性のあるパフォーマンスに影響を与えます。これは、新しい微生物に有利な土壌をそのエリアに配置し、パフォーマンスを調べることでテストできます。結果は、新しい微生物が他の微生物とともにその土壌で十分に機能できるかどうかを示します。これは、パフォーマンスを最適化し、共代謝を作成するために必要な微生物と土着物質の正確な量を決定するのに役立ちます。^[4]

中国のコークス工場の廃水

バイオオーグメンテーションが環境を改善した例として、中国のコークス工場の廃水が挙げられます。中国では石炭が主なエネルギー源として使われており、汚染された水にはアンモニア、チオシアン酸塩、フェノールなどの有害な毒性汚染物質や、単環式および多環式の窒素含有芳香族化合物、酸素および硫黄含有複素環式化合物、多環芳香族炭化水素などのその他の有機化合物が含まれています。この問題に対処するためのこれまでの対策は、好気性-無酸素性-好気性システム、溶媒抽出、ストリームストリッピング、および生物学的処理でした。バイオオーグメンテーションは、3-クロロ安息香酸、4-メチル安息香酸、トルエン、フェノール、および塩素化溶媒を除去できることが報告されています。

嫌気性リアクターには、プラスチックリングと合成繊維の紐で作られた半軟質媒体が詰め込まれています。無酸素リアクターは完全に混合されたリアクターですが、好気性リアクターはポリウレタンフォームキャリアが追加されたハイブリッドバイオリアクターです。無酸素リアクター、酸素リアクター、沈殿タンクからの水が使用され、0.75濃度と28℃で、さまざまな量の古い微生物と発達した微生物が混ぜられていました。汚染物質の分解率は、微生物の濃度の量に依存しました。強化された微生物群集では、土着の微生物がピリジンやフェノール化合物などのコークス工場廃水中の汚染物質を分解しました。土着の従属栄養微生物が追加されると、多くの大きな分子化合物がより小さく単純な化合物に変換され、より生分解性の高い有機化合物から取り出すことができました。これは、従来の生物学的処理システムでは適切に除去されない不要な化合物を除去するためのツールとしてバイオオーグメンテーションを使用できることを証明しています。バイオオーグメンテーションをA1-A2-Oシステムと組み合わせると、コークス工場の廃水処理に非常に効果的です。^[6]

石油の浄化

石油業界では、油田掘削ピットの処分方法に大きな問題がある。以前は単にピットの上に土をかぶせていた人が多かったが、バイオオーグメンテーションを使用する方がはるかに生産的で経済的に有利である。先進的な微生物を使用することで、掘削会社は廃棄物を移動させるのではなく、油田ピット内の問題を実際に処理することができる。具体的には、多環芳香族炭化水素は一部のバクテリアによって代謝できるため、掘削活動による環境へのダメージが大幅に軽減される。^[7]適切な環境条件が整えば、炭化水素を分解するために微生物が油田ピットに配置され、他の栄養素も一緒に配置される。処理前の総石油炭化水素（TPH）レベルは44,880 ppmであったが、わずか47日間でTPHは10,000 ppmから6,486 ppmに低下した。^[8]

失敗と潜在的な解決策

バイオオーグメンテーションには、間違った生物の使用など、そのプロセスに欠陥があった例が数多くあります。^[9]バイオオーグメンテーションを環境に導入すると、捕食、在来細菌と接種細菌間の栄養競争、接種不足、大量接種による生態学的バランスの乱れなどの問題が生じる可能性があります。^[10]それぞれの問題は、これらの問題が発生する可能性を制限するために、さまざまな技術を使用して解決できます。捕食は、接種細菌の初期投与量を増やすか、接種前に熱処理を加えることで防ぐことができますが、栄養競争はバイオ刺激で解決できます。接種不足は、繰り返しまたは継続的に接種することで対処でき、大量接種は細菌の投与量を厳密に監視することで解決できます。

例としては、導入したバクテリアが土壌内の分解を促進できないこと^[11] や、バイオオーグメンテーションの試験が実験室規模では失敗するが、大規模では成功することなどが挙げられます^[12] 。これらの問題の多くは、バイオオーグメンテーションのパフォーマンスをマッピングするために微生物生態学の問題が考慮されなかったために発生しました。配置される微生物群集の条件に耐える微生物の能力を考慮することは非常に重要です。失敗したケースの多くでは、化合物を分解する微生物の能力のみが考慮され、既存の群集への適応性やその結果生じる競争ストレスはあまり考慮されていませんでした^[13]。汚染物質を分解するために必要な菌株を見る前に、既存の群集を特定する方がよいでしょう^{[14] 。}

参照

参考文献

^ Morganwalp, David W. 「科学者がアイダホ州ホットスプリングで地球外生命の類似物を発見」。toxics.usgs.gov 。 2021年4月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年9月11日閲覧。
^ Herrero, M; Stuckey, DC (2015). 「バイオオーグメンテーションと廃水処理への応用：レビュー」. Chemosphere . 140 : 119–128 . Bibcode :2015Chmsp.140..119H. doi :10.1016/j.chemosphere.2014.10.033. hdl : 10044/1/19478 . PMID 25454204 – Elsevier Science Direct経由。
^ Huban, CM [Betz-Dearborn Inc.、および RD [Sybron Chemicals Plowman、「バイオオーグメンテーション：微生物を活用する」。Chemical Engineering 104.3、(1997)、n. pag. 印刷。
^ abc Vogel, Timothy M. (1996). 「土壌バイオレメディエーションアプローチとしてのバイオオーグメンテーション」Current Opinion in Biotechnology 7 ( 3): 311– 316. doi :10.1016/s0958-1669(96)80036-x. PMID 8785436.
^ Major, DW, ML McMaster, EE Cox, EA Edwards, SM Dworatzek, ER Hendrickson, MG Starr, JA Payne、および LW Buonamici (2002)。「テトラクロロエチレンからエチレンへの脱塩素化を達成するためのバイオオーグメンテーションの成功の現場実証」。環境科学技術。36 (23): 5106– 5116。Bibcode :2002EnST...36.5106M。doi :10.1021/ es0255711。PMID 12523427 。{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
^ Jianlong Wang; et al. (2002). 「コークス工場廃水中の難分解性化合物の 除去を強化するツールとしてのバイオオーグメンテーション」。プロセス生化学。38 (5): 777– 781。doi : 10.1016 /S0032-9592(02)00227-3。
^ Fanelli, Alex (2016). 「バイオオーグメンテーション」。土壌バイオレメディエーション。 2017年12月26日閲覧。
^ Barber, TP、「油田掘削廃棄物の処理のためのバイオオーグメンテーション」、PennWell Conferences and Exhibitions、ヒューストン、テキサス州（米国）、1997年
^ Oerther DB、Danalewich J、Dulekgurgen E、Leveque E、Freedman D、Raskin L (1998)。「生物学的リン除去のためのシーケンシングバッチリアクターのバイオオーグメンテーション：比較rRNA配列分析およびオリゴヌクレオチドプローブとのハイブリダイゼーション」。水科学技術。37 （ 4〜5）：469〜473。doi ： 10.1016 / S0273-1223（98）00148-6。
^ Raper, E; Stephenson, T; Anderson, DR (2018). 「バイオオーグメンテーションによる産業廃水処理」。プロセス安全と環境保護。118 : 178–187。doi :10.1016/j.psep.2018.06.035。S2CID 102887808 – Elsevier Science Direct経由。
^ Goldstein RM、Mallory LM、Alexander M (1985)。「接種による生分解促進が不可能な理由」。Appl Environ Microbiol . 50 (4): 977– 83. Bibcode :1985ApEnM..50..977G. doi :10.1128/AEM.50.4.977-983.1985. PMC 291779. PMID 4083891 .
^ Stephenson D, Stephenson T (1992). 「生物学的廃水処理を強化するためのバイオオーグメンテーション」Biotechnol. Adv . 10 (4): 549– 59. doi :10.1016/0734-9750(92)91452-k. PMID 14543705.
^ Smith RC、Saikaly PE、 Zhang K、Thomas S 、 Oerther DB (2008)。「副流硝化によるバイオオーグメンテーションの生態学的エンジニアリング」。水科学技術。57 (12): 1927– 1933。doi : 10.1016/S0273-1223(98)00148-6。PMID 18587180。
^ Thompson Ian P.; et al. (2005). 「バイオレメディエーションのためのバイオオーグメンテーション：菌株選択の課題」.環境微生物学. 7 (7): 909– 915. doi : 10.1111/j.1462-2920.2005.00804.x . PMID 15946288.

[1] Morganwalp, David W. 「科学者がアイダホ州ホットスプリングで地球外生命の類似物を発見」。toxics.usgs.gov 。 2021年4月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年9月11日閲覧。

[2] Herrero, M; Stuckey, DC (2015). 「バイオオーグメンテーションと廃水処理への応用：レビュー」. Chemosphere . 140 : 119–128 . Bibcode :2015Chmsp.140..119H. doi :10.1016/j.chemosphere.2014.10.033. hdl : 10044/1/19478 . PMID 25454204 – Elsevier Science Direct経由。

[3] Huban, CM [Betz-Dearborn Inc.、および RD [Sybron Chemicals Plowman、「バイオオーグメンテーション：微生物を活用する」。Chemical Engineering 104.3、(1997)、n. pag. 印刷。

[vogel-4] Vogel, Timothy M. (1996). 「土壌バイオレメディエーションアプローチとしてのバイオオーグメンテーション」Current Opinion in Biotechnology 7 ( 3): 311– 316. doi :10.1016/s0958-1669(96)80036-x. PMID 8785436.

[5] Major, DW, ML McMaster, EE Cox, EA Edwards, SM Dworatzek, ER Hendrickson, MG Starr, JA Payne、および LW Buonamici (2002)。「テトラクロロエチレンからエチレンへの脱塩素化を達成するためのバイオオーグメンテーションの成功の現場実証」。環境科学技術。36 (23): 5106– 5116。Bibcode :2002EnST...36.5106M。doi :10.1021/ es0255711。PMID 12523427 。{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)

[6] ^ Jianlong Wang; et al. (2002). 「コークス工場廃水中の難分解性化合物の 除去を強化するツールとしてのバイオオーグメンテーション」。プロセス生化学。38 (5): 777– 781。doi : 10.1016 /S0032-9592(02)00227-3。

[7] Fanelli, Alex (2016). 「バイオオーグメンテーション」。土壌バイオレメディエーション。 2017年12月26日閲覧。

[8] Barber, TP、「油田掘削廃棄物の処理のためのバイオオーグメンテーション」、PennWell Conferences and Exhibitions、ヒューストン、テキサス州（米国）、1997年

[9] Oerther DB、Danalewich J、Dulekgurgen E、Leveque E、Freedman D、Raskin L (1998)。「生物学的リン除去のためのシーケンシングバッチリアクターのバイオオーグメンテーション：比較rRNA配列分析およびオリゴヌクレオチドプローブとのハイブリダイゼーション」。水科学技術。37 （ 4〜5）：469〜473。doi ： 10.1016 / S0273-1223（98）00148-6。

[10] ^ Raper, E; Stephenson, T; Anderson, DR (2018). 「バイオオーグメンテーションによる産業廃水処理」。プロセス安全と環境保護。118 : 178–187。doi :10.1016/j.psep.2018.06.035。S2CID 102887808 – Elsevier Science Direct経由。

[11] Goldstein RM、Mallory LM、Alexander M (1985)。「接種による生分解促進が不可能な理由」。Appl Environ Microbiol . 50 (4): 977– 83. Bibcode :1985ApEnM..50..977G. doi :10.1128/AEM.50.4.977-983.1985. PMC 291779. PMID 4083891 .

[12] Stephenson D, Stephenson T (1992). 「生物学的廃水処理を強化するためのバイオオーグメンテーション」Biotechnol. Adv . 10 (4): 549– 59. doi :10.1016/0734-9750(92)91452-k. PMID 14543705.

[13] ^ Smith RC、Saikaly PE、 Zhang K、Thomas S 、 Oerther DB (2008)。「副流硝化によるバイオオーグメンテーションの生態学的エンジニアリング」。水科学技術。57 (12): 1927– 1933。doi : 10.1016/S0273-1223(98)00148-6。PMID 18587180。

[14] Thompson Ian P.; et al. (2005). 「バイオレメディエーションのためのバイオオーグメンテーション：菌株選択の課題」.環境微生物学. 7 (7): 909– 915. doi : 10.1111/j.1462-2920.2005.00804.x . PMID 15946288.