第１８０号（２０２２年６月１７日発行）

愛研技術通信掲 示 板

法令・告示・通知・最新記事・その他〇 微生物による金属腐食のブラックボックスを開ける～ 微生物腐食に対する新しい診断技術開発の可能性 ～2022年6月3日秋田大学報道発表資料抜粋
秋田大学、国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）、INPEX 技術研究所の共同研究グルー
プは、微生物腐食現象が顕在化している環境において複数種類の金属材料を22ヶ月間にわたり浸漬し、腐食状況（質量の減損に基づく腐食量）と微生物集団の変化（回収したバイオフィルムとサビから 抽出した DNA）を調べました。その結果、これまで未解明とされていた微生物腐食進行過程における微生物群集構造の変遷に関する新しい知見の獲得に成功しました。
【 背景 】
金属材料の腐食は多大な経済的損失を生み出し、金属腐食に関わる年間コストは日本国内だけでも5兆円（2015年試算）を超えるとされています。金属腐食は酸素や酸などの化学的要因によっても進行しますが、微生物が関わることでこの金属腐食が加速することが知られており、そのような金属腐食は特に微生物腐食と呼ばれます。
微生物が金属腐食現象に関わることは19世紀後期から認識されており、20世紀初期には金属腐食性の硫化水素ガスを発生する硫酸塩還元細菌が腐食の原因になるという提唱がされて以来、多くの技術者や研究者が硫酸塩還元細菌に注目してきました。これまでは腐食事例が発生した後に微生物試験を実施し、硫酸塩還元細菌の検出により当該微生物を原因菌とした微生物腐食と診断されることが慣例化してきましたが、近年、金属腐食環境において当該微生物が検出されないなどのケースも多くみられます（図1）。この診断方法には、事後的診断への依存と正確性の欠如という二つの欠陥があり、微生物腐食の診断が難しいことの要因にもなっています。
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近年、この微生物腐食の研究分野に微生物の専門家が参画し、微生物学の進歩も相まって、様々な新しい現象が見えてくるようになりました。特にDNA解析技術の向上により、金属腐食環境にどの様な微生物がどれくらいの割合で存在しているかを網羅的に解析できるようになったことで、その過程を把握することが可能になりました。
そこで、本研究では微生物腐食の正確かつ早期診断に必要な情報である金属腐食過程における微生物の動態を露わにするために、実際に微生物腐食が顕在化している実環境に様々な金属材料を長期間浸漬し、その腐食過程と微生物情報を関連付ける研究に取り組みました。

図1 従来の微生物腐食に対する微生物解析
従来の解析結果では、腐食が顕在化した後での情報に偏っており、最終的に腐食環境に多い微生物を原因微生物とする傾向があった。原因微生物が特定されないケースも多い。

【 成果 】
淡水環境の工業用水を取り扱う施設に9種類の金属材料を浸漬し、1、3、6、14、及び22ヶ月の時点で2セットずつ回収し、一つは重量減損から腐食量を算出し、もう一つの金属表面のバイオフィル
ム（ぬめり）とサビ（腐食生成物）の微生物解析を実施しました。微生物解析には、回収したバイオフィルムとサビからDNAを抽出し、その遺伝子配列を解析することでどのような微生物がどれくらい存在するかを調べる微生物群集構造解析を行いました。
炭素鋼、鋳鉄および低クロム含有鋼において顕著な重量減損が確認され、全面が一様に腐食される全面腐食が起こりました（図2）。それぞれの微生物群集構造を詳細に調べると、腐食の時間経過とともに微生物集団の中での主要微生物が、鉄酸化細菌→鉄還元細菌→硫酸塩還元細菌の順で変化していました（図3）。特に、金属腐食の原因微生物として注目される硫酸塩還元細菌が顕著に検出されるのは14ヶ月目以降であり、腐食がかなり進行した後でした。すなわち、硫酸塩還元細菌は金属腐食の初期には主要な微生物群ではなく、当該微生物の検出を目的とした方法では、微生物腐食の早期診断ができないことを示しています。

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図2 金属試験片の腐食外観と微生物群集構造の変化
浸漬1ヶ月後の時点で前面にサビが形成されており、サビの量は時間と共に増加するが22ヶ月後においても同様の赤茶色のサビが目視できる。一方で、サビの中の微生物群集構造は時間と共にダイナミックに変化する。

図3 金属腐食過程に対応した微生物解析
これまでブラックボックスになっていた腐食過程での微生物群集構造の変化を明らかにした。この情報があることで、微生物群集構造を見ることで金属材料の腐食のステージ（初期、中期、後期）を評価することも可能。また、耐食性のある材料を用いたケース（下段）では、金属材料が健全な時の微生物の変化と腐食が発生した時の違いについても明らかにした。

3また、比較的高いクロム含有量を持つ9%Cr鋼では、深い穴が形成される深刻な局所腐食が起こりました。この時、特定の硫黄酸化細菌が顕著に高い割合で存在しており、22ヶ月後においても硫酸塩還元細菌はほとんど検出されませんでした。当該の硫黄酸化細菌による金属腐食現象はこれまでに報告がなく、これまで微生物腐食の原因菌として注目されていた硫酸塩還元細菌が寄与しない新しい様式での微生物腐食現象を捉えることにも成功しました。
これまでの微生物腐食における研究では、金属腐食が顕在化した現場での事後的な解析や単一微生物を用いた実験室レベルでの腐食試験がほとんどでしたが、今回、長期間に渡り金属腐食挙動および微生物群集構造の変化を調べることで、ブラックボックスとなっていた実環境中での微生物腐食の動態を明らかにできました。
【 今後の展望 】
微生物による金属腐食現象は金属材料が罹患する微生物感染症として考えることで、微生物腐食が抱えている問題が明確になります（図4）。微生物腐食では、診断技術が未熟であるため早期診断が行えず、基本的に重症化してからの事後的な対応をすることが多く、腐食を未然に防止する防食技術に大きな依存があります。感染症において予防医療（ワクチン接種や生活習慣）に依存してコントロールしようとした場合、そこが破綻すると一気にパンデミックに向かうことを我々は既に体験しています。微生物腐食においても、防食という予防医療だけに傾倒せず、迅速で正確な早期診断とそれに基づく適切な処置が重症化を防ぐためには重要です。

図4 一般的な感染症と微生物腐食の比較
コントロール可能な感染症（左）では病原体が明らかであり、予防医療・診断技術・治療が確立されている。一方で、微生物腐食（右）では原因となる微生物の情報が少なく、診断技術も迅速性と正確性に問題があったため、予防医療に当たる防食でのコントロールに失敗すると深刻な腐食発生に繋がり、診断や処置に多大な時間と労力を要する。今回の成果で得られた微生物情報を診断技術に取り入れることで、早期診断や腐食のステージの評価が可能になると期待できる。

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本研究で得られた微生物腐食の進行時の微生物集団の情報は、この診断技術の開発に大きく貢献することが期待できます。これまで注目されていた硫酸塩還元細菌に代わり鉄酸化細菌の存在割合を調べることで早期に微生物腐食のリスクを診断し、また、詳細な微生物群集構造を見ることで微生物腐食の進行度をステージとして評価することが可能になります。
また、本研究では陸上の人工的な施設における腐食現象にフォーカスしましたが、海洋環境中においても多くの構造物が存在し、海底下の化石燃料や金属資源の回収分野においても金属腐食・微生物腐食は施設の寿命評価において重要です。現在、浅海および深海底における種々の金属材料に対する微生物腐食試験も開始しており、今後は海洋環境における微生物腐食に対する知見の集積を進めます。将来的に、陸上・海洋環境における社会インフラのライフサイクルデザインに微生物腐食リスクを勘案した新たな評価指針を導くことが期待されます。

〇 天の川銀河中心のブラックホールの撮影に初めて成功
2022 年 5 月 12 日 EHT Japan 報道発表資料抜粋
国際研究チーム「イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）・コラボレーション」は、地球規模の電波望遠鏡ネットワークを使って、私たちが住む天の川銀河の中心にある巨大ブラックホールの撮影に初めて成功しました。今回の結果は、この天体が間違いなくブラックホールであることを示す揺るぎない証拠であり、多くの銀河の中心に存在すると考えられている巨大ブラックホールの働きについて貴重な手がかりを与えるものです。

図1 史上初の天の川銀河中心のブラックホールの画像。
（クレジット：EHT Collaboration）

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【 研究の背景 】
ブラックホールは、アインシュタインの一般相対性理論で予言された、非常に強い重力を持った天体です。2019年4月にイベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）・コラボレーションが、楕円銀河M87の中心にある巨大ブラックホールを撮影した成果を発表しました。この画像の中心にある暗い部分がブラックホールシャドウと呼ばれ、ブラックホールによって光が脱出できない現象を捉えた確かな証拠となりました。
「いて座A*（エースター）」は、私たちの住む天の川銀河の中心にある天体です。「いて座A*」がとても高密度でコンパクトな天体であることはこれまでも知られていました。その質量は、太陽の400万倍と見積もられており、地球からの距離は2万7000光年であるため、ブラックホールであると仮定して一般相対性理論に基づいて計算すると、シャドウの見た目の大きさは約50マイクロ秒角と見積もることができます。

図2 天の川銀河の想像図 （左） と天の川銀河中心領域のX線（青）と電波（ピンク）の合成画像（右）。右画像の中心にある電波源がいて座A*。
（左画像のクレジット：NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt、右画像のクレジッ
ト：X-ray: NASA/CXC/UCLA/Z.Li et al; Radio: NRAO/VLA）
イベント・ホライズン・テレスコープ（EHT）は波長の短いミリ波帯（1.3mm）を用いて、地球直径に匹敵する1万kmもの基線長でVLBI （Very Long Baseline Interferometer; 超長基線電波干渉計）観測を行います。これにより、地上の観測装置の中では最高の視力である300万（解像度にすれば約20マイクロ秒角）を達成します。2017年の観測には、APEX（チリ）、アルマ望遠鏡（チリ）、IRAM30m望遠鏡（スペイン）、ジェームズ・クラーク・マクスウェル望遠鏡（米国ハワイ）、大型ミリ波望遠鏡（メキシコ）、サブミリ波干渉計（米国ハワイ）、サブミリ波望遠鏡（米国アリゾナ）、南極点望遠鏡（南極）の8局が参加しました。

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図3 2017年4月に行われたEHTの観測に参加した望遠鏡の配置。
（クレジット: NRAO/AUI/NSF）【 観測と研究結果 】
EHTによる「いて座A*」の観測は、2017年4月5日・6日・7日・10日・11日に行われました。これは、2019年に発表したM87の巨大ブラックホールを撮影したのと同じ観測キャンペーン期間中のものです。M87の観測と同様、各観測局でハードディスクに記録されたデータは、米国マサチューセッツ州のMITヘイスタック観測所とドイツ・ボンのマックスプランク電波天文学研究所へ輸送され、そこで観測データの結合が行われました。その後、慎重に大気の影響などが較正され、較正済みのデータから画像が得られました。結果の確からしさを確認するために4つの異なる画像化手法が使われました。また、5晩の観測のうち、唯一全ての観測局が参加し一日当たりの観測時間がもっとも長い、4月7日を主な結果として報告しています。
冒頭の図1が4月7日の観測で得られた「いて座A*」の平均画像です。この画像ではリング状の構造が写っており、その直径はいて座A*の質量と一般相対性理論から期待されるリングの大きさとよい精度で一致しています。また、リングの内側には周囲より暗い部分が存在し、この部分がブラックホールシャドウになります。このような姿が画像として捉えられたことで、これまではブラックホールの「候補天体」であった「いて座A*」が、確かにブラックホールであることが視覚的に初めて証明されました。
【 今後の展望 】
2018年の観測からはグリーンランド望遠鏡（グリーンランド）が、2021年の観測からはNOEMA観測所（フランス）、アリゾナ大学キットピーク12m望遠鏡（米国アリゾナ）がEHTの観測網に加わっています。望遠鏡の台数が増えることによって感度がよくなり、質の高い画像が得られます。また、2021年からはさらに短い波長の0.87mm帯でも観測を行っています。これにより1.3mm帯と比べておよそ1.5倍シャープな約15マイクロ秒角という解像度を達成します。
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今後の観測ではより高い視力と感度でブラックホールやその周囲のガスの画像や動画を捉えられることが期待されています。ブラックホールごく近傍における淡く薄く広がった放射源であるジェットの有無を調べ、さらには動画から時間に伴う変化の様子を捉えることで、ジェット形成機構に迫ります。遠方で強力なジェットが確認されているM87と、そうでない「いて座A*」の画像比較が重要な知見をもたらすと期待されます。また、詳細なブラックホール周囲のリング構造とその時間変化から、ブラックホール周囲の時空をさらに精査し、アインシュタインの一般相対性理論に対する更なる検証を目指します。これらの将来観測に備えて、現状の観測と理論のミッシングリンクを検討しながら理論・シミュレーション研究も大きく進展させていきます。
さらに長期的なEHTの次世代計画として、next generation EHT（通称 ngEHT）と呼ばれる計画が国際協力のもと現在推進されています。ngEHTは現在のEHTと比較して地球上における望遠鏡の数をおよそ2倍に増やすことを計画しています。ngEHTは、新しい受信機、高速データ記録装置、新しい画像作成アルゴリズムなどを開発し、これまでよりも100倍も高感度の観測を実現することを目指しています。ngEHTが実現されれば、EHTよりもさらに高画質の画像や動画が得られ、ブラックホール時空や周囲のガスの精密な測定が可能になるでしょう。

編集後記
環境省は、登山者による投稿を活用した山岳生態系調査を開始します。これは、登山地図 GPS アプリ「YAMAP」に投稿された写真から、生息域分布調査に有効なデータを収集しようとする試みです。調査第一弾は、中央アルプスにおけるライチョウ保護増殖事業への貢献を目的とした、登山者参加型ライチョウ生息域調査「ライチョウモニター」です。スマートフォンの GPS 機能を利用した環境調査は、プラごみの調査でも行われており、今後、IT 技術を利用した新しい手法の環境調査が増えてくると思います。

（A.K）＊下図は環境省のホームページから引用しました。
http://www.env.go.jp/press/files/jp/118068.pdf

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