Journal of Environmental Biotechnology（環境バイオテクノロジー学会誌）
Vol. 5, No. 2, 91–95, 2006ƷἕƷƷ◻⾷ᣀ⮥⾸Ʒ੒ᕧ⾻৓ᕧ൮᧯ᢼǽᚆ۰ࣟⳬǺȗȚ‫᤹׼‬᫢ሱᑿᢼո╫Combination of Anaerobic and Aerobic Microorganisms for Eﬀective
Bio-Degradation of Organic Substances
春田伸*，加藤創一郎，崔宗均

SHIN HARUTA*, SOUICHIRO KATO, ZONG JUN CUI

石井正治，五十嵐泰夫

MASAHARU ISHII and YASUO IGARASHI
東京大学大学院農学生命科学研究科 〒263–0022 千葉市稲毛区弥生町1–8* TEL: 043–251–8312 (ext. 421) FAX: 03–5841–5272* E-mail: aharuta@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
Graduate School of Agricultural and Life Sciences, The University of Tokyo, 1–8 Yayoi-cho,Inage-ku, Chiba 263–0022, Japanȵʀɷʀɑ：微生物集団，微生物分解，リグノセルロース
Key words: microbial community, microbial degradation, lignocellulosic materials
（原稿受付

1.

2005年 8 月31日／原稿受理ǾǧȐǺ

様々な環境から好気的代謝能をもつ微生物に混じって嫌気性微生物が見つかっている。また効率的に固体有機物を分解処理している堆肥化過程からも好気性微生物だ
けでなく，嫌気性微生物も検出されている (e.g., Pedroet al.10))。さらに強制的な通気条件で処理を行う液肥化過程でも好気，嫌気両微生物群が検出されている (D.
Hanajima, personal communication)。また実験室内での共培養実験では，Clostridium 属細菌によるセルロース分解が非セルロース分解性の嫌気性細菌との共培養により促進されるばかりでなく9,13)，カビによるセルロース分解が嫌気性細菌の共存で促進される報告もあり12)，これら代謝の組合せに興味がもたれている。我々は堆肥化過程を植種源として好気，嫌気の両環境が混在しうる液体静置条件で継代培養を繰り返し，リグノセルロースを効率的に分解する安定な微生物集団を得ている2,3)。本稿では，その微生物集団のセルロース分解の効率性に注目し，各微生物の役割を解析した結果を紹介する。
2.

2005年10月24日）

下まで低下し，培養過程を通して還元状態が維持されている（図 2 ）。稲わらを基質とした例では，4 日間の培養で添加した稲わらの50％以上を分解するが，強制通気による好気条件や気相ガス置換による無酸素条件で培養すると，分解率は著しく低下する (data not shown)。またフラスコ内の培養液量を減らしても分解率は低下することから，大気に接する液面部の面積と深さのバランスも重要である。ろ紙の分解を観察した例では，気液界面部分から最初に分解が起こり，ろ紙が分断される様子が見৓ᕧⰙΈቷͲǺǙǠȚ൮᧯ᢼ⮥ࡐǺȗȚ‫᤹׼‬᫢ǹ᲻ȞȘո╫2)

構築した微生物集団は固体リグノセルロース基質（稲わら）のほかにペプトンや酵母エキスを含む液体培地を用いて，図 1 に示すように三角フラスコで静置培養を繰り返している。フラスコには密栓をせずアルミホイルを被せただけであり，気相は大気と通じている。しかし植菌後，数時間で培養液中の酸化還元電位は –400 mV 以

図 1 ．稲わら分解微生物集団の培養。
用いた培地組成は，0.5％ peptone, 0.1％ yeast extract, 0.5％NaCl, 0.5％ CaCO3, 1％ rice straw。50°C で静置培養し，4 日から 1 週間で継代培養を繰り返している。右は微生物集団接種，左は未接種。

92

春田他

図 2 ．培養液の酸化還元電位 (ORP) の変化。て取れる。これらのことから効率的分解において好気，嫌気の両代謝の重要性が示唆される。
3.

ᐦ༔൮᧯ᢼᲷǽ╫ኝ2,4–6)

構成微生物種を PCR-DGGE 法および培養法により解析したところ，数十回継代培養を繰り返しても表 1 に示す 7 種の細菌が変わらず検出されている。これらのうちセルロース分解性を示したのは CSK1 株のみであった。
本株は既知セルロース分解菌である Clostridium thermocellum に近縁であるが，各種の系統分類学試験によりいくつかの点において相違点が見られたことから，Clostridium 属細菌の新種として Clostridium straminisolvensと名づけた4)。C. thermocellum と比較し，特に酸素耐性に優れていたことは本培養系を考える上で興味深い。また分解中の稲わらを対象に FISH 解析したところ，
CSK1 株だけでなく非セルロース分解性の Clostridium
sp. FG4 株も付着していることが明らかとなっている(data not shown)。ただしこれら Clostridium 属細菌は大気気相下，静置条件では増殖できないことから，微生物集団内では他細菌による酸素消費が重要であると考えられる。
4.

‫᤹׼‬᫢ո╫ǽǮȐǽ൮᧯ᢼǽẻ۰ǪǽᎰ╿5)

まず CSK1 株に他の細菌を混合し，2 種混合培養系でのセルロース分解を検証した。好気条件で生育可能な分離株のうち，M1-3, M1-5 または M1-6 株との共培養でろ紙分解が観察された（S3, S5 および S6, 図 3 ）。しかし分解率を元の微生物集団（original community, 図 3 ）と比較すると70〜90％と低かった（図 3 ）。そこでさらにこれら効果の見られた 3 種の細菌を組合せた M1-3,M1-5, M1-6 および CSK1 株から成る 4 種混合培養系
S356 を構築したところ，元の微生物集団と同等のろ紙分解率を示した。ただしこの 4 種混合系も嫌気条件で培養すると，分解率は大きく低下することから好気的代謝の重要性を示唆している（S356 (AN), 図 3 ）。さらにこの 4 種混合系に M1-1 または M1-4 株を添加すると分解率は低下した。同様にセルロース付着性のある FG4 株の添加も分解率には抑制的に働いた。以上からセルロースの効率的分解に関して CSK1, M1-3, M1-5, M1-6 株の 4 種の組合せが有効であることが分かった。
CSK1 株 の 嫌 気 条 件 で の 純 粋 培 養 に よ る ろ 紙 分 解

図 3 ．純粋培養または混合培養によるろ紙分解率の比較。
棒 グ ラ フ の 白 色 部 は 培 養 4 日 目 ま で の 分 解 率， 灰 色 部
は 4 日から 8 日目での分解率を示す。括弧内に AN と示したのは気相を窒素置換した嫌気条件での培養結果である
が，それ以外はすべて好気静置培養である。使用した培地は図 1 と同様であるがここでは稲わらの代わりにろ紙を用いている。分離株の略称は表 1 を参照。

を 4 種混合系と比較した（図 4 ）。ここでは図 3 と異なり，CSK1 株については至適増殖培地を用いている。ろ紙分解の経時変化をみると CSK1 株単独でも培養初期は混合系と同様の分解速度を示しているが，培養が進むにつれ分解量に差が見られている（図 4A ）。また CSK1株単独では酸性 pH からの回復がみられず，セルロース分解産物であるセロオリゴ糖や酢酸が蓄積する傾向にあることが分かる（図 4B, C, D）。これら酸性 pH やオリゴ糖の蓄積はセルロース分解細菌の生育やセルラーゼ活性に対して抑制効果があることから4,7)，混合系に共存する他細菌は嫌気環境の形成だけでなく，分解産物の消費を通して CSK1 株によるろ紙の効率的分解に寄与していると考えられる。一方，M1-1 株や M1-4 株にはオリゴ糖または酢酸の利用能が確認されているが（表 1 ），これら細菌の添加は混合系におけるろ紙分解に抑制的に働くため，その他の寄与やそのバランスも重要なのかもしれない。
5.

ᚆ۰ࣟⳬṾȡ᧸ǓǮ۬൮᧯ᢼᲷǽൃׂ╫ኝ6)

上記 4 種混合系 (S356) は高い分解効率を示したが，継代培養を20回以上繰り返すと M1-5 株が検出されなくなり，集団の構造維持に関しては不充分な混合系であった5)。一方，この 4 種混合系に FG4 株を追加した 5 種混合系 (SF356) では分解率はやや劣るものの構成微生物種の安定な共存が可能であった。そこでこの 5 種微生物のそれぞれの役割を解析した。各構成微生物種の純粋培養条件での主な有機物（CSK1 株によるセルロース分解産物）の利用性を表 1 にまとめた。一部の細菌にこれら有機物の利用性が検出されているものの，M1-3 や M1-6株の役割は不明である。また純粋培養条件での性質が93

嫌気，好気微生物の混合集団

図 4 ．4 種混合培養系 (S356) と CSK1 株単独 (CSK1 pure) の培養過程の比較。
混合系は図 3 と同様の培地を用いた好気静置培養であるが，CSK1 株単独は本菌の増殖至適培地 (DSM122 medium, http://www.dsmz.de/) で嫌気的に培養した。A, ろ紙分解量；B, pH; C, セロオリゴ糖濃度；D, 酢酸濃度。

pH の変化を見ると，∆S では酸性化が見られないが，ろ紙分解性を持つ混合系では培養初期に pH が低下していた（図 5B ）。ただし ∆F では培養後期に中性へと回復しており，この変化は元の微生物集団と類似している2)。さらに主要なセルロース分解産物であるセロオリゴ糖，酢酸，エタノールの培養 8 日目の各濃度を測定し，ろ紙分解量当たりの値で比較した（図 5C, D, E）。
∆3 や ∆6 でオリゴ糖生成は 5 種混合系よりも抑制されていたが，∆F や ∆5 では増加していた。この結果は
FG4 株および M1-5 株のオリゴ糖消費活性を示唆しており，表 1 の純粋培養の結果と一致する。酢酸量について集団内の挙動を反映しているとは限らないため (e.g.,
Nakamura et al.8))，5 種混合系とそこから 1 種のみを除いた 4 種混合系を比較し，各微生物の役割を推定した。ここでは除いた微生物に着目するため，各混合系を ∆Xと表記する（例 ∆F は S, 3, 5, 6 から成る 4 種混合系）。
∆S を除き，すべての混合系でろ紙分解が観察された（図 5A ）。直接の分解細菌である CSK1 株以外は分解に必須ではないが，混合系の組合せの違いによって分解率に差が見られた。図 3 でも示したように S356 (∆F) が最も高い分解率を示したが，その他の 4 種混合系と 5 種混合系には大きな違いは見られなかった。次に培養液の表 1 ．稲わら分解集団の構成微生物種。
Straina

Closest relative

CSK1 (S)FG4 (F)
M1-1 (1)M1-3 (3)M1-4 (4)M1-5 (5)
M1-6 (6)Clostridium straminisolvens c
Clostridium thermosuccinogenes
Bacillus licheniformis
Pseudoxanthomonas taiwanensis
Virgibacillus panthothenticus
Brevibacillus agri
Bordetella petrii

GrowthUtilizationb

anaerobic

aerobic

cellulosecellobiose

glucoseacetateethanol++++–––––++++++–
–
–
–
–
–+++–
–
–
–

–++–
–
+–

nt
nt+–+–
–

nt
nt
nt
–nt+–

a 括弧内は本論文で使用している略称。
b CSK1 株および FG4 株は目的の有機物を唯一の炭素源とする培地で嫌気的に培養し酸生成の有無により判定した。M1-3, M1-5,M1-6 株については Biolog システムを用いて，好気条件で培養し利用性を判定した。ただしエタノール利用性は液体培養によるエタノール濃度の減少を直接測定した。+, positive; –, negative; nt, not tested.
c 我々が同定，命名した新種4)。

94

春田他

図 5 ．5 種混合培養系 (SF356) と 1 種ずつを除いた 4 種混合培養系の比較。
A, 8 日培養でのろ紙分解量；B, pH; C, セロオリゴ糖量；D, 酢酸量；E, エタノール量。代謝物の量 (mg) は 8 日間培養でのろ紙分解量 (g) あたりの値で示した。ろ紙分解が検出されない混合系の代謝物量には N.A. (not applicable) と示した。5 種混合系 SF356と有意な差が見られているもの (P<0.05) には※を付した。

は ∆F での生成抑制または消費が顕著であり，これは
図 5B で示した pH 回復の一因と考えられる。以上から
FG4 株は糖を消費し，酢酸を生成していると考えられる。また ∆3 の酢酸量の上昇結果は，M1-3 株の酢酸消費を示唆するものであるが，純粋培養試験ではその利用性は検出されていない（表 1 ）。エタノールの生成量はFG4, M1-3 または M1-5 株の存在により促進されるが，中でも FG4 株による生成促進が顕著であり，糖消費によるエタノール生成が示唆される。以上の結果を図 6 にまとめた。セルロースの一次分解者である CSK1 株の生成物は主にオリゴ糖，酢酸，エタノールであるが4)，糖か

図 6 ．セルロース分解のフローモデル。

らの酢酸生成には FG4 株も関与している。また FG4 株は酢酸に加え，エタノール，グルコースを生成する。糖
消費はセルロース分解を促進することが知られているが，過剰に生成される酢酸は培養液の酸性化等 CSK1 株の活性を低下させるため，結果として SF356 のろ紙分解率は低く，∆F が高い分解率を示したと考えられる。
また M1-5 株によるグルコースやエタノールの消費に加え，M1-3 株による酢酸消費が効率的な分解産物除去につながっており，還元的環境の提供だけでなく，これらの好気的代謝の重要性が示された。一方，M1-6 株はセルロース由来の有機物でなく，酵母エキスやペプトンといった他の培地成分の利用が考えられるが，その集団内での寄与は明らかではない。ただし M1-3, M1-5, M1-6株の培養上清には CSK1 株の生育促進効果が見られており (unpublished data)，代謝フローだけでは説明できない関係性もあると考えられる。
これまでの結果は継代培養第 2 世代目を用いた実験であり，どの混合系でも混合したすべての細菌の残存性を確認している（表 2 ）。しかし継代培養を繰り返すと，いくつかの混合系で細菌の脱落が観察された。∆F では
前述のように M1-5 株が検出されなくなっており，M1-5株が FG4 株の代謝物に依存するという図 6 に示した関係性を支持する結果である。一方，∆5 では CSK1 株および FG4 株が脱落しており，これら細菌は相互に影響を与え合っているのではないだろうか。また ∆S では継代培養によって他細菌すべてが排除され M1-6 株のみになっており，明確な役割を特定することのできなかったM1-6 株を含む安定共存の機構に興味がもたれる。

95

嫌気，好気微生物の混合集団
表 2 ．混合培養系における構成微生物種の安定性。
2nd generation

22nd generation

mixedculturea

SF

356S

F

356SF356
∆S
∆F
∆3
∆5∆6+
n.i.
++++++n.i.
++++++
n.i.
+++(+)++
n.i.
++++++
n.i.

+
n.i.
++–++–n.i.
+–++–+n.i.
+++––+n.i.
++++++n.i.

分離株の混合した世代を第 1 世代とし，8 日目の培養液を新鮮な培地に 1 ％接種して継代培養を繰り返した。第 2 世代と第22世代の培養 8 日目について培養系全体から DNA を抽出し，各細菌の 16S rRNA gene に特異的なプライマーを用いて PCR 法で検出した。
a 混合培養系の構成微生物種については本文参照。各細菌の一文字略称は表 1 を参照。
+, positive; (+), weakly positive; –, negative; ni, not included in the mixed-culture.

6.

ǙȞșǺ

我々はセルロース分解の効率性およびその安定性を指標に集積培養を繰り返し，微生物集団を得ている。また培地成分には自然界や堆肥化過程のようにセルロース以外の有機物も含まれており，液体静置という培養法も含め，多様な微生物の共存を許容する条件であった。それゆえに特定の代謝のみに集約する選択性が低く，代謝特性の異なる複数種の微生物からなる集団が得られたのではないだろうか。好気静置という嫌気・好気状態が混在する培養条件は厳密な制御を考える実験室では特異であるが，自然界では至る所で見られる環境である。このよ
うにして集積した微生物集団では，嫌気条件で特に効率の悪い有機酸の分解を好気代謝によって補うことで嫌気性細菌によるセルロース分解を強力に促進していることが明らかとなった。さらに酸素除去による嫌気性細菌の増殖，セルロース分解物を利用した好気性細菌を含む他細菌の生育，また分解物除去による一次分解者の活性化，という見事なネットワークが複数微生物種の安定な共存も可能にしていると考えられた。加えて，セルロースの分解フロー以外の代謝による生育促進や抑制作用も示唆されており，集団としてのバランスを保っていると考えられる。
既知微生物の混合ではなく，自然に習った微生物集団の構築・育種によって新たな微生物機能の開発も期待される。近年，自然界からの集積培養により機能性集団を取得する試みが多数報告されるようになってきているが1,11)，集団機能を安定に維持することは困難であり，安定化機構の解明は今後の集団開発・利用における重要な課題である。
ᄙƷƷƷᤙ
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