2022年3月24日
第 2 回 JAREC
SDGs パートナーシップ・プログラム シンポジウム

水生植物バイオマスを利用した湖沼からの有用金属資源回収
原田 英美子（滋賀県立大学 環境科学部生物資源管理学科 教授）
1

琵琶湖の水生植物バイオマスの有効利用
〇たい肥化
〇水質浄化
〇飼料化
〇バイオエネルギー〇有用金属回収2021年度滋賀県立大学Webオープンキャンパス動画として作成
よろしければ併せてご覧ください
https://www.youtube.com/watch?v=51OzjgefVZQ&ab_channel=UnivShigaPref

2

水生植物バイオマスの有効利用〇有用金属の回収
アルゼンチン原産の沈水植物
全国各地の湖沼、河川、水路に群生、繁茂が問題視
琵琶湖水圏で採取されたオオカナダモはマンガン（Mn）を植物体に高集積している琵琶湖以外でも同様の現象が起こるかどうか調査中
彦根市下石寺集落環濠で採取したオオカナダモ

3

レアメタルの一種であるMn（マンガン）を植物を用いて回収マンガンとは？

日本のマンガン鉱石
主要輸入相手国（2017年：合計 41.62 万トン）

・電池、磁性材料、鉄鋼生産に利用
・国内での生産はほぼ皆無
・国内消費量の42日分を国家備蓄、18日分を民間備蓄

ガボン
18％

オーストラリア
22％

南アフリカ
60％

（https://www.jogmec.go.jp/stockpiling/stockpiling_10_000001.html）
独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構の資料「鉱物資源マテリアルフロー 2018」をもとに作図

オオカナダモを用いて環境中から効率的にMnを回収することで輸入への依存を軽減できるかもしれないMn
4重金属集積植物（Hyperaccumulator）の利用
ファイトマイニング

Phyto ＋mining
植物 採掘
M
M

有用重金属M

M

M
M

Mn

AuNi

植物を利用して環境中の貴金属やレアメタル5などを回収する採掘法（従来は陸生植物を利用）

過剰に繁茂した水生植物の除去と処理

琵琶湖南湖のオオカナダモやクロモを船で回収、クレーンで水揚げ
6
北山田漁港（滋賀県草津市） 、2018年8月撮影

本発表で紹介する論文
1） 辻 康介, 浅山 拓馬, 西田 和真, 原田 英美子（2016） 月例卓話
琵琶湖水圏における水生植物の重金属集積．海洋化学研究 29： 24-28

２） Tsuji K, Asayama T, Shiraki N, Inoue S, Okuda E, Hayashi C,Nishida K, Hasegawa H, Harada E (2017) Mn accumulation in asubmerged plant Egeria densa (Hydrocharitaceae) is mediatedby epiphytic bacteria. Plant, Cell & Environment 40: 11631173. https://doi.org/10.1111/pce.12910

３） 辻康介, 原田英美子（2017）オオカナダモ付着微生物のマンガン酸化物生成機構の解明ー生物材料と無生物材料の比較ー ．滋賀自然環境研究会誌 15: 1-6.

7彦根市内の環濠集落で水生植物調査
2011年～345128環濠で採取した植物(2011年9月)
オオカナダモ(沈水植物)
ハゴロモモ(沈水植物)
ヒシ(浮葉植物)
エビモ(沈水植物)

9植物、水、底泥に含まれるマンガン（Mn）濃度(Mn: mg/kg = ppm）
CF:植物/
水

CF:植物/
底泥0.56 1,800 オオカナダモ 18,000 32,000
600
4,600
0.13 2,300
ヒシ0.53 4,300 （植物なし）
オオカナダモ 14,000 40,000
9,200 26,000
4 0.35 2,800
エビモ
ハゴロモモ 11,000 31,000
5 1.00 740 （植物なし）
CF: Concentration Factor = 濃縮係数

10.00
0.26

採取
地
123

水

底泥

植物

5.00
3.29
3.9310オオカナダモのMn含有量の季節変動
Mn含有量 (mg/kg DW)

2012～2014年の調査結果
cbc

c

abaaa

陸生のMn集積植物の定義
10,000 mg/kg

4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月

Mnを集積：陸生の集積植物の濃度に匹敵再現性のある明確な季節変動
11採取した植物、水、底泥を化学分析
植物サンプル洗浄、乾燥
硝酸等による湿式分解
ICP発光分光分析装置（ICP-OES）による金属の定量分析
12Mn酸化物の定性的検出: LBB 染色
Mn (II) Cl2

還元型Mn

Mn(III, IV)O2

黒色
水に不溶

KMn(VII)2O7

酸化型Mn

Leucoberberine blue(LBB)
Mn酸化物と反応
Altmann HJ (1972) Bestimmung von in Wasser gelöstem
Sauerstoff mit Leukoberbelinblau I. Zeitschrift für青色呈色
Analytische Chemie 262: 97–99.
13琵琶湖水圏で採取したオオカナダモをLBB染色
バイオフィルム※に付着するMn酸化物を検出※微生物が構成するコミュニティ

3500

Mn濃度(ppm)

3000
2500
2000

バイオフィルム無1500
1000
500

バイオフィルム有青色呈色＝Mn酸化物0

有無バイオフィルム

黒色のバイオフィルムにMn酸化物
14

LBB染色で付着15微生物が生成する
Mn酸化物を検出
下石寺集落環濠のオオカナダモに付着していた微生物を培養

+LBB
青色呈色
＝Mn酸化物オオカナダモ表層のMn酸化物の生成にMn酸化細菌が関与

15

微生物による生物的マンガン酸化物の形成

琵琶湖の湖水より採取されたMn酸化細菌は溶存酸素濃度が低く、多糖類が存在する条件でメタロゲニウム粒子の光学顕微鏡写真
Bar = 20μm
(琵琶湖ハンドブック三訂版 p139）

Mn酸化物（メタロゲニウム粒子）を生成する（Furuta et al., 2015）

pH中性付近、低Mn濃度（数mM程度）の条件では酸素による化学酸化はほとんど進行しない

Mn酸化には微生物の触媒作用が大きく寄与

Mn酸化細菌の全細菌に対する存在割合は0.05％以下➡未知のMn酸化細菌がまだ多く存在
参考資料：
1) Furuta S, Ikegaya H, Hashimoto H, Ichise S, Kohno T, Miyata N, Takada J (2015)
Formation of Filamentous Mn Oxide Particles by the Alphaproteobacterium Bosea sp Strain BIWAKO-01
Geomicrobiology Journal 32: 666-676.
2)宮田 直幸, 谷 幸則（2020）微生物によるマンガン酸化物の生成：微生物-金属相互作用と環境技術への応用
化学と生物 58： 562-570.

16

LBB染色を指標に12株の付着微生物をオオカナダモから単離

これまで、Mn酸化能が報告されていない種も含め複数のクレードから菌株が得られた

17

微生物の培養条件はMn酸化物生成に影響株BLAST相同性検索

123456789101112

Rhizobium sp. MSSRF QS100
Acidovorax sp. Z022
Pseudomonas putida
Comamonas testosteroni
Rhizobium sp. MSSRF QS100
Acidovorax sp. Z022
Acidovorax sp. Z022
Micromonospora sp. FXJ1.540
Pseudomonas alcaligens
Acidovorax sp. Z022
Bacillus sp. SG3-2
Pseudomonas alcaligens

LBB染色
寒天培地

液体培地++++±++++×××-

LBB染色＋：Mn酸化物生成 －：Mn酸化物なし ×：培養不可

18現段階で考えられている
オオカナダモのMn集積モデル
水中

Mn（還元型）
Mn（酸化型）
付着物
オオカナダモ葉

環境中のMnの酸化還元反応

オオカナダモ葉
水中のMnとオオカナダモ葉表面のモデル図

還元型Mn環境中葉の表面

酸化型Mn

付着微生物

植物表層付着物（バイオフィルム）19

水生植物のマンガン酸化と集積：未解明の課題解明できたら、産業応用の可能性が広がる・環境中でマンガン酸化に関与する微生物はどれか
・微生物のみでもマンガン集積に利用できるか・生成した生物的マンガン酸化物の性質（他の陽イオンを効率よく吸着できる可能性がある）
解明でき方が望ましいが、仮にわからなくても産業化できる？
・水生植物へのマンガン集積は、オオカナダモに限られるのか？また、琵琶湖など、ごく限られた環境でのみ起こる現象なのか？
・水生植物体内のマンガンの化学形態は？
基盤研究C (19K05566)
水生植物の元素集積に関与する生物学的・非生物学的環境要因の解析と有効利用20