Journal of Environmental Biotechnology（環境バイオテクノロジー学会誌）
Vol. 13, No. 2, 117–123, 2013

総

説（一般）

海洋環境における脱ハロゲン呼吸細菌
Organohalide Respiring Bacteria in Marine Environment二神

泰基 1,2*，諸野祐樹 2，稲垣史生 2Taiki Futagami *, Yuki Morono and Fumio Inagaki2
1,2

2

九州大学 大学院農学研究院 生命機能科学部門 〒 814–8581 福岡県福岡市東区箱崎 6–10–1
独立行政法人海洋研究開発機構 高知コア研究所 地下生命圏研究グループ 〒 783–8502 高知県南国市物部乙 200* TEL: 092–642–3955 FAX: 092–642–3959* E-mail: futagami@brs.kyushu-u.ac.jp
1
Department of Bioscience and Biotechnology, Kyushu University, 6–10–1 Hakozaki, Fukuoka 812–8581, Japan
2
Geomicrobiology Group, Kochi Institute for Core Sample Research, Japan Agency for Marine Earth Science andTechnology (JAMSTEC), Monobe B200, Nankoku, Kochi 783–8502, Japan
1

2

キーワード：有機ハロゲン化合物，還元的デハロゲナーゼ，脱ハロゲン呼吸
Key words: Organohalide, Reductive dehalogenase, Organohalide respiration
（原稿受付

1.

2013 年 11 月 15 日／原稿受理

はじめに

脱ハロゲン呼吸とは，有機ハロゲン化合物を最終電子受容体としてエネルギーを獲得する嫌気呼吸である。脱ハロゲン呼吸によって生育する能力は，今日までにChloroflexi，Firmicutes， お よ び Proteobacteria 門 の 細菌に見出されてきた。本呼吸鎖の末端レダクターゼである還元的デハロゲナーゼ（reductive dehalogenase, RdhA）
は，その最終電子伝達反応により，有機ハロゲン化合物
を還元的に脱ハロゲン化する。例えば，テトラクロロエ
テン（PCE）を，トリクロロエテン（TCE），ジクロロエテン（おもに cis- ジクロロエテン，cis-DCE），塩化ビニル（VC），エテンへと塩素原子を水素原子に順次置換して，無毒化することができる（図 1）。RdhA による反応は，オキシゲナーゼによる酸化分解と比較して，より高度に塩素化された基質の脱ハロゲン化を得意とする傾向がある 7,18)。よって，脱ハロゲン呼吸は，PCE のようなポリ塩素化合物による環境汚染の修復において重要な反応であり，実際に，塩素化エテン類による土壌や地下水の汚染の修復に利用されている 40,56)。これらの脱ハロゲン呼吸細菌は，もともとは自然環境中に存在する有機ハロゲン化合物を用いる微生物から進化してきたものと推測されている。近年，環境中での脱ハロゲン呼吸細菌の生態や，その進化過程に関する知見も少しずつ集積しつつある。本稿では，まず，重要な機能遺伝子である
RdhA の諸性質について解説した後に，自然環境のなかでも海洋環境における脱ハロゲン呼吸に焦点を当てたい。

2013 年 11 月 22 日）

2.

還元的デハロゲナーゼの諸性質と進化

脱ハロゲン呼吸細菌が基質とするハロゲン化合物は株レベルで異なっており，これは保持している RdhA の違いによると考えられる。図 2 に，これまでに基質が明らかにされている主要な RdhA についてまとめた。例
えば，Desulfitobacterium hafniense Y51 株は PCE デハ
ロゲナーゼ（PceA）により PCE と TCE を cis-DCE へと脱塩素化する 61,62)。同様の PceA を有する Desulfitobacterium hafniense TCE1 株と Dehalobacter restrictus
PER-K23 株も同様の脱塩素化反応を行う 44)。一方，Desulfitobacterium hafniense DCB-2 株は PceA を保持しておらず PCE を効率よく脱塩素化できないが，クロロフェ
ノールデハロゲナーゼ（CprA）によりクロロフェノー
ル類を脱塩素化することができる 13,34)。バイオレメディ
エーションにおいて，これらの RdhA は，脱ハロゲン
呼吸のバイオマーカーとして重要なため，リアルタイム
PCR 法などによる定量的検出法が開発されている 14)。
いくつかの例外を除いて，これまでに生化学的性質が解析された還元的デハロゲナーゼは以下の特徴を有している 29,59)。まず，N 末端に Tat（twin arginine translocation）システムにより認識されるシグナル配列が存在する。Tat システムは細胞内外膜間への蛋白質輸送系であり，例えば，D. hafniense Y51 株の PceA はペリプラズ
ムに局在することが確認されている 62)。次に，補因子として 1 つのコリノイドと 2 つの鉄 - 硫黄クラスターを有している。コリノイドはコリン環を主要骨格とする化合物であり，代表的なものにコバルト（Co）錯体である
ビタミン B12 が挙げられる。還元型のコリノイドは単独でも脱塩素化活性を有することやコリノイド阻害剤であ

118

二神

他

図 1．クロロエテン類の還元的脱ハロゲン反応．

図 2．還元的デハロゲナーゼの系統樹．
系統樹は NJ 法によって作成された．それぞれの反応は，あくまで代表的な反応であり，例えば，S. multivoransと D. hafniense PCE-S 株の PceA は臭素化エテン類も脱臭素化する 79)．PCE: tetrachloroethene, TCE: trichloroethene, DCE: dichloroethene, VC: vinyl chloride, ETH: ethene, DCA: dichloroethane, CP: chlorophenol, 3Cl4OHPA:
3-chloro-4-hydroxyphenylacetate, 4-OHPA: 4-hydroxyphenylacetate, TeCB: tetrachlorobenzene, TCB: trirachlorobenzene.

るヨウ化プロピルにより還元的デハロゲナーゼの活性が阻害されることから，コリノイドが脱ハロゲン化反応の活性中心とされる 6,48,53,62)。コリノイドは，S. multivoransから唯一結晶構造が解析され，Norpseudovitamin B12 で
あ る こ と が 示 さ れ て い る 38)。 ま た，S. multivorans のPceA の脱ハロゲン活性は，コリノイド単独での反応と比べておよそ 4800 倍と見積もられている 38,47,54)。還元的
デハロゲナーゼの反応機構として，コリノイドと鉄 - 硫
黄クラスターが関与するモデルが提示されている。反応機構については，図書と総説を参照していただきたい 19,28)。
これまでに明らかになっている還元的デハロゲナーゼの相同性と基質特異性における関係を図 3 に例示した。
まず，関係①として，Dehalobacter restrictus PER-K23
株，D. hafniense Y51，TCE1，および PCE-S 株の PceAと，S. multivorans の PceA は，同様に PCE と TCE を
cis-DCE へと脱塩素化するが，互いの相同性は 27％と低い。その一方で，関係②として，Desulfitobacterium

dichloroeliminans DCA1 株 の DcaA は，Dehalobacter
restrictus PER-K23 株，D. hafniense Y51，TCE1，および PCE-S 株の PceA とおよそ 90％の比較的高い相同性を示すが，基質特異性が異なる。PceA は，水素化分解（hydrogenolysis）により PCE を cis-DCE へと脱塩素化するが，DcaA は，二塩素除去反応（dichloroelimination）
により，1,2- ジクロロエタンの 2 つの塩素原子を同時に除去し，エテンに変換する。DcaA は，1,2- ジクロロエ
タンに 30 年以上汚染されていた地下水に由来する集積
培養物のメタゲノムからも見つかっており，1,2- ジクロ
ロエタンへの曝露が DcaA の進化過程に関与した可能性が指摘されている 16,45)。PceA に対する DcaA の進化速
度 を Nei と Gojobori の 方 法 を 用 い て 評 価 し た 結 果，
DcaA の進化過程において，生存に有利な変異が蓄積する自然選択が働いたことが示されている。さらに，関係③として，99％以上の高い相同性をもつ PceA が属の異なる宿主に存在することが挙げられる。これは，pceA
遺伝子の水平伝播の可能性を示しており，実際に，D.

海洋環境における脱ハロゲン呼吸

119

図 3．還元的デハロゲナーゼに見られる関係の概略．

hafniense Y51 株の PCE デハロゲナーゼ遺伝子クラス
ター（pceABCT）は ISDesp1 と ISDesp2 の 2 つの相同な IS 因子に挟まれており，複合トランスポゾンを形成している 22,23)。微生物の迅速な環境適応や機能進化の過程には転移因子による遺伝子の重複や水平伝播が重要な役割を担っている場合が多いが 65,69)，RdhA に関してもこれらの現象が関与していると考えられる。以上を踏まえて，次項から海洋環境中の脱ハロゲン呼吸に関する知見を記述したい。
3.

海洋環境中の有機ハロゲン化合物

産業界においては，有用な化学物質として，クロロエ
タン類，クロロエテン類，クロロメタン類，クロロベン
ゼン類，ポリ塩化ビフェニル類などの様々な有機塩素化合物が大量に製造されてきた 12)。一方，自然環境下においても生物地球化学的反応に起因する有機ハロゲン化合物が生産される。今日までにおよそ 4000 種類の自然環境に由来する有機ハロゲン化合物（そのほとんどは，臭素あるいは塩素化合物）が同定されている 24,25)。細菌，
糸状菌，植物，海綿，蠕虫，昆虫，動物などによる生物
生産や，森林火災や火山活動による生産が知られている。
生物起源の有機ハロゲン化合物は，とくに海洋性の軟体動物，藻類，多毛類，クラゲ，海綿などから多く同定されている 24,25)。例えば， PCE と TCE も，海洋性藻類から検出されている 50)。また，海綿は，有機ハロゲン化合物を二次代謝物として大量に生産し，とくに臭素化合物はその乾燥菌体重量の 10％以上におよぶ 63,67)。具体的には，臭素化合物としてブロモインドール，ブロモフェ
ノール，ポリ臭素化ジフェニルエーテル，臭素化ジベン
ゾ -p- ダイオキシンなどを生産することが知られており，これらは魚類などの捕食者に対する化学防除や生物付着を防ぐために生産すると考えられている 9,17,27,57,77)。
これらの自然環境に由来する有機ハロゲン化合物は，人工のものと同様に，海洋環境の頂点捕食者に高濃度に蓄

二神

120

他

積することも知られている 70–72)。また，これらの自然由
来の有機ハロゲン化合物は，人工の有機ハロゲン化合物
が環境中に放出する以前から存在していたことから，脱ハロゲン呼吸細菌の起源を考察する上で重要であると考
えられる。
4.

海洋環境における還元的脱ハロゲン活性1988 年 に， 海 岸 堆 積 物 に お い て 2,4- ジ ブ ロ モ フ ェ
ノールが微生物によって脱臭素化されることが King に
よってはじめて報告された 35)。その後，今日までに海洋 環 境（ 汽 水 域 を 含 む ） か ら Desulfovibrio，Desulfomonile，Dehalobium， Dehalococcoides 属などの脱ハロ
ゲン呼吸細菌が分離されている。まず，ニューヨーク州
ニュージャージー港のアーサー・キル（海峡）から分離された Desulfovibrio sp. TBP-1 株は，2,4,6- トリブロモ
フェノールを電子受容体として生育する 8)。また，フロリダの海洋堆積物から分離された Desulfomonile limimaris DCB-M 株，および DCB-F 株は，3- クロロ安息
香酸を安息香酸へと脱塩素化する 60)。一方，Dehalobium 属 と Dehalococcoides 属 は，Chloroflexi 門 の Dehalococcoidetes 目（Subphylum II） に 分 類 さ れ る 30,41,58)。
これまでに Chloroflexi 門から分離されたすべての脱ハロゲン呼吸細菌は，脱ハロゲン呼吸のみをエネルギー生
産系としてもつことが知られている。米国サウスカロラ
イナ州のチャールストン港から分離された Dehalobium
chlorocoercia DF-1 株は，ポリ塩化ビフェニル類を脱塩素化する 46,78)。また，サンフランシスコ湾から分離された Dehalococcoides mccartyi MB 株 は，PCE を trans1,2-DCE へと脱塩素化する 11)。一方，最近，海洋堆積物
中の Dehalococcoidia 綱のシングルセルゲノム解析が行われた結果，rdhA が見出されなかったことから，脱ハロゲン呼吸とは異なるエネルギー獲得系をもつ
Dehalococcoidia 綱も存在する可能性が指摘されている 74)。
また，分離されていないが，分子生態学的手法により汽水域や干潟堆積物に還元的脱ハロゲン反応を行う
Chloroflexi 門が検出されている 15,36,76,80)。深海の海洋堆積物にも Chloroflexi 門が優先種のひとつとして検出されており，その一部は Subphylum II に分類されるため，脱ハロゲン呼吸が起きている可能性が示唆された 1,31,32)。
さらに，機能遺伝子である rdhA のホモログがペルー
沖，東太平洋赤道域，ファンデフカ海盆，下北半島沖，
南海トラフの，調査されたすべての地点から検出された（図 4）20,21)。もっとも深い試料は，358 mbsf，およそ 46
万年前の堆積物である 5)。この事は 46 万年前に脱ハロ
ゲン呼吸細菌が存在していた可能性も示し，脱ハロゲン
微生物の進化に興味が持たれる。なお，南海トラフの比較的浅い試料（4.7 mbsf）から 2,4,6- トリブロモフェ
ノールの脱臭素活性が検出されているが，海洋堆積物の深部試料には脱ハロゲン活性は検出されていない 20,21)。
海底下深部の微生物の世代時間は数百年から数千年と言われており，代謝活動が非常に低いことにより活性が検出されなかった可能性がある 33,51)。
海洋環境におけるハロゲン循環に脱ハロゲン呼吸細菌が関与する例として，臭素化フェノールを生産する海洋性海綿 Aplysina aerophoba と共生する脱臭素微生物が図 4．海洋堆積物中の rdhA ホモログ遺伝子の検出．
（A）サンプリング地点 .（B）PCR による rdhA ホモログ
遺伝子の検出結果．

よく研究されている 4,26)。本微生物群集からは，rdhA ホ
モログ遺伝子も検出されている。さらに，本海綿から脱臭 素 細 菌 Desulfoluna spongiiphila AA1 株 が 分 離 さ れた 3)。また，有機ハロゲン化合物を生産するギボシムシ
か ら，2,4,6- ト リ ブ ロ モ フ ェ ノ ー ル を 脱 臭 素 化 す る
Propionigenium maris DSL-1 株と ML-1 株が見つかっている 75)。以上のように，海洋環境における脱ハロゲン化
反応には，臭素化合物に関する報告がおおく見られる。
実際に，環境修復の観点から陸域において分離された脱ハロゲン呼吸細菌においても，有機塩素化合物だけでなく有機臭素化合物も分解することが見出されている。例
えば，Dehalococcoides mccartyi CBDB1 株の場合では，塩素化ベンゼン類よりも臭素化ベンゼン類に対するより広い脱ハロゲン活性をもつことが示された 2,73)。また，S.
multivorans と D. hafniense PCE-S 株の PceA も，クロ
ロエテン類の RdhA として同定されたが，その後，臭素化エテン類も脱臭素化することが明らかになっている 79)。

海洋環境における脱ハロゲン呼吸

5.

おわりに

本稿では海洋環境における脱ハロゲン呼吸細菌に関する知見を紹介したが，陸域においても同様に，脱ハロゲ
ン呼吸細菌が自然由来の有機ハロゲン化合物の分解に関わることが明らかになりつつある。例として，担子菌が産 生 す る 塩 素 化 ハ イ ド ロ キ ノ ン 代 謝 物 をDesulfitobacterium 属細菌が脱塩素化することが報告されている 49)。また，自然環境中の有機ハロゲン化合物とDehalococcoides-like Chloroflexi の量に正の相関関係があることが示されている 39)。
最近，好気性細菌 Comamonas sp. 7D-2 から RdhA ド
メインと NAD(P)H-dependent oxidoreductase ドメインからなる新規なデハロゲナーゼが同定され，新しいタイプの RdhA が海洋性 Proteobacteria 門に広く存在することが示唆された 10)。このことから，RdhA による脱ハロゲ
ン反応は，海洋環境中のハロゲン循環に，より多様な場面で関わっている可能性がある。さらに，海底堆積物のメタゲノム解析によって多様な rdhA ホモログの存在が定量的に明らかになりつつある。今後，脱ハロゲン呼吸
細菌のハロゲン循環への寄与の程度や，多様な rdhA ホ
モログの機能などが解明されることが期待される。
謝辞

本研究は，九州大学古川謙介名誉教授のもとで行った脱ハロゲン呼吸に関する研究が基礎になっております。
ここに，心より感謝申し上げます。
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