2022 Fiscal Year Annual Research Report
Correlation between mcrobial activity and metal corrosion
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22H02251
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology |
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Principal Investigator |
若井 暁 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭研究開発プログラム), 主任研究員 (50545225)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 微生物腐食 / 微生物群集構造 / メタゲノム / メタトランスクリプトーム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属材料の腐食に微生物がかかわる現象(微生物腐食)は、あまり広く知られていない。微生物腐食は、我々の生活を支える各種インフラストラクチャ―の劣化にもかかわり、膨大な経済的損失と石油関連施設や化学工場でのパイプライン腐食から石油や化学薬品での環境汚染などを引き起こす重要な社会問題の一つでもある。微生物腐食における微生物群集構造解析では、微生物活動と腐食の関係性が分からないことが指摘されており、微生物腐食を実験室レベルで再現し、その腐食過程での微生物活動を露わにすることが必要である。そこで、本研究では、微生物腐食発生が継続的に確認されている実環境からのサンプルを用いて、実験室レベルで腐食再現試験を行い、腐食過程をマルチオミックス解析(メタゲノム、トランスクリプトーム、メタボローム)することで、腐食過程における微生物の活動を明らかにすることを目的とした。
実験室レベルの培養試験で得られたサンプルからDNA及びRNAを抽出し、メタゲノム解析およびメタトランスクリプトームを実施した。メタゲノム解析では、近年微生物腐食の分野でも注目されている電気化学活性を持つ微生物の遺伝子情報を取得することに成功し、複数種類のマルチへむタンパク質の同定に至った。また、メタトランスクリプトーム解析により遺伝子発現レベルについても結果を得ることができた。電気化学活性と直結するマルチヘムタンパク質の発現レベルも確認することができたが、他の遺伝子に比べて特に高い発現量は確認されず、腐食環境下で強い誘導がかかっているというよりも、構成的に遺伝子が発現していると推定された。
微生物腐食反応における遺伝子発現解析の実例はほとんどなく、本研究で得られた情報は微生物腐食メカニズムを理解する上で今後非常に重要になってくるだろう。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（実験1）抽出済みRNAを用いたRNAベースの群集構造解析：DNAベースの16S rRNA遺伝子解析は死細胞も検出するため、微生物活動を反映していないという問題があった。そこで、微生物細胞の活動状況に対応して転写量が増加するRNAをベースとした16S rRNAのアンプリコン解析を試みた。しかしながら、RNA品質（RIN値）が劣化しており、解析できなかったため、事項の実験2を重点的に行なった。
（実験2）普通鋼材を用いた腐食過程の群集構造および遺伝子発現解析：環境水を用いて実験室レベルで普通鋼材(炭素鋼SS400)やステンレス鋼(SUS316)を浸漬して、培養試験を実施した。培養後、試験片表面から付着微生物や腐食生成物を回収し、DNAおよびRNAを抽出した。メタゲノム解析の結果、電気化学活性微生物に特徴的なマルチヘムタンパク質を検出することに成功し、メタトランスクリプトーム解析の結果、各培養物における遺伝子発現状況を明らかにし、メタゲノム解析で検出されたマルチヘムタンパク質の発現も確認できた。
（実験）普通鋼材を用いた腐食過程の代謝産物解析：実験2と同じサンプルから腐食生成物の一部を回収し、凍結乾燥、熱水抽出により、代謝産物の回収を試みた。しかしながら、腐食生成物中の金属イオンが後段の作業に影響するため、質量分析に使用でき得る品質のサンプルを得ることができなかった。今後の改善点として、腐食生成物と微生物細胞を分取する工程について検討し、分離した微生物細胞を用いた代謝解析のスキームの開発を進める。
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| Strategy for Future Research Activity |
（実験1）普通鋼材を用いた腐食過程の群集構造および遺伝子発現解析：実際に腐食が問題となっている天然ガス気化プラントの貯水槽から環境水を持ち帰り、実験室レベルで普通鋼材を浸漬する。1、2、3、4週間、および4週目以降一カ月毎に腐食生成物を回収し、DNAおよびRNAを抽出して微生物群集構造解析を実施する。同様にDNAおよびRNAを抽出して解析する。また、メタトランスクリプトーム解析を実施し、各腐食過程で高発現している遺伝子の特定を行い、腐食過程に対する微生物機能を考察する。
（実験2）普通鋼材を用いた腐食過程の代謝産物解析：金属イオンの後段への持ち込みが問題となっているため、腐食生成物と微生物細胞の分離について重点的に検討する。緩衝液を用いた微生物細胞の洗い出し、フィルター濾過による不純物の除去、遠心分離による細胞濃縮について検討する。
（実験3）腐食生成物からの微生物の分離培養と性状解析：微生物群集構造解析からだけで実際の腐食能を評価することは難しいので、群集構造解析や遺伝子発現解析から重要と思われる幾つかの微生物種を標的として分離培養を行い、腐食能や代謝産物の解析を実施する。各微生物種の腐食活性から、群集構造動態と照らし合わせて、各腐食進展過程における腐食の寄与度を明確にする。
（実験4）耐食性材料を用いた腐食発生過程における微生物群集構造解析：普通鋼材に加えてステンレス材料も微生物腐食と疑われる現象が確認されている。そこで、実験室レベルで腐食再現試験を実施し、電位モニタリングにより電位上昇期と腐食発生期のDNAおよびRNAを抽出する。ステンレス鋼腐食の予兆である電位貴化に関する微生物情報は皆無であるため、電位貴化時の微生物活動の動態を捉えることを目指す。
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