Journal of Environmental Biotechnology（環境バイオテクノロジー学会誌）
Vol. 13, No. 2, 69–77, 2013

総

説（特集）

植物根圏での植物と微生物の相互作用による化学物質の分解
Biodegradation of Organic Chemicals in the Rhizosphere by Plant-Bacteria Interactions
遠山忠 *，田中靖浩，森一博

Tadashi Toyama, Yasuhiro Tanaka and Kazuhiro Mori
山梨大学大学院医学工学総合研究部 〒 400–5811 山梨県甲府市武田 4–3–11* TEL: 055–220–8346* E-mail: ttohyama@yamanashi.ac.jp
Department of Research, Interdisciplinary Graduate School of Medicine and Engineering, University of Yamanashi,
4-3-11 Takeda, Kofu, Yamanashi 400-8511, Japan
キーワード：根圏，内分泌撹乱化学物質，多環芳香族化合物，微生物分解
Key words: rhizosphere, endocrine-disrupting chemicals, polycyclic aromatic hydrocarbons, biodegradation
（原稿受付

1.

2013 年 11 月 5 日／原稿受理

はじめに

植物は，地球に降り注ぐ太陽光のエネルギーを利用し，大気中から二酸化炭素を固定して自らのバイオマスをつくりながら生育する生物である。このような植物を再生可能な浄化触媒として利用した環境保全・浄化技術
は，外部からのエネルギー投入が極めて少ない省エネル
ギー性と高い経済性を併せ持った技術であると同時に，環境適合性も有する環境技術といえる。一方，植物バイ
オマスの再生可能エネルギーとしての価値が高まってきており，環境浄化プロセスから必然的に生じる植物バイ
オマスを燃料や各種素材の原料として利用するというバ
イオマスエネルギー・資源生産のコベネフィットな側面も含めると，植物利用型環境技術は 21 世紀の持続可能な低炭素社会を構築するための一つの理想的なオプションといえる。
植物の環境保全・浄化への利用は，植生浄化法，人工湿地法やファイトレメディエーションと呼ばれる実用レベルの技術になっている。その基本的な浄化メカニズム
は，植物が光合成によるバイオマス合成に伴って水中や土壌中から窒素，リンなどの栄養塩類やカドミウム，
鉛，ニッケル，銅などの重金属類をその体内に取り込む作用である。このような独立栄養プロセスを基本とした
植物利用技術の浄化ターゲットは無機元素に限定され，各種有機化合物に対しては効果がないものとされてきた。これは独立栄養生物である植物を利用していることの宿命であるといえる。しかし，筆者らの研究グループ
では，モデル植物として浮遊水生植物のウキクサや抽水植物のヨシを用いた研究を実施するなかで，フェノール
やアニリンなどの単純な分子構造を持つ単環芳香族化合物 17)，2,4- ジクロロフェノールなどの塩素芳香族化合物 17)，2,4- ジニトロフェノールなどのニトロ芳香族化合2013 年 11 月 12 日）

物 8)，ピレンやベンゾ［a］ピレンなどの多環芳香族化合物 21)，ビスフェノール A やノニルフェノールなどの内分泌撹乱化学物質 18,20,23)，さらに直鎖アルキルベンゼ
ンスルホン酸やノニルフェノールポリエトキシレートなどの合成界面活性剤 11) など多様な化学物質が水生植物の根圏において効率よく分解されていることをつきとめた。ここでの根圏とは植物の根の周辺部を指しており，「植物の根からの影響を受ける領域」と定義されている 1,3,15)。さらに，その水生植物根圏には芳香族化合物を分解する微生物が選択的に集積され，高密度で存在していること，これまでにほとんど報告例のない化学物質分解菌が生息していることなどを明らかにしてきた。すな
わち，水生植物の根圏では，光独立栄養的な植物作用だ
けでなく，根圏微生物の従属栄養的な有機物分解も活発に働いていることが考えられる。このような植物と根圏
微生物の相互作用を積極的に利用した環境保全・浄化技
術は根圏浄化法（リゾレメディエーション）といわれ，植生浄化やファイトレメディエーションの適応範囲を有機汚染にまで拡大し得る環境浄化技術として注目されるようになってきた 15)。
ここでは，我々の研究グループが実施してきた水生植物を利用した根圏浄化法に関する研究のうち，ヨシと根圏微生物の協働作用による内分泌撹乱化学物質と多環芳香族化合物の効率的な分解について，その現象とメカニ
ズムを解説するとともに，その根圏浄化技術の廃水処理への応用可能性について紹介したい。
2.

ヨシ根圏での内分泌撹乱化学物質と多環芳香族化合物の分解

ここでの浄化ターゲットには内分泌撹乱化学物質としてビスフェノール A，ノニルフェノールと 4-tert- ブチ

70

遠山

ルフェノールを，多環芳香族化合物としてピレンとベン
ゾ［a］ピレンを選択した（図 1）。過去に内分泌撹乱化学物質あるいは多環芳香族化合物による重度な汚染歴がない自然の水域からヨシとその根圏底質を実験室に持ち帰り，バイアル瓶に植え付けてヨシ植栽根圏底質を再現した。そこにノニルフェノール（最終濃度 25 mg/kg dry
sediment），ビスフェノール A（25 mg/kg dry sediment），
4-tert- ブチルフェノール（25 mg/kg dry sediment），ピレ ン（40 mg/kg dry sediment） と ベ ン ゾ［a］ ピ レ ン（40 mg/kg dry sediment）をそれぞれ混合した後，これらのヨシ植栽根圏底質を人工気象室（温度 28°C，光強度 80 μmol/m2/s，光サイクル 16 h 明 /8 h 暗）で静置培養した。そのバイアル瓶の底質から化学物質を抽出（内分泌撹乱化学物質の場合は酢酸エチル / ヘキサン混合
溶媒を用いた抽出，多環芳香族化合物の場合はジクロロ
メタン / メタノール混合溶媒を用いた抽出，多環芳香族化合物抽出の場合はジクロロメタン / メタノール混
合溶媒を用いた往復振とう 20 min，超音波処理 20 min，
再往復振とう 20 min）してその濃度をモニタリングした。対照実験として，ヨシ植生から 3 m 以上離れた同じ水域の非植生帯の底質（非根圏底質）を用いた同様の実験を実施した。その結果，ヨシ植栽根圏底質では 42日間の実験期間中に，添加したビスフェノール A の

図 1．ビスフェノール A，ノニルフェノール，4-tert- ブチルフェ
ノール，ピレンとベンゾ［a］ピレンの分子構造

他

90％，ノニルフェノールの 51％，4-tert- ブチルフェノー
ルの 91％が除去され，また，28 日間の実験期間中に添加したピレンの 51％，ベンゾ［a］ピレンの 62％が除去された（図 2）18,20,21,22)。一方，ヨシ植栽なしの非根圏底質を用いた実験での化学物質除去率は，ビスフェノール
A では 20％，ノニルフェノールでは 9.7％，4-tert- ブチ
ルフェノールでは 0％，ピレンでは 3％，ベンゾ［a］ピレンでは 13％であった（図 2）18,20,21,22)。このようにヨシ
植栽根圏底質はフェノール性内分泌撹乱化学物質と多環芳香族化合物に対して高い除去能を有していることが確認された。また，種子を次亜塩素酸溶液とエタノールで殺菌処理して無菌的に 2 ヶ月栽培したヨシをオートク
レーブ滅菌した根圏底質に植栽した。その無菌ヨシ植栽
底質において 5 種類の化学物質の濃度変化を調べた。その結果，微生物活性がないヨシ植生根圏底質では，いずれの場合も明確な濃度低下は確認されなかった（図2）18,20,21,22)。この結果から考えて，ヨシ植栽根圏で確認された 5 種類の化学物質に対する分解除去は，ヨシ自身
による吸収作用や分解作用ではなく，その根圏に存在す
る根圏微生物の分解作用であることが強く示唆された。
では，ヨシの根圏では，どのような微生物がどのようにして 5 種類の化学物質を効率的に分解しているのだろうか。一般論として植物においては，光合成によって生産された酸素と糖，アミノ酸やビタミンなどの有機物が根に輸送され，そこから植物外部の根圏へ分泌されることが知られている。このような酸素と有機物の供給によって，根圏に微生物が高密度に集積され，活性化されて い る こ と が 知 ら れ て お り， こ れ を 根 圏 効 果 と い
う 1,3,15)。そこで，根圏で繰り広げられている化学物質分解に係わるヨシと根圏微生物の協働作用を，（1）ヨシの根圏に集積する内分泌撹乱化学物質分解菌と多環芳香族化合物分解菌の特性，（2）ヨシによる根圏への酸素輸送の効果，（3）ヨシの根分泌物の微生物増殖基質としての効果と（4）ヨシの根分泌物による化学物質分解促進効
果に分けて紹介したい。

図 2．ヨシの根圏底質におけるビスフェノール A，ノニルフェノール，4-tert- ブチルフェノール，ピレンとベンゾ［a］ピレンの分解除去

植物根圏での植物と微生物の相互作用による化学物質の分解

3.

ヨシの根圏に集積する内分泌撹乱化学物質分解菌と多環芳香族化合物分解菌

ヨシ根圏では微生物作用によってフェノール性内分泌撹乱化学物質（ビスフェノール A，ノニルフェノールと4-tert- ブチルフェノール）と多環芳香族化合物（ピレンとベンゾ［a］ピレン）が効率よく分解されることが強く示唆されたことから，ヨシ根圏からそれらの化学物質
分解菌を取得することを試みた。前述の化学物質分解が見られたヨシの根圏底質混合物（根および底質）をトリ
ポリリン酸ナトリウム溶液（5 mg/L）とともに超音波処理して微生物を分散させた後，この懸濁液を各化学物
質が唯一の炭素源となるように調製した無機塩液体培地に添加して振とう培養した。このような液体培地での集積培養を数回繰り返した後，同寒天平板培地に塗布した。
この結果，ビスフェノール A 分解菌（Novosphingobium
sp. TYA1 株）18)，ノニルフェノール分解菌（Stenotrophomonas sp. IT1 株，Sphingobium sp. IT4 株）22)，4-tertブチルフェノール分解菌（Sphingobium fuliginis TIK1株）20) とピレン分解菌（Mycobacterium sp. IPF 株）21) を取得することに成功した。しかしながら，ベンゾ［a］
ピレンの有意な分解が見られた根圏底質からベンゾ［a］ピレンを唯一の炭素源として増殖する微生物は分離されなかった。ベンゾ［a］ピレン資化性細菌以外の微生物が根圏でのベンゾ［a］ピレン分解に寄与していたものと思われたが，これについては，「6．ヨシの根分
泌物による化学物質分解促進効果」で説明したい。一方，これらのヨシ根圏底質と同じ水域から採取した非根圏底質からは，内分泌撹乱化学物質分解菌とピレン分解菌の集積，分離は成功しなかった。
これまでにビスフェノール A 分解菌としてグラム陰性 細 菌 MVI 株 9)，Sphingomonas paucimobilis FJ4 株 5)や S. bisphenolicum AO1 株 13) などが分離されているが，今回根圏から分離された TYA1 株もこれらの既往分解菌と近縁種であった。ノニルフェノール分解菌として
Sphingobium 属や Sphingomonas 属などの Sphingomonad
細菌 3,4,16,24) がこれまでに報告されており，ヨシ根圏から分離された分解菌も同様に Sphingobium 属細菌であったが，新規な分解菌として Stenotrophomonas sp. IT1 株も分離された。4-tert- ブチルフェノールに関してはこれまでに微生物分解の報告は全くなく，今回のヨシ根圏での 4-tert- ブチルフェノール分解と分解菌の分離が初めて の 報 告 と な る。 ま た， ピ レ ン 分 解 菌 と し て
Mycobacterium 属細菌が分離されているが 11)，根圏から分離されたピレン分解菌も同属細菌であった。これまでに報告されているこれらの分解菌は，分解菌に対する化
学物質の高い選択圧が働いていた化学物質汚染現場や化学物質汚染廃水処理プラントから分離されるケースがほとんどであった。今回ヨシの根圏からこれまでに報告されているような難分解性化学物質分解菌や特殊な分解菌が分離できたことは，ヨシ根圏底質では何らかの影響が分解菌の集積に対してプラスの要因を与えていたものと考えられた。
続いて，ヨシ根圏から分離されたビスフェノール A
分解菌，ノニルフェノール分解菌，4-tert- ブチルフェ
ノール分解菌とピレン分解菌をそれぞれの化学物質を唯

71

一の炭素源として添加した無機塩培地で培養して分解実験を行い，それらの分解特性を調べた。ここで，ノニル
フェノールは純物質が入手しにくいため，分子構造が類似している 4-tert- オクチルフェノールを用いた。TYA1
株は液体培養において増殖を伴いながら 1 mM（228 mg/
L）BPA を 24 時間以内に分解した（図 3）18)。IT4 株は液体培地上に固体として浮遊している 5 mM（1030 mg/
L）4-tert- オクチルフェノールを炭素源として利用しな
がら 3 日以内に分解した（図 3）22)。TIK1 株は増殖を伴いながら 1 mM（150 mg/L）4-tert- ブチルフェノールを
12 時間以内に全て分解した（図 3）20)。そして IPF 株は増殖を伴いながら液体培地上に粉末として浮遊している
0.5 mM（101 mg/L）ピレンを 3 日以内に全て分解した（図 3）21)。これらの液体培地を用いた分解実験によって得られた分解速度は，いずれの場合も既報の分解菌と同等，あるいはそれ以上であり，ヨシ根圏から分離した分解菌は高い分解活性を有しているといえる。
さらに，それぞれの化学物質分解経路を確認するた
めに，分解過程において生成される代謝物を液体培地から抽出して GC-MS などで分析した。その結果，図 4のような経路で化学物質を分解していることが分かった 18,20–22)。すなわち，ビスフェノール A の分解では 2 つのフェノールを繋ぐアルカンの水酸化反応（骨格転移反応），ノニルフェノールと 4-tert- オクチルフェノールの分解ではフェノールの ipso 位の水酸化反応（ipso 置換反応），4-tert- ブチルフェノールの分解ではフェノールの 2 位の水酸化反応とそのカテコール生成物の環開裂反応，そしてピレンの分解では芳香環の水酸化とそのメタ開裂が重要な初発分解反応であることが分かった。
このようにヨシの根圏底質は，フェノール性内分泌撹
乱化学物質や多環芳香族化合物などに対して多様な修図 3．Novosphingobium sp. TYA1 によるビスフェノール A 分
解（■）と細胞増殖（○），Sphingobium sp. IT4 による
4-tert- オクチルフェノール分解（■）と細胞増殖（○），S.
fuliginis TIK1 による 4-tert- ブチルフェノール分解（■）と細胞増殖（○）と Mycobacterium sp. IPF 株によるピレン分解（■）と細胞増殖（○）

遠山

72

他

図 4．ビスフェノール A 分解経路，4-tert- オクチルフェノール分解経路，4-tert- ブチルフェノール分解経路とピレン分解経路

飾・分解活性を有する優れた浄化触媒である微生物が集積するホットスポットであるといえる。
4.

ヨシによる根圏への酸素輸送の効果

ここではヨシの水中および底質への酸素輸送を検討した。 実 験 室 で 3 ヶ月 栽 培 し た ヨ シ（ 地 上 部 約 5 g dryweight，根部約 1 g dry weight）を環境水で 2 週間栽培して環境水中の微生物をヨシの根に共生させた。そのヨシの根に付着している微生物をトリポリリン酸ナトリウム
溶 液（5 mg/L） 中 で の 超 音 波 処 理 と ボ ル テ ッ ク ス によって懸濁させて 1/100TS 寒天平板培地を用いてカウントしたところ，大よそ 1010 CFU/g dry root の密度で微生物がヨシの根に付着していた。そのヨシの根と微生物
共 生 系 を 広 口 瓶 に 入 れ， 植 物 栽 培 用 無 機 塩 培 地（Hoagland 培地）を広口瓶に満たした。あらかじめ二つの穴を開けておいたゴム栓の一つの穴にヨシを通し，もう一つに溶存酸素（DO）メーターをセットして広口瓶を密閉した。このヨシと微生物共生系を人工気象室（温度 28°C，光強度 80 μmol/m2/s，光サイクル 16 h 明 /8 h暗）で静置栽培しながら培養液中の DO 濃度を測定した。また，ヨシ地上部を切り取ったもの，つまり，光合成が起きないヨシの根と微生物の共生系を広口瓶に入れ同様に栽培し，これをコントロール実験とした。その結果，ヨシの水耕栽培槽では明暗のサイクルとほぼ連動した DO 濃度の上昇と低下が観察された（図 4）。一方，光合成が起きないようにしたコントロール実験では実験

期間を通じて培養液中の DO 濃度は低い状態のままであった（図 4）
。同様に，ヨシを底質で栽培し，その底質中の酸化還元ポテンシャル（ORP）をモニタリング
した（図 4）。その結果，ヨシ植栽底質中では，地上部の明条件と暗条件と連動するように ORP が上昇と下降，すなわち好気条件と嫌気条件を繰り返した。しかし，このような ORP の上昇と下降はヨシ地上部を切り取った
根圏底質では見られず，光合成が起きない根圏底質のORP は低い値のままであった。
この実験では，ヨシは光合成で生産した酸素と大気中から取り込んだ酸素の一部をその通気組織を通じて根圏へ活発に輸送し，根圏では地上部の光合成と連動するように好気性状態と嫌気性状態が繰り返される微生物生態系が形成されていることを実証したものといえる。ヨシは太く丈夫な根茎と微細なひげ根からなる根をネット状に広く伸ばしており，天然の酸素供給装置としての魅力がある。好気条件で反応が進みやすい微生物による化学
物質分解においては，このヨシの酸素輸送装置としての効果は大きいといえる。
5.

ヨシの根分泌物の微生物増殖基質としての効果

植物は光エネルギーを利用した物質代謝を通じて糖，
アミノ酸，脂肪酸や二次代謝物などの様々な有機物を生産するが，それらの一部は根分泌物として根圏に分泌されている 1,3,15)。ここでは，特に芳香族化合物の分解が促進されているという我々の先行実験の結果を考慮し，

植物根圏での植物と微生物の相互作用による化学物質の分解73

表 1．通常のヨシおよびピレン暴露したヨシの根分泌物の画分別成分とその分泌量

通常のヨシピレン暴露したヨシ

根分泌物の分泌量（mg/d/g root）
フェノール性物質
全有機物（TOC）（TOC に対する割合％）
水溶画分
根付着画分 全体
水溶画分
根付着画分
全体
44.5
24.9
69.4 0.0684（0.15） 0.523（2.10） 0.591（0.85）
47.8
60.6
108
0.592（1.24）
3.04（5.02） 3.63（3.35）

フェノール性物質に焦点を当ててヨシの根の分泌物を調べた。
種子を殺菌処理して 2 ヶ月間無菌栽培したヨシを滅菌
超純水で 1 日静置培養することでヨシの根分泌物を溶出させた。これを水溶画分とした。また，根表面に付着して滅菌超純水に溶出しなかった成分を超音波処理とボルテックス処理によって回収し，これを根付着画分とした。この両画分の根分泌物の全有機炭素（TOC）と全フェノール性物質（4- アミノアンピチリン法により検出されるフェノール性物質群）を測定した。その結果，
ヨシは両画分を合わせて有機物として 69.4 mg-TOC/g
wet root/d，全フェノール性物質として 0.59 mg-phenol/g
wet root/d を分泌することが分かった（表 1）21)。ヨシの根の分泌物は TOC ベースで全体の 64％以上が水溶画分に存在していたのに対し，フェノール性物質ベースでは88％が根付着画分に存在していた。
ヨシはフェノール性物質を豊富に含む有機物を根から分泌しており，その大部分は水中に拡散することなく根の表面に蓄積している。そのため，根圏にはフェノール性物質を求めて集積する微生物も多いと予想される。ヨシでなないが，水生植物のウキクサの根圏に集積する微生物を調べたところ，培養法および非培養法を用いた微生物カウントにおいてフェノール性物質を分解する微生物が多く集積していることが明らかとなり，培養可能な
全従属栄養細菌の 40％程度がフェノール資化性を有しているという結果も得られている 17,19)。
続いて，ヨシの根分泌物が分離した化学物質分解菌の増殖基質として働いているのかを調べた。前述のように調製したヨシの根分泌物を唯一の炭素源となるように添加した無機塩培地で分解菌を培養したときと，各種増殖
基質を添加した無機塩培地で分解菌を培養したときの細胞増殖を比較した（図 5）。その結果，ヨシの根分泌物
はいずれの分解菌に対しても優れた細胞増殖基質として働くことが実証された。つまり，ヨシは光合成を駆動力とした炭素・エネルギー源供給装置として根圏微生物の増殖をサポートしていることが分かった。
6.

ヨシの根分泌物による化学物質分解促進効果

植物が根圏に分泌する有機物には微生物が炭素源，エネルギー源として利用しやすい糖やアミノ酸などに加えて，微生物の細胞内で生理活性物質として働くフェノー
ル性物質，フラボノイドやテルぺノイドなどが含まれている 1,3,15)。それらの生理活性物質の一部は化学物質分解
酵素生産の誘導基質（一次基質）として働き，共代謝分解が起こることが知られている 14)。ここでは，ヨシの根分泌物とピレン分解菌（IPF 株）によるベンゾ［a］ピ

図 5．ヨシの水耕栽培における根圏の溶存酸素変化とヨシの底質栽培における根圏の酸化還元電位変化

レンの共代謝分解について紹介したい。
ピレン（1 mg/L）を添加した Hoagland 培地で無菌ヨ
シを 1 週間栽培した後，そのヨシから根分泌物（水溶画分と根付着画分）を調製し，その成分を分析した。その結果，通常のヨシの根分泌物に比べ，ピレンに暴露したヨシが分泌する水溶画分および根付着画分の根分泌物中に含まれるフェノール性物質の割合が上昇した（表1）21)。また，この両画分を合わせた根分泌物を市販のカートリッジを用いてフェノール性物質を選択的に濃縮，回収して HPLC 分析した（図 6）21)。HPLC 分析に
よって得られたピークの成分特定には至らなかったものの，ピレン暴露ヨシの根分泌物と通常のヨシの根分泌物
は成分が異なることが確認された。続いて，ヨシの根分
泌物をピレン分解菌 IPF 株培養液に添加し，IPF 株の細胞増殖とピレン，ベンゾ［a］ピレン分解への効果を調べることを試みた。ピレンを添加した無機塩液体培地あ
るいはベンゾ［a］ピレンを添加した無機塩液体培地でIPF 株を培養し，そこに通常のヨシの根分泌物あるいはピレン暴露したヨシの根分泌物を添加した。これらを振とう培養しながら，IPF 株細胞密度の上昇とピレンまたはベンゾ［a］ピレンの濃度低下をモニタリングした（図 7）21)。その結果，ヨシの根分泌物を添加することによって IPF 株の細胞増殖とピレン分解が促進されるこ

74

遠山

とが明らかとなった。さらに，通常，IPF 株細胞は，それだけではベンゾ［a］ピレンを分解しないが，ヨシの根分泌物存在下でベンゾ［a］ピレンを分解することが観察された。さらに，通常のヨシの根分泌物に比べ，ピレン暴露したヨシの根分泌物を添加することにより，
IPF 株によるベンゾ［a］ピレンの分解速度が上昇する
ことが観察された。ベンゾ［a］ピレン分解酵素誘導に係わる成分の特定には至らなかったものの，ヨシが化学物質の暴露の有無によって根分泌物を変化させることを通じて根圏微生物の分解触媒作用を活性化していること，いわば，化学物質の存在を感知して分解菌活性化装置としての効果を増強しているという興味深い特徴が明らかとなった。これまでにベンゾ［a］ピレンを唯一の炭素源として資化する微生物の報告例はない 6,7)。我々の研究においても，ヨシ根圏でベンゾ［a］ピレンの明
確な分解は確認されたものの，ベンゾ［a］ピレン資化性細菌は根圏から分離されず，どのようにしてベンゾ［a］ピレンが分解されるのか疑問が残っていた。ここでその答えが見出された。すなわち，ヨシ根圏ではピレン分解菌が根分泌物を一次基質として利応しながら，ベンゾ［a］ピレンを共代謝的に効率よく分解していたものと示唆された。

図 6．根分泌物を利用した Sphingobium sp. IT4 の細胞増殖と S.
fuliginis TIK1 の細胞増殖

他

7.

ヨシと分解菌共生システムの廃水処理への応用に関する基礎的検討

ここでは 4-tert- ブチルフェノール分解菌 TIK1 株をヨシの根に再導入したヨシ -TIK1 共生システムを構築し，その内分泌撹乱化学物質廃水処理への応用性を検討した
例を紹介する 23)。
先の項で記述したとおり，TIK1 はヨシの根分泌物を利用して活発に増殖する。ここでは，まず，根分泌物によって増殖した TIK1 細胞が内分泌撹乱化学物質分解活性を十分に発揮するのかを検討した。4-tert- ブチルフェ
ノールあるいはヨシ根分泌物で増殖させた TIK1 株細胞を回収し，その細胞を無機塩培地に再懸濁して TIK1 株
細胞懸濁液を調製した。その細胞懸濁液にフェノール性内分泌撹乱化学物質としてアルキルフェノール類およびビスフェノール類をそれぞれ 1 物質ずつ添加して分解実験を行った。その結果，4-tert- ブチルフェノールまたは根分泌物のいずれの炭素源を利用して細胞合成した
TIK1 株も，アルキル基の炭素の数や構造にかかわらず幅広く多様なアルキルフェノール類を分解し，また，ビスフェノール A，ビスフェノール B やビスフェノール
S などの多様なビスフェノール類も分解した（表 2）23)。
このように TIK1 株はヨシの根分泌物を利用して増殖
し，アルキルフェノール類とビスフェノール類を幅広く分解する微生物材料であることが分かった。
次に，TIK1 株のヨシの根面への定着性を評価した。
無 菌 ヨ シ（ 地 上 部 1.5 g dry weight， 根 部 0.5 g dryweight） を 栽 培 し て い る Hoagland 培 地（500 mL） に
TIK1 を濁度が OD600=0.3 となるように接種して 1 時間静置した。その後，ヨシの根を滅菌 Hoagland 培地で 2回洗浄して余分な TIK1 株細胞を除去した。そのヨシを
無菌 Hoagland 培地（500 mL）で栽培し，24 時間ごとに Hoagland 培地を新しいものに換えることを 5 回繰り返す過程で TIK1 株の付着数をモニタリングした。TIK1
株 を 接 種 し て 洗 浄 し た 直 後 の ヨ シ の 根 に は 9×1010 CFU/g dry root の TIK1 株付着数が確認され，5 回の wash out を 経 た 5 日 後 の ヨ シ の 根 に お い て も 5×

図 7．ヨシ根分泌物の HPLC クロマトグラム

植物根圏での植物と微生物の相互作用による化学物質の分解

1011 CFU/g dry root の TIK1 株付着数が確認された。5日後にヨシの根に付着している TIK1 株の様子を LIVE/DEAD® BacLight 蛍光染色キットを用いて蛍光顕微鏡観
察したところ，オレンジ色に蛍光した根細胞に緑色に蛍

75

光した TIK1 株細胞がマイクコロニーのような高次立体構造体として部分的に高密度に付着していることが観察され，特に，成長活性が高い根先端に多く付着していた（図 9）23)。このように TIK1 株はヨシの根への付着，定図 8．根分泌物存在下における Mycobacterium sp. IPF 株によるピレン分解とベンゾ［a］ピレン分解

表 2．Sphingobium fuliginis TIK1 株が分解するフェノール性内分泌撹乱化学物質
アルキルフェノール類
物質名と分子構造
4-tert- ブチルフェノール

分解率（％）

ビスフェノール類
物質名と分子構造

分解率（％）

ビスフェノール A
100.0

4-sec- ブチルフェノール

100.0

ビスフェノール B
100.0

4-n- ブチルフェノール

99.0

ビスフェノール E
100.0

4-tert- オクチルフェノール

100.0

ビスフェノール F
100.0

4-n- オクチルフェノール

100.0

ビスフェノール P
100.0

分枝型ノニルフェノール

78.2

ビスフェノール S
64.0

4-n- ノニルフェノール
100.0

100.0

遠山

76

他

表 3．ヨシ -TIK1 共生システムリアクターと通常ヨシのコントロールリアクターによるフェノール性内分泌撹乱化学物質除去性能

ビスフェノール A
ビスフェノール S
4-tert- ブチルフェノール
4-tert- オクチルフェノール
ノニルフェノール

ヨシ -TIK1 共生リアクター除去率（％）
サイクル数
1
5
10
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100

コントロールリアクター除去率（％）
サイクル数
1
5
10
1.9
2.6
9.0
1.7
3.5
1.4
2.1
2.5
4.1
23.4
26.8
25.2
31.8
33.6
33.2

に近い条件において，ヨシ -TIK1 共生システムリアク
ターは内分泌撹乱化学物質に対する高い分解除去性能を持続的に発揮することが実証された。
6.

図 9．ヨシの根に付着した S. fuliginis TIK1 株の蛍光顕微鏡観察

着性も良い微生物材料であることが分かった。
TIK1 株の内分泌撹乱化学物質分解特性とヨシ根への定着性が分かったことから，ヨシと TIK1 株の共生システム（ヨシ -TIK1 共生システム）を用いたラボスケー
ルの内分泌撹乱化学物質複合廃水処理リアクターを試作した。ここでは実下水二次処理水に 5 種類の内分泌撹乱
化学物質（4-tert- ブチルフェノール 5 mg/L，4-tert- オ
クチルフェノール 2.5 mg/L，ノニルフェノール 2.5 mg/
L，ビスフェノール A 5 mg/L，ビスフェノール S 5 mg/L）を添加したものを内分泌撹乱化学物質複合汚染水とし た。 発 芽 後 3 ヶ 月 栽 培 し た ヨ シ（ 地 上 部 10 g dryweight，根部 2 g dry weight）の根に前述のとおり TIK1
株を接種して洗浄した後，広口瓶（1000-mL）に入れ，そこに内分泌撹乱化学物質複合廃水を 500 mL 入れた。
その 12 時間後にリアクター内の内分泌撹乱化学物質廃
水を全て取り除き，新しい内分泌撹乱化学物質複合廃水を入れた。このような廃水量を 500 mL，廃水滞留時間（処理時間）を 12 時間とした連続バッチ方式処理を 10サイクル繰り返した。これをヨシ -TIK1 共生システム
リアクターとした。また，TIK1 株を接種していないヨシを用いて同様の連続バッチ方式処理をしたものをコン
トロールリアクターとした。ヨシ -TIK1 共生リアクター
では，5 種類の内分泌撹乱化学物質が 12 時間内に全て分解され，この内分泌撹乱化学物質に対する 100％除去
率が 10 サイクルを通して安定に維持された（表 3）23)。
これに対して通常のヨシを用いたコントロールリアク
ターでは，ノニルフェノールと 4-tert- オクチルフェノー
ルに対する除去率が 20〜35％を示したものの，それ以外の内分泌撹乱化学物質に対しては有意な分解，除去は見られなかった（表 3）。10 サイクル終了後のコントロー
ルリアクターのヨシの根表面から高濃度のノニルフェ
ノールと 4-tert- オクチルフェノールが検出されたことから，コントロールリアクターで見られたこれらの除去
は根表面への吸着と示唆された。このように実廃水処理

おわりに

ヨシの根圏において，ヨシの光合成を原動力とした微生物集積作用と微生物活性化作用，その作用に連動した根圏微生物の化学物質分解作用によって，内分泌撹乱化
学物質や多環芳香族化合物をはじめとする様々な化学物
質の分解が促進されるメカニズムの一端が解明された。
これは，植物と微生物があたかも一体となり，光独立栄
養的な機能（有機物と酸素の生産）と従属栄養的な機能（有機化合物の分解）が連動して作用しているものといえる。このような根圏で繰り広げられている植物と微生物の協働作用については未だ解決されていない部分も多いが，従来の植物利用技術の欠点の一つとして指摘されていた有機化学物質汚染浄化能の低さを克服し，高効率で浄化処理が可能な根圏浄化システムの基礎を構築できたものといえる。
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