生物工学会誌 第94巻第6号

Non-conventional yeasts 特集（後編）

南極産酵母の環境適応機構の解明とその産業利用
保 1*・辻星野

雅晴 2・横田祐司 1・工藤栄 2・内海洋 3・湯本勲1

はじめに

Mrakia 属酵母の環境適応機構

南極の陸域に生息する外温性生物は高い低温適応能を

低温環境に適応した担子菌は，Typhula ishikariensis有している．このため培養可能な微生物はその環境適応に代表されるように，水平伝播により獲得したとされる能に関与する構成物質や酵素などを利用する目的でバイ不凍タンパク質を細胞外に大量に分泌し，菌糸周辺の微オプロスペクティング（自然界から価値のある遺伝的な細環境を制御することで凍結環境に適応しているとされいし化学的物質を探し出す活動）の対象となっている．

る 4,5)．Leucospridium や他の担子菌酵母など南極で分離

また，極地の微生物自体を産業利用することも検討されされた複数種の菌類から細胞外不凍タンパク質の存在がており，微生物の低温下における生理的性質は，ビール確認されたが，Mrakia 属菌から不凍活性は検出できな下面発酵や寒冷地でのバイオレメディエーションなど産かった 3,6)．後述の Mrakia blollopis SK-4 株のドラフト業上重要な性質である．

ゲノム解析により，本株は不凍タンパク質遺伝子を持た筆者らは，南極にて微生物調査を行い，陸上生態系でないことが確認された 7)．Mrakia 属菌は，他の担子菌酵もっとも分離頻度の高い担子菌酵母が北海道など寒冷地母に比較して脂肪酸組成に占めるリノレン酸割合が他属での乳脂肪を含む排水処理に適した性質を有することを種よりも高く，脂質の流動性を高めることで低温環境に見いだし，国内で初めて南極産微生物を商品化した．本

適応している．Mrakia 属菌の環境適応は，現時点で細稿では，この南極産担子菌酵母の低温環境適応能および菌から動植物まで見られるもっとも一般的な戦略のみがその産業利用を解説する．

明らかとなっている．
乳脂肪分解性を有する酵母の発見とその性質

南極の不凍環境である淡水湖底とその菌相
南極大陸の 98％は氷床に覆われており，わずか 2％の北海道など寒冷地で微生物を戸外で利用する場合（排地域はオアシスと呼ばれる夏季，地表があらわれる露岩

水処理・サイレージ発酵・バイオレメディエーションな域である．南極陸上生態系に生息する生物の大半がこのど），冬季の温度低下による生物活性の低下が問題とな

1)

地域で活動している ．

る．特に酪農施設から排出される生乳を含むパーラー排これら露岩域には，塩湖から淡水湖まで来歴の異なる

水は，冬季の水温低下によって固化する乳脂肪の含量が多様な湖沼が存在し，これら湖沼は冬季に湖面全体が凍高く，分解が困難である．これまでに南極産 Candida 属結するが，夏季は少なくとも部分的に融解する．昭和基

酵母および藍藻類を排水処理槽に添加することにより，地周辺の露岩域湖沼では冬季の最大氷厚は 1.7 m 程度で排水中の全リン 8)，リン酸 9,10)，硝酸体窒素 9–12)，全炭あり，これ以上の水深を有する湖沼であれば，湖底に年素 11,12) の減少が報告されている．しかし低温環境では固間を通じて未凍結な水層が存在する（図 1）2)．

化し，微生物分解が困難となる脂肪の処理に関する報告3)

Tsuji ら は，これら湖沼の堆積物および湖岸土壌中の菌類の分離を行い，分離菌株の 53.7％が担子菌酵母であり，このうち Mrakia 属菌が 42％を占める特殊な菌相であることを明らかにした．Mrakia 属には現在 12 種例はなかった．このため，私たちが南極で採集した菌類が報告されており，そのいずれも両極や高山などから高スクリーニングの結果，M. blollopis SK-4 株に高い乳3)

ライブラリーは，寒冷地での微生物の野外利用の問題解決の可能性があると考え，低温で乳脂肪分解性の高い菌株のスクリーニングを行った．

頻度で分離されている ．なお南極など寒冷地域におけ脂肪分解活性を見いだした 13,14)．本菌は，2010 年イタる試料採集やそのエピソードに関しては，筆頭著者によリア隊によって採集・記載された担子菌酵母である 15)．

る成書 4) を参照されたい．

本種の種小名はビールにちなむものであり，このため本菌を含む多数の Mrakia 属菌は，発酵能を有している．
本株は，pH 5.0–10.0 の範囲で発酵が可能であり（至適* 著者紹介 産業技術総合研究所（研究グループ長） E-mail: tamotsu.hoshino@aist.go.jp
1

産業技術総合研究所，2 国立極地研究所，3 株式会社アクト

2016年 第6号

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特集

図 1．昭和基地周辺の淡水湖の湖底．水性のコケ類が隆起し，コケ坊主を形成する．コケ坊主の成長は湖水の凍結によって阻害される．このためコケ坊主の高さは湖面からほぼ一定である．写真提供：国立極地研究所・伊村智教授．

図 2．寒天培地上の異なる培養温度における Mrakia blollopis
SK-4 株の培養形態．A．生クリーム寒天培地にて 3 週間培養．B．
ポテトデキストロース寒天培地にて 3 週間培養．C．ポテトデキストロース寒天培地にて 2 週間培養後のコロニー周辺の細胞
形態．

含量の異なる液体培地にて培養した場合，培養条件に関
16)

pH は pH 8.0–10.0） ，木質バイオマスからの低温同時らず酵母状細胞であった．これらの結果より，本株は環糖化発酵によるバイオエタノール生産が可能である 17,18)．

境中に十分な栄養素がある場合，あるいは栄養素が分散

また Mrakia 属菌の発酵能は，個々の菌株のもつエタノーしている水中では分解酵素を分泌し，細胞当たりの吸収ル耐性と密接な関連が明らかとなっている

19)．

Mrakia blollopis SK-4 株の乳脂肪分解と細胞形態効率の高い酵母状細胞を示し，一方，栄養素が乏しい場合には糸状細胞に変化し，栄養素の多い環境へ積極的に移動する可能性がある．本株のこのような性質や発酵能

本株の高い乳脂肪分解能は，細胞外に分泌される熱安などを加味すると，一般に貧栄養とされる南極陸上生態定性（至適温度 60–65°C）
・pH 安定性（pH 3–10 にて安系から，バイオマスの豊富な淡水湖底まで幅広い低温環定）が高く，C4–C18 までの幅広い脂肪酸を分解可能な境で本株を含む Mrakia 属菌が適応可能であることを示

リパーゼによるものと推察されている 20)．本菌の増殖上す一例と考えた．

限温度は 20°C 付近であり，至適増殖温度は 10°C 付近に存在する．本菌は典型的な好冷菌（増殖の上限温度がMrakia blollopis SK-4 株のパーラー排水処理への応用20°C 以下に存在する菌類）であるにも関らず，熱安定

北海道内の牧場にて牛乳を含む排水を生物処理してい性の高いリパーゼを分泌する理由として，筆者らは本菌る施設より得た活性汚泥に SK-4 株を添加し，その効果が酵素合成に関る生物学的代謝コストを削減するため，を 検 証 し た． こ の 結 果， 本 株 の 水 処 理 温 度 が 低 温

低温下で安定性の高い（ターンオーバー数の大きい）酵（4–10°C）であっても SK-4 株の添加によって，有機物素分子を少数生産するものと考えている．

分解効率が約 2 割上昇することが確認された（表 1）20,22)．

また，本株の酵素は熱安定性が高いにも関らず，生ク

さらに北海道内の夏季の水処理施設の水温は 25°C 付

リームを含む寒天培地で示すその乳脂肪分解能は，培養近まで上昇することがある．このため水温を 3–25°C ま

温度 4°C でもっとも高く，培養温度の上昇に伴い形成さで変化させて 200 日以上排水処理を行ったところ，本株れる脂質分解によるハローは小さくなった 13)．本株のコは増殖上限温度以上の 25°C で 100 日間培養することで，ロニーを詳細に観察すると，培養温度の上昇に伴い，コ活性汚泥中の菌数は，1/100 程度まで減少するが，死滅ロニー中の酵母状細胞の割合が減り，糸状細胞の割合が．
増えることが確認された（図 2）
本株をポテトデキストロース寒天上で同様に培養する

表 1．M. blollopis SK-4 株の活性汚泥への添加によるモデル排水における乳脂肪分解能の評価と，同様の細胞形態の変化が確認された．同一温度にお分解条件

いての培地中の栄養素を増量すると，酵母状細胞の割合SK-4 株添加が増加し，栄養素量を減らした場合には糸状細胞の割合が増えた 21)．また，本株をさまざまな温度で，栄養素の330

活性汚泥
活性汚泥のみ初発 BOD

24 時間後の BOD

除去率1210 mg/L

204 mg/L

83.1％

1260 mg/L

456 mg/L

63.8％

生物工学

第94巻

Non-conventional yeasts 特集（後編）

図 3．水温を変化させた連続式水処理による活性汚泥中の M.
blollopis SK-4 株生菌数の変化．

図 4．M. blollopis SK-4 株を吸着させた活性化石炭の商品イメージすることはなかった．さらにその後，水温を低下させる．と再び増殖が確認された（図 3）
これらの結果より南極陸上生態系で優占種となる

Mrakia 属菌は低温環境に高度に適応していることから，低温環境における排水処理などに適した性質を有することを明らかにした．

Mrakia blollopis SK-4 株の実用化
これまでの結果から M. blollopis SK-4 株のモデルパー
ラー排水処理への有用性が確認されたため，実証プラン
トでの検証を行った．アクト社の有する活性化石炭技術を利用し，これに吸着させた M. blollopis SK-4 株 200 Lを水温 10°C の実証プラントに投入した．その結果，実証プラントから放水される排水中の COD を 100 mg/Lから 50 mg/L まで減少させることを確認した．このために M. blollopis SK-4 株を吸着させた活性化石炭，「アクト ピュリフィケーション コール」アクト社より販売を．本品は，国内では南極産微生物を予定している（図 4）もちいた初めての製品である．
おわりに今後，研究開発の進展により，国内外で同様の研究開発がさらに進展することが期待されている．
本研究は，アクト社・帯広畜産大学・国立極地研究所・産総研との共同研究の一部であり，本研究に寄与した帯広畜産大学・日高智教授に深く感謝致します．また，卒業研究とし2016年 第6号て本研究に関った北海道東海大学・藤生誠一氏，北海道バイオテクノロジー専門学校・下原広大氏，同・江崎絢香氏に感謝致します．

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