電気をたべる微生物

加藤 創一郎 ウェブサイト

電気をたべる微生物(鉄の腐食)

電気をつくる微生物がいるわけですから、その反対の、電気をたべる微生物というのも存在します。電気をたべる微生物は、有機物などの酸化反応からではなく、エネルギー源となる電子を導電性の固体から直接獲得可能な微生物、と言えます(図3-1)。

電気をたべる微生物が関与する興味深い現象が、無酸素環境での鉄腐食(いわゆる「さび」)促進です。鉄の腐食は、金属鉄が二価鉄イオンとなって溶出する酸化反応と、何らかの還元反応(通常は酸素還元)がカップルすることで進行します。そのため酸素がない嫌気的な環境では、理論的に鉄はほぼ腐食しないはずです。しかし電気をたべる微生物が金属鉄中の自由電子を「たべて」しまうことで、酸素が無くても鉄腐食が進行してしまうことがわかっています(図3-2)。

以前までは、一部の硫酸還元菌やメタン生成アーキアのみが無酸素環境下の鉄腐食促進に関与すると考えられていました。私たちのグループでは、金属鉄を唯一のエネルギー源とし、二酸化炭素から有機物である酢酸を生成しながら生育し、鉄の腐食を促進するとても奇妙な微生物を発見しました(Kato et al. 2015 AEM)。たとえて言うと、鉄に触れるだけで必要なエネルギーを獲得でき、必要な全有機物を二酸化炭素から合成して生きていける、そんな生物です(図3-3)。現在私たちはこの鉄腐食酢酸生成菌を主な対象として様々な研究を行っています。

電気をたべる微生物は、太陽光発電などで得られた小規模の電力から燃料や化成品などを合成する、微生物電気合成(Microbial electrosynthesis)という新技術の生体触媒として、応用が期待されています。私たちは電極の代わりに金属粒子をエネルギー源として微生物に与えることで、高い電気合成能を持つ微生物を効率的に培養、単離できることを見出しています。現在、単離した新規電気合成菌を利用し、電気エネルギーを使い二酸化炭素から有用有機物を作る新技術の開発も行っています。

進行中の研究課題

鉄腐食酢酸生成菌の電子獲得分子機構の解明

電気をつくる微生物とは対照的に、電気をたべる微生物がどのように固体から電子を受け取っているのか、その分子機構はあまりよくわかっていません。私たちは鉄腐食酢酸生成菌を対象としたゲノム解析、網羅的遺伝子発現解析などを通し、その分子機構の解明に取り組んでいます。

多種多様な環境からの新規鉄腐食酢酸生成菌の探索

私たちが以前に発見した鉄腐食酢酸生成菌は水田土壌に由来する微生物です。酢酸生成菌は多様な嫌気環境に一般的に存在する微生物であり、鉄腐食酢酸生成菌も多くの環境に存在していると予想されます。現在特に、高温や酸性・アルカリ性の嫌気環境を対象とし、新規鉄腐食酢酸生成菌の探索を試みています。

鉄以外の金属を唯一のエネルギー源として利用可能な微生物の探索

鉄以外の金属も、エネルギーの違いこそありますが、微生物が利用可能な自由電子を放出可能です。現在、銅やニッケルといった金属を唯一のエネルギー源として利用し、腐食反応を促進させる微生物を探索しています。

電気エネルギーを使い二酸化炭素から有用有機物を作る新技術

電気をたべる菌の中にはその電気エネルギーを利用し二酸化炭素から有機物を合成する能力を持つものがいます。そのような菌を利用し、光や熱などの再生可能エネルギー由来の電力を利用した全く新しい有用有機物合成技術を開発しています。

関連する研究成果

総説論文

  • 電気をたべる微生物に関する総説論文
    Igarashi K, *Kato S. Extracellular electron transfer in acetogenic bacteria and its application for conversion of carbon dioxide into organic compounds. Appl. Microbiol Biotechnol. (2017) 101:6301-6307. (Review article) [Pubmed]
  • 微生物よる鉄腐食に関する総説論文
    *Kato S. Microbial extracellular electron transfer and its relevance to iron corrosion. Microbial Biotechnol. (2016) 9:141-148. (Review article) [Pubmed]
  • 加藤創一郎. 酸素の要らない「酢酸生成菌」の世界. 生物工学会誌 (2016) 94:744. [PDF]

原著論文

  • 金属鉄を唯一のエネルギー源とし二酸化炭素から酢酸を生成することで生育可能、かつ無酸素環境下での鉄腐食を促進する微生物を世界に先駆けて発見
    *Kato S, Yumoto I, Kamagata Y. Isolation of acetogenic bacteria that induce biocorrosion by utilizing metallic iron as the sole electron donor. Appl. Environ. Microbiol. (2015) 81:67-73. [Pubmed]