汚水処理による必須栄養素の生産 -必須栄養素と生物生産性-
汚水処理、排水処理施設から出る汚泥や処理水を利用してプランクトンなど、生態系の底辺の生物を生産し、自然生態系を活性化させる、というのがプランクトンプラントの目的ですが、この生物生産性を決める要素の一つが必須栄養素になります。
必須栄養素とは、ある生物自身が自ら合成できない生体構成物質のことを指します。これには無機元素、必須アミノ酸、必須脂肪酸、ビタミン類などがあります。
これらの種類は、生物種によって異なります。例えばアミノ酸は約20種類ありますが、細菌、植物などでは全てが合成可能ですが、人間では9種類が合成できなくて必須アミノ酸となっています。
必須栄養素は、生物の増殖量や成長量などの生産性を決める律速因子となり得ます。
必須栄養素の必要量が確保されている場合は、生物生産性へ与える影響はありませんが、もし不足している場合は、最も足りない成分が、その生物の生産性を決定付けます。
例えば、下水処理水による藻類の生産を考えた場合、窒素リン酸カリの無機元素類は十分に含まれていますが、そのバランスは生体構成比率と全く同じではありません。嫌気好気法による硝化促進運転では、窒素成分が脱窒のため減少し、硝化抑制運転ではリンが汚泥中に取り込まれて減少します。この場合、生体構成比より最も減少した成分が、藻類の生産性を決定します。よって、硝化促進運転の場合は窒素成分が、硝化抑制運転の場合はリン成分が決定因子となります。
このように最も不足する必須栄養素が、ある生物の全体量を決定するため、培養実験では、重要な支配因子として認識されています。
さて、ここで必須栄養素の添加量の効果について考えてみます。
最も不足する成分を、培養系に加えると生物生産量が増えることになります。このとき、生体構成量が多い成分ほど、多く添加しなければなりません。逆に、生体構成量が少ない成分ほど、少ない添加量で済みます。
この効果は、培養実験では劇的な差として実感できます。必須栄養素の生体構成量には、大きな差があり、千倍、一万倍ほどもあります。実験では、ある成分では1000mg加えた場合と同じ生産量を、別のある成分ではある成分では1/1000の1mg加えることで同じ効果が出せる場合があります。このとき体感的にはほんのちょっと加えただけで目的生物が湧くように見えますので、凄い魔法の成分のように感じることになります。
つまり、必須栄養素は、微量な成分ほど少量の添加で大きな効果を出すことができる、ということです。
先の藻の例では、窒素とリンの生体構成比はおおよそ、1/10と1/100ですから、例えば窒素100mg加えて1000mg（=1g）の藻体を得ることができるのに対し、リンの場合は同じ100mgで10000mg（=10ｇ）と10倍の量を得ることができます。
汚水処理による生物生産を考える場合、この必須栄養素の収支の考え方に行きつくことになります。
藻類培養の原料である肥料成分も、必須栄養素の無機元素の一種になります。
生物生産には、必須栄養素の生産が必要になるため、汚水処理による必須栄養素の生産という観点からプランクトンプラントを考えてみます。
必須栄養素
① 無機元素 C Ｎ Ｐ Ｓｉ フルボ酸Ｆｅ Ｍｎ
② 必須アミノ酸 リジン、メチオニン
③ 必須脂肪酸 EPA
④ ビタミン類 B1、B3、B7 B12