新型マイクロアレイ電気培養装置（試作機）

微生物の電気培養で環境浄化■ 微生物の電気培養技術を開発■ 電気培養のしくみ■ 微生物の有効利用を目ざす● ひとこと 環境科学研究所 バイオテクノロジー領域 主任研究員 松本 伯夫

微生物の電気培養技術を開発
地球上には、土壌中や岩中、水環境中など、ありとあらゆるところに多種多様な微生物が生息しており、各々がさまざまな機能を発揮することにより、自然界のバランスを保つ役割を担っています。この中には、発酵食品、医薬品、産業用酵素の生産にかかわったり、環境浄化に貢献する有用な菌も存在しており、電力中央研究所では、平成6年にイオウ分を餌とする微生物（鉄酸化細菌）に着目し、同菌を火力発電で燃やす石炭のイオウ分除去に活用するという研究に着手しました。
微生物を上記のような目的で有効活用するには、ある程度まとまった量の有用微生物を確保する必要がありますが、地球上でこれまでに判明している全微生物の内、実に99％については、その培養方法が未だに確立されていないのが実情です。
当研究所では、これら難培養性微生物を高密度に培養するための方法として、「電気培養技術」を独自に開発しました。同技術でこれまでに培養、増殖に成功した微生物の中には、難培養微生物も20種類程が含まれており、このようにして培養できた微生物を環境浄化や地下環境保全に役立てるべく、鋭意研究を推進しています。

■ 微生物の生育のしくみ■ 微生物の電気培養とは微生物は、物質の酸化還元反応（２種の物質酸素を用いて呼吸する微生物を「好気性微生間で電子を放出したり、取り込んだりする際に物」といい、酸素を用いずに鉄、硝酸、硫酸な生ずる化学反応）を利用して、生育に必要なエどを用いて呼吸する微生物を「嫌気性微生物」

ネルギーを獲得しています。その際に電子が減といいます。

少することを「酸化される」といい、逆に電子電気培養とは、好気性、嫌気性の別にかかわが増加する現象を「還元される」と称して、微らず、常に培養液中に電極を通じて電気エネル

生物は、これらの相伴って起きる反応原理をうギーを流すことにより、微生物の呼吸に必要なまく自らの呼吸に生かして生育しています。

「電子受容体」または「電子供与体」を電気化学

具体的には、微生物は、自らの生育環境下に的に連続供給し、半永続的に微生物にエネルギ存在する高エネルギー物質から放出された電子ーを供給し続けられるしくみを提供するものでをエネルギーとして取り込んだり、排出したりす。これは、これまで培養法が確立していなかする一連の「呼吸」を通じて、生育に必要なエった多くの微生物の培養の可能性を格段に高めネルギーを獲得しています。

るとともに、電気をかけない通常の培養法に比べ、数倍〜100倍の増殖を実現できる革新的な培養技術です。

高エネルギー物質
電子酸化反応電源・エネルギーの供給
・培養環境の制御

微生物
エネルギーの獲得・高濃度培養・選択的培養電極

低エネルギー物質図

微生物がエネルギーを獲得するしくみ

電極

微生物

還元反応

培養液

図

電気培養のしくみ電気培養のしくみ■「嫌気性微生物」の培養法■ 微生物の単離培養に成功

多くの微生物が、無酸素条件下でも赤さびの自然界の下水処理場流入水や湖沼底泥、堆積

３価鉄を利用して生育する能力を兼ね備えてい軟岩から採取した嫌気性微生物について、微生ることが判明しており、これは大気中にまだ酸物生育の汎用的自然環境（中性pH）下での電気素が無かった太古の時代の呼吸形態が、現在も培養を７〜10日間、実施した結果、数種のこれ記憶として潜在しているといわれています。

まで発見されていなかった新規微生物が検出さそこで、その中の一つである鉄酸化細菌を使れました。

用した電気培養のしくみを紹介します。

しかし、この状態では同時に検出された他の鉄酸化細菌は酸素が無い場合、水素を酸化し微生物と混在しているため、一度に最大で18種て３価鉄を黒さびの２価鉄に還元する過程で、のある特定の微生物のみを電気培養することが生育エネルギーを獲得しており、この場合の呼可能な「マイクロアレイ電気培養装置」を独自吸に必要な「電子供与体」は、水素であるため、に開発しました。

培養液中には常に水素と、微生物の体を作る炭

この装置は、一枚の炭素板上に直径5mmの穴素源のCO2を供給するしくみを持たせています。

を合計で18箇所設け、各微生物種ごとに１匹の一方、「電子受容体」は、３価鉄のため、これも微生物の入った培養液を各穴へ注入することに培養液中に予め溶解させておきます。

より、最大で18種の単一種ごとの電気培養を同鉄酸化細菌は、水素から奪った電子を３価鉄一の電極下で同時に行えるようにしたものです。に渡す鉄呼吸により、生育エネルギーを獲得し、同装置を使用して実験した結果、微生物の単還元反応で電子を奪った３価鉄は、即酸化して離培養が確認され、それにより得られた培養密２価鉄に置き換えられます。同２価鉄は、今度度は、通常の電気をかけない培養法に比べ、10は培養液中に浸した電極（＋）から電子を奪わ培以上の増殖効果がみられました。

れて再び３価鉄に戻り、電極が奪った電子は、現在は、より効率的な培養を図るため、18箇再び水素に戻されるという、一連の電子を媒体

所の各穴（培養槽）ごとに電極を差し込み、各とした授受サイクルを通して、鉄酸化細菌が培微生物種ごとに適切な電流になるよう調整可能養されていきます。

な試作機の開発にも成功しました。
H2CO2電源

e− 電子

電子 e
CO2

3価鉄イオン
Fe3＋Fe2＋→Fe3＋＋e−
2価鉄イオン
Fe2＋3価鉄イオン
Fe3＋排出
Fe3＋＋e−→Fe2＋
2価鉄イオン
Fe2＋電極
（＋）
培養液

（鉄呼吸）
電子e−

微生物

吸収

−

H2
水素H2
H2→2H＋＋e−
水素イオン
2H＋増殖

2H＋＋e−→H2水素イオン
2H＋電極
（−）
イオン交換膜※微生物と3価鉄をイオン交換膜をはさんで、左側の電極（＋）側の培養液中にあらかじめ入れておきます。
※上記図中の点線（）は、電子（e−）の授受サイクルを示します。

図

鉄酸化細菌の嫌気的電気培養培養槽（0.3mL）

水素H2電極写真5cm

マイクロアレイ電気培養装置

微生物の有効利用を目ざす■ 六価クロムの無害化に挑む■ 地下施設の安全評価も対象にステンレス鋼や顔料、めっきの材料として使

これまでには、上記以外にもドライクリーニ用される六価クロムは、可溶性と強い酸化力がングや、電子機器用チップなどの洗浄剤に使用あり、人体へも害を与える有害物質です。

される有害なテトラクロロエチレンを、分解さそこで、汚染排水中などに含まれる六価クロせることができる微生物の発見、ならびにそのムを還元して無害化できるクロム還元菌の電気培養などにも成功していますが、今後は、これ培養を試みてみました。

まで蓄積した電気培養技術を活用して、地下施

通常の嫌気的培養法では、クロム還元菌と六設の安全な運用を目ざした関連微生物のメカニ価クロムとを混入させて培養した場合、初期段ズム解明など、主に以下の課題に挑みます。

階ではクロム還元菌の繁殖が認められるものの、●汚染土壌の浄化に役立つ難培養微生物の探索

時間の経過とともに六価クロムの無害化が進み、●有害な重金属還元（無害化）微生物の獲得それによる雑菌の繁殖と、クロム還元菌の還元●金属原子以外の酸化還元反応の媒体発掘活性元である六価クロムの減少に伴う、クロム●放射性廃棄物処分施設の安全性評価

還元菌の著しい活性低下がみられました。

●微生物による建物の劣化・腐食影響評価

そこで、上記のクロム還元菌などを嫌気的条件● ひとこと下の培養液中に混入させ、1.0Vの電気エネルギーを与えながら２週間培養したところ、クロム還元菌のみの増殖を維持できることが判明しました。
通常の培養によって増殖した微生物
電気培養によって増殖した微生物
20.020.0c0ab10.0

写真10.0020.00μm

10.0

10.0020.0μm

顕微鏡によるクロム還元菌の培養確認結果

通常の培養法では、複数の微生物種（左写真a〜c種）の混在培養が、電気培養法では、クロム還元菌のみの単一培養（右写真矢印）が各々確認できました。

■ 既刊「電中研ニュース」ご案内
No.423 画像による腕金の再利用判定
No.422 広範囲な海の流れを陸上から把握

環境中には実に興味深
い働きを持った微生物が、まだまだ潜んでおり、いわば「宝の山」ということができ、世界中の研究者がその探索に乗り出しています。
また、地下施設の安全環境科学研究所な運用を考える上で、土バイオテクノロジー領域の中の微生物の作用を正主任研究員
しく理解することは、非松本 伯夫
常に重要な作業といえますが、ここでも難培養性の微生物が鍵を握っています。これらの課題に、当研究所発の技術である電気培養法が威力を発揮するものと期待しています。

No.421 電力自由化に伴う家庭の電力会社選択
No.420 CRIEPIのうごき 2006.1冬

2006年３月15日発行〒100-8126（財）電力中央研究所 広報グループ
東京都千代田区大手町1-6-1（大手町ビル7階） TEL.（03）3201-6601 FAX.（03）3287-2863
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