SPMC Technical Review
クオラムセンシングを阻害する新規バイオフィルムコントロール剤
A novel biofilm control agent that inhibits quorum sensing

星光ＰＭＣ株式会社
製紙用薬品事業部 五十嵐 亮二
久保 武

れる化学物質のやり取り、すなわちクオラムセンシン

1. はじめにグ（QS）と呼ばれるシグナル伝達によって誘導されることが明らかになってきており 3）、QS を様々な方法

産業、生活、医療環境等において、水が存在するで、阻害、撹乱することで BF の形成そのものを生理環境は微生物の生育に適しており、そこで微生物が的に抑制するという試みが盛んに行われるようにな増殖してバイオフィルム（BF）と呼ばれる構造体を形ってきている 4）5）。

成することはよく知られている１）。BF は、細菌の集合

これまでに知られている QS を阻害する物質は、コ体と、それらが産生する多糖類などの代謝物から構

ストや安定性の面で利用の難しい生体物質や大量成される粘性を帯びた膜状の付着物であり、シンク、生産が難しい合成化合物が多く、ほとんどが実用化

浴室、トイレ、排水管、医療器具、逆浸透膜（RO 膜）、に至っていないのが現状である。しかしながら、当社

薬剤のストックタンク、冷却塔等の様々な固体表面では有効物質のスクリーニングを含めた基礎的な段上に発生する。これらは、生理的な不快感のみなら階から開発を進め、QS 阻害技術をいち早く実用レベず、金属部材の腐食や生産性の低下、製品汚染、悪ルに高めた新しいタイプの薬剤（バイオフィルムコント

臭や感染症の原因等、経済や衛生面において多大

ロール剤：BFC 剤）を上市させるに至った。本稿では、な実害を引き起こしている。例えば、BF の関与する

BFC 剤の概要を紹介するとともに、様々な用途にお金属腐食における経済損失は米国において年間約ける実証事例を報告する。

1.1 兆ドルとの試算もあり、様々な分野において重要な課題と認識されている（2016, NACE International
Institute データ）。

2. バイオフィルムコントロール剤の概要

BF は、浮遊状態の細菌と比較して、殺菌剤等の2-1. BFC 剤の概要、特長

薬剤や、物理的な洗浄が作用し難い状態のため、防除が困難であり、根本的な解決手段に乏しい。薬剤

BFC 剤は、殺菌効果に依存する従来の薬剤とはを用いる場合、従来的な対策としては、「殺菌剤によ異なり、細菌の生理機能に作用することで BF の形る菌の殺滅」や、「洗浄による剥離、除去」が挙げら成そのものを抑制する機能を有している。これは、れる 2）。しかしながら、これらが決定打となり得ていな

QS シグナル物質の産生阻害によって BF 形成を抑いのは明らかであり、とりわけ殺菌剤の使用に制限制する作用であり、従来の殺菌剤の課題を解消しつがある場合や、物理的な洗浄の行き届きにくい場合

つ BF の堆積を抑制することが可能である。QS とは、においては、BF の問題はより顕著に発生する。

細菌間のシグナル伝達を介した生理機能で、BF 形一方で、BF 対策の新たな方法として期待されてい成菌が一定の密度に達すると、QS シグナル物質のるのが、「BF の形成そのものを抑制すること」である。

濃度が閾値に達し、それが引き金となって、BF の形

近年の研究によって、BF の形成は、細菌間で行わ成が促進される。すなわち、BFC 剤を使用することで、
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クオラムセンシングを阻害する新規バイオフィルムコントロール剤

図 1. QS を介する BF 形成、および抑制機構（上段：無処理、下段：BFC 剤処理）
系に存在する細菌は、通常では BF を形成するようなBF を形成することが知られている。この細菌は、QS環境においても BF 形成を促進せず、分散状態を維が活性化され BF の形成が進行すると、緑色色素で持するため、水流によって容易に排出されることになあるピオシアニンを分泌する性質がある 6）。そのため、る（図 1）。

QS の阻害効果と BF の形成状態をモニタリングする

このような設計のもとに開発した BFC 剤の概ことが可能であり、BF 評価菌種として広く用いられて要を表 1 に示す。BR-109 は、QS を阻害する成分のいる（図 2）。液中に分泌されたピオシアニン濃度は、みを有する製品で、界面活性剤の使用が忌避されるクロロホルムで抽出し、520 nm の吸光度を測定する用途や、種々の既存薬剤との併用、混合での使用をことで定量化することができる（図 3）。本検討ではピ想定している。BR-110 は、BF への浸透性、剥離効オシアニン生産率を細胞密度当たりのピオシアニン果の高い界面活性剤を配合しており、BF の形成抑濃度として算出し、QS の阻害効果を評価した。表 2制と、除去効果を複合した設計となっている。いずれのように、BFC 剤処理によってピオシアニンの産生も既存の殺菌剤類と比較して、人体への安全性が高率が大幅に減少していることから、QS を阻害していく、非酸化性成分のため部材を損傷させない、広範ることが確認できる。また、濁度（OD630）として示され囲の pH で効果を発揮するなどの特長が挙げられる。

る培養液の細胞密度はほとんど低下していないことから、BF 形成抑制効果は、静菌や殺菌効果ではなく

表 1. BFC 剤の概要
品名
有効成分
芳香族窒素化合物
BR-109芳香族アルコール
芳香族窒素化合物
BR-110芳香族アルコール
界面活性剤

効果
BF 抑制
BF 抑制
BF 除去2-2. BFC 剤の QS 阻害効果
BF 形成菌の一種である緑膿菌（Pseudomonas

図 2. 緑膿菌のクオラムセンシングaeruginosa）は、様々な環境に出現し、除去困難な
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クオラムセンシングを阻害する新規バイオフィルムコントロール剤

QS の阻害による生理状態の変化に依存しているこずれの評価においても、マイクロプレートの器壁に形とを示している。

成した BF は、クリスタルバイオレットで染色し、エタノールで溶出した液の 595 nm の吸光度を測定し、BF

表 2. ピオシアニン産生率
ピオシアニン産生率*濁度（OD630）

形成率、残存率として算出した。その結果、BFC 剤を
BFC 剤
1.2 %1.6

無処理100 %1.8

添加することで、BF の形成率は 12 %を示し（BF 形成抑制率は 88 %）、BF 残存率は 23 %（BF 除去率は 77 %）を示した。培養液の濁度（OD630）として測*無処理の濃度を 100 %とした相対値定される浮遊細菌の密度は、BR-110 の添加、無添加の系列でほとんど差異がないことから、BR-110 の作用は菌の増殖抑制や、殺菌性に依存しないことを示している。従って、BR-110 は予め添加しておくことで BF 形成を抑制することができるだけではなく、既ピオシアニンで緑色化した菌液に形成された BF を除去する効果も見込める。
また、BFC 剤による BF 抑制効果は、複数の主要表 3-1. BF 抑制試験

無処理 BFC 剤

図 3．ピオシアニン量の比較
BF 形成量（吸光度 595 nm）
BF 形成率濁度（OD630）

2-3. バイオフィルムの形成抑制、および除去試験
ポリスチレン製マルチウェルプレートを用いた BFC

無添加

BR-110(0.35 %)

5.9

0.7

100 %
1.7

12 %
1.5

無添加

BR-110(0.35 %)

6.9

1.6

100 %

23 %剤の BF 形成抑制、および除去効果の評価結果を表3 に示す。BF 抑制効果は、12 ウェルプレートを用い

表 3-2. BF 除去試験て、BR-110 を添加した培地で緑膿菌を培養し、器壁に形成した BF 量を無添加の系列と比較した（表 3-BF 残存量（吸光度 595 nm）
BF 残存率1）。BF 除去効果は、予め BF を器壁に形成させ、BR-110 を添加し、BF を剥離させた後に、器壁に残存する BF 量を無添加の系列と比較した（表 3-2）。い
表 4. BFC 剤による BF 抑制効果が確認された菌種
菌属種
Brevundimonas diminutaAcinetobacter baumanii
Klebsiella sp
Pseudomonas aeruginosa
Shewanella algae
Vibrio harveyi
Chryseobacterium sp
Microbacterium hominis
Staphylococcus epidermidis

上位分類（門）Alpha proteobacteria
Gamma proteobacteria
Gamma proteobacteria
Gamma proteobacteria
Gamma proteobacteria
Gamma proteobacteria
Bacteroidetes
Actinobacteria
Firmicutes

3

グラム染色陰性陰性陰性陰性陰性陰性陰性陽性陽性

主な分布場所
水系全般、土壌、臨床
水系全般、土壌、臨床水系全般、臨床水系全般、土壌、臨床海洋、臨床海洋、臨床水系全般、土壌、臨床
臨床
臨床SPMC Technical Review 2022, No.3

クオラムセンシングを阻害する新規バイオフィルムコントロール剤な菌種に対しても有効であることを確認している（表が形成され、処理効率が悪化する現象（バイオファウ4）。これは、多様な菌種に対して横断的な QS 阻害リング）に対する解決手段に乏しいことが主要な課題作用を有していると考えられ、広範な分野で BFC 剤として挙げられる。例えば、一般的によく利用されるを有効に活用できる可能性を示唆している。

殺菌剤の次亜塩素酸塩は、RO 膜や部材の劣化を引き起こすことから通常の RO 膜には使用できず、

2-4. 共焦点顕微鏡による BF 抑制効果の可視化

有機系殺菌剤類は総じて安全性の低さが懸念されBF 抑制効果を可視化するため、共焦点顕微鏡をる。これらに対し、BFC 剤は部材への影響や安全面用いた観察を行った（図 4）。BF を形成させる部材との課題をクリアしつつ BF の形成を抑制することが可して RO 膜を用いた。BFC 剤に一定時間浸漬し、有能である。

効成分を膜表面に吸着させる処理を行った後、BF

本検討では、BF 形成によって短期間で膜の閉塞の形成状態を経時的に共焦点顕微鏡で観察した。

が生じる実機 RO 膜装置で BFC 剤の効果（RO 膜のRO 膜表面の緑膿菌は緑色蛍光で示されており、無閉塞抑制）を検証した。RO 膜の入口圧力の上昇を処理の系列では 17 時間の経過で BF が大幅に肥厚膜閉塞の指標とし、定期的な BFC 剤処理を行い、化していることがわかる。一方で、BFC 剤を処理した

RO 入口圧力が閉塞の管理値である 0.8 MPa 以上

系列については、膜表面への付着量は増加しているになるまでの挙動を追跡した（図 5）。造水運転は、スものの、高さ方向への成長が大幅に抑制されている。

パイラル型 RO 膜を用いて、供給水は地下水を使用

これは QS の阻害により、BF の構成成分である細胞した（表 5）。BF 形成抑制効果を高めるために、前処外多糖類の合成が減少しているためと推測される。

理として、使用前の RO 膜に BR-110 を 3.5 %濃度

両系列を比較すると、BFC 剤処理によって約 90 %で通液後、3 時間静置して膜面に有効成分を吸着さの BF 抑制効果が認められた。

図 5. RO 膜装置における BF 抑制試験
図 4. RO 膜に形成した BF の共焦点顕微鏡観察
表 5. BFC 剤を使用した RO 膜装置の運転条件

3. RO 膜に発生する BF の抑制

供給水

地下水流量

（給水）9300 L/hr、（処理水）6000 L/hr

RO 膜は工業的に使用される高純度の水の精製（前処理）や、海水の淡水化、排水リサイクルなどの造水装置

BFC 剤処理に利用されており、水資源確保のための世界的に重未使用 RO 膜に BR-110, 3.5%液を 3 時間接触（定期処理）
BR-110, 0.35%液を週 1 回通液、1 時間の浸漬要な技術的要素である。一方で、ろ過膜表面に BF
4SPMC Technical Review 2022, No.3

クオラムセンシングを阻害する新規バイオフィルムコントロール剤せてから造水運転を開始した。運転開始後は、週 1回の頻度で造水運転を停止し、0.35 %濃度で BR110 を RO 膜に通液し 1 時間静置する定期処理を継続した。結果として、BR-110 を使用することによって無処理の運転に対して、膜閉塞に至るまでの期間が約 7 倍に延長された。
本検討の結果から、BFC 剤は実機 RO 膜装置の膜の閉塞を抑えることが可能であることが示された。
とりわけ薬注工程を自動化することで、大幅なメンテナンスコストの削減および効率化が期待できる。

4. 薬剤ストックタンクに発生する BF の抑制
工業的に使用される薬剤の希釈タンクは、内部に
図 6. 水系エマルションタンクの BF 抑制

BF が発生することで様々な問題を生じることがある。
これらには、反応性のある酸化系の殺菌剤はもちろの可能性を示すものと言える。

んのこと、安全性の観点から有機系の殺菌剤の使用量が限られることもあり、対策手段に乏しい。例えば、

5. BFC 剤のコーティング用途への応用

切削油やダイカスト離型剤については、滞留時間に応じて希釈タンク内に BF が発生し、薬剤性能の劣化

近年、抗菌製品技術協議会では、抗菌、防カビ、抗やリサイクル性の低下、臭気の発生、流路の閉塞等

ウイルスに続く新たな認証制度として、抗バイオフィが進行し、トータルコストの悪化を引き起こすことがルムへの取り組みを進めている 7)。抗バイオフィルム

知られている。

性能を有する素材や、同様の性能を長期的に付与

本検討では、事前に有機系殺菌剤が 20 ppm 添加するコーティング剤に対する需要は大きく、例えば空されている水系エマルションのタンクに対し、BR-109調機内部や、ハウスホールドの水回りの部材など、を 100 ppm になるように併用し、BF の形成抑制効装置の性能や衛生面に影響し、日々の洗浄等が行果を評価した。結果として、有機系殺菌剤のみ含有

き届きにくい用途についても、BFC 剤の適用を目指するタンクについては、2 週間で内壁全体に目視できし、検討を進めている。

る BF が形成されたのに対し、BR-109 を併用した系

図 7 は、BR-109 を配合したコーティング剤を塗布

列については 3 週間以降も清浄な状態を維持するこしたテストピースを用いた BF 形成抑制試験である。とができた（図 6）。一般的に殺菌剤類は浮遊細菌にテストピースを菌液に接触させ BF を形成させた後、対しては比較的低濃度でも殺菌効果を発揮するが、BF の形成が進行すると効果が大幅に低下することが知られている。本検討では、BR-109 がタンク内の菌の BF 形成を抑制しつつ、殺菌剤が浮遊細菌に対して本来の殺菌効果を発揮したため、良好な併用効果が認められたと考えられる。本検討の結果は、種々の薬剤タンクにおけるトラブルの低減に加え、殺図 7. BFC 剤塗布テストピースの BF 抑制効果

菌剤類の減量など、環境や安全性に配慮した応用
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クオラムセンシングを阻害する新規バイオフィルムコントロール剤

クリスタルバイオレットで染色、定量化した。BFC 剤コ＜参考文献＞

ーティングを行ったテストピースは、無処理の系列と

1) 岡部聡：バイオフィルムの理解・制御から共存へ、日本海

比較して、84 %もの BF 形成抑制効果が認められた。

水学会誌、第 66 巻、第 4 号、p191～197、（2012）.

コーティング剤としての応用は、液剤としての使用と

2) K.Sauer：バイオフィルムを退治する、日経サイエンス、3 月

比較して、対象の部材表面に有効成分を局在させる

号、p68～73、（2018）

ことができるため、少ない使用量で効果を発現しうる

3) M. Juhas, L. Eberi, B. Tummler :Quorum sensing:the

ことが利点として挙げられる。一方で、効果の持続性

power of cooperation in the world of Pseudomonas.

が求められるため、引き続き、実証試験等を通じた

Appl.Env. Microbiol.，7，4，459～471，（2005）.

性能評価や改良にも注力したい。

4) 寺田昭彦、高橋恵理加、片山美怜、細見正明：水・排水処
理分野におけるバイオフィルムの形成を抑制する材料の

6. 終わりに

進展、環境バイオテクノロジー学会誌、第 14 巻、第 2 号、131～137、（2015）.

本稿では、殺菌剤とは異なる新しいメカニズムで

5) 池田宰，諸星知宏：Quorum Sensing 制御に基づくバイオ

BF の発生を抑制する BFC 剤の概要、および適用事フィルム形成抑制、環境バイオテクノロジー学会誌、第 10

例を紹介した。BFC 剤のニーズは多岐にわたり、本巻、第 1 号、15～18，（2010）.

稿で紹介した造水膜や薬剤のストックタンク、コーテ

6) Y Dessaux, E Chappelle, D Faure : Quorum Sensing

ィング剤の他、冷却塔や、医療機器の洗浄など、and様々な用途に向けた検討も行っている。BF に起因す

QuorumQuenchinginSoilEcosystems.

Biocommunication in Soil Microorganisms 、p339～367、るトラブルは、使用する水質が悪い場合や、管理が（2011）.

行き届いていない環境で著しく増加するため、国内と

7) 中津川直樹：抗バイオフィルム加工製品の認証制度構築

比べ、海外の市場規模は大きく、成長性も大いに期に向けて、表面技術、第 72 巻、5 号（2021）.

待することができる。引き続き、様々な課題を顧客と共有し、将来的には水資源やエネルギー、衛生における問題の有効な改善策として広く BFC 剤を提案していきたい。
研究者プロフィール
星光 PMC 株式会社

星光 PMC 株式会社

製紙用薬品事業部

製紙用薬品事業部

技術統括部

技術統括部

市原研究所

市原研究所

課長 五十嵐 亮二

主任 久保 武(Ryoji Igarashi)(Takeshi Kubo)

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