Journal of Environmental Biotechnology（環境バイオテクノロジー学会誌）
Vol. 12, No. 1, 15–24, 2012

総

説（特集）

石炭層における微生物によるメタン生産の可能性を探る
Recent Topics of Methane Production in Coal Seam by Microorganisms
清水了 1*，上野 晃生 1，玉村 修司 1，長沼 毅 2，
石島 洋二 1，大味 泰 1，金子 勝比古 1,3Satoru Shimizu, Akio Ueno, Shuji Tamamura, Takeshi Naganuma,
Yoji Ishijima, Yasushi Ohmi and Katuhiko Kaneko
公益財団法人北海道科学技術総合振興センター幌延地圏環境研究所 〒 098–3221 北海道天塩郡幌延町栄町 5–32
広島大学大学院生物圏科学研究科 〒 739–8528 広島県東広島市鏡山 1–4–4
3
北海道大学大学院工学院環境循環システム専攻地圏循環工学講座 〒 060–8628 北海道札幌市北 13 西 8* TEL: 01632–9–4112 FAX: 01632–9–4113* E-mail: satoru.shimizu@h-rise.jp
1
Horonobe Research Institute for the Subsurface Environment, Northern Advancement Center for Science & Technology,
Horonobe-cho, Teshio-gun, Hokkaido 098–3221, Japan1

2

Graduate School of Biosphere Science, Hiroshima University, Higashi-Hiroshima 739–8528, Japan
3
Faculty and Graduate School of Engineering, Hokkaido University, Sapporo 060–8628, Japan
キーワード：石炭層，メタン生成微生物，微生物群集
Key words: coal seam, methanogen, microbial community
（原稿受付

1.

2012 年 5 月 1 日／原稿受理

はじめに

石炭は世界の一次エネルギーの約 3 割・電源別発電量の 4 割を占めている。また，石炭の可採年数は 133 年と他の化石燃料よりも長いため今世紀における重要なエネ
ルギー資源であるといえる。しかし，石炭には他の化石燃料に比べて燃焼に伴い温室効果ガスである CO2，酸性雨の原因となる NOX および SOX の排出が多いなどの環境制約上の課題がある。さらに，我が国においては，
石炭のほとんどを輸入に頼っており，国内に残っている
石炭の多くは採炭できない深度に存在している。島田ら 1) は日本における地下 1,200 m 以浅の浅部炭層の石炭埋蔵量約 270 億トンに対して，地下 1,000–3,000 m の深部非可採炭層に 3,000 億トン以上，3,000 m 以深の深部
非可採炭層には 3 兆トン以上もの石炭が埋蔵されていると見積もっている。
このような背景のもと，もし石炭層において微生物反応により石炭をメタンに変換することができれば，以下のような利点とともに，石炭を天然ガス資源として回収することができる；（1）採炭工程を経ずして石炭をガス資源として回収できる，（2）採炭できない深度の石炭をガス資源として回収できる，（3）褐炭などの低品位な石炭をガス資源として回収できる，（4）環境影響のより少ないエネルギー資源として回収できる（天然ガスは石炭と比べて燃焼時に CO2 や NOX/SOX の発生量が少ない）。
（5）海外において炭層メタンは非在来型のエネルギー資2012 年 5 月 25 日）

源として商業生産が行われているが，枯渇した炭層ガス
鉱床の再生がこの技術によって期待できる。
しかしながら，2006 年以前までは石炭層における微生物学的な知見は少なく，例えば石炭層にはどのような種類の微生物が存在しているのかすらほとんどわ
かっていなかった。このような中，我々は北海道の夕張で行われていた CO2-ECBM（enhanced coal-bed methane
recovery；コールベッドメタン回収増進）の実証試験等に関わり，石炭層の微生物群集構造，メタン生成活性および超臨界 CO2 による地下微生物への影響に関する基礎的な研究を行ってきた。近年，海外の商業用炭層ガス
鉱床においてメタン生成反応を人為的に促進させるための研究が少数ではあるが行われ始めている。現在，我々の研究グループも北海道の天北炭田，石狩炭田および釧路炭田などをフィールドとして，微生物による石炭層におけるメタン生産の可能性を探るための研究を行っている。本稿では，これらの研究を通して得られた知見について最近の研究報告を交えて紹介したい。
2.

微生物起源の炭層メタン

はじめに「微生物によって石炭からメタンを商業的に作ることは可能なのか」について考えてみたい。これに類する自然現象，すなわちナチュラルアナログとして微生物起源の炭層メタンの分布を表 1 に示した 2)。また，
アメリカ合衆国において生産されている天然ガスのうち

16

清水
表 1．微生物起源の炭層メタンの分布 2)。

Area

State or Country

Elk Valley
Maine Prairie
Forest City Basin
San Juan Basin
Michigan Basin
Appalachian Basin
Wilcox Group
Powder River Basin
Illinois Basin
Alberta Basin
Black Warrior Basin
Cook Inlet Basin
Fort Yukon
Nanushuk
Bowen Basin
Surat Basin
Sydney BasinPort Phillip Basin
Gippsland Basin
Waikato Basin
Greymouth
Carpathian Foredeep
Ruhr Basin
Pannonian Basin
Polish lignites
Upper Silesian Basin
Zonguldak Basin
Uinta Basin
Xinji area
Pechora Basin
Northwestern Siberian plain

British Columbia
California
Kansas
New Mexico and Colorado
Michigan
Pennsylvania
Texas
Wyoming
Indiana
Alberta
Alabama
AlaskaAustralia

New ZealandCentral Europe
Germany
Hungary
PolandNorth Western Turkey
Utah
China
Russia

約 10％が炭層由来のメタンであり，そのうち約半分が微生物起源のメタンといわれている 2)。このように，石炭層における微生物によるメタン生成についてはナチュ
ラルアナログが多く存在している。これらのナチュラル
アナログで生じているメタン生成について，関与している微生物群集の構造や生成プロセスを明らかにすること
により，石炭層におけるメタン生成を促進する手段や石炭層におけるバイオメタンの商業生産が可能であるかについてのヒントが得られるかもしれない。
3.
3.1.

石炭層の微生物

国内の石炭層における微生物研究

日本国内における石炭層を対象とした微生物研究は非常に少なく，北海道の石狩炭田で著者らが行った研究が一例報告されているのみである 7)。ここでは，著書らが関わった北海道夕張市に位置する石狩炭田（瀝青炭層）における国内唯一の CO2-ECBM 実証サイト（CO2 の炭層隔離により炭層メタン回収量の増産を目指した事業）から得られた知見について紹介する。はじめに CO2ECBM の背景について説明する。世界各地に分布する
地下深部の炭層には莫大な量の炭層メタン（coal-bed

他

methane; CBM）が胚胎されており，その総量は 140 兆
m3 以上であると推定されている 3)。そのため，CBM は
非在来型エネルギーとして注目を集めている。近年，温室効果ガス削減のための一手段である CO2 地中隔離の一環として，炭層に温室効果ガスである CO2 を圧入して CO2 で CBM を置換することによりエネルギー資源である CBM の回収増進を目指したプロジェクト（CO2ECBM） が 世 界 各 国 で 進 行 中 で あ る 4)。 我 が 国 で は，
2002 年から北海道の石狩炭田南部の夕張地域において，
CO2-ECBM の調査プロジェクトが，経済産業省の補助事業により行われた 5,6)。
夕 張 サ イ ト（ 図 1） で は，2004 年 か ら CO2 注 入 井（IW-1：注入深度 890.1–896.3 meter below ground level；
以下 mbgl とする）から石炭層への CO2 の圧入試験および，IW-1 から少し離れた地点に掘削された CBM 生産
井（PW-1：採水区間 843.1–907.0 mbgl）を用いた産出ガ
スのモニタリングを行ったが，事業期間内に注入井に圧入した CO2 の生産井への到達は観測されなかった。しかし，CO2 よりも石炭中の移動速度が速い N2 を IW-1に注入することにより，比較的短期間に PW-1 における
N2 到達の観測には成功した。著者らは同サイトにおける石炭層の微生物群集構造，CO2 の地中貯留による石炭層微生物へのインパクトを評価するための予察研究として PW-1 への到達が観測されている N2 の石炭層注入による微生物影響などの調査を行った。研究には PW-1 から採取した地下水を使用した。採取した地下水は，水温28.26°C，pH 7.82，EC 1.16 S/m の中温域の化石海水であ っ た。N2 到 達 前 の PW-1 の 全 菌 数 は 3.08×
105 cells·mL–1，N2 到 達 後 は 9.88×105 cells·mL–1 で あ り，
他の深部帯水層の全菌数 103–108 cells·mL–1 の範囲内であった。水質データ等の詳細については過去の報告 7) を参照されたい。
PW-1 か ら 生 産 さ れ る ガ ス の 組 成 は 2004 年 11 月 〜
2006 年 12 月の間の測定値でメタンが 86.9 〜 94.8％を占
め て お り，2006 年 4 月 に IW-1 か ら 注 入 し た N2 のPW-1 への到達が 2006 年 6 月に確認されている。我々
は，石炭層地下水の採水を N2 の PW-1 到達前後の 2006
年 4 月 17 日と 2006 年 7 月 19 日に行っており，石炭層の微生物群集を調査するとともに N2 による微生物群集への影響についても調査した。ガス組成等の詳細については過去の報告 7) を参照されたい。
PW-1 から生産されるガスの安定同位対比（δ13C および δD）を図 2 に，C1/（C2+C3）比および δ13methaneを 図 3 に 示 す。PW-1 の メ タ ン の δ13C お よ び δD 比 はWhiticar ら 8) が定義する熱分解起源の領域内にプロットされた（図 2）。さらに，PW-1 産出ガスの C1/（C2+C3）比および δ13methane 比も，Claypool & Kvenvolden 9) が定 義 す る 熱 分 解 起 源 の 領 域 の 近 く に プ ロ ッ ト さ れ，
PW-1 のメタンが熱分解起源である可能性が高いことを示していた（図 3）。これらの結果から，PW-1 から生産されるメタンの起源は熱分解起源であることが強く示唆されている。しかし，PW-1 生産水からはメタン生成に関わる微生物群集の 16S rRNA 遺伝子が検出され，集積培養法によってもメタン生成活性が確認された 7)。
石狩炭田 PW-1 生産水の 16S rRNA 遺伝子に基づく古細菌の群集構造を図 4 に示す。古細菌の 16S rRNA 遺伝

石炭層における微生物によるメタン生産の可能性を探る

17

図 1．北海道石狩炭田夕張地域における CO2-ECBM 実証サイトの概要。
The depths (meter below ground level, mbgl) of the formations are shown along the vertical axis in IW-1. The abbreviations for the geological Formations are as follows: A, Horonai Formation (mudstone and sandstone, 0–678 mbgl); B, Yubari Formation (mudstone, sandstone, shale and coal, 678–916 mbgl) and C, Horokabetsu Formation (mudstone, 916–932 mbgl).

図 3．北海道石狩炭田夕張地域における PW-1 産出炭層ガスのC1/(C2+C3) [methane/(ethane+propane)] vs. δ13Cmethane のBernard 図。
ガスの起源は Claypool and Kvenvolden（1983）9) に従った。

図 2．北海道石狩炭田夕張地域における PW-1 産出炭層メタンの炭素および水素同位体比。
ガスの起源は Whiticar et al.（1983）8) の分類に従った。

図 4．北海道石狩炭田夕張地域における PW-1 産出炭層地下水中から検出された古細菌の系統。

18

清水

子に基づくクローンライブラリーは，90.0％がメタン生
成 微 生 物 の 系 統 型 で 占 め ら れ て お り，CO2 基 質 型（4H2+CO2 → CH4+2H2O, ΔG0 =–130.7 kJ/reaction） のMethanoculleus 属 お よ び Methanobacterium 属 が53.3％，メチル化合物基質型（CH3OH+H2 → CH4+H2O,
G0 =–113 kJ/reaction）あるいは酢酸基質型（CH3COO–+H2O → CH4+HCO3–, G0 =–31 kJ/reaction） の Methanolobus 属および Methanosarcina 属が 36.7％を占めていた。これらの系統型は海外の炭田から検出されている
メタン生成微生物の系統型とも属レベルで一致している（表 2）10–13)。
石炭層以外の地下環境と比較すると，高温油田帯水層 14)，石油に汚染された帯水層 15)，白亜紀の頁岩帯水層 16)，第三紀堆積岩帯水層 17) および 5 km- 深部断層帯の帯水層 18) などからも Methanoculleus 属，Methanolobus 属，Methanobacterium 属および Methanosarcina 属のメタン生成微生物の系統型が検出されている。以上のように，安定同位体分析の結果は PW-1 の産出ガス中の他メタンが熱分解起源であることを示していたが，地下水中の古細菌 16S rRNA 遺伝子ライブラリーは PW-1 の地
下水中にメタン生成微生物が主要な微生物集団の一つとして存在していることを強く示唆していた。
石狩炭田 PW-1 生産水の真正細菌の 16S rRNA 遺伝子に基づくクローンライブラリーは，メタン生成微生物との共存あるいは共生が報告されている系統群が優占していた（図 5）。全体として Firmicutes 門と硫酸還元微生物である δ-Proteobacteria 綱が全体の 88.1％を占めていた。Firmicutes 門の中では特にホモ酢酸生成微生物である Acetobacterium 属が優占しており（38.8％），硫酸還
元 微 生 物 で あ る δ-Proteobacteria 綱 の 中 で は，Syntrophus 属が優占していた（20.9％）。このことは，ホモ酢
酸生成微生物と硫酸還元微生物，特に硫酸還元微生物の中でも Syntrophus 属が，PW-1 の地下水における物質循
環に深く関わっていることを示唆している。最近，他の深部地下環境において，メタン生成微生物と酢酸生成微生物の共存 19) およびメタン生成微生物と硫酸還元微生

表 2．炭層から検出されている微生物の系統。
Area

Coal
ranka

Ishikari Basin,
Hokkaido, Japan 7)

B

Powder river Basin,
Wyoming, USA 10)

SB

Powder river Basin,
Wyoming, USA 11)

Sample Methodc
typeb

CB

Methanogenic Archaea; Methanoculleus, Methanobacterium, Methanolobus, Methanosarcina, Other Archaea; Terrestrial miscellaneous Euryarchaeotic group 20,27,28), South
Africa gold mine Crenarchaeotic group-1 29), Marine Group I 30), Soil Crenarchaeotic Group 29),
Proteobacteria; Syntrophus, Pelobacter, Desulphuromonadales, Bacteroides, Syntrophus,
Pelobacter, Pseudomonas, Acidovorax, Sphingomonas, Novosphingobium, Firmicutes;
Acetobacterium, Syntrophomonas, Sedimentibacter, Clostridium, Anovynatronum, Other
Bacteria; Bacteroidetes, Cyanobacteria, OP3, Planctomycetes
Methanogenic Archaea; Methanococcus, Methanocaldococcus, Methanothermococcus,
Methanobrevibacter, Methanobacterium, Methanomicrobium, Proteobacteria; Desulfovibrio
Methanogenic Archaea; Methanobacterium, Methanothermococcus
Methanogenic Archaea; Methanosarcina, Proteobacteria; Desulfomicrobium, Firmicutes;
Acidoaminobacter, Clostridium, Syntrophomonas, Acloleplasma, Other Bacteria; Spirochaeta
Methanogenic Archaea; Methanocorpusculum, Proteobacteria; Rhodobacter,
Firmicutes; Firmicutes, Other Bacteria; Bacteroidetes, Spirochaetes
Methanogenic Archaea; Methanocorpusculum

CB

Methanogenic Archaea; Methanolobus

W

CI

W

CI

C

CI

SB

C

CB

Illinois Basin,
Illinois, USA 23)

B

W

Wilcox coal seam,Louisiana, USA 24)

?

W

CI

CI
Western Canada 12)

SB

C
CB

Surat Basin,
Australia 26)

B

W

CI
CB
CI

Syney Basin,
Australia 26)

W
CB

B
C

CI

BC

C

CI

Gippsland Basin,
Australia 13)

BC

W

CI

Ruhr Basin,
Germany 25)

?

C

CB

Port Phillip Basin,
Australia 26)

Phylotypes

Proteobacteria; Roseobacter, Rhodobacter, Sphingomonas, Rhizobiales, Acidovorax,
Aquaspirillum, Thiobacillus, Massilia, Janthinobacterium, Herminiimonas, Hydrogenophaga, Aeromonas, Acinetobacter, Marinobacter, Halomonas, Pseudomonas, Other
Bacteria; Anthrobacter
Methanogenic Archaea; Methanosarcina, Methanoculleus, Methanocalculus, Methanobrevibacter, Methanothermobacter, Methanobacterium, Proteobacteria; Citorobacter,Enterobacteriales, Aeromonas, Pseudomonas, Firmicutes; Clostridiales, Lactobacilliales,
Sedimentibacter, Other Bacteria; Synergistes, Bacteroidetes, Spirochaetes
Proteobacteria; Hydrogenophaga, Thaera, Other Bacteria; Cytophaga
Proteobacteria; Achromobacter, Firmicutes; Fusibacter
Proteobacteria; Methylobacter, Pseudomonas, Azoarcus, Methylotenera, Nitrincola,
Marinobacter, Firmicutes; Fusibacter, Dethiosulfatibacter
Firmicutes; Clostridium, Aeromonas, Arcobacter, Shewanella, Bacteroides, Exiguobacterium, Soehngenia, Fusibacter, Acetobacterium, Geobacter
Other Archaea; Archaeoglobus, Sulfophobococcus, Thermococcus, Proteobacteria;
PhylloBacterium, Marinobacter, Halomonas, Afipia, Firmicutes; Geobacillus
Other Archaea; Archaeoglobus, Thermococcus, Proteobacteria; Methylocapsa, Acidocella,
Acidiphilium, Thiomonas, Rhodobacter
Methanogenic Archaea; Methanobacterium, Proteobacteria; Burkholderiaceae, Geobacteraceae, Enterobacteriaceae, Stenotrophomonas, Halomonas, Ralstonia, Desulfomicrobium,
Delftia, Desulfuromonas, Desulfovibrio, Firmicutes; Geosporobacter, Thermotalea, Bacillus, Geobacillus, Veillonellaceae, Other Bacteria; Actinobacteria, Micrococcaceae
Methanogenic Archaea; Methanosarcina

SB; Subbituminous coal, B; Bituminous coal, BC; Brown coal.
C; Coal, W; Groundwater.
c
CB; Culture base, CI; Culture independent.
ab石炭層における微生物によるメタン生産の可能性を探る

物の共存 17–19) が示唆されている。また，硫酸還元微生物である Syntrophus 属は，水素生産共生微生物としてメタン生成微生物との共生関係が報告されており 20,21)，
深部地下環境においては中温の生分解性石油貯留層でMethanocalculus 属や Methanosaeta 属との共存が報告されている 22)。これらのことを考え合わせると，メタン
生成微生物，ホモ酢酸生成微生物および Syntrophus 属の硫酸還元微生物の幾つかは，PW-1 の地下水のメタン
生成システムにおいて互いに共生関係にあるのかもしれない。また，これらのメタン生成微生物との共存微生物の遺伝子が地下水から検出されたことは，地下水中におけるメタン生成にメタン生成微生物が関与しているという仮説を支持するものである。海外の石炭層から検出されている真正細菌の系統型と比較すると，Firmicutes 門
あるいは δ-Proteobacteria 綱の系統型が検出されている点が共通していたが属レベルでは驚くほど共通点が少なかった。
PW-1 生産水を接種源とした培養法によるメタン生成
活性は，CO2 基質型のメタン生成微生物用の Japan collection of microorganisms（JCM）262 集積培地およびメ
チル化合物基質型の JCM230 集積培地を用いた培養試
験において，いずれの培地からもメタン生成活性が確認されている。
以上のように夕張地域の石炭層の地下水において，CO2 基質型およびメチル化合物基質型の集積培養物からはメタン生成活性が示され，古細菌および真正細菌の16S rRNA 遺伝子のクローンライブラリーではメタン生成微生物ならびにメタン生成微生物との共存が報告されているホモ酢酸生成微生物および δ-Proteobacteria 綱のSyntrophus 属が優占していることから，メタン生成に関わる微生物集団の存在が強く示唆された。しかし，これらの結果は石炭層のメタンが熱分解起源であるとする
安定同位体比の結果とは相反していた。この解釈として
は，炭層内の大部分のメタンは，微生物起源によるもの
ではなく，石炭化反応過程の高温高圧下で熱分解反応により生成され，メタン生成微生物群集は，その後の地層の隆起などによる地層温度の低下にともない地下水中に出現した可能性が考えられる。
3.2.

海外の石炭層における微生物研究

世界の石炭層における微生物研究のうち微生物の系統について言及されている報告を表 2 にまとめた。地域的に最も報告が多いのが，北米（5 例）とオーストラリア（4 例）であり，日本と欧州はそれぞれ 1 例しか報告がない。報告の多い北米についても，すべての商業用炭層について報告がある訳ではなく Powder river に報告が集中しており限定的である。石炭のランクに着目した場
合，最も報告が多いのが瀝青炭（Bituminous coal）4 例，
次 い で 亜 瀝 青 炭（Subbituminous coal） で 3 例， 褐 炭（Brown coal）2 例となっており，石炭ランクによって検出されているメタン生成古細菌の系統に特徴がみられる。瀝青炭および亜瀝青炭では多様な系統が検出されているのに対して褐炭では Methanobacterium 13) の CO2 基質型の一系統のみが検出されている。瀝青炭および亜瀝
青炭で検出されているメタン生成古細菌についても CO2基質型の系統が圧倒的に多く，Methanomicrobium 属，Methanocalculus 属，Methanoculleus 属，Methanocorpusculum 属，Methanobacterium 属，Methanobrevibacter 属，Methanobacterium 属，Methanothermobacter 属，Methanococcus 属，Methanocaldococcus
属および Methanothermococcus 属 7,10,12) が検出されており，炭層では CO2 基質型のメタン生成プロセスが主要であると推測されている。他には Methanosarcina 属お
よび Methanolobus 属等 7,11,24,25) のメチル化合物や酢酸等を基質とする系統も検出されている。石炭層から単離され記載されているメタン生成古細菌は Methanolobus
zinderi SD1 T 24) の一株が報告されているのみである。この株はルイジアナ州の Wilcox 炭層から単離されており，
メチル化合物を基質とするメタン生成古細菌である。興
味深いことにこの株の 16S rRNA 遺伝子の配列は我々が石狩炭田夕張地域の炭層から検出した古細菌クローンと非常に近縁であった。一方，真正細菌については，Proteobacteria 門および Firmicutes 門が各ランクの炭層で共通して検出されており，これらの系統が炭層中の有機物分解を行い，メタン生成古細菌の基質を生成していると推測されている。しかしながら，検出されている系統は詳細に見てみると非常に多様であり炭層間の共通点はあまりないため，石炭の分解プロセスは炭層によって特色があるのかもしれない。石炭の分解プロセスについて
は，Strąpoć ら 23) がイリノイの瀝青炭から検出された真正細菌 16S rRNA 遺伝子クローンの系統をもとに提案しており，石炭中の geomacromolecule の分解には Spirochaeta 属，Sporomusa 属，Cytophaga 属 お よ び Rhodobacter 属が関与し，その分解産物の発酵によるメタン生
成 基 質（CO2, H2, Acetate） の 生 成 に Spirochaeta 属，Cytophaga 属，Acidoaminococcus 属および Rhodobacter属が関与していると考察している。
以上のように炭層における微生物生態学的な報告はまだまだ少ない。今後，炭層の CO2-ECBM 利用や炭層メタンの商業生産に対する関心の高まりにともない炭層微生物に関する知見が増えることが望まれる。
4.
4.1.

図 5．北海道石狩炭田夕張地域における PW-1 産出炭層地下水中から検出された真正細菌の系統。

19

CCS による炭層微生物への影響

超臨界 CO2 が炭層微生物に与える影響

気候変動に関する政府間パネル（IPCC）における二酸化炭素回収・貯留（Carbon Dioxide Capture and Storage; CCS）に関する特別報告書（2005 年）によれば，
世 界 全 体 に お け る CCS に よ る 貯 留 ポ テ ン シ ャ ル は，
2100 年までに世界全体の排出削減対策のうち累積で

20

清水

15 〜 55％の貢献が見込まれている。石狩炭田の微生物研究のところでも記述したが，石炭層は温室効果ガス削減のロードマップの中で CCS の重要な候補地とされている。そのため，石炭層におけるバイオメタン生産を目指した場合には，「CCS サイトでもバイオメタン生産は可能であるか？」についても検討が必要である。
CCS では CO2 が超臨界状態で地中貯留されるケースが多いため，超臨界 CO2 の微生物への影響を考える必要がある。すなわち，CO2 は温度 31°C 以上かつ圧力
7 MPa 以 上 の 条 件 で 超 臨 界 状 態 に 達 す る た め， 地 下
800 m 以深への貯留が想定されている多くの CCS サイ
トでは CO2 は超臨界状態で貯留される。しかしながら，
Dillow ら 31) によると超臨界 CO2 は種々の細菌を不活性化（増殖できない状態）にすることが明らかになっている。大腸菌を用いた実験 31) では，超臨界 CO2 との反応時間が進むにつれて培養可能な細胞数が激減することと，この現象は水が介在すると促進されることが明らかになっている。これらのことが炭層の微生物にそのまま適用されると，CCS サイトの炭層におけるバイオメタ
ンの生産は困難であると考えざるを得えない。その辺りのことを確かめるため，我々は深部地下環境に生息する
微生物を用いて実験を行っている。表 3 は我々が大腸菌を用いて試験した結果であるが，超臨界 CO2 処理により直接計数法による細胞数には全く変化がみられなかっ
たが，平板培養法による培養可能な細胞数は 24 時間以内に検出限界以下になることが明らかになっている。この実験系を用いて地下深部の地下水試料を用いて試験を行った結果を表 4 に示す。対照区である N2 処理区では細胞密度が増加していたのに対し，超臨界 CO2 処理区
では直接計数法による細胞数に変化がみられなかった。
N2 処理区における細胞密度の増加は，培養試験の温度
圧力条件と試験に用いた地下水の原位置環境条件（20°C・1.4 MPa）が異なるためであると考えられる。
また，超臨界 CO2 で 28 日間処理した試験区では DNAが抽出できないという現象が観察されている。この結果をどう解釈するかであるが，先行研究や著者らの大腸菌試験の結果を考慮すると細胞は顕微鏡で観察可能であるが，増殖できない状態になっているかあるいは死滅していると我々は推測している。
4.2.

CCS サイトにおける原位置研究

CCS サイトにおける微生物の原位置研究は非常に少ない。ここでは北海道石狩炭田夕張市の CO2-ECBM 実
証サイトで得られた知見と，石炭層ではないがドイツ
Ketzin の CCS サイトで得られた知見について紹介する。
石狩炭田の CO2-ECBM 実証サイトでは先にも述べた
ように試験期間中に炭層に注入された CO2 は生産井に達しなかった。そのため，生産井 PW-1（図 1）への到達が確認されている N2 の微生物影響について説明する。
PW-1 の N2 濃度は 2006 年 5 月から急激に増加したため，この時期に注入井 IW-1 から注入した N2 が PW-1 に到達したと判断した（N2 の生産井への到達をブレークス
ルーとする）。これにより著者らは N2 のブレークスルー
前後の炭層地下水を用いて微生物群集構造の比較を行った。PW-1 生産水の古細菌の群集構造と N2 注入による影響を図 6 に示した。PW-1 のアーキアの 90％以上はメ

他
表 3．E. coli JCM 20137 株の細胞数に対する超臨界 CO2 の影響。
処理方法
計測方法 （35°C,
10 MPa） 処理前

1 日後

超臨界 CO2

3.8 × 108

2.9 × 108

6.2 × 108

3.0 × 10800

6.6 × 108

5.6 × 107

直接計数法
cells/ml（DAPI）
平板培養法
CFU/mlN2
超臨界 CO2
N2

5.1 × 108
4.4 × 108

7 日後

表 4．深部地下水中の細胞数に対する超臨界 CO2 の影響。
処理方法
計測方法 （35°C,
8 MPa） 処理前

1 日後

超臨界 CO2

8.1 × 10

直接計数法
cells/ml（DAPI）

N2

8.8 × 10528 日後
5

6.2 × 105

4.2 × 106

1.8 × 107

図 6．北海道石狩炭田夕張地域における N2 ブレークスルー前
後の PW-1 産出炭層地下水中の古細菌の系統の変化。

タン生成微生物で占められているが，N2 のブレークス
ルーによりメタン生成微生物の種組成が大きく変化する
こ と， 特 に Methanobactrium 属 の 比 率 が ブ レ ー ク ス
ルー後に増加する傾向が観察された。ブレークスルー前
後の微生物群集構造の AMOVA 分析 32) の結果，古細菌の遺伝的多様性に有意差（p<0.05）がみられたが真正細菌では統計的な差異は認められなかった。以上の結果
は地下に圧入した N2 が炭層のメタン生成微生物の群集
構造，すなわち炭層のメタン生成プロセスに影響を与えることを示唆しているのかもしれない。本プロジェクト
は CO2 が PW-1 に到達する前に終了したため，CO2 が炭層微生物に与える影響を明らかにすることができていない。CO2 の地中圧入は地下水 pH の著しい低下を招くことが予想されるため，炭層の微生物群集にも少なからず影響を与えることが予想される。
独 Ketzin の CCS サイトでは深度 800 m の帯水層にCO2 注入前後の全菌数や特定の微生物種の経時変化を
FISH 法などによりモニタリングしている。全菌数はCO2 注入直後に減少し，その後約 1 ヶ月で CO2 注入前のレベルに復元することが報告されている 33)。一方，帯水層中の pH は CO2 注入前約 7 であったが注入後約 5まで減少したまま観測 5 ヶ月目まで安定しており，CCS21

石炭層における微生物によるメタン生産の可能性を探るが帯水層中の化学的環境に大きな影響を与えたことが確認されている。微生物群集構造の変化については CO2
注入前の群集構造の変動幅が大きいためバックグラウン
ドデータが安定していないが，CO2 注入後 2 ヶ月間の短期的な観測データからは，古細菌の一時的な増加と硫酸還元微生物の消失が報告されている。このようにこの研究事例では CCS は帯水層中の化学的環境および微生物に影響を与えることが示唆された。しかし，この事例では微生物の活性を培養法により評価していないため，前述のように超臨界 CO2 により活性を失っている（あるいは死滅している）細胞を観測している可能性もある。
以上のように CCS による微生物影響評価に関する知見は非常に少なく，多くの課題がある。著者らが最も重要と考えている課題は，超臨界 CO2 により炭層の微生物が活性を失うかあるいは死滅するかどうかである。このことを正しく評価することによって，CCS サイトにおいて温室効果ガスの地中隔離とバイオメタン生産の両立が可能であるのかを判断することができる。そのためには，CCS サイトにおける微生物群集構造について，
それらが生きているのかどうかを判別できる培養法等を主とした評価手法を検討する必要がある。

5.

石炭層におけるバイオメタン生産の試み

海外の石炭層におけるバイオメタン生産研究の概況を
表 5 に示した。すべて北米の炭層に関するものであり，Powder River の亜瀝青炭に報告（4 例）が集中している。
他に South Texas の亜瀝青炭，アラスカの褐炭についての報告があるのみである。この中でもっとも研究が進んでいるのがアメリカ合衆国地質調査所の Jones らのグ
ループであり，South Texas と Powder River の亜瀝青炭を用いてバイオスティミュレーション（Biostimulation）とバイオオーグメンテーション（Bioaugmentation）技
術によりメタン生成に成功している 34,35)。両技術を比較した場合，バイオスティミュレーションのみではメタン生成反応が定常値に達するまでに約 100 日間を要しているが，バイオオーグメンテーション技術を併用することにより，反応日数を約半分まで短縮することに成功してい る。Jones ら の 実 験 系 で は 50–60 日 間 で 約 80 μmole(1.8 ml)/g coal のメタン生成がなされており，この数値
は商業用炭層ガス鉱床のメタンガス包蔵量 38) に匹敵する（表 6）。これに対して，Green ら 11) が行った研究では約 18 日間で 20 μmole (4.8 ml)/g coal のメタン生成がなされている。しかし，Green らの実験系では添加物として酵母エキスが加えられている点や微生物添加量が反応溶液の 10％（vol.）にも及ぶ点で，炭素源を石炭のみ

表 5．炭層におけるバイオメタン生成研究。

Area

Coal bed

Coal
ranka

Treatmentb

Time toCH4
peakproduced Lag time CH
level
4

μmole/g
coal

days

days

BA

80

18

50–60

BS
BA
BS

60
80
60

75
10
80

100
70
100

BA

23

<5

40

BS

13

60

100

BA

8

<5

40

9

<5

40

Intermediates
observed

AcetateSouth Texas, USA(Indio Formation, Paleocen-E
ocene Wicox Group)

Powder River Basin,
Wyoming, USA(Fort Union Formation,
Paleocene)

upper
Wyodaksplit bedupper
Wyodaksplit bedlower
Wyodaksplit bed
PawneeSB

BA+BS

Fort Yukon, Alaska,
USA (late Miocene)
a
b

Cook
Shallower
Deeper

SB; Subbituminous coal, BC; Brown coal.
BA; Bioaugmentation, BS; Biostimulation.

BSBC

Phylotype

Ref.

Archaea;
Methanosaeta,
Methanosarcina,
Bacteria;
Jones et al.,Geobacter,2010 35)
Azonexus,
Pelotomaclum

Jones et al.,2008 34)

Archaea;
Methanosarcina,
Green et al.,Bacteria;
2008 11)
Acidaminobacter,
Syntrophomonas

200

3

18

10

<10

90

AcetateUlrich et al.,2008 37)

18
14
6

100
15
30

>350
38
250–350

AcetateAcetateAcetateHarris et al.,2008 36)

22

清水

他

表 6．商業用炭層ガス鉱床のメタン包蔵量 38)。

aBituminous
Bituminous
Bituminous
Subbituminous

scf/ton coal
300–600425
250–500
30–70

Gas Contenta
m3/t coal
8.4–16.8
11.9
7–14
0.84–1.96

μmole/g coal375–750531
313–625
38–88

Subbituminous

55–110

1.54–3.08

69–138Bituminous
Anthracite

200–400
300–900

5.6–11.2
8.4–25.2

250–500
375–1125

Basin

Coal Rank

San Juan (US)Uinta (US)Black Warrior (US)
Powder River (US)Western Canadian
Sedimentary (Alberta)
Bowen (Australia)
Qinshui (China)

scf/ton，標準立方フィート /ton（=0.028m3/t, 15.6°C・1 atm）として換算した。

としている他の研究事例とは一線を画すべきかもしれない。
炭層バイオメタン生成研究における興味深い点として，酢酸が重要な中間代謝物であることを示唆する報告が複数ある（表 5）。この事象は亜瀝青炭と褐炭の両方で観察されている。これらの報告では反応開始とともに酢酸濃度の増加が生じ，続いてメタン濃度の増加にともない酢酸濃度の減少が観察されている。Jones ら 35) はメ
タン濃度の増加にともない酢酸をメタン生成基質とすることが報告されている Methanosaeta 属および Methanosarcina 属の 16S rRNA 遺伝子のコピー数の増加を報告している。Green ら 11) は，酢酸濃度については言及していないが石炭バイオメタン生成実験において Methanosarcina 属の 16S rRNA 遺伝子のみが検出されたと報告している。このように石炭からのバイオメタン生成プ
ロセスは酢酸を基質としたメタン生成反応が重要なプロセスとなっている可能性が高い。Jones らは石炭からのバイオメタン生成プロセスについて，かれらが検出した微生物の系統や石炭関連化合物の分解反応に関する過去の報告などをもとに考察を行っている。参考までに
Jones らが提案している石炭からのバイオメタン生成モ
デル 35) を図 7 に示す。図 7 では，酢酸が石炭からのバ
イオメタンプロセスにおいて重要な中間代謝物でありメタン生成基質であることおよび石炭から生成されたアルカンや芳香族化合物などが酢酸の根源物質であることが提案されている。
石炭からのバイオメタン生成における根源物質は明らかになっていないが，興味深い報告がいくつかある。
Harris ら 36) はアラスカの褐炭と Powder river の亜瀝青
炭のクロロホルム抽出画分とバイオメタン生成量に正の相関があることを報告しており，Green ら 11) は Powderriver の亜瀝青炭についてある種の有機溶媒を添加した
ところ，メタン生成量が飛躍的に増加したことを報告している。これらの報告は有機溶媒により溶出される石炭中の脂質がバイオメタン生成の根源物質である可能性を示唆している。
今後，石炭中の有機物の特徴付けとバイオメタン生成
実験系から単離された株を用いて各反応プロセスを検証していくことにより，石炭からのバイオメタン生成プロセスの詳細が明らかになることを期待したい。

図 7．Jones らが彼らの最近の研究や他のラボの過去の研究に基づいて提案している石炭からのバイオメタン生成モデ
ル 35)。
aMid-chain fatty acids は培養試験において検出されていない。

6.

ま

と

め

石炭層におけるバイオメタン生産を目指した研究はまだ始まったばかりである。今後，石炭層の初期状態の微生物生態，CCS サイトにおける原位置研究，バイオメ
タン生産のための科学および工学研究に関心が集まり，様々な分野から多くの方々がこの研究に参加されることにより，炭層利用に関する先端的・学際的な研究成果が充実するとともに炭層バイオメタン鉱床開発が国内外においてエネルギー・環境問題に対する革新的な環境調和型資源開発の貢献策の一つとして実を結ぶことを願う。

石炭層における微生物によるメタン生産の可能性を探る

謝辞

この研究は経済産業省の予算で行われた。本稿紹介した 石 狩 炭 田 夕 張 地 域 の CCS-ECBM サ イ ト の 情 報 は（財）石炭エネルギーセンターから提供して頂いた上，多くのご助言を頂いた。心から謝意を表す。
文

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