【助成 39 - 16】

CO2 を化成品原料へ再資源化するための革新的な微生物電気合成システムの開発
研究者 金沢大学新学術創成研究機構 教授
代表研究者

仁宮一章

〔研究の概要〕本研究では、化石資源由来 CO2 の再資源化を目指し、微生物電気合成による CO2 から化成品原料（エタノール）への連続・高速変換のための技術開発を行った。Clostridium ragsdalei DSM 15248 株、YT 培地（主にYeast extract, Tryptone からなる培地）を用いて微生物電気合成を行った。電圧をかけない場合の微生物電気合成では、菌体濃度の低下が確認され、また、酢酸、エタノール濃度の増加は見られなかった。一方、電圧 0.8V の微生物電気合成では、電流が約 5 mA 流れていること、そして、菌体濃度が維持されていることが確認でき、また、酢酸濃度、エタノール濃度の上昇がみられた。培養 3 day における酢酸濃度は 3 g/L、エタノール濃度は 1 g/L であった。この値は、YTF 培地（主に Yeast extract, Tryptone, Fructose からなる培地）を用いた C.
ragsdalei DSM 15248 株の従属栄養培養での値を超えるものであった。

〔緒言〕〔実験方法と結果〕

CO2 は温暖化の原因として、排出削減や回収・貯留について技術開発が行われてきた。近年、逆に CO2の再資源化を図る挑戦的な研究開発が進展している。
CO2 を炭素源として利用できる微生物には光独立栄養と化学独立栄養に大別される。そのうち、化学独立栄養細菌とは、炭素源として CO2、エネルギー源として H2 や酸化鉄（II）などの電子供与体を利用して生育する細菌である。特に、エネルギー源として H2 を電子供与体として生育する細菌を、水素酸化細菌という。また、水素酸化細菌のうち、絶対嫌気性で主な代謝産物が酢酸である微生物をアセトジェンという（図図 1）。
一方、2010 年、アセトジェンを用いた微生物電気合成 (Microbial ElectroSynthesis) の最初の論文が発表された。微生物電気合成とは、水の電気分解（アノード電極における H2O の酸化による O2 発生、そして、カソード電極における H+の還元による H2 発生）と、カソード電極側での水素酸化細菌の培養を組み合わせたものである。これにより、炭素源として CO2、エネルギー源として電気を用いることによって、水素酸化細菌に有機物（酢酸）を生産させることが実証された。
（ここで、微生物電気合成に用いる電気は、太陽光をはじめ風力・水力・地熱など様々な自然エネルギー由来の電力が利用可能用である。
）
しかしながら、現状では、(1) アセトジェンを用いた微生物電気合成で生産される物質は酢酸であり、それ自身の付加価値が極めて低い、そして、(2) 微生物電気合成における生産速度が極めて遅い、という質的・量的な問題がある。これらが解決されれば、微生物電気合成による CO2 の再資源化が実用に近づくのではと考えた。
そこで、本研究では、化石資源由来 CO2 の再資源化を目指し、微生物電気合成による CO2 から化成品原料（エタノール）への連続・高速変換のための技術開発を行った。

エタノール生産性のアセトジェン株として、Clostridium ragsdalei DSM 15248 株を用いた。本 C.
ragsdalei DSM 15248 株は、CO/CO2/H2 の混合ガスを用いた従属栄養培養（CO と CO2 が炭素源、CO とH2 がエネルギー源）に用いられてきた株であり、微生物電気合成の報告はない。
まず、電気培養を行う前に、YTF 培地（主に Yeastextract, Tryptone, Fructose からなる天然培地）を用いた C. ragsdalei DSM 15248 株の従属栄養培養を行った。炭素源（C 源）かつエネルギー源としてフルクトース 5 g/L を加えた。初期菌体濃度は 0.06 g/L に設定した。図
図 2 に従属栄養培養の結果を示す。5 g/L のフルクトースは 2 day までに消費され、そして、菌体濃度、酢酸濃度、エタノール濃度の上昇がみられた。
培養 3 day における最終的な菌体濃度は 0.9 g/L、酢酸濃度は 0.5 g/L、エタノール濃度は 0.4 g/L であった（図図 2 赤）。Negative control として YTF 培地から炭素源であるフルクトースを除去した YT 培地を用いた培養も行った。菌体濃度、酢酸濃度、エタノー
ル濃度の上昇は見られなかった（図図 2 青）。
次に、上述の炭素源を含まない YT 培地を用いて微生物電気合成を行った（図図 3, 4）。炭素源（C 源）として 100％CO2 ガスを 1 vvm (50 mL 培地に対してCO2 ガス流量 50 mL/min)で供給した。エネルギー源としては、一定の電圧 0.8 V をポテンショスタットでかけた。初期菌体濃度は 0.6 g/L に設定した。図
図5に微生物電気合成による独立栄養培養の結果を示す。
まず Negative control として電圧をかけない場合の微生物電気合成を行った。その結果、電流が流れていないこと、そして菌体濃度の低下が確認された。また、ギ酸、酢酸、エタノール濃度の増加は見られなかった（図図 5 青）
。一方、電圧 0.8 V を掛けた場合の微生物電気合成では、電流が約 5 mA 流れていること、そして、菌体濃度が維持されていることが確認できた。また、酢酸濃度、エタノール濃度の上昇が34

みられた。培養 3 day における酢酸濃度は 3 g/L、エタノール濃度は 1 g/L であった
（図図 5 赤）。
この値は、
図 2 赤に示した YTF 培地を用いた従属栄養培養での値を超えるものであった。しかしながら、培養 3 day以降は、炭素源である 100％CO2 およびエネルギー源である電流が供給され続けているにも関わらず、酢酸濃度とエタノール濃度は頭打ちとなった。YT培地中のアミノ酸やビタミン、微量金属の何かがショートしている可能性が考えられる。明確な原因は不明である。
以上の微生物電気合成の実験では、YT 培地（主にYeast extract, Tryptone からなる天然培地）を用いて行った。そこで、培地のシンプル化を図るため、アセトジェンの培養で用いられる合成培地である PETC培地（主に無機塩、微量金属、ビタミン群と 0.1%の酵母エキスからなる準合成培地）を用いて、同様の微生物電気合成を行った。しかしながら、菌体濃度は低下し、酢酸濃度やエタノール濃度の上昇は全く見られなかった。YT 培地には含まれているが、PETC培地に含まれていないものとして、アミノ酸があり、これが律速になっていたと考えられる。
YT 培地の構成成分である Yeast extract, Tryptone は、それぞれ酵母熱水抽出物（ビタミン源）、乳タンパク質加水分解物（アミノ酸源）である試薬である。そこで、農業副産物である、コーンスティープリカーに置き換えた検討も必要であると考えられる。

〔発表論文〕
1.

任歓、仁宮一章；CO2 conversion to acetate andethanol by microbial electrosynthesis using Clostr
idium ragsdalei、第73回 生物工学会大会、2021年10月
任歓、仁宮一章；PHB production from CO2-deri
ved acetate via acetogen、第74回 生物工学会大会、2022年10月

2.

CO2
1 vvmで供給-0.8 VO2

anode側

4 H2

Fd

Fd2-

CO2分子、イオンの流れ

図 3.

Fd2-

H2O

FormateFormate
ATPe-

H+2H+

NAD NADH
H2e-e-

CO2

Hydrogenase

2 H+Cathode
Electrondonor

Fd

Fd2-

CO2
Fd2-

5

Cell [g/L]

4
10.8
0.6
0.4
0.20C)

012

Culture time [day]

図 2.

3

10.8
0.6
0.4
0.20Current [mA]

10.80.60.40.20D)

E)

2 [H]

Ethanol

アセトジェンの微生物電気化学合成における化学独立栄養培養時の代謝経路の概要

0-5A)-10-158pH [-]610.80.60.40.20B)

76544F)

0Cell [g/L]

B)

7

図 4.

アセトジェンの化学独立栄養培養時の代謝経路の概要
Formate [g/L]

8pH [-]

EthanolA)

Acetyl-CoA

2 [H]Ethanol

Acetate [g/L]5432
10Wood-Ljundahl 経路

Fd2-2 [H]

Ethanol [g/L]

Fructose [g/L]

図 1.

AcetateATP

Formate [g/L]

Ethanol

AcetateAcetyl-CoACO

Acetate [g/L]

2 [H]Formate2 [H]Wood-Ljundahl 経路

Fd2-2 [H]FormateATP2 [H]CO

12Culture time [day]C)

321030

図 5.

アセトジェンの従属栄養培養の挙動

35

Ethanol [g/L]

Acetate( OD600とは、波長600 nmにおける吸光度 )2CO2

H22 [H]Acetate

前培養
YTF培地を用いた
従属栄養培養アセトジェンの微生物電気化学合成における化学独立栄養培養のセットアップ

H+

Anode
Electronacceptor

菌株： C. ragsdalei
仕込みOD600 : 0.1

CO2

分析・菌濃度 ⇒ 吸光度(OD600)で評価
・電流 ⇒ 電流計により測定
・細胞外生産物 ⇒ HPLCで定量（酢酸、エタノール）

2 [H]

ATP

電極：カーボンフェルト×4
反応液： YT 培地
液量：50 mL
炭素源：CO2

代謝産物

H+

H+

H2O

O22 [H]

陽イオン交換膜

O22e-

CO2Hydrogenasee-e-電子の流れ

NAD NADH

8 H+cathode側

電極：白金
反応液：YT培地
液量：50 mL
炭素源：なし2 CO24 H2e-e-

２台目

１台目

1234

Culture time [day]54D)

32104E)

32104F)

32
100

1234

Culture time [day]アセトジェンの微生物電気化学合成における化学独立栄養培養の挙動

5