バイオクロッギング

バイオクロッギングまたは生物学的目詰まりとは、活性細胞や細胞外高分子物質(EPS)などの副産物を含む微生物バイオマスによって 土壌の細孔空間が塞がれることを指します。微生物バイオマスは細孔空間を塞ぎ、土壌に不浸透層を形成し、水の浸透率を大幅に低下させます。

バイオクロッギングは、人工補給池、浸透溝、灌漑用水路、下水処理システム、人工湿地、埋立地ライナー、河床や土壌などの自然システムなど、さまざまな現場条件で、連続した貯水池浸透下で発生します。また、地中熱ヒートポンプ、透過性反応性バリア、微生物による石油増進回収などの帯水層の地下水の流れにも影響を及ぼします。バイオクロッギングは、水の浸透が妨げられる場合に重大な問題であり、システムの定期的な乾燥などの対策によりバイオクロッギングのレベルを下げることができます。ただし、バイオクロッギングは特定の条件では有益な目的にも役立ちます。たとえば、バイオクロッギングを利用して不浸透層を作り、浸透率を最小限に抑えたり、土壌の機械的特性を高めたりすることができます。

バイオクロッギングは浸透率の低下として観察されます。人工補給池の浸透と農業土壌への水の拡散を研究するために、1940年代に池に沈めた浸透下での浸透率の低下が観察されました。アリソンは^[1]、土壌が継続的に水没している場合、浸透性または飽和透水係数が3つの主要な段階で変化すると述べています。

1. 現場または実験室でのテストを開始すると、透水性は最小限に低下します。透水性が非常に高い土壌では、この初期の低下は小さいか、まったくありませんが、比較的不透水性の土壌では、土壌構造の物理的変化により、透水性は 10 ～ 20 日間低下する可能性があります。
2. 土壌に閉じ込められた空気が浸透水に溶解されるため、浸透性が高まります。
3. 土壌の骨材が分解され、微生物細胞とその合成産物、粘液、多糖類によって土壌の細孔が生物学的に詰まるため、透水性は 2 ～ 4 週間低下します。

この説明は当時行われた実験に基づいており、バイオクロッギングの実際のプロセスは、栄養素と電子受容体の利用可能性、微生物バイオフィルムの形成傾向、初期条件などのシステム条件によって異なります。特に、3 つの段階は、バイオクロッギングのすべての現場条件で必ずしも明確ではありません。第 2 段階が明確でない場合、透過性は低下し続けます。

経時的な透水性の変化は現場の状況に依存し、透水係数の変化にはさまざまな原因があり、^[2]物理的（浮遊物質、骨材構造の崩壊など）、化学的（粘土粒子の分散と膨潤）、生物学的原因（以下に挙げる）が含まれます。通常、バイオクロッギングは以下のうち最初のものを意味しますが、広義のバイオクロッギングは以下のすべてを意味します。

1. 微生物細胞体（細菌[3] [4] [5] [6]藻類[7]および真菌[8] [9]など）によるバイオクロッギングと、^{それらが合成し} た^細胞外高分子^物質（EPS）^[10]（スライムとも呼ばれる）などの副産物は、土壌粒子上にバイオフィルム^{[11] [12] [13]}または微小コロニー凝集体^[14]を形成し、透水係数を低下させる直接的な生物学的原因です。
2. メタン生成微生物によって生成されるメタン^[15]などのガス泡が土壌の細孔を塞ぎ、透水係数を低下させる一因となる。ガスも微生物の副産物であるため、バイオクロッギングとみなすこともできる。
3. 鉄細菌はオキシ水酸化鉄の沈着を促進し、土壌の細孔を詰まらせる可能性がある。^[16]これは透水係数の低下の間接的な生物学的原因である。

バイオクロッギングは主に飽和状態で観察されますが、不飽和状態でのバイオクロッギングも研究されています。^[17]

バイオ目詰まりは、さまざまな環境および人工水システムにおいて重大な問題です。ここでは、バイオ目詰まりに関連する具体的な現場の問題とその潜在的な対策について説明します。

1. バイオ目詰まりは、人工涵養池^[18]や浸透溝^[19]などの場所での連続的な池状浸透中によく発生します。浸透面でのバイオ目詰まりによる浸透速度の低下は、このようなシステムの効率を低下させます。バイオ目詰まりの影響を最小限に抑えるには、浮遊物質、栄養素、有機炭素を減らすための水の前処理が必要になる場合があります。定期的な乾燥と目詰まり層の物理的な除去は効果的な対策となり得ます。
2. 同様に、浄化槽の排水場は、主に栄養分を多く含んだ廃水が継続的に流れることにより、バイオ目詰まりを起こしやすい。^{[20] [21]}浄化槽内でバイオ目詰まりを引き起こす有機物は、バイオマットと呼ばれることもある。^[22]ろ過による水の前処理やシステムの負荷軽減により、バイオ目詰まりによるシステムの故障を遅らせることができる。緩速砂ろ過システムもバイオ目詰まりに悩まされている。^[23]上記の対策に加えて、砂の洗浄や逆洗を行ってバイオフィルムを除去し、砂の浸透性を回復させることもできる。
3. 河川システムでは、バイオクロッギングは帯水層の涵養に重大な影響を及ぼす可能性があり、特に流水河川が広がる乾燥地域では顕著である。^[24]バイオクロッギングの結果、河川システムにおける表層水と地下水の接続が影響を受ける。バイオフィルムによって引き起こされる目詰まり層の発達は、河川と帯水層の間の自然な水の流れのパターンを変える切断につながる可能性がある。^[25]
4. 帯水層では、特に地下水面下の井戸から水を汲み上げる場合に、バイオクロッギングも懸念事項です。 ^[26]井戸を何ヶ月も何年も使い続けると、バイオクロッギングやその他の目詰まりメカニズムにより、徐々に性能が低下することがあります。^{[27]バイオクロッギングは、}地中熱ヒートポンプの持続的な運用にも影響を与える可能性があります。^[28]バイオクロッギングを治療するための一般的なアプローチには、鉄細菌バイオフィルムにとって重要な栄養素であるリン酸を使用することと、細菌の問題に対処するために塩素と殺菌剤を使用することが含まれます。逆洗は、バイオクロッギングを含む一般的な目詰まりに対処するための一般的な方法です。^[28]

特定の環境では、バイオクロッギングは水文学的プロセスに良い影響を与えます。以下にいくつか例を挙げます。

1. バイオクロッギングは酪農場の廃水処理のための安定化池の底を密閉するのに重要な役割を果たします。^[29]同様に、浸透制御用の灌漑用水路に藻類やバクテリアを接種してバイオクロッギングを促進し、水分損失を減らすことができます。^[30]
2. 圧縮粘土ライナーなどの埋立地ライナーに目を向けると、バイオクロッギングは有益な要因として浮上します。粘土ライナーは通常、埋立地浸出液による周囲の土壌環境への汚染を最小限に抑えるために埋立地で使用されます。粘土ライナーの透水係数は、浸出液中の微生物と粘土の空隙空間によって引き起こされるバイオクロッギングのために、元の値よりも低くなります。^{[31] [32]}
3. バイオクロッギングは、さまざまな汚染された水を処理するために設計された人工湿地^[33]でよく発生します。特に、地下の水平流がある湿地では、詰まり部分を避ける優先流路により、システムの処理効率を向上させることができます。^[34]
4. バイオフィルムの形成はバイオレメディエーションにおいて重要な役割を果たしており、^[35]特に生分解性地下水汚染の処理において重要な役割を果たしている。浸透性反応性バリア^[36]は、バイオクロッギングによって地下水の流れを抑制し、微生物による汚染を分解するために形成される。^[37]バリア内の優先流路は修復の効率を低下させる可能性があるため、汚染物質の流れは慎重に分析する必要がある。^[38]
5. 石油の抽出では、油田からの石油抽出を最大化するために、増進石油回収技術が適用されます。注入された水は貯留層内の石油を押しのけ、回収井に運ばれます。貯留層の浸透性は均一ではないため、注入された水は高浸透性ゾーンを通過する傾向があり、石油が残っているゾーンを通過しません。このような状況では、細菌プロファイル修正技術^{[39]を採用することができます。この技術は、高浸透性ゾーンに細菌を注入してバイオクロッギングを促進します。これは}、微生物による増進石油回収の一種です。
6. 土質工学におけるバイオクロッギングの可能性^[40]は、特に土壌の機械的性質を改善するために研究されています。これには、多孔性と透水係数を低減し、バイオセメント化によってせん断強度を高めるなどの戦略が含まれ、それによって土壌を建設および環境用途に最適化します。^[41]

• バイオフィルム
• 透水性
• 埋立地ライナー
• 微生物による石油回収
• 浄化槽
• 低速砂ろ過装置

この記事は、2023年に外部学術査読のためにWikiJournal of Scienceに提出されました（査読者レポート）。更新されたコンテンツは、CC-BY-SA-3.0ライセンス（ 2024年）の下でWikipediaページに再統合されました。査読済みの記録バージョンは次のとおりです： Katsutoshi Seki; et al. (14 February 2024). "Bioclogging" (PDF) . WikiJournal of Science . 7 (1): 1. doi : 10.15347/WJS/2024.002 . ISSN  2470-6345. Wikidata  Q116782181.