2017 Fiscal Year Annual Research Report
硫酸還元菌と鉄材料界面における電子伝達阻害を基軸とした嫌気防食技術の基盤構築
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16J07690
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
DENG XIAO 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | Iron corrosion / Electron uptake / Sulfate reducer / Iron sulfide / Nanoparticles |
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| Outline of Annual Research Achievements |
硫酸還元菌は、有機物や水素を酸化することにより、硫化水素を代謝産物として生成し、地下に埋設された石油パイプラインなどの嫌気鉄腐食を引き起こしている。近年、有機物を必要とせず、固体鉄を唯一の電子源として成長する硫酸還元菌Desulfovibrio ferrophilus IS5が単離され、細胞が鉄から電子を直接引き抜く「電気的鉄腐食機構」が提案された。昨年度本研究者は、IS5が外膜シトクロムを介して固体から電子を引き抜く機構を明らかにした。しかし、外膜シトクロムは一部の硫酸還元菌にしか有しておらず、電気的鉄腐食の普遍性は不明である。そこで本研究では、「外膜シトクロムを持たない硫酸還元菌の細胞膜上に金属ナノ粒子を人工的に付着させると、固体との電子のやり取りが可能になる」という報告、及び硫酸還元菌の多くが導電性硫化鉄FeSを細胞膜上に生合成することに着目し、硫酸還元菌がFeSを介して鉄などの固体から直接電子を引き抜くというモデルを提案し、その可能性を実験によって示した。
実験として、外膜シトクロムを持たないモデル腐食性細菌D. vulgarisを2 mM 鉄イオンを含む、または含まない培地中で5日間培養した後、超高倍率透過電子顕微鏡で細胞切片を観察した。その結果、鉄イオンを含む培地で培養した菌体の細胞外、膜上、及び細胞内に金属性FeSナノ粒子が生成することが分かった。次に、各条件で培養した菌体を電気化学測定すると、FeSを有する菌体のみが電極から電子を引き抜くことが明らかと明らかとなった。これらの結果は、外膜シトクロムを持たない硫酸還元菌D. vulgarisは生合成した金属性FeSを介して、細胞外固体（電極）から電子を引き抜くことを示しており、電子引き抜きによる「電気的鉄腐食」の普遍性を強く示唆している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
生合成硫化鉄を介した硫酸還元菌における電子摂取機構が本研究によって解明されたことにより、「電気的腐食」は外膜シトクロムをもつ特殊な数の限られた硫酸還元菌に限られた現象ではなく、硫酸還元菌のほぼその全種、さらには他の鉄酸化/還元細菌などでも進みうることが強く示唆された。これは、従来から知られている、硫酸還元菌による硫化水素の生成、及び鉄表面に蓄積する水素の消耗が引き起こす「化学的腐食」と合わせて、嫌気鉄腐食機構へのより全面的な理解をもたらす他、導電性硫化鉄の生成を抑制することによる新規な防食法の開発にもつながる。また、本研究の結果は外膜シトクロムが現れる前に微生物が電子摂取を行う可能性を示唆しており、生命の誕生や進化にも示唆を与えるものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、硫酸還元菌の電子引き抜き過程に伴うエネルギー摂取を定量的に検証したいと考えている。そのため、電極を唯一の電子供与体として、同位体標識したアンモニアと炭酸水素ナトリウムをN、C源とする培地で硫酸還元菌を数日間培養し、電極表面の菌体の単一細胞活性をNanoscale Secondary Iron Mass Spectrometry (ナノシムス)によって解析する。ナノシムスは細胞の同位体比を測定するため、電極上でより高い活性を持つ菌体はより高いN、C同位体比を示すはずである。さらに、細胞のN、C同化速度を細胞の同位体比に基づいて計算し、それぞれの細胞の成長速度と変換できるため、電子代謝と有機物代謝の成長速度を定量的に議論することができる。これらの結果は、電子摂取の微生物学代謝における重要性、及び最近に提案された「電子摂取により支えられる地下生物圏」のモデルを検討するために極めて大事である。
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