好気性脱窒技術

脱窒のメカニズムは次のとおりです。最初の理論では、溶存酸素の電子獲得能力が硝酸塩または亜硝酸塩への電子移動を妨げ、その結果、脱窒が阻害されると考えられています。{0}しかし、最近の研究では、細菌の脱窒酵素系と好気呼吸系が共存していることが示されています。硝酸態窒素が減少すると、溶存酸素も減少します。酸素は、脱窒酵素の活性や生成を阻害する直接的な要因ではありません。硝酸態窒素または溶存酸素が不足すると、細菌の増殖と脱窒率が低下します。

01 好気性脱窒の原理

1980 年代に、ロバートソンら。は、好気性脱窒細菌と好気性脱窒酵素系の存在を報告し、*Thiosphaera pantotropha* (現在は *Paracoccus denitrification* に改名) の存在を確認しました。成長中、O2 と NO3 が単独で存在する場合よりも、O2 と NO3 が共存する方が成長速度が高くなります。ますます多くの研究が細菌における好気的脱窒の存在を証明し、好気的条件下で高い脱窒率を示すいくつかの細菌を特定した。

①好気性脱窒菌の呼吸経路

好気性脱窒細菌の仮説上の呼吸経路では、硝酸態窒素と酸素の両方が最終的な電子受容体として機能します。電子は、還元された有機物基質から酸素に移動し、さらに硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、および亜酸化窒素に移動し、それらをそれに応じて還元することができます。

②脱窒プロセスと触媒酵素

好気性脱窒細菌の脱窒プロセスには 4 つの還元ステップが含まれます。それぞれ、硝酸レダクターゼ、亜硝酸レダクターゼ、一酸化窒素レダクターゼ、亜酸化窒素レダクターゼによって触媒されます。

硝酸レダクターゼ: 硝酸塩を亜硝酸塩に還元します。

亜硝酸レダクターゼ: 好気性脱窒細菌には主に 2 種類の亜硝酸レダクターゼがあり、1 つはシトクロム (Cd)、もう 1 つは可溶性銅-含有酵素です。亜硝酸塩を一酸化窒素 (NO) に還元します。

一酸化窒素レダクターゼ: 一酸化窒素を亜酸化窒素に還元します。

一酸化窒素レダクターゼ: 好気性脱窒細菌の亜酸化窒素レダクターゼは、ペリプラズムに存在する銅含有タンパク質です。-酸素を含む条件下では、パラコッカス脱窒細胞の亜酸化窒素還元酵素が活性化し、NO と NO2 ガスの両方を同時に N2 に還元することができます。

③好気性脱窒菌の種類と発生源

好気性脱窒菌は主に、*シュードモナス*、*アルカリゲネス*、*パラコッカス*、*バチルス*などの属に見られます。これらは、有機炭素をエネルギー源として使用する、好気性または通性好気性の従属栄養性脱窒細菌の一種です。

02 嫌気脱窒や他の窒素除去法との違い

① 製品の差異を反映する原則

一般に、好気性脱窒の主生成物は N2O ですが、嫌気性脱窒では主に N2 と少量の N2O および NO が生成されます。これは、好気条件下と嫌気条件下での脱窒酵素系の活性と電子伝達経路の潜在的な違いを反映しており、最終生成物が異なります。

②硝化・脱窒同時の原理

好気性脱窒菌は、好気条件下で脱窒を行うことができ、硝化と同時に脱窒を行うことができます。これは、硝化には好気性プロセスが必要であり、脱窒には嫌気性プロセスが必要であるという従来の概念を打ち破ります。これは、好気性脱窒菌が独自の酵素系と代謝経路を有しており、好気性環境下で効果的に脱窒反応を行うことができるためと考えられます。

③アンモニア性窒素の直接変換原理

好気性脱窒細菌は、好気条件下でアンモニア態窒素を直接ガス状生成物に変換することができます。これは、それらが、最初に硝化を受け、次に脱窒を受けるという複雑なプロセスを回避し、好気性環境でアンモニア態窒素の一連の変換を完了できる独自の代謝機構を備えていることを示しています。

④ 電子受容体と酸素消費原理

好気性脱窒細菌の脱窒プロセスでは、硝酸性窒素と酸素の両方が最終的な電子受容体として機能します。硝酸態窒素を除去する際には酸素も消費されます。これは、彼らの呼吸電子伝達系が、環境中の硝酸態窒素と酸素の存在に基づいて電子をさまざまなアクセプターに柔軟に移動させ、窒素除去と酸素消費を達成できることを示しています。