鳥取環境大学紀要
第８号（2010．6）pp. 131‑135〔報告〕

再生可能なエネルギー資源としての木質バイオマスと木材腐朽菌によるバイオマス変換
Woody Biomass as a Renewable Energy Resource andBiomass Conversion by Wood Rotting Fungi
佐藤伸

SATO Shin
和文要旨：近年二酸化炭素や温室効果ガスによる地球温暖化と石資源枯渇の危機から、化石資源に代わり再生可能なバイオマスからのバイオ燃料の生産が世界各国の注目を浴びている。わが国においてもコメやサトウキビに加えて、木材や稲わらといったリグノセルロース系バイオマスからのバイオ燃料生産技術の開発が行われ、実用化に向けた基盤の整備も進んでいる。筆者の現在の研究では木質バイオマスをエタノールなどの有用物質に変換するプロセスの中で微生物の作用を取り入れ、環境にやさしい変換プロセスを構築することを目的とし、鳥取県東部の智頭町芦津のスギ人工林、及び近隣の天然の広葉樹林においてスギのバイオマス変換に役立つ新規木材腐朽菌の探索を行っている。
【キーワード】木質バイオマス、資源変換、木材腐朽菌
Abstract：Under circumstances such as global worming caused by carbon dioxide and other green
house gas and crisis of depletion of fossil resources, in recent years, biofuels such as bioethanol andbiodiesel from biomass have captured the worldʼs attention as reproducible energy alternative to petroleum. In Japan, techniques for biofuel production from lignocellulosic biomass such as woody materials and rice straws as well as rice and sugar cane have been developed, and preparation of thefoundation for practical use is now in progress. Current study is to create conversion processes frombiomass to valuable materials by environmentally-benign method with microbial behavior. We are investigating novel wood rotting fungi useful for biomass conversion tin artiﬁcial cedar forest and natural hardwood forest in Ashizu, Chizu, Tottori.
【Keywords】Woody biomass, resource conversion, wood rotting fungi
国民の食の安心・安全に対する関心は高い。

１．はじめに日本の食料自給率の低下が危惧されている。農林水産

我々が毎日口にする食料と同様に今の生活に欠かすこ

省発表のデータによると、2008年のわが国の食料自給率とができないエネルギーについて、日本の自給率の低さは供給熱量ベースで41％である。この傾向は少子高齢化はあまり話題に上ることがない。日本のエネルギー自給や第一次産業従事人口減少が進む日本にとってさらに拍率は食料自給率よりもはるかに低い。資源エネルギー庁車がかかることが予想される。最近フードアクション

発行の2009年エネルギー白書によると、2007年の日本のニッポンと称して国産、県産食材を食べようという動き

エネルギー自給率は４％であり、原子力発電を合わせてが出てきた。タレントが有機農業に取り組み、採れたても19％である。政治に不安のある中東諸国から主に輸入の野菜を頬張る様子や、全国のその土地ならではの旬のされる石油の依存度は、日本は46％と先進国の中で最も味覚を扱ったグルメ番組が連日連夜テレビを賑わせる。

高い。また2008年の石炭の生産量世界一は中国であるが、― 131 ―鳥取環境大学紀要第８号

その石炭を現在世界で最も多く輸入しているのが日本である。
エネルギー資源に乏しい日本と言われて久しいが、エネルギー自給率の実態は、1980年ですでに５％にまで低下してから原子力発電の導入以外に自給率の向上が図られないまま、現在まで横ばいで推移している。21世紀の世界的な脱化石資源の風潮の中で、国内のエネルギー自給率向上なしには国力の維持、発展は難しい。国内の再生可能な資源、未利用資源のエネルギー転換は今後ますます重要な意味をもつ。
図１

２．再生可能な自然エネルギー

2006年農林水産省発行のわが国のバイオマス賦存量に関する資料

今、再生可能な自然エネルギーに注目が集まっている。
主に太陽光、水力、風力、地熱、バイオマスがこれにあ産系、家畜糞尿などの畜産系、間伐材などの林産系、投たる。わが国に存在するこれらの一次エネルギーは1990棄魚などの水産系がある。廃棄物系は下水汚泥などの産年で1.7％、2006年で1.8％と16年間ほとんど導入が進ん業系、家庭ごみなどの生活系からなる。このようにバイでいない。社会の変化に伴った国内の電力需要の急激なオマスの種類は多岐にわたり、その賦存量は膨大である。

拡大に対しては、主に原子力と海外からの安価な天然資その中で「恒常的に一定量供給できる」エネルギー資源源を利用することで対処してきたものと思われる。2009

として候補になるのは「有機性廃棄物」と「エネルギー年９月、日本は政権が交代した。民主党を軸とする新政作物」である。木質系バイオマスや、サトウキビ、トウ府の環境政策の一つに、再生可能エネルギーの利用推進

モロコシ、アブラナ、ミスキャンサスなどの草本系バイが挙げられている。民主党のエネルギー対策では2020年オマスがエネルギー作物にあたる。わが国の賦存量の多までに再生可能エネルギーの一次エネルギー総供給に占いバイオマスのうち、稲わらなどの農作物非食料部980める割合を10％に押し上げ、将来の日本のエネルギー自万トン、林地残材333万トンが未利用となっている（図

給率を2050年に30％、2100年には50％にすることを目標

１）。現在、国家戦略として食料と競合しないこれらのに掲げている。これまで長きに渡って利用されてきた水セルロース系バイオマスをエネルギー資源に変換し利用力に加えて、太陽光、風力、バイオマスを含めたエネルする事業が日本各地で展開されている。

ギー安定供給体制の確立と、経済と環境との両立を可能
４．鳥取のバイオマスにする政策策定が今後どう進むか注目したい。

鳥取には森林や海産物などの天然資源が豊富にある。
３．バイオマス

中でも木質系バイオマスの賦存量は特徴的である。鳥取「バイオマス：biomass＝［bio］＋［mass］」とは元来生

県庁ホームページによると鳥取県全体の森林率は74％で態学の分野で生物量、若しくは生物現存量を表す用語であり、全国平均の67％よりもかなり高い。鳥取県が推進1ある 。この “biomass” という学術用語が初めて使われする「とっとり発グリーンニューディール」政策でも、たのは1934年、Bogorov（ロシア）が海洋生物協会誌に新エネルギー技術開発・導入として、木質バイオマスエプランクトンの季節ごとの変化の調査結果を報告した論

ネルギーの導入促進が挙げられている。豊かな森林と近文といわれている。生態学の用語の枠を超えてエネル

年急激な増加で問題になっている竹を有用な資源と考ギー源としての生物資源の意味を含むようになったのはえ、鳥取の風土に合わせた地産地消のエネルギー施策を石油ショック以降であり、代替エネルギーの推進が契機考えていく必要がある。未利用量が多くある一方で、現になったといわれる。

在の変換技術では木質系バイオマスの利用はボイラーやバイオマスは大別して生産系と未利用資源系に分けら

ペレットストーブの燃料などに限定され、バイオエタれる。生産系は陸域系と水域系からなり、陸域系は地上ノールへの変換実用化はまだまだハードルが高い。鳥取で栽培する糖質系のサトウキビやデンプン系トウモロコ

県内の間伐材の利用率は平成20年で43％あり、半分以上シなどがあり、水域系では淡水のホテイアオイ、海洋系は未利用のままである。木材を固形物としてではなく有のマコンブなどがある。また未利用資源系は農林水産系機物の集合体として見ると、木材の成分には現在の化石と廃棄物系に分けられ、農林水産系には稲わらなどの農資源から作られる化学製品の代替原料となる物質が多く― 132 ―

佐藤

再生可能なエネルギー資源としての木質バイオマスと木材腐朽菌によるバイオマス変換含まれている。木材の成分分離と加工・変換技術の進歩持つ生物であるが、その分解メカニズムは極めて複雑でがきっかけとなり、鳥取県内の木材の利用が促進されるある。リグニン分解酵素として２種類のペルオキシダーことを筆者は期待している。

ゼであるリグニンペルオキシダーゼ、マンガンペルオキ
シダーゼ、フェノールオキシダーゼであるラッカーゼがそれぞれ単離、クローニング、及び機能解析されておよ

５．木材の成分利用
木材は主成分と副成分からなり、主成分はセルロース、そ30年が経過している。それらの酵素が触媒する非フェヘミセルロース、リグニンからなる。スギでは95％、ナノール性リグニンモデル化合物の分解についてはこれま

ラなどの広葉樹ではほぼ100％がこの主成分から構成さでに証明がなされているが、実際の白色腐朽菌による三れている。セルロースはグルコース同士がβ 1、4 結次元に絡み合った木材中のリグニンの分解は酸化酵素に合した規則正しい構造からなる。ヘミセルロースはグル加えて菌自身が分泌する種々の有機酸や不飽和脂質などコース、マンノース、ガラクトース、キシロース、アラの低分子代謝物から発生するフリーラジカルが協調的にビノースなどの糖とウロン酸、酢酸からなる。セルロー反応を繰り返して引き起こされるものであり、リグニン

ス、ヘミセルロース由来の糖は食品や医薬品、エタノーの生分解メカニズムは完全に解明されていない。白色腐ル発酵の原料としてだけでなく、フラン誘導体やジカル

朽菌そのものはむしろ食用きのことして一般に知られてボン酸などの合成ポリマーの石油代替原料にもなることおり、きのこ産業の中で品質や生産性向上のための人工から有用物質としての価値が高い。リグニンはフェニル培養技術が進歩している。これまでの栽培技術を応用し、プロパンがランダムに結合した構造からなり、木材中で木材の成分利用という目的で白色腐朽菌による脱リグニはセルロースとヘミセルロースを接着固定し、木材の防ンプロセスを構築・最適化できれば木材の利用促進にも腐剤としての役目を果たしている。一方でリグニンはバつながる。これまでに木質成分利用のための白色腐朽菌

イオマス変換においては難分解性の高分子であるために処理では、白色腐朽菌処理に加えてマイクロ波―ソルボスムーズな木材の成分利用の妨げにもなる。近年の木材リシスを組み合わせることで化学的、物理的処理と同等からのバイオエタノール生産では効率のよい脱リグニンの糖化収率が得られた研究例がある。この白色腐朽菌は処理が大きな開発テーマの一つである。これまでに知らCeriporiopsis subvermispora という菌で国内では報告がなれている前処理の方法は、粉砕・微粉砕、蒸煮・爆砕、い。実際の屋外実験では海外の菌では利用に制限がある

マイクロ波、アルカリクラフトパルプ化、超・亜臨界水、ことから、日本の環境に合った研究を行うためには C.

有機溶媒（ソルボリシス）、酸、担子菌などがある。どsubvermispora に匹敵する国産の白色腐朽菌を自然界かの脱リグニン処理にもそれぞれ一長一短があり、実用化ら単離し、利用方法を確立していくことが重要である。の面でコストに見合った効果を得ることは難しく、今後
７．本学での取り組みの技術革新が待たれる。

筆者は大学院と研究員時代を含めて10年以上木材腐朽菌に関する研究に取り組んできた。これまでに学んでき

６．木材腐朽菌の役割
自然界では木材は昆虫や微生物によって分解され、最た知識を基に、2009年４月に鳥取環境大学に赴任以降、終的に二酸化炭素となって大気中に放出される。木材の木質バイオマスの成分利用を目的とした生物化学変換技

炭素循環において最も重要な役目を果たすのが、我々の術に有用な新規有用微生物の探索に取り組んでいる。

食卓にも馴染みのあるきのこの仲間である。木材を生育2009年７月、鳥取環境大学と智頭町芦津財産区との間で基質とするきのこにはシイタケ、ヒラタケ、マイタケ、森林の新たな価値の創造を目的に研究協力協定が交わさナメコなど食味のよいきのこも多い。これらの木材腐朽れ、菌類採集地が確保できたこと、さらにその約１ヵ月

菌は単独で木材中のセルロースやヘミセルロースだけで後に外部研究資金の申請が採択されたことをきっかけとなくリグニンも同時に分解できる。木材腐朽菌の中でもして、芦津のスギ人工林からの強力なリグニン分解菌の特にリグニンに対して高い分解力を持つものを白色腐朽採集をスタートすることができた。

菌と呼び、白色腐朽菌によって分解を受けた木材は中が本研究についての概要を図２に示す。芦津奥地の三滝

白色化し、もろく崩れやすい。この白色化はすなわちリダム周辺は間伐が行き届き、光が差し込む明るいスギ林グニンが分解されて漂白化されたことを意味し、残ったが多く、菌類の生育環境としては比較的適した場所だっセルロースは他の多くの昆虫、微生物の栄養源となる。

た。菌類採集は大学の講義の一環として学生に協力して白色腐朽菌は地球上で唯一高分子のリグニン分解機能をもらい、図３のオレンジ色のサークルで囲んだ場所で10― 133 ―鳥取環境大学紀要

第８号

図２

研究の概要

図４ 芦津から単離した木材腐朽担子菌によるスギの酵素糖化試験

し た H. sublateritium、O. caesius、O. cuneatus、P. lubrica、P. porrigens、S. oshimae、T. olientalis、T. versicolorについてスギ木粉の腐朽試験とともに菌処理スギの酵素糖化実験を行った。この結果、最も重量減少が大きいものは S. oshimae であり、２週間の培養で17％であったものの、糖化率は２％とかなり低い値であった。これとは芦津財産区の菌類採集地：オレンジのサークルは採集地点を表す

対照的に重量減少が少なく糖化率の高いものは O. cune-月から11月後半まで行った。
これまでの菌類調査の結果、程度であり、糖化率は５％であった。これは比較対象とスギ人工林から Hypholoma sublateritium（クリタケモドしたモデル白色腐朽菌 Ceriporiopsis subvermispora の約キ ）、Hypholoma fasciculare（ ニ ガ ク リ タ ケ ）、Inocybe２倍である。C. subvermispora は木材中のリグニンを選umbtratica（シロニセトマヤタケ）、Laetiporus sulphruerus

択的に分解する菌として世界中で研究され、昔から紙の図３

atus と P. lubrica であった。重量減少率はどちらも10％（マスタケ）、Oligoporus caesius（アオゾメタケ）、Oxy-バイオブリーチングに利用されている。これまでの研究

porus cuneatus（ヒメシロカイメンタケ）、Pholiota lubrica

結果から２週間の培養で針葉樹から採取した O. cunea-（チャナメツムタケ）、Pleurocybella porrigens（スギヒラtus、P. lubrica に加えて、広葉樹林から採取した Piptopo-タケ）、Psathyrella gracilis（ナヨタケ）、Strobilurus oshi-rus soloniensis（シロカイメンタケ）、Tricuhaptum biformemae（スギエダタケ）、Trametes olientalis（クジラタケ）、（ハカワラタケ）の２株は菌処理２週間と４週間ともにTramenetes versicolor（カワラタケ）の子実体を採取する

C. subvermispora に比べて２倍以上高い糖化率が得られことができた。これらは広葉樹林内で採取した子実体30ている（図４）。この結果は菌処理によって木材中のリ種以上に比べると極めて少ない。日本のスギ人工林におグニンが選択的に除去されたことを示唆し、セルラーゼける生物多様性の研究は動物のみならず菌類の観点からのセルロース表面に対するアクセシビリティーが高まっ見ても興味深い。

たために糖化効率が上昇したことを意味する。今回高い

スギはもともと一般的な落葉広葉樹に比べてリグニン糖化効果が得られた O. cuneatus、P. lubrica、P. solonien-含量が1.5倍高い。ヒノキやスギはヒノキチオールなど

siss、T. biforme についてはほとんど研究が報告されていの抗菌作用のある物質を自ら作り出していることから微ない。本研究によって木質バイオマス変換に役立つ可能生物分解をそもそも受けにくい。その一方で自然のスギ性のある国産有用微生物が発見できた意義は大きい。現林にはスギのリグニンを強力に分解して、スギ林の炭素在、これらの菌を用いたスギ木材の前処理に加えて、乾循環を担う白色腐朽菌が存在することが十分考えられ式粉砕、湿式粉砕、マイクロ波処理といった物理的処理る。筆者は採集した菌がスギの木材にどのような影響をを組み合わせることによって更なる効率のよい糖化処理与えるのかを調べるため、寒天プレート上で分離、培養方法の検討を行っている。最近の結果では T. biforme で― 134 ―佐藤

再生可能なエネルギー資源としての木質バイオマスと木材腐朽菌によるバイオマス変換

４週間処理した木粉に200℃、12分間マイクロ波を照射することにより、スギ木粉１ g 当たり320mg のグルコー

８．おわりにわが国のバイオマス賦存量の観点から木材からの有用物質生産は日本のエネルギー自給率向上や地方経済活性スが生成することが明らかとなった。
これからの研究では、昨年秋に採取し選抜した木材腐化の起爆剤となる可能性を秘めている。現在取り組んで朽菌は図鑑からの簡易同定であるために、正確な種を知いる産官学を総動員したバイオマス変換技術が今後飛躍る上で木材腐朽菌の分子生物学的な遺伝子解析による種に進歩することによって、太陽光、水力、風力、地熱、の同定を検討している。種の同定と平行して、選抜したバイオマスを含めた複数の再生可能な資源をエネルギー木材腐朽菌のリグニン分解メカニズムの詳細な解析を行基盤とする社会が近い将来日本に築かれていくことを期う。生化学的研究分野において、現在ポストゲノム時代待したい。に突入している。木材腐朽菌がリグニンの分解過程で代謝する菌体外タンパク質のプロテオーム解析、オリゴペ

参考図書など：プチド、有機酸などの水溶性低分子代謝物のメタボロー

・バイオマスハンドブック

ム解析を進め、後々は遺伝子の転写レベルでのトランス

・農林水産省ホームページ

クリプトーム解析についても取り組んでいきたいと考え

・鳥取県庁ホームページている。これらの解析を通じて単離した有用菌がどのよ・2009年エネルギー白書（資源エネルギー庁発行）

うにしてリグニン分解を引き起こすのか、そのメカニズ

・環境ビジネス2010年１月号（日本ビジネス出版）

ムを明らかにし、その機能を取り入れた新しい木質バイ

・バイオマス技術入門（地域資源循環技術センター発行）

オマスの生物化学変換技術を開発していきたいと考えて第２版（オーム社）2009

2009

いる。
（受付日2010年３月18日― 135 ―

受理日2010年５月12日）