JP2005161104A - 有害物質吸着体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体中に溶解したダイオキシン類等の有害物質を効率良くかつ低費用で除去し得る有害物質吸着体を提供する。
【解決手段】ポリアクリルアミドヒドロゲルに二本鎖ＤＮＡを固定してなることを特徴とする有害物質吸着体。有害物質吸着体は成形体またはビーズ状であることができ、有害物質は特にダイオキシン類である。有害物質吸着体は、二本鎖ＤＮＡと、アクリルアミドと、メチレンビスアクリルアミドとを混合し、そして重合することにより製造でき、特に、二本鎖ＤＮＡ、アクリルアミド、メチレンビスアクリルアミドおよび水を含んでなる水相と、シクロヘキサンを含んでなる油相を懸濁しつつ、重合開始剤を添加することからなる逆懸濁重合が好ましい。また有害物質吸着体を充填して有害物質吸着カラムとすることもできる。
【選択図】無し

Description

本発明は、廃水の処理に用いる吸着体およびその製造方法に関する。より特には、水や牛乳、母乳等の液体中から有害物質、特にダイオキシン類を効率良く濃縮および／または除去できる二本鎖ＤＮＡが固定された有害物質吸着体、およびその製造方法に関する。

ポリ塩化ジベンゾ−ｐ−ダイオキシン（ＰＣＤＤ）、ポリ塩化ジベンゾフラン（ＰＣＤＦ）およびコプラナーポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）は、それらの類似した構造、化学特性、および生態系中での作用機構のために、しばしば“ダイオキシン類”として一緒に扱われ、食物連鎖を通して取り込まれて多くの生物中に蓄積される有害物質である。これらのダイオキシン類は極微量でも人体に悪影響を及ぼす惧れがあるため、ダイオキシン類の発生抑制と汚染された環境からのダイオキシン類の除去は重要な課題である。特に、川や湖沼等の水中に存在するダイオキシン類は、不溶性微粒子表面に付着しているものと、水に溶解しているものとがあり、前者は微粒子と共に凝集して除去することができるが、後者の除去は非常に困難であった。

ところで、魚類の白子はＤＮＡおよびタンパク質を多量に含んでおり、非常に栄養価の高い食材であることが知られている。しかしながら魚類の白子はごく一部が鮮食用として利用されているのみで、加工の困難さ、短い保存可能期間等の理由からその利用分野は限られており、大部分は廃棄処分されていた。特に、北海道で大量に水揚げされる鮭の白子は年間１万トン以上が飼料や肥料に使われるか廃棄処分されている。

ダイオキシン類を除去する手段としては、被処理液を活性炭が流動している膜分離装置内に投入し、該活性炭に水中に溶解したダイオキシン類を吸着させ、活性炭や浮遊物質などの固形分を膜分離によって除去してダイオキシン類を除去することが挙げられる。該手段では、溶解性のダイオキシン類を活性炭に吸着させ、その活性炭と固形分に吸着されているダイオキシンを膜によって濾過することにより、ダイオキシン類を除去することができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２３９３４７

本発明は、水や牛乳、母乳等の液体中に溶解したダイオキシン類等の有害物質を、効率良くかつ低費用で除去し得る有害物質吸着体の提供を目的とする。

本発明者等は、鋭意研究を行った結果、二本鎖ＤＮＡと、アクリルアミドと、メチレンビスアクリルアミドとを混合し重合させる単純な操作により、直線状のＤＮＡと、アクリルアミドおよびメチレンビスアクリルアミドが重合して形成されるポリマーネットワークとが、所謂ｓｅｍｉ−ＩＰＮ（semi-interpenetrating polymer network）をなし、それによりＤＮＡをポリアクリルアミドヒドロゲルに安定かつ優れた有害物質の吸着能を奏する状態で固定し得ることを見出した。そして係るＤＮＡ固定ポリアクリルアミドヒドロゲルを有害物質の吸着体として使用すると、二本鎖ＤＮＡの塩基対の間に平面構造を有する芳香族化合物が入り込む、所謂インターカレーションが生じて、水や牛乳、母乳等の液体中に溶解した有害物質、特にダイオキシン類を効率良く濃縮および／または除去することができることを確認して本発明を完成させた。

また前記のＤＮＡを固定したポリアクリルアミドヒドロゲルからなる有害物質吸着体は、ダイオキシン類等の有害物質の吸着後、有機溶媒により容易に有害物質を脱着できることも見出した。

従って本発明は、ポリアクリルアミドヒドロヒドロゲルに二本鎖ＤＮＡを固定してなることを特徴とする有害物質吸着体に関する。

また本発明は、二本鎖ＤＮＡと、アクリルアミドと、メチレンビスアクリルアミドとを混合し、そして重合することを特徴とする有害物質吸着体の製造方法にも関する。

さらに本発明は、ポリアクリルアミドヒドロゲルに二本鎖ＤＮＡを固定してなる有害物質吸着体を充填したことを特徴とする有害物質吸着カラムに関する。

本発明の有害物質吸着体は、有害物質を含有する溶液と接触させることにより、有害物質をポリアクリルアミドヒドロゲル中に浸透させＤＮＡにインターカレーションさせて除去することができる。特に、本発明の有害物質吸着体では、吸着にＤＮＡ中へのインターカレーションを利用するため、平面構造を有するダイオキシン類を効率良く濃縮分離することができる。さらに本発明の有害物質吸着体は、ＤＮＡにインターカレーションした有害物質を、有機溶媒で抽出してＤＮＡから脱着することができ、有害物質吸着体を再生させて再利用することが可能である。

また、本発明の有害物質吸着体の製造方法では、二本鎖ＤＮＡと、アクリルアミドと、メチレンビスアクリルアミドとからなる混合物を重合することにより、粒状、粉状または異形の成形体である有害物質吸着体を容易かつ効率的に製造することができる。また、逆懸濁系を用いて該重合を行うことにより、得られる粒状または粉状の有害物質吸着体の寸法を様々に変化させて製造を行うことができる。

本発明の有害物質吸着体は、ポリアクリルアミドヒドロゲルに二重螺旋構造を有するＤＮＡを固定してなることを特徴とする。

本発明で用いる二重螺旋構造を有するＤＮＡは、右巻き螺旋型を有する二本のポリヌクレオチド鎖からなる。二本のポリヌクレオチド鎖の糖−リン酸骨格では、構造的相補性を有する平面的な塩基同士が螺旋の軸に対して垂直にらせんの中央部に向かって突出し合い水素結合で結合している。ＤＮＡの二本鎖の塩基対と塩基対の間には、Ｂ型構造の場合、幅約１．１ｎｍ、高さ約０．３４ｎｍの隙間があり、平面構造を有する小分子はこの隙間に入り込むことが可能であって、これをインターカレーションと呼ぶ。この現象は小分子の電荷や疎水性により促進される場合がある。ダイオキシン類は複数のベンゼン環からなる平面構造を有し、疎水性を示すことから、ＤＮＡへのインターカレーションは水中からダイオキシンを除去するし得る有効な手段である。

前記ＤＮＡとしては例えば、魚類の白子を原料としたものを使用することができる。魚類の白子の核はＤＮＡを多く含み、また従来は廃棄されていた材料であることから、ＤＮＡの安価な大量生産のための原料として適している。該魚類としては例えば鮭、鰊、鱒、鱈等を挙げることができ、これらの白子から皮、筋、血管等を除去した後、油分を除き精製することによってＤＮＡを得ることができる。

本発明の有害物質吸着体は様々な形状を有することができる。例えば、円柱状、角柱状、板状、円形状の形状とした成形体であることができ、また略球形のビーズ状であること
もできる。

本発明の有害物質吸着体で処理可能な有害物質は多岐にわたるが、ＤＮＡへのインターカレーションを利用することから、平面的な立体構造を有する有機化合物、例えば芳香族環を有する化合物を好ましく処理することができる。特にジベンゾ−ｐ−ダイオキシン（ＤＤ）、ジベンゾフラン（ＤＦ）、ビフェニル（ＢＰ）、ポリ塩化ジベンゾ−ｐ−ダイオキシン（ＰＣＤＤ）、ポリ塩化ジベンゾフラン（ＰＣＤＦ）、コプラナーポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）等のダイオキシン類の処理に本発明の有害物質吸着体は有効である。

本発明の有害物質吸着体は、二本鎖ＤＮＡと、アクリルアミドと、メチレンビスアクリルアミドとを混合し、重合開始剤の添加によって、メチレンビスアクリルアミドを架橋剤としてポリアクリルアミドヒドロゲルを形成することによって製造することができる。ここでポリアクリルアミドヒドロゲルの形成時に、二本鎖ＤＮＡは、安定かつ有害物質を効率的に吸着し得る状態でポリアクリルアミドヒドロゲルに固定される。

前記重合として特に有利なものは逆懸濁重合である。逆懸濁重合は例えば、二重螺旋ＤＮＡ、過硫酸アンモニウム、アクリルアミド、メチレンビスアクリルアミドおよび水を含んでなる水相と、シクロヘキサンおよび界面活性剤を含んでなる油相を激しく攪拌することによって逆懸濁状態を形成し、ここに開始剤を添加することによって行うことができる。この重合方法で得られる有害物質吸着体はビーズ状となり、ビーズの寸法は重合条件を変化させることにより適宜調節可能である。

また、本発明の有害物質吸着体を適当な容器に充填することにより、有害物質吸着カラムとすることができる。カラムの形状、材質、寸法、カラムへの有害物質吸着体の充填量等は従来技術に既知のものから適宜選択することができる。

本発明の有害物質吸着体による被処理水からの有害物質の除去は、有害物質吸着体と非処理液とを接触することにより行われる。例えば、非処理液を接触槽に収容し、そして該収容槽に前記吸着体が投入することによりバッチ式で行うことができ、また有害物質吸着体を充填した接触槽中に非処理液を循環させることにより連続式で行うことができる。

本発明の有害物質吸着体を用い、被処理水からの有害物質の除去を連続式で行うための装置の一例を図１に図示する。図１に図示する態様の有害物質除去装置は、有害物質吸着体２を充填した接触槽１と、接触槽１に接続された被処理液循環手段３とを含んでなる。

上記構成の有害物質除去装置を用いた有害物質の除去では、接触槽１に有害物質吸着体２を充填し、被処理液を被処理液循環手段３により接触槽１に循環させる。すると、被処理液中に含まれるダイオキシン類等の有害物質が有害物質吸着体２に固定されたＤＮＡにインターカレーションし、その結果、被処理液中から有害物質が除去される。

こうして有害物質を吸着した有害物質吸着体２は、接触槽１から取り除き、そして焼却等の既知の方法により最終的に処理することができる。また、有害物質吸着体２の有害物質の吸着能が低下した場合に被処理液の循環を停止し、そして接触槽１に有機溶媒を循環させことにより、有害物質吸着体２から有害物質を脱着して有機溶媒へと移動させることもできる。有害物質が脱着された有害物質吸着体２は再生され、当初の有害物質吸着能を奏することができる。

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１：円柱状有害物質吸着体の製造
１．５ｍＬマイクロチューブを成形型として使用して、ＤＮＡを含有する円柱状のポリアクリルアミドヒドロゲルを製造した。
二本鎖ＤＮＡ（鮭白子から製造、平均分子量：約６．６×１０⁶、１０ｋｂｐ、日本化学飼料株式会社より購入）、アクリルアミド、およびメチレンビスアクリルアミドを様々に変化させた量で混合し、混合物を成形型に充填した。該混合物に過硫酸アンモニウム１０μＬ（１０ｗ／ｖ％）を添加し、混合物を２分間振盪攪拌した。
次いで、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン２μＬの添加により、２５℃で４時間重合させた。最後に、得られた円柱状のヒドロゲルを成形型から除去し、そして蒸留水１０ｍＬで洗浄して、本発明の有害物質吸着体を得た。

実施例２：ビーズ状有害物質吸着体の製造
ＤＮＡを含有するポリアクリルアミドヒドロゲルビーズを逆懸濁重合により製造した。
水相として、所望量の二本鎖ＤＮＡ（鮭白子から製造、平均分子量：約６．６×１０⁶、１０ｋｂｐ、日本化学飼料株式会社より購入）、過硫酸アンモニウム０．１ｇ、アクリルアミド９．０ｇ、およびメチレンビスアクリルアミド１．０ｇを含有する水溶液５０ｍＬを調製し、また油相として、シクロヘキサン５０ｍＬおよび界面活性剤であるソルビタンモノステアレート５ｍｇを含有する混合物を製造した。
こうして得た水相を、１００ｍＬエレンマイヤーフラスコ中で油相中に分散させ、直径１５ｍｍおよび長さ１４０ｍｍの寸法の磁気攪拌器を約８００ｒｐｍの速度で回転させて激しく攪拌し逆懸濁を形成した。その後、系を窒素でパージし、０℃に５分間冷却した。
次いで、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラメチルエチレンジアミン２００μＬの添加により、室温で４時間重合させた。形成したヒドロゲルビーズを濾過により分離し、そしてシクロヘキサン２０ｍＬおよび蒸留水１００ｍＬで洗浄して、本発明の有害物質吸着体を得た。
以下の表１に、製造条件およびＤＮＡの残存率を示す。

¹：各場合において、アクリルアミド２．５Ｍおよびメチレンビスアクリルアミド０．１３を使用した。
²：前記量のアクリルアミドおよびメチレンビスアクリルアミドのみを含む溶液の粘度は１．３４±０．０３ｃＰであった。
表１から明らかなように、水相中のＤＮＡ濃度は得られる有害物質吸着体の直径に影響を及ぼし、ＤＮＡ濃度の上昇につれて有害物質吸着体の直径は増加した。これはＤＮＡ濃度の上昇が水相の粘度の増加を引き起こすためであると考えられる。
得られた有害物質吸着体の顕微鏡写真を図２に図示する。図２（Ａ）は３．８ｍＭのＤＮＡ濃度で製造した有害物質吸着体であり、図２（Ｂ）は７．６ｍＭのＤＮＡ濃度で製造した有害物質吸着体であり、また図２（Ｃ）は１５．２ｍＭのＤＮＡ濃度で製造した有害物質吸着体である。各顕微鏡写真において、白色の棒体は２．０ｍｍを表す。

試験例１：有害物質吸着体中のＤＮＡ残存量の測定
有害物質吸着体中のＤＮＡの安定性を評価するために、実施例１で製造した円柱状有害物質吸着体について、水性環境下で定温放置した後に有害物質吸着体中のＤＮＡ残存率を
測定した。ここで実施例１で製造した有害物質吸着体を用いた理由は、有害物質吸着体の形状および寸法を均一にするためである。
有害物質吸着体１．０ｍＬを、蒸留水２０ｍＬ中で６日間、毎日水を交換しながら定温静置した。その後、試料を水中から取り出し、濃硫酸（９８％）１．０ｍＬ、過酸化水素溶液（３０ｖ／ｖ％）４．０ｍＬ、およびＣｕＳＯ₄水溶液（５ｗ／ｖ％）約４滴を含む３０ｍＬケルダールフラスコ中で蒸解した。間欠的に数滴の過酸化水素溶液を添加しつつ、混合物を透明な溶液が得られるまで加熱した。得られた溶液を蒸留し、そしてホスホモリブドナバナデート法によりＰ元素分析を行い、ＤＮＡ残存率を決定した。
結果を図３に図示する。図３（Ａ）は、ＤＮＡ濃度３．８ｍＭおよびアクリルアミドとメチレンビスアクリルアミドとのモル比１：１９．５で、アクリルアミド濃度を変化させた場合を図示し、図３（Ｂ）は、ＤＮＡ濃度３．８ｍＭおよびアクリルアミド濃度２．５（白丸）または１．３（黒丸）で、アクリルアミドとメチレンビスアクリルアミドとのモル比を変化させた場合を図示し、そして図３（Ｃ）は、アクリルアミドとメチレンビスアクリルアミドとのモル比１：１９．５およびアクリルアミド濃度２．５で、ＤＮＡ濃度を変化させた場合を図示する。
図３（Ａ）に図示されるように、アクリルアミド濃度はＤＮＡ残存率と強い相関を有していた。有害物質吸着体中のＤＮＡ残存率は、アクリルアミド濃度が０．５Ｍである場合と１．０Ｍである場合との間で顕著な差異を示した。一方、アクリルアミド濃度が１．０より大きいものでは、ＤＮＡは有害物質吸着体中でより安定に存在していた。
また図３（Ｂ）に図示される例では、モル比が５．１／１００であるとき（重量比率で１：９）、有害物質吸着体は白色となり、一方、２．４／２００であるときには透明となった。この現象は、モル比が５．１／１００より高い場合に有害物質吸着体の構造が不均一になっていることを示唆した。不均一な構造はＤＮＡを不安定にし、これはモル比が１１．５／１００の場合に特に顕著であった。
図３（Ｃ）に示される結果によれば、ＤＮＡ残存率は、重合に用いるＤＮＡ濃度の増加と共に低下した。

試験例２：有害物質吸着体からのＤＮＡの溶離
実施例１で製造した有害物質吸着体を、試験例１と同じ条件で定温静置し、有害物質吸着体から溶離するＤＮＡの量を測定した。
溶離液中のＤＮＡ濃度は、残留するアクリルアミドモノマーの影響を排除するために、ＣＤスペクトルを使用して評価した。
結果は、ＤＮＡの溶離は静置３日後に最大に達し、そして静置６日後に溶離が検出されなくなることを示した。
さらに、ＤＮＡ着色剤として既知である臭化エチジウムを使用して、有害物質吸着剤中の二重螺旋ＤＮＡを検出した。
その結果、本発明の有害物質吸着剤は赤く着色され、このことからも有害物質吸着剤に二重螺旋ＤＮＡが固定されていることが解った。

試験例３：有害物質吸着体によるダイオキシンの吸着
ジベンゾ−ｐ−ダイオキシン（ＤＤ）、ジベンゾフラン（ＤＦ）およびビフェニル（ＢＰ）のエタノール溶液（１ｍｇ／ｍＬ）１０μＬを蒸留水１０ｍＬと混合した。次いで、実施例１で製造した有害物質吸着体（アクリルアミド：メチレンビスアクリルアミド＝９：１（重量）、ＤＮＡ２．５ｇ含有）１．０ｍＬまたは純ポリアクリルアミドヒドロゲル（アクリルアミド：メチレンビスアクリルアミド＝９：１（重量）、ＤＮ未含有）１．０ｍＬを、蒸留水中で６日間定温静置した後にダイオキシン類を含む溶液と混合した。これらを振盪混合しながら２４時間定温静置し、その後、溶液から有害物質吸着体および純ポリアクリルアミドヒドロゲルを除去した。それらをヘキサン５ｍＬ中に１２時間浸漬してダイオキシン類を抽出し、そしてヘキサン中のＤＤ、ＤＦおよびＢＰをそれらの紫外線吸収を利用して分光計により測定した。
結果を図４に図示する。図４では、有害物質吸着体についての結果を黒色の棒グラフで、純ポリアクリルアミドヒドロゲルについての結果を白色の棒グラフで図示する。
図４から明らかなように、ＤＤ、ＤＦおよびＢＰについて、本発明の有害物質吸着体はＤＮＡを固定していないポリアクリルアミドヒドロゲルと比較して遥かに大きい吸着能を示した。これは、有害物質吸着体に固定された二重螺旋ＤＮＡへダイオキシン類がインターカレーションしたことを示している。

試験例４：有害物質吸着体の再生
有害物質吸着体１０ｍＬをガラスカラム（φ１６×２００ｍｍ）に充填し、ＤＤ、ＤＦおよびＢＰを５０μｇ含む溶液（水：エタノール９９．５：０．５）１００ｍＬをカラムに５ｍＬ／分の流速で流した。そして、カラムから流出した溶液についてＨＰＬＣによる分析を行い、ダイオキシン類の除去率を決定した。
次いで、ヘキサン５０ｍＬおよび混合溶液（水：エタノール９９．５：０．５）１００ｍＬを２ｍＬ／分の流速でカラムに流し、有害物質吸着体の再生処理を行った。
前記のダイオキシン類の吸着および有害物質吸着体の再生を５回繰り返した。
結果を図５に図示する。図５では、ＤＤについての結果を黒色の棒グラフで、ＤＦについての結果を斜線を引いた棒グラフで、またＢＰについての結果を白色の棒グラフで図示する。
図５から明らかなように、有害物質吸着体は４回の再生処理を行っても、ダイオキシン類の除去率は約９０％と高く維持されていた。これは、ヘキサンを用いた有害物質吸着体からのダイオキシンの抽出は、有害物質吸着体に固定された二重螺旋ＤＮＡに損傷を与えないことを示す。

図１は、本発明の有害物質吸着体を使用する装置の態様を図示する模式図である。 図２は、本発明の有害物質吸着体の顕微鏡写真である。 図３は、試験例１の結果を図示するグラフである。 図４は、試験例３の結果を図示するグラフである。 図５は、試験例４の結果を図示するグラフである。

符号の説明

１ 接触槽
２ 有害物質吸着体
３ 被処理液循環手段

Claims (7)

1. ポリアクリルアミドヒドロゲルに二本鎖ＤＮＡを固定してなることを特徴とする有害物質吸着体。
2. 前記有害物質吸着体は、粒状、粉状または異形の成形体であることを特徴とする、請求項１記載の有害物質吸着体。
3. 前記有害物質はダイオキシン類であることを特徴とする、請求項１ないし３のうちの何れか一項に記載の有害物質吸着体。
4. 二本鎖ＤＮＡと、アクリルアミドと、メチレンビスアクリルアミドとを混合し、そして重合することを特徴とする有害物質吸着体の製造方法。
5. 前記重合は逆懸濁重合で行い、前記逆懸濁重合は、二本鎖ＤＮＡ、アクリルアミド、メチレンビスアクリルアミドおよび水を含んでなる水相が、シクロヘキサンを含んでなる油相に分散する系から逆懸濁させ、その逆懸濁系に重合開始剤を添加することによって行うことを特徴とする、請求項４記載の有害物質吸着体。
6. ポリアクリルアミドヒドロゲルに二本鎖ＤＮＡを固定してなる有害物質吸着体を充填したことを特徴とする有害物質吸着カラム。
7. 前記有害物質はダイオキシン類であることを特徴とする、請求項６記載の有害物質吸着カラム。

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