(57)【要約】【課題】微生物による電子の生成量が増加された電子デバイスを提供する。【解決手段】有機物を分解して第１分解生成物を生成する第１の微生物と、前記第１分解生成物を分解して第２分解生成物を生成する第２の微生物と、前記第１の微生物及び前記第２の微生物による分解工程において生成する電子を捕集する電極と、を有し、前記第１の微生物及び前記第２の微生物が同一空間内に収容されている電子デバイスを提供する。【選択図】図１
2015060771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物を分解して第１分解生成物を生成する第１の微生物と、
前記第1分解生成物を分解して第２分解生成物を生成する第２の微生物と、
前記第１の微生物及び前記第２の微生物による分解工程において生成する電子を捕集する電極と、を有し、
前記第１の微生物及び前記第２の微生物が同一空間内に収容されている電子デバイス。
【請求項２】
前記有機物及び前記第１分解生成物は、炭素−炭素結合を有している
請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記第１分解生成物は、有機酸である
請求項２に記載の電子デバイス。
【請求項４】
前記有機酸は、酢酸、乳酸、ピルビン酸、クエン酸、オキソグルタル酸、コハク酸、フマル酸、アミノ酸及び脂肪酸から選ばれる少なくとも１種である
請求項３に記載の電子デバイス。
【請求項５】
前記有機酸が酢酸であり、前記第１の微生物はAcetobacter属の細菌である
請求項４に記載の電子デバイス。
【請求項６】
前記有機酸が酢酸であり、前記第１の微生物はGluconobacter属の細菌である
請求項４に記載の電子デバイス。
【請求項７】
前記有機物は、アルコール、糖類、脂肪類及びタンパク質から選ばれる少なくとも１種である
請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項８】
前記第１の微生物及び前記第２の微生物は、緩衝液中に保持されている
請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項９】
更に、前記第２分解生成物を分解して第３分解生成物を生成する第３の微生物を有し、前記第３の微生物は、前記第１の微生物及び前記第２の微生物と同一の空間内に収容されており、
前記電極により前記第３の微生物による分解工程において生成する電子も捕集される
請求項１記載の電子デバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載の電子デバイスを備える微生物燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の微生物燃料電池を電源とする電子機器。
【請求項１２】
請求項１に記載の電子デバイスを備えるバイオセンサ。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電子デバイス、微生物燃料電池、電子機器及びバイオセンサに関する。より詳しくは、微生物による電子の生成量を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
微生物の内部で生成された電子を微生物の外部に取り出して電極で捕集する電子デバイス等が開発されてきている。このような電子デバイスの構成は、例えば、捕集した電子によって電流を生み出す微生物燃料電池や、生成される電子の検出を利用したバイオセンサ等に適用されている。
【０００３】
例えば特許文献１には、「ポリオールを燃料とする微生物燃料電池」が開示されている。また、「酸化還元反応を触媒する酵素を遺伝子組み換えにより導入した微生物を含むバイオセンサ」が開示されている。この微生物燃料電池では、微生物によってグリセロール等のポリオールが分解され電子が生成されて電流が生み出される。また、このバイオセンサでは、電子の取り出し反応を触媒する酵素を遺伝子組み換えにより導入した微生物を反応素子として用いることで、生化学反応の速度を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９０７８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の微生物燃料電子やバイオセンサでは、遺伝子組み換え技術によって、出力が高められている。そして、このような微生物を用いた電子デバイスのさらなる改良が求められている。そこで、本開示は、微生物による電子の生成量が増加された電子デバイスを提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記課題解決のため鋭意研究した結果、複数種類の微生物を組み合わせて同一空間内に収容して有機物の分解を行うと、１種類の微生物によって有機物が分解されて代謝産物が生成され、この代謝産物が他の微生物に分解されることを見出した。更に、有機物と代謝産物の各分解工程において電子が生成され、有機物を１種類の微生物を用いて分解する場合に比べ、電子の生成量が増加していることを見出し、本発明を完成させるに至った。
即ち、本開示は、有機物を分解して第１分解生成物を生成する第１の微生物と、前記第１分解生成物を分解して第２分解生成物を生成する第２の微生物と、前記第１の微生物及び前記第２の微生物による分解工程において生成する電子を捕集する電極と、を有し、前記第１の微生物及び前記第２の微生物が同一空間内に収容されている電子デバイスを提供する。
前記有機物及び前記第１分解生成物は、炭素−炭素結合を有していてもよく、前記第１分解生成物は、有機酸であってもよい。また、前記有機酸は、酢酸、乳酸、ピルビン酸、クエン酸、オキソグルタル酸、コハク酸、フマル酸、アミノ酸及び脂肪酸から選ばれる少なくとも１種とすることができる。
更に、前記有機酸が酢酸であり、前記第１の微生物はAcetobacter属の細菌であってもよく、前記有機酸が酢酸であり、前記第１の微生物はGluconobacter属の細菌であってもよい。
前記有機物は、アルコール、糖類、脂肪類及びタンパク質から選ばれる少なくとも１種とすることができる。
また、前記第１の微生物及び前記第２の微生物は、緩衝液中に保持されていてもよい。
更に、前記電子デバイスは、前記第２分解生成物を分解して第３分解生成物を生成する第３の微生物を有していてもよく、前記第３の微生物は、前記第１の微生物及び前記第２の微生物と同一の空間内に収容され、前記電極により前記第３の微生物による分解工程において生成する電子も捕集される電子デバイスであってもよい。
【０００７】
本開示はまた、前記電子デバイスを備える微生物燃料電池や該微生物燃料電池を電源とする電子機器をも提供する。更に、本開示は、前記電子デバイスを備えるバイオセンサをも提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示により、微生物による電子の生成量が増加された電子デバイス等が提供される。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載された何れかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の第１実施形態である電子デバイスの構成の一例を示す模式図である。
【図２】本開示の第２実施形態である微生物燃料電池の構成の一例を示す模式図である。
【図３】本開示の第３実施形態であるバイオセンサの構成の一例を示す模式図である。
【図４】実験例１における電子生成のスキームを示す図である。
【図５】実験例１の結果を示す電流−時間曲線と電荷−時間曲線である。
【図６】Ａ及びＢは、実験例の１の結果を示す電流−時間曲線と電荷−時間曲線である。
【図７】実験例２における電子生成のスキームを示す図である。
【図８】実験例２の結果を示す電流−時間曲線と電荷−時間曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示を実施するための好適な形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本開示の代表的な実施形態を示したものであり、これにより本開示の範囲が狭く解釈されることはない。説明は以下の順序で行う。
１．第１実施形態（電子デバイス）
２．第２実施形態（微生物燃料電池）
３．第３実施形態（バイオセンサ）
【００１１】
１．第１実施形態
図１は、本開示の第１実施形態に係る電子デバイスの構成の一例を示す模式図である。図中符号１で示す電子デバイスは、有機物Ａを分解して第１分解生成物Ｂを生成する第１の微生物２１と、第１分解生成物Ｂを分解して第２分解生成物Ｃを生成する第２の微生物２２とを有している。これらの第１の微生物２１及び第２の微生物２２は、電子デバイス１の同一空間Ｅ１内に収容されている。また、電子デバイス１は、第１の微生物２１及び第２の微生物２２による分解工程において生成する電子を捕集する電極３を有している。電子デバイス１の各構成について、図１を参照しながら順に説明する。
【００１２】
（１）第１の微生物及び第２の微生物
第１の微生物２１及び第２の微生物２２は、電子デバイス１において、空間Ｅ１内に収容された有機物Ａを分解して電子を生成するための構成である。電子デバイス１においては、先ず、第１の微生物２１が有機物Ａを分解し、第１分解生成物Ｂを生成する。また、この分解工程において電子が生成される。電子デバイス１では、第１の微生物２１と第２の微生物２２とが同一空間Ｅ１に収容される。このため、第１分解生成物Ｂと第２の微生物２２とが接触可能となる。その結果、第２の微生物２２は、第１の微生物２１によって生成された第１分解生成物Ｂを分解し、第２分解生成物Ｃを生成する。また、この分解工程においても電子が生成される。このように、第１の微生物２１と第２の微生物２２による連続的な分解によって、有機物Ａからは、第１分解生成物Ｂを経て第２分解生成物Ｃが生成される。このため、電子デバイス１では、有機物Ａの分解が第１の微生物２１による分解工程で終わらずに、第２の微生物２２による分解工程に引き継がれることで、有機物Ａの分解工程が連続し、有機物Ａの分解によってより多くの電子を生成することができる。
【００１３】
第１の微生物２１は、空間Ｅ１内に導入される有機物Ａを電子の生成を伴って分解する能力を有していればよく、種類は特に限定されない。
【００１４】
有機物Ａとは、第１の微生物２１によって分解可能であれば特に限定されない。例えば、本開示の電子デバイス１においては、有機物Ａをアルコール、糖類、脂肪類及びタンパク質の中から選ばれる少なくとも１種類とすることもできる。具体的には、グルコース、フルクトース、ソルボース、デンプン、アミロース、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース、マルトース、スクロース及びラクトース等の糖類、エタノール及びグリセリン等のアルコール類などが挙げられる。また、有機物Ａは、炭素−炭素結合（Ｃ−Ｃ結合）を有している有機物が好ましい。一般に金属触媒では常温下で炭素−炭素結合の切断が困難とされている。一方、微生物は上述した酵素によって、炭素−炭素結合を含む有機物を分解することができる。このため、例えば、エタノール等の炭素−炭素結合を有する有機物であっても、電子デバイス１においては、電子を生成するために用いることができる。
【００１５】
上記に例示したような有機物Ａを分解する能力を有する第１の微生物２１とは、例えば、有機物Ａの分解酵素を産生する微生物である。電子の生成を伴う有機物の分解酵素としては、例えば、有機物の酸化反応を触媒する酵素が挙げられる。酸化反応を触媒する酵素としては、例えば、グルコースデヒドロゲナーゼ、フルクトースデヒドロゲナーゼ、ガラクトースデヒドロゲナーゼ、スクロースデヒドロゲナーゼ、ラクトースデヒドロゲナーゼ、ソルボースデヒドロゲナーゼ、グルコース６リン酸デヒドロゲナーゼ、マレートデヒドロゲナーゼ、アルコールデヒドロゲナーゼ、グリセロールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グリセルアルデヒド−３リン酸デヒドロゲナーゼ、アミノ酸デヒドロゲナーゼ等が挙げられる。アミノ酸デヒドロゲナーゼとしては、例えば、アラニンデヒドロゲナーゼ、フェニルアラニンデヒドロゲナーゼ、ロイシンデヒドロゲナーゼなどが挙げられる。
【００１６】
なお、本開示の電子デバイス１において、第１の微生物２１が有機物Ａの分解に利用する酵素は、１種類には限定されず複数種類であってもよく、第１の微生物２１は、複数種類の酵素を利用して有機物Ａを分解して第１分解生成物Ｂを生成することもできる。これは、後述する第２の微生物２２についても同様である。例えば、有機物Ａがエタノールであり、第１の微生物２１がアルコールデヒドロゲナーゼとアセトアルデヒドデヒドロゲナーゼを産生可能である場合、第１の微生物２１はこれらの酵素を利用して、エタノールを分解してアセトアルデヒドを生成し、次いでアセトアルデヒドを分解して酢酸を生成する。そして酢酸が第１分解生成物Ｂとなる。
【００１７】
また、第１の微生物２１による有機物Ａの分解工程の何れかの酵素反応が電子の生成を伴わないものであってもよい。これは、後述する第２の微生物２２についても同様である。例えば、有機物Ａをタンパク質とする場合、第１の微生物２１によるタンパク質分解酵素を用いた有機物Ａの分解工程では電子は生成されない。この場合、例えば、第１の微生物２１がタンパク質の分解によって生成されたアミノ酸を分解しオキソグルタル酸を生成する工程で電子が産生される。
【００１８】
第２の微生物２２は、空間Ｅ１内の有機物Ａが第１の微生物２１によって分解されて生成される第１分解生成物Ｂを電子の生成を伴って分解する能力を有していればよく、種類は特に限定されない。
【００１９】
有機物Ａが分解されて生成される第１分解生成物Ｂには、第１の微生物２１が有機物Ａを分解することで生成されるものであれば何れであってもよく、特に限定されない。第１分解生成物Ｂとしては、例えば、有機酸、アルデヒド等が挙げられる。例えば、本開示の電子デバイス１において、第１分解生成物Ｂを有機酸とすると、既に同定されている、有機酸を最終産物として蓄積する微生物の中から、第１の微生物２１とする微生物を採用することができる。また、例えば、本開示の電子デバイス１においては、第１分解生成物Ｂである有機酸を、酢酸、乳酸、ピルビン酸、クエン酸、オキソグルタル酸、コハク酸、フマル酸、アミノ酸及び脂肪酸から選ばれる少なくとも１種とすることもできる。また、第１分解生成物Ｂについても、有機物Ａと同様に炭素−炭素結合（Ｃ−Ｃ結合）を有していることが好ましい。
【００２０】
上記に例示したような第１分解生成物Ｂを分解する能力を有する第２の微生物２２とは、例えば、第１分解生成物Ｂの分解酵素を産生する微生物である。電子の生成を伴う第１分解生物Ｂを分解する酵素としては、例えば、有機酸等の酸化反応を触媒する酵素が挙げられる。酸化反応を触媒する酵素としては、例えば、グルコネート５デヒドロゲナーゼ、グルコネート２デヒドロゲナーゼ、イソシレートデヒドロゲナーゼ、２−オキソグルタレートデヒドロゲナーゼ、スクシネートデヒドロゲナーゼ、マレートデヒドロゲナーゼ、ラクテートデヒドロゲナーゼ、ピルベートデヒドロゲナーゼ、フォルメートデヒドロゲナーゼ、グリセレートデヒドロゲナーゼ、アシルＣｏＡデヒドロゲナーゼ、Ｌ−３−ヒドロキシアシルＣｏＡデヒドロゲナーゼ、３−ヒドロキシプロピオネートデヒドロゲナーゼ、３−ヒドロキシブチレートデヒドロゲナーゼ等が挙げられる。
【００２１】
上述した酸化反応を触媒する酵素を産生する微生物としては、例えば、下記の属に属する細菌が挙げられる。Acetivibrio、Acetobacter、Acinetobacter、Actinobacillus、Aeromonas、Agrobacterium、Alcaligenes、Alteromonas、Anaerobiospirillum、Aquaspirillum、Asospirillum、Azomonas、Azotobacter、Bacteroides、Bdellovibrio、Beijerinckia、Bifidobacterium、Bordetella、Bradyrhizobium、Brucella、Butyrivibrio、Calymmatobacterium、Campylobacter、Cardiobacterium、Cedecea、Chromobacterium、Citrobacter、Derxia、Edwardsiella、Eikenella、Enterococcus、Enterobacter、Escherichia、Erwinia、Flavobacterium、Francisella、Frateuria、Fusobacterium、Gardnerella、Gluconobacter、Haemophilus、Hafnia、Halobacterium、Halococcus、Halomonas、Janthinobacterium、Kingella、Klebsiella、Kluyvera、Lachnospira、Lactobacillus、Lampropedia、Legionella、Leptotrichia、Leuconostoc、Methylococcus、Methylomonas、Moraxella、Morganella、Neisseria、Obesumbacterium、Oceanospirillum、Paracoccus、Pasteurella、Pectinatus、Pediococcus、Photobacterium、Phyllobacterium、Plesiomonas、Proteus、Providencia、Pseudomonas、Rahnella、Rhizobium、Salmonella、Selenomonas、Serpens、Serratia、Shigella、Spirillum、Streptobacillus、Succinimonas、Succinivibrio、Tatumella、Thermomicrobium、Thermus、Vampirovibrio、Vibrio、Wolinella、Xanthobacter、Xanthomonas、Xenorhabdus、Yersinia、Zoogloea、Zymomonas。
【００２２】
上記微生物のうち、例えば、第１の微生物２１をAcetobacter属の細菌とすると、第１分解生成物Ｂを酢酸とすることができる。また同様に、第１の微生物２１をGluconobacter属とすると、第１分解生成物Ｂを酢酸とすることができる。第１分解生成物Ｂが酢酸である場合、第２の微生物２２に酢酸を電子の生成を伴って分解する微生物を選択することで、有機物Ａの分解を第２の微生物が引き継ぎ、有機物Ａの分解工程からより多くの電子を生成することが可能となる。例えば、第２の微生物２２に大腸菌（Escherichia coli）を用いることで、大腸菌によって第１分解生成物Ｂである酢酸から第２分解生成物Ｃとして二酸化炭素が生成される。
【００２３】
この他、第１の微生物２１と第２の微生物２２の組み合わせは、例えば、Lactobacillus属等の乳酸菌と大腸菌（Escherichia coli）が挙げられる。乳酸菌と大腸菌を組み合わせた場合、例えば、有機物Ａをブドウ糖とすることで、乳酸菌によってブドウ糖から乳酸が生成され、大腸菌によって乳酸から二酸化炭素が生成される。また、第１の微生物２１と第２の微生物２２の組み合わせを変えることによって、電子デバイス１において所望の量の電子を生成することもできる。電子の生成量を調整する必要がある場合には、予め有機物Ａ又は第１分解生成物Ｂの分解による電子生成量を測定した微生物の中から、所望の量の電子を生成する微生物を選択すればよい。
【００２４】
なお、本開示においては、第１の微生物２１と第２の微生物２２の２種類を有する電子デバイス１について説明しているが、本開示に係る電子デバイスにおいて、微生物の種類は複数種類であればよく、その種類の数は特に限定されない。例えば、本開示に係る電子デバイス１を、更に第２分解生成物Ｃを分解して第３分解生成物を生成する第３の微生物を有し、第３の微生物は、第１の微生物２１及び第２の微生物２２と同一の空間Ｅ１内に収容されており、電極３により第３の微生物による分解工程において生成する電子も捕集される電子デバイスとすることもできる。
【００２５】
また、第１の微生物２１と第２の微生物２２は、各々、１種類の微生物で構成されていても良く、複数種類の微生物から構成されていてもよい。例えば、第１の微生物２１として、有機物Ａを分解して第１分解生成物Ｂを生成する複数種類の微生物を用いることもできる。また、同様に、第２の微生物２２として、第１分解生成物Ｂを分解して第２分解生成物Ｃを生成する複数種類の微生物を用いることもできる。
【００２６】
本開示の電子デバイス１では、有機物Ａは、第１の微生物２１及び第２の微生物２２以外の空間Ｅ１に収容された微生物によって生成されたものであってもよい。例えば、トリグリセリドを脂肪酸に分解するリパーゼ等の酵素を産生する微生物が空間Ｅ１に収容されていれば、空間Ｅ１内に導入されたトリグリセリドは脂肪酸に分解される。この結果、脂肪酸を有機物Ａとして、例えば、第１の微生物２１は脂肪酸をアセチルＣｏＡに分解して電子を生成し、第２の微生物２２は、アセチルＣｏＡを二酸化炭素に分解して電子を生成することができる。この他、例えば、第１の微生物２１及び第２の微生物２２以外の微生物が空間Ｅ１内の酢酸ビニルを酢酸に分解することで、第１の微生物２１は酢酸をアセチルＣｏＡに分解して電子を産生し、第２の微生物２２はアセチルＣｏＡを二酸化炭素に分解して電子を産生することができる。
【００２７】
本開示の電子デバイス１では、第１の微生物が２１が有機物Ａを分解して生成する第１分解生成物Ｂを、第２の微生物２２が分解することで、有機物Ａの分解が第２の微生物２２に引き継がれ、有機物Ａの連続的な分解が行われる。従って、第１の微生物２１と第２の微生物２２は、有機物Ａを連続的に分解可能な組み合わせである必要がある。そこで、第１の微生物２１及び第２の微生物２２には、土壌や汚泥などに存在し種類が同定されていない微生物が複数種類混在したものを用いるのではなく、予め種類が同定され、純粋培養で培養されたものを用いることが好ましい。予め同定されている微生物を組み合わせることで、連続的な分解に適した有機物Ａを選択でき、微生物による電子の生成をより安定的に行うことができる。また、有機物Ａの選択などが可能となることで、電子デバイス１のコストを低減することも可能となる。更に、同定されている微生物のみを扱うため、未知の微生物を含む土壌や汚泥に比べ安全性が高まる。
【００２８】
第１の微生物２１及び第２の微生物２２は、純粋培養後に所定の濃度に調製して同一空間（図１では空間Ｅ１）に収容されることが好ましい。第１の微生物２１と第２の微生物２２の純粋培養は、例えば、公知の手法を利用して行うことができる。空間内に収容される第１の微生物２１及び第２の微生物２２の個数や、各々の微生物２１，２２の比率は、選択する微生物や有機物Ａの種類等に応じて適宜設定することができる。
【００２９】
また、第１の微生物２１及び第２の微生物２２として、増殖期にあるものであっても定常期にあるものであっても、何れの状態のものでも用いることができるが、第１の微生物２１及び第２の微生物２２は、定常期にあるものが好ましい。定常期とは、細胞培養において培養液中の細胞密度が培養の進行と共に上昇した結果、増殖速度が低下し、細胞の増殖が停止するようになる時期である。このような定常期にある微生物を電子デバイス１に用いることで、生成される電子が第１の微生物２１及び第２の微生物２２の生命活動に消費されることを低減することができる。従って、電子デバイス１において、より多くの電子を電極３へ捕集することが可能となる。
【００３０】
第１の微生物２１と第２の微生物２２が収容される空間Ｅ１には、電解液や微生物用の培地などの液体が収容されることが好ましい。上述した有機物Ａは、第１の微生物２１と接触可能な状態で空間Ｅ１内に収容されることで、第１の微生物２１によって分解される。空間Ｅ１へ電解液等の液体が収容されていると、有機物Ａは空間Ｅ１内を拡散して、第１の微生物２１と接触可能となる。また、第１の微生物２１によって生成された第１分解生成物Ｂについても、液体の中で拡散することによって、第２の微生物２２との接触が容易となる。
【００３１】
空間Ｅ１には、例えば、緩衝液が収容されていることが好ましい。緩衝液によって、有機物Ａが分解され第１分解生成物Ｂが生成され、第１分解生成物Ｂが空間Ｅ１内に拡散した後でも、空間Ｅ１内のｐＨが、有機物Ａの分解が開始される前のｐＨから大きく変動しない。このため、第１の微生物２１及び第２の微生物２２が適切なｐＨの液体に保持され、第１の微生物２１及び第２の微生物２２による有機物Ａを分解する能力が、時間が経過しても低下せず、電子デバイス１において安定して電子の生成を行うことができる。
【００３２】
緩衝物質としては、リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）、２−アミノ−２−ヒドロキシメチル−１，３−プロパンジオール（略称トリス）、２−（Ｎ−モルホリノ）エタンスルホン酸（ＭＥＳ）、カコジル酸、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）、クエン酸水素イオン、Ｎ−（２−アセトアミド）イミノ二酢酸（ＡＤＡ）、ピペラジン−Ｎ，Ｎ’−ビス（２−エタンスルホン酸）（ＰＩＰＥＳ）、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−アミノエタンスルホン酸（ＡＣＥＳ）、３−（Ｎ−モルホリノ）プロパンスルホン酸（ＭＯＰＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−２−エタンスルホン酸（ＨＥＰＥＳ）、Ｎ−２−ヒドロキシエチルピペラジン−Ｎ’−３−プロパンスルホン酸（ＨＥＰＰＳ）、Ｎ−［トリス（ヒドロキシメチル）メチル］グリシン（略称トリシン）、グリシルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン（略称ビシン）、イミダゾール、トリアゾール、ピリジン誘導体、ビピリジン誘導体、イミダゾール誘導体（ヒスチジン、１−メチルイミダゾール、２−メチルイミダゾール、４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、イミダゾール−２−カルボン酸エチル、イミダゾール−２−カルボキシアルデヒド、イミダゾール−４−カルボン酸、イミダゾール−４，５−ジカルボン酸、イミダゾール−１−イル−酢酸、２−アセチルベンズイミダゾール、１−アセチルイミダゾール、Ｎ−アセチルイミダゾール、２−アミノベンズイミダゾール、Ｎ−（３−アミノプロピル) イミダゾール、５−アミノ−２−（トリフルオロメチル) ベンズイミダゾール、４−アザベンズイミダゾール、４−アザ−２−メルカプトベンズイミダゾール、ベンズイミダゾール、１−ベンジルイミダゾール、１−ブチルイミダゾール）等が挙げられる。また、緩衝液のｐＨや濃度は、第１の微生物２１及び第２の微生物２２として選択する微生物に応じて適宜設定することができる。
【００３３】
第１の微生物２１及び第２の微生物２２は、後述する電極３表面に、混在して固定された状態で保持されていてもよい。第１の微生物２１及び第２の微生物２２の電極３への固定には、公知の担体や高分子樹脂等を用いることができる。担体としては、例えば、多孔質ガラス、セラミックス、金属酸化物、活性炭、カオリナイト、ベントナイト、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ、アンスラサイトなどの粒子状担体が挙げられる。また、ゲル状担体として、でんぷん、寒天、キチン、キトサン、ポリビニルアルコール、アルギン酸、ポリアクリルアミド、カラギーナン、アガロース、ゼラチン等が挙げられる。高分子樹脂としては、例えば、グルタルアルデヒド、ポリアクリル酸、ウレタンポリマーなどが挙げられる。
【００３４】
（２）電極
電極３は、電子デバイス１において、上述した第１の微生物２１及び第２の微生物２２によって生成された電子を捕集するための構成である。上述したように、有機物Ａの連続的分解によって、分解工程の各段階で電子が生成される。電子デバイス１では、これらの電子を電極３が捕集することによって、有機物Ａから電子を取り出すことができる。
【００３５】
電極３の材料には、例えば、カーボン系材料や、金属、これらの合材などを用いることができる。カーボン系材料としては、例えば、多孔質カーボン、カーボンペレット、カーボンペーパー、カーボンフェルト、炭素繊維又は炭素微粒子の積層体などが挙げられる。金属としては、例えば、白金、銀、金、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、ニオブ、モリブデン、インジウム、イリジウム、亜鉛、マンガン、鉄、コバルト、チタン、バナジウム、クロム、パラジウム、レニウム、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ゲルマニウム、ハフニウム等が挙げられる。また、アルメル、真ちゅう、ジュラルミン、青銅、ニッケリン、白金ロジウム、ハイパーコ、パーマロイ、パーメンダー、洋銀、リン青銅等の合金類も挙げられる。更に、ホウ化ハフニウム、ホウ化ニオブ、ホウ化クロムなどのホウ化物や、窒化チタン、窒化ジルコニウムなどの窒化物や、ケイ化バナジウム、ケイ化ニオブ、ケイ化モリブデン、ケイ化タンタルなどのケイ化物なども挙げられる。
【００３６】
電極３には、第１の微生物２１及び第２の微生物２２によって生成された電子の電極３への受け渡しをより効率的に行うための電子メディエータを備えていてもよい。電子メディエータとしては、例えば、キノン骨格を有する化合物やフェロセン骨格を有する化合物を使用することが好ましい。また、フェリシアン化カリウムやアスミウム錯体などの金属錯体も、電子デバイス１において、電子メディエータとして用いることができる。
【００３７】
本開示に係る電子デバイス１では、第１の微生物２１と第２の微生物２２を用いて有機物Ａを連続的に分解することができるため、有機物Ａの分解を第１の微生物２１のみで行った場合に比べ、より多くの電子を生成することができる。
【００３８】
また、複数種類の微生物を組み合わせて用いるため、有機物Ａの各分解工程に必要な複数の酵素が発現可能となるように、遺伝子組み換え技術によって微生物に遺伝子導入する必要がなく、簡便に電子デバイスを作製することができる。
【００３９】
更に、本開示に係る電子デバイス１では、酵素ではなく微生物自体を用いるため、酵素を利用するバイオ燃料電池のように予め大腸菌等の微生物に発現させた酵素を精製する必要がなく、簡便に電子デバイスを作製することができる。また、酵素によっては、例えば複合体を形成するタンパク質など、精製が困難な種類もあるが、このような酵素についても微生物を利用することで、有機物Ａの分解に用いることができる。
【００４０】
なお、上記に記載された効果はあくまで例示であって、限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。これは、後述する第２実施形態及び第３実施形態についても同様である。
【００４１】
２．第２実施形態
上述した電子デバイス１は、例えば、微生物燃料電池に適用することができる。図２は、本開示の第２実施形態に係る微生物燃料電池の構成を模式的に示す。以下、図２を参照しながら微生物燃料電池について説明する。なお、第１実施形態である電子デバイス１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４２】
図２において符号１１で示す微生物燃料電池は、有機物Ａ又は第１分解生成物Ｂから生成される電子を捕集するための電極３としてアノード３１を有している。また、微生物燃料電池１１には、他の電極としてカソード４１が備えられている。アノード３１とカソード４１とは、セパレータ５によって分離され、各々外部抵抗８と接続している。セパレータ５は、プロトンが透過可能となるように構成されている。セパレータ５は、例えば、カチオン交換膜やセルロース系不織布、セロファン等で構成することができる。
【００４３】
アノード３１、カソード４１及びセパレータ５は、筐体６１に収容されていて、カソード４１の一部は大気に曝露されている。筐体６１のアノード３１を含む空間Ｅ２には、第１の微生物２１及び第２の微生物２２が収容されている。また、空間Ｅ２には、電解液Ｓ１も収容されている。電解液Ｓ１はアノード３１及びカソード４１に接触可能に収容されているが、カソード４１に接して気液分離膜７が設けられているため、カソード４１の一部は大気に曝露される。
【００４４】
微生物燃料電池１１の燃料である有機物Ａの筐体６１内への導入は、例えば、図２に示す微生物燃料電池１１では、開口部６１１から行うことができる。上述したように、空間Ｅ２内の第１の微生物２１は有機物Ａを分解して第１分解生成物Ｂを生成する。更に第２の微生物２２は、第１分解生成物Ｂを分解して第２分解生成物Ｃを生成する。これらの分解工程では、電子が生成される。生成された電子は、アノード３１に捕集され、外部抵抗８へと移動する。
【００４５】
一方、カソード４１は、一部が大気に曝露されているため、外部から供給される酸素の還元反応が進行する。また、電子の生成と共に生じたプロトンは、セパレータ５を通過し、カソード４１において電子を受け取り、酸素と結合して水を生成する。
【００４６】
上述したように、本開示の電子デバイス１は、微生物燃料電池１１に適用することができる。この微生物燃料電池１１では、燃料（有機物Ａ）を連続的に分解することにより、一段階の分解に比べより多くの電子を生成することができる。従って、微生物燃料電池１１の出力を上げることができる。第２実施形態の微生物燃料電池１１おけるその他の効果は、上述した第１実施形態の電子デバイス１と同様である。
【００４７】
上述した微生物燃料電池１１は、電子機器に電源として搭載することができる。電子機器は、電源を必要とする電子機器の何れであってもよい。また、電子機器は、携帯型電子機器であっても据え置き型電子機器であってもよい。具体例としては、携帯電話、モバイル機器、パーソナルコンピュータ、ゲーム機器、ロボット、車載機器、家庭電気製品、工業製品等が挙げられる。この他、野外などで用いられる定置型の発電機に、電源として微生物燃料電池１１を組み込むこともできる。
【００４８】
３．第３実施形態
上述した電子デバイス１は、例えば、バイオセンサにも適用することができる。図３は、本開示の第３実施形態に係るバイオセンサの構成を模式的に示す。以下、図３を参照しながらバイオセンサについて説明する。なお、第１実施形態である電子デバイス１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００４９】
図３において符号１２で示すバイオセンサは、有機物Ａ又は第１分解生成物Ｂから生成される電子を捕集するための電極３として作用極３２を有する。また、他の電極として参照極４２を有する。これらの電極（作用極３２、参照極４２）は、電気化学測定装置９に接続している。作用極３２及び参照極４２は筐体６２に収容されている。筐体６２の作用極３２及び参照極４２を含む空間Ｅ３には、第１の微生物２１及び第２の微生物２２が収容されている。
【００５０】
バイオセンサ１２の空間Ｅ３には、検出対象である有機物Ａを含む液状の試料Ｓ２が収容される。試料Ｓ２の筐体６２内への導入は、例えば、図３に示すバイオセンサ１２では、開口部６２１から行うことができる。
【００５１】
検出対象である有機物Ａは、空間Ｅ３内で第１の微生物２１によって分解され、第１分解生成物Ｂが生成される。この時、電子も生成され、電子は作用極３２へ移動する。この結果、作用極３２と接続された電気化学測定装置９において有機物Ａを感知することができる。更に第１分解生成物Ｂが第２の微生物２２によって分解されることで電子が生成され、この電子が作用極３２へ移動することによって、有機物Ａの分解の場合と同様に、電気化学測定装置９において有機物Ａを感知することができる。
【００５２】
上述したように、本開示の電子デバイス１は、バイオセンサ１２に適用することができる。バイオセンサ１２では、検出対象（有機物Ａ）を第１の微生物２１と第２の微生物２２によって連続的に分解することにより、各分解工程で電子を生成することができる。従って、バイオセンサ１２においては、検出対象由来のシグナル強度を高めることができる。第３実施形態のバイオセンサ１２おけるその他の効果は、上述した第１実施形態の電子デバイス１と同様である。
【００５３】
本開示は、以下のような構成もとることができる。
（１）有機物を分解して第１分解生成物を生成する第１の微生物と、前記第1分解生成物を分解して第２分解生成物を生成する第２の微生物と、前記第１の微生物及び前記第２の微生物による分解工程において生成する電子を捕集する電極と、を有し、前記第１の微生物及び前記第２の微生物が同一空間内に収容されている電子デバイス。
（２）前記有機物及び前記第１分解生成物は、炭素−炭素結合を有している上記（１）に記載の電子デバイス。
（３）前記第１分解生成物は、有機酸である上記（２）に記載の電子デバイス。
（４）前記有機酸は、酢酸、乳酸、ピルビン酸、クエン酸、オキソグルタル酸、コハク酸、フマル酸、アミノ酸及び脂肪酸から選ばれる少なくとも１種である上記（３）に記載の電子デバイス。
（５）前記有機酸が酢酸であり、前記第１の微生物はAcetobacter属の細菌である上記（４）に記載の電子デバイス。
（６）前記有機酸が酢酸であり、前記第１の微生物はGluconobacter属の細菌である上記（４）に記載の電子デバイス。
（７）前記有機物は、アルコール、糖類、脂肪類及びタンパク質から選ばれる少なくとも１種である上記（１）〜（６）の何れかに記載の電子デバイス。
（８）前記第１の微生物及び前記第２の微生物は、緩衝液中に保持されている上記（１）〜（７）の何れかに記載の電子デバイス。
（９）更に、前記第２分解生成物を分解して第３分解生成物を生成する第３の微生物を有し、前記第３の微生物は、前記第１の微生物及び前記第２の微生物と同一の空間内に収容されており、前記電極により前記第３の微生物による分解工程において生成する電子も捕集される上記（１）〜（８）の何れかに記載の電子デバイス。
（１０）上記（１）〜（９）の何れかに記載の電子デバイスを備える微生物燃料電池。
（１１）上記（１０）に記載の微生物燃料電池を電源とする電子機器。
（１２）上記（１）〜（９）の何れかに記載の電子デバイスを備えるバイオセンサ。
【実施例】
【００５４】
＜実験例１＞
１．Acetobacter acetiとEscherichia coliを用いたエタノールの分解による電子の生成
本実験例では、第１の微生物として、Acetobacter aceti (A. aceti)を用い、第２の微生物としてEscherichia coli (E. coli)を用い、これら２種類の微生物の有機物の分解によって生じる電子を測定した。
【００５５】
本実験例では、有機物としてエタノールを用いた。図４に本実験例における電子生成のスキームを示す。また、下記に、図４に示す電子の生成における有機物の分解反応を示す。なお、本実験例では、電子メディエータとしてフェリシアン化カリウムを用いた。
（１）エタノール→酢酸（４電子反応）
Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＨ３ＣＯＯＨ＋４Ｈ＋＋４ｅ− 
（２）酢酸→ＣＯ２（８電子反応）
ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋８Ｈ＋＋８ｅ−
上記（１）の反応をA. acetiが担い、（２）の反応をE. coliが担うことにより、各々の反応によって電子が生成されると考えられる。
【００５６】
A. acetiとE. coliの各々の調製条件について以下に記す。
（１）A. aceti
A. acetiについては、培地（１ｍＭ  酢酸、５ｇ／ｌ  Ｂａｃｔｏｐｅｐｔｏｎ、５ｇ／ｌ  ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔｓ、１ｇ／ｌ  硫酸マグネシウム）を用い、好気条件下の２５℃で２００ｒｐｍにて振とうし、ＯＤ６００が１．０に達するまで行った。培養終了後、１５００ｘｇで３分間遠心分離を行い、菌体から培地を除去した。回収したペレットを１００ｍＭ  リン酸緩衝液で２回洗浄し、最終的にＯＤ６００が７０となるように１００ｍＭ  リン酸緩衝液に懸濁した。
【００５７】
（２）E. coli
E. coliについては、培地（１０ｇ／ｌ  Ｂａｃｔｏｐｅｐｔｏｎ、５ｇ／ｌ  ｂａｃｔｏｔｒｙｐｔｏｎｅ、２．５ｇ／ｌ  ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔｓ、１０ｇ／ｌ  塩化ナトリウム）を用い、好気条件下の３７℃で２００ｒｐｍにて振とうし、ＯＤ６００が２．２に達するまで行った。培養終了後、１５００ｘｇで３分間遠心分離を行い、菌体から培地を除去した。回収したペレットを１００ｍＭ  リン酸緩衝液で２回洗浄し、最終的にＯＤ６００が１００となるように１００ｍＭ  リン酸緩衝液に懸濁した。
【００５８】
生成された電子の測定は、３電極方式にて行った。測定条件を以下に示す。
好気条件
電気化学測定システム：北斗電工製ＨＺ−３０００
作用極：カーボンフェルト(φ５ ｍｍ、厚み １．５ｍｍ、東レ製)
対極：白金ワイヤ
参照極：銀／塩化銀
【００５９】
電解反応を効率よく行うために小型のセルを用い、アノード相と、対極と参照極を入れたカソード相を分離し、飽和ＫＣｌの塩橋でアノード相とカソード相を通電させた。
【００６０】
電解のための定電位測定はフェリシアン化カリウムが十分に酸化される電位である＋０．５ Ｖ ｖｓ． Ａｇ／ＡｇＣｌに設定した。また、本実験例で用いたセルの電解効率を調べるためにフェロシアン化カリウムの酸化反応を行った。その結果、８７．８％±２．１％（ｎ ＝ ３）という電解効率であることが分かった。８７．８％を本実験例における「セル定数」と定義する。
【００６１】
A. acetiとE. coliを混合し、エタノールを基質とした電気化学的酸化反応を試みた結果を図５に示す。図５における対照群１とは、フェリシアン化カリウムを投入しただけの場合の電流−時間曲線である。また、図５における試験群１とは、フェリシアン化カリウムとエタノールを投入した場合の電流−時間曲線（実線）と電荷−時間曲線（破線）である。
【００６２】
図５の電荷−時間曲線に示した差分の電子数は、エタノールの酸化分を示す。８０００秒経過後の差分のクーロンは７２Ｃであった。アノード相へ投入されたエタノールのモル数（８０ｎｍｏｌ）から換算すると理論値である１２電子酸化換算で９３Ｃ （約 ８０ｘ１０−９ ｘ ９６４８５ｘ１２）であり、本反応系では、１０．４電子程度が酸化反応していることが分かった（＝ ７２／９３ｘ１２ｘ１００／８７．８）。これは、エタノールが二酸化炭素まで分解された場合の理論値に対して、８６％の回収率である。
【００６３】
図６Ａには、A. acetiによるエタノール酸化反応の電流−時間曲線（実線）と電荷−時間曲線（破線）を示す。また、図６Ｂには、E. coliによる酢酸の酸化反応の電流−時間曲線（実線）と電荷−時間曲線（破線）を示す。なお、図６Ｂには、フェリシアン化カリウムを投入しただけの場合の電流−時間曲線（実線）も合わせて示す。投入したエタノールのモル数（８０ｎｍｏｌ）から換算すると４電子酸化換算で３１Ｃ（約８０ｘ１０−９ｘ９６４８５ｘ４）であるため、A. acetiによるエタノール酸化反応で３．１電子（２１／３１ｘ４ｘ１００／８７．８）が回収できていると考えられる。また、酢酸については、８電子酸化換算で６２Ｃ（約８０ｘ１０−９ｘ９６４８５ｘ８）であることから、E. coliによる酢酸の酸化反応で７．０電子（４８／６２ｘ４ｘ１００／８７．８）の反応量が回収できていると考えられる。
【００６４】
本実験例の結果から、２種類の微生物を同一の空間に収容して有機物を連続的に分解することによって、理論上回収される電子数に近い８６％という回収率で電子を回収できることが示された。また、これまでの微生物を用いた電子を生成する反応系では、数日単位といった長時間ものが多いが、本実験例では、数時間で主な反応が進行していた。
【００６５】
本実施例においてはデータを示していないが、A.acetiによる酢酸の酸化反応とE. coliによるエタノール酸化反応は共に観察されなかった。従って、A.acetiによるエタノールの酸化反応量とE. coliによる酢酸の酸化反応量を合わせたものが本実施例で測定された酸化反応量がであることを示しており、図４のスキームに示すように、２種類の微生物の各々が、異なる基質を分解して電子を生成していることが確認された。
【００６６】
＜実験例２＞
２．Gluconobacter oxydansとEscherichia coliを用いたエタノールの分解による電子の生成
本実験例では、第１の微生物として、Gluconobacter oxydans (G. oxy)を用い、第２の微生物として実験例１と同様にE. coliを用い、これら２種類の微生物の有機物の分解によって生じる電子を測定した。
【００６７】
本実験例では、有機物としてエタノールを用いた。図７に本実験例における電子生成のスキームを示す。本実験例においても、電子メディエータとしてフェリシアン化カリウムを用いた。また、生成された電子の測定条件は、実験例１と同様である。
【００６８】
G. oxyは、実験例１で用いたA.acetiと同様にエタノールを分解して酢酸を生成するがA. acetiとはゲノム系統的に全く異なる菌である。G. oxyについては、培地（３０ｍｌ／ｌ  エタノール、５ｇ／ｌ  Ｂａｃｔｏｐｅｐｔｏｎ、５ｇ／ｌ  ｙｅａｓｔ ｅｘｔｒａｃｔｓ、１ｇ／ｌ  硫酸マグネシウム）を用い、好気条件下の２５℃で２００ｒｐｍにて振とうし、ＯＤ６００が０．２に達するまで行った。培養終了後、１５００ｘｇで３分間遠心分離を行い、菌体から培地を除去した。回収したペレットを１００ｍＭ  リン酸緩衝液で２回洗浄し、最終的にＯＤ６００が７０となるように１００ｍＭ  リン酸緩衝液に懸濁した。E. coliの調製については実験例１と同様に行った。
【００６９】
A. acetiとE. coliを混合させた状態でエタノールを基質とした電気化学的酸化反応を試みた結果を図８に示す。図８において、対照群２は、フェリシアン化カリウムのみが投入された場合の電流−時間曲線（実線）である。試験群２は、フェリシアン化カリウムとエタノールが投入された場合の電流−時間曲線（実線）と電荷−時間曲線（破線）である。
【００７０】
本実験例での反応では、１２電子酸化換算で理論値が９３Ｃであるため、本反応系により８．７電子が酸化反応していることが示された（＝５９／９３ｘ１２ｘ１００／８７．８）。実験例１の微生物の組み合わせに比べると、反応量は少ないものの、エタノールから酢酸への反応量（４電子）を上回る反応量であり、本実験例で用いた微生物の組み合わせでもエタノールの連続的な分解と、それに伴う電子の生成が行われていることが示された。また、実験例２で用いたG.oxyと実験例１で用いたA.acetiでは、有機物として同じエタノールを用いた場合であっても、電子の生成量に差が生じることが示された。
【００７１】
実験例１の図６Ａと同様にG. oxyによるエタノールの酸化反応を測定した結果は、１．９電子反応であった。この結果から、G. oxyによるエタノール酸化反応量とE. coliによる酢酸酸化反応量の合計が反応系全体の反応量であることが確認された。従って、本実験例においても、２種類の微生物による有機物の連続的な分解が行われ、分解工程の各段階で電子が生成されていることが示された。
【００７２】
更に、本実験例の結果から、複数種類の微生物を組み合わせて有機物を分解し電子を生成させることは、実験例１に示すA. acetiとE. coliの組み合わせ以外の微生物の組み合わせであっても成立することが確認された。
【符号の説明】
【００７３】
１：電子デバイス
１１：微生物燃料電池
１２：バイオセンサ
２１：第１の微生物
２２：第２の微生物
３：電極
３１：アノード
３２：作用極
４１：カソード
４２：参照極
５：セパレータ
６１、６２：筐体
６１１、６２１：開口部
７：気液分離膜
８：外部抵抗
９：電気化学測定装置
【図１】
2015060771.tif 000003
【図２】
2015060771.tif 000004
【図３】
2015060771.tif 000005
【図４】
2015060771.tif 000006
【図５】
2015060771.tif 000007
【図６】
2015060771.tif 000008
【図７】
2015060771.tif 000009
【図８】
2015060771.tif 000010