JSTなど、「微生物燃料電池」実現のカギとなる「電気共生」の関係を発見

科学技術振興機構(JST)は6月5日、東京大学 大学院工学系研究科 応用化学専攻 橋本研究室、および東京薬科大学 生命科学部 生命エネルギー工学研究室との共同研究により、微生物が導電性金属粒子を通して細胞間に電気を流し、共生的エネルギー代謝を行うことを発見したと発表した。

成果は、JST課題達成型基礎研究の一環として行われている、JST戦略的創造研究推進事業ERATO型研究「橋本光エネルギー変換システムプロジェクト」の加藤創一郎研究員(現・産業技術総合研究所研究員)と渡邉一哉グループリーダー(現・東京薬科大学教授)らの研究グループによるもの。研究の詳細な内容は、米国東部時間6月4日の週に米科学雑誌「米国科学アカデミー紀要(PNAS)」オンライン速報版に掲載の予定。

微生物燃料電池は、酸素の代わりに電極(アノード)を使って呼吸する微生物を用い、有機物を燃料として電気エネルギーを作り出す装置だ。微生物の多様な代謝能力を利用できるので、さまざまな有機物を燃料として利用できる点が特長である。

また、微生物群集を用いることにより、組成が複雑な廃棄物系バイオマスや廃水中の汚濁物質を燃料にすることも可能だ。多大な電力が消費される現行の廃水処理に代わる省エネ型廃水処理として、大きな期待が寄せられている。

微生物燃料電池の中で微生物は有機物を酸化分解し、発生する電子を電極に排出することによりエネルギーを獲得する。このような微生物は電極に電子を流すための「細胞外電子伝達系」を持っており、それらはグラファイトでできた電極の存在下で高発現するという特性を持つ。

しかし、微生物がなぜ人工構造物の電極に電子を流すためのシステムである細胞外電子伝達系を持っているかについてはわかっていなかった。

研究グループは、自然環境中にも電極や電線が存在し、それらを使って微生物が電子の授受をしている可能性を考察。その考えを実証するため、酢酸を電子供与体に、硝酸を電子受容体として、土壌細菌の代表株である「ゲオバクター(Geobacter sulfurreducens)」と「チオバチルス(Thiobacillus denitrificans)」を共培養した(画像1)。

ゲオバクターは酢酸を酸化分解できるが、硝酸を電子受容体にした呼吸はできない。一方のチオバチルスは、ゲオバクターとは逆に硝酸を電子受容体にできるが、酢酸を分解できない。つまり、両者の間に共生的電子の移動が起こらない限り、酢酸酸化に依存した硝酸還元は起こらないというわけだ。

このような培養系に非導電性の酸化鉄粒子を添加したところ、一部の鉄が溶液中に溶け出して拡散依存の電子媒体として働き、酢酸酸化に伴う硝酸還元(共生的代謝)が起きるようになった。

一方、導電性酸化鉄であるマグネタイトの粒子を添加したところ、共生的代謝が格段(10倍以上)に促進された(画像2・3)。この現象は、溶液中を拡散移動する電子伝達系によるものとは説明できず、マグネタイト粒子の中を電気が流れたことを示している。この現象を「電気共生」と名付けた。

画像2は各種酸化鉄を添加した際の共生的電子伝達速度の比較で、グラフの傾きを比較することにより、マグネタイトを添加したもののみ、ほかより格段に早く電子が移動していることがわかる。

画像3は、マグネタイトを介した電気共生により生育したゲオバクターとチオバチルス。チオバチルスの細胞はゲオバクターより大きい。どちらの細菌の細胞にもマグネタイト粒子が付着し、それらを通して電気が流れていると考えられる。

マグネタイトなど導電性ミネラルの粒子は、環境中(土中や堆積物中)に普遍的に、しかも豊富に存在している。今回の発見から、これら環境中でも微生物が導電性ミネラルを電線として使って電子をやり取りし、お互い助け合って生きているとしてもなんの不思議ではないという。

一方、微生物燃料電池やバイオガス生産プロセス(メタン発酵槽)の中では水素などの代謝産物が電子媒体になるといわれているが、この電子の授受ステップが律速段階になっている。研究グループは、導電性ミネラル粒子を使えば、これらのバイオエネルギー生産プロセスを高効率化できるのではないかと考えているとした。

今回の発見は、微生物がなぜ電極に電子を流す能力を持っているのかという科学的疑問からスタート。しかし得られた結果は、環境中の微生物の共生関係を説明するものとして、またバイオエネルギープロセスの高効率化の礎として、広くインパクトを及ぼすものとなった。

研究グループは今後、導電性ミネラルを利用する微生物に関する知見を深めると共に、微生物燃料電池やバイオガス生産プロセスの高効率化に応用していきたいと考えている。