水素エネ jレギ
システム
解説
Vol
.19，No.2， 1994
ま 毎 芋 手 う ' e モ デ 昆 支 持 故 金 三 物3 に よ る 71<.弄ミミ主主 gg
山田
松永是
晃世
小 金 井 市 中 町 2-24-16
東京農工大学工学部
Hydrogen production by marine photosynthetic microorganisms
Tadashi Matsunaga Akiyo Yamada
In .recent years， there has been renewed interest in the use of
hydrogen as an environment friendly energy source. Biological
production of hydrogen is one approach that has been extensively
investigated. This report i
s on aspects of hydrogen photoproduction
by marine microorganisms.
1
.
はじめに
バイオテクノロジーを利用した水素生成法は、光合成微生物や嫌気性細菌に
よる方法が挙げられる。微生物を用いた水素生産技術の利点としては、化石燃
料に依存しない点や、水素生成反応が常温で進むことからリアクター等の構成
に特殊な材料は必要としないといった点が挙げられる
o
また、水素生産と同時
に有用物質生産を行うことも期待できる。特に光合成微生物を利用する方法は、
太陽エネルギーの利用が可能であるため、今後重要になっていくと思われる
o
光合成微生物を利用した水素生産システムを開発する場合、淡水の供給、土地
利用、及び光供給の面で、従来の農業との競合を避けたシステムが望ましいと
考えられる
O
海 洋 は 地 球 の 7割 を 占 め 、 太 陽 エ ネ ル ギ ー を 豊 富 に 利 用 で き る 。
また、海水は生物の生育に必要な無機物を含んでいる。そこで、海洋光合成微
生 物 を 利 用 し た 水 素 生 産 シ ス テ ム の 開 発 が 進 め ら れ て い る 1. 2) 。 こ こ で は 、 海
洋光合成微生物を利用した水素生成を中心に解説する
D
2
. 光合成微生物の水素生成機構
微生物による水素生成は、
ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ 、 及 び ニ ト ロ ゲ ナ ー ゼ の 2つ の 酵
素が関与している。ヒドロゲナーゼは、
ATPを 必 要 と し な い 水 素 生 成 が 可 能 な 酵
素 で あ る ( 式 1) 。 反 応 は 可 逆 的 で あ る が 、 水 素 生 成 に 傾 い て い る も の と 水 素
吸 収 に 傾 い て い る も の ( 吸 収 型 ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ ) の 2種 類 が 知 ら れ て い る 口 生
理的役割としては、微生物体内の余剰還元力の水素ガスとしての排出や還元力
を得るための水素ガスの利用に関与している。
Xred+H+
=Xox+112H
式1
)
2
(Xは電子伝達体)
一方、ニトロゲナーゼは窒素ガス存在下において窒素固定反応を行う酵素で
あ る ( 式 2) 。 ニ ト ロ ゲ ナ ー ゼ の 基 質 特 異 性 は 広 く 、
5
5
ATPを 利 用 し て 窒 素 や ア セ
水素エネノレギーシステム
Vol
.19，No.2，1994
解説
チ レ ン 等 の 3重 結 合 を 還 元 す る ば か り で な く 、 こ れ ら の 物 質 が 存 在 し な い 場 合 、
水 素 イ オ ン を 還 元 し て 水 素 を 生 成 す る ( 式 3 )。
N2十 世 +6e
・
f¥
12ATP
)
(
式2
2NH3
1
2 (ADP+Pj)
(
式3
)
2H++2
e
-+4ATPー → H2+4ADP+4Pj
水素生成能を有する光合成微生物としては、緑藻、藍藻、及び光合成細菌が
知られているが、以下にそれぞれの光合成微生物の水素生成機構やその特徴に
ついて示すO
2
.1 緑 藻
緑藻は真核生物であり、藍藻や光合成細菌などの原核生物と異なる
一般的
に真核生物はニトロゲナーゼを持たないことから、緑藻による水素生成はヒド
ロゲナーゼ、によるものと考えられている。水素生成のための電子供与体として
O
は、光化学的に生成したデンプンなどの内部貯蔵物質による系が考えられてい
る。水素生成は暗所嫌気条件下で生じる
消 費 を 伴 う ( 図 1) 0
)が、光合成により生じた貯蔵物質の
3
ま た 、 図 2に 示 す よ う な 水 の 光 分 解 に よ る 水 素 生 成 を 主
張しているグループもあるが、まだその機構が証明されているわけではない。
しかし、水素生成は明所嫌気条件下でも観察
4)
される。酸素の発生を伴うこと
からすぐにヒドロゲナ}ゼが失活し、水素生成は見られなくなる。どちらの場
合も長期間にわたる水素生成は不可能であるが、明暗サイクルにおいて断続的
に水素生成を行うことは可能である。前者による水素生成は、アルコールや低
分子の有機酸の生成を伴うことから、緑藻と光合成組菌を組み合わせた水素生
成 シ ス テ ム の 開 発 が 検 討 さ れ て い る 5)
。
lu
足
以
Hz
Oz
Oz
明・好気条件
明・嫌気条件
暗・嫌気条件
図 1 緑藻の暗条件下における水素生成
図2 緑 藻 の 明 ・ 嫌 気 条 件 下
における水素生成
2.2 藍 藻
藍 藻 は そ の 形 態 か ら 糸 状 性 藍 藻 と 単 細 胞 藍 藻 の 2つ に 分 類 で き る 。 ま た 糸 状
性 藍 藻 に は 、 異 型 細 胞 (heterocyst)を 形 成 す る も の や 異 型 細 胞 を 形 成 し な い も
のがあり、それぞれ異なった水素生成機構を有している
D
異型細胞を形成する糸状藍藻の水素生成は、ニトロゲナーゼの触媒作用によ
るものである。このような株は、好気条件下においても比較的安定な水素生成
を 行 う こ と が 可 能 で あ る 。 こ の 原 因 と し て は 、 ニ ト ロ ゲ ナ ー ゼ が PSIIを 持 た な
い異型細胞内で発現するため、酸素による盟害効果を受けにくくなっているこ
56-
水素エネルギ システム
Vol
.1
9，No.2， 1994
解説
weIght) ・ h-1) に 達 し て い る 。
2.3 光 合 成 細 菌
光合成細菌は、
り
、
PS，
IP
SrIの 2 つ の 光 化 学 系 を 経 て 水 素 を 生 成 す る 藻 類 と 異 な
PSIIを 持 た な い
D
このため、水の光分解により電子を得ることができない
が、有機酸、糖類、アルコール類、芳香族化合物などの有機物や琉化水素など
の無機物を電子供♀体として利用した水素生成が可能である。また、この反応
は ニ ト ロ ゲ ナ ー ゼ を 最 終 的 な 触 媒 と し て い る ( 図 6) 。 光 合 成 細 菌 に よ る 最 大
水 素 生 成 速 度 は 、 淡 水 産 光 合 成 細 菌 Rhodobacter sphaeroidesに よ る 262(μ1 ・
mg-1(dry weight) .hー っ と い っ た 例 1
1
)
があり、この値をモルに換算すると約
10.4( μmol' mg-1(dry weight). h-
電子供与体
りとなる。当研究室で分離された海洋
光 合 成 細 菌 Rhodobacter sp・ N
KPB1604
7
1も こ れ と 同 レ ベ ル の 水 素 生 成 能 を 有
し
、 1
0.4(μmol' mg-1(dry weIght).
lL
h-I) に 達 し て い る 。 光 合 成 細 菌 の 水 素
生成速度は、水から水素生成を行う藻
明-嫌気条件
類によヒベ非常に高く、長時間にわたる
図6 光 合 成 細 菌 に よ る 水 素 生 成
水素生成が可能である。水素生成時に
有機酸などの分解を伴うことから、水素生産と同時に排水処理を行うシステム
への応用が期待されている。
3
.
遺伝子組み換えによる水素生成能の向上
光合成微生物の水素生成能をさらに向上させるためには、遺伝子の組み換え
が必要である。当研究室では、海洋藍藻や海洋光合成細菌のベクタ一系の開発
や、パーティクルガン、エレクトロポレーション、接合伝達による遺伝子導入
を 行 っ て き た 1 2 - 1 6) 。 ま た 、 こ れ ら の 技 術 を 利 用 し て 水 素 生 成 能 の 向 上 を 試 み
，，‘、
4..
阿古
株
生
野
・
・
.
、
‘
.
，
，
，
a
円株
叫異
訓変
0
K.i
NM
必要である。光合成細菌や藍藻におい
・
ナーゼ活性の欠損した変異株の作製が
quqL
る。光合成微生物を用いた高速水素生
成を自的とした場合、吸収型ヒドロゲ
﹃
スの生成と同時に吸収反応を行ってい
kdλ
水素生成能を有する微生物の多くは
吸収型ヒドロゲナーゼを有し、水素ガ
nunununu
nunununu
ユ
({芸白石津、C3y'mEaEOE
ている。
て化学変異剤やトランスポゾンを用い
た遺伝子組み替えによる吸収型ヒドロ
ゲナーゼ欠損株が作製され、水素生成
速 度 の 向 上 が 報 告 さ れ て い る J 7. 18)
。
当研究室で分離された高水素生成能を
管
制陣事
*
"
有 す る 海 洋 光 合 成 細 菌 で あ る Rhodobac
10
自
0
。 10
20
30
40
50
時間 (
h
)
国 7Rhodobacters
p
.NKPB1
60471の野
生株友び吸収型ヒドロゲナーゼ欠損株
(M75)による水素生成の経時変化
ter sp. NKPB160471に お い て も ト ラ ン
ス ポ ゾ ン (Tn5) 導 入 に よ る 吸 収 型 ヒ ド
門
i
FD
水素エネルギーシステム
Vol
.1
9，No.2， 1994
解説
と が 考 え ら れ る ( 図 3) 0 現 在 、 異 型 細 胞 の 分 化 機 構 の 解 明 が 遺 伝 子 レ ベ ル で
行 わ れ て い る 6) 口
l
l
i
OOz
H2
k一一一一一一一一一一一一一ノ
異型細胞 (
h
e
t
e
r
o
c
y
s
t
)
明・好気条件
. 異型細胞を有する糸状性藍藻による水素生成
図3
また、異型細胞を持たない場合でも条件により高い水素生成能を有する株が
ある
D
海 洋 藍 藻 Oscillatoria s
p
. Miami BG7は 、 窒 素 栄 養 制 限 下 で 培 養 し た 株
を明・嫌気条件下に置くと主にニトロゲナーゼに依存した水素生成を行うこと
が 知 ら れ て い る ( 図 4) 。 な お 、 こ の 株 の 水 素 生 成 速 度 は 、
(
d
r
y weight) ・h-1) に 達 し て い る
0.29(μmol mg-1
o
7)o
lL
lL
O 02
明 ・ 嫌 気 条 件 COl
明-好気条件
図4 異 型 細 胞 を 持 た な い 糸 状 藍 藻 に よ る 水 素 生 成
海洋単細胞藍藻
Synechococcus s
p
. Miami BG 043511は 、 明 ・ 好 気 条 件 下 で
水素生成を行うことが可能である。この株もニトロゲナーゼに依存した水素生
成 を 行 う が ( 図 5) こ れ は 、 こ の 株 の ニ ト ロ ゲ ナ ー ゼ に 何 ら か の 防 御 機 構 が 存
在するためと考えられている。
また、この株の向調培養を行っ
た結果、窒素国定及び、水素生
成と光合成が細胞の分裂周期の
異なった時期に起こっているこ
と が 明 ら か に な っ た 8- 1 0)。ノ f ッ
チ培養や連続光照射下で見られ
02
た水素生成は、常に全細胞の何
割かが水素生成を行う細胞周期
にあったためであると考えられ
明・好気条件
る白また、 こ の 株 の 水 素 生 成 速
度は、 2
.0 (μmol. mg-J(dry
図5 単 細 胞 藍 藻 に よ る 水 素 生 成
-58
暗・好気条件
水素エネルギ システム
Vol
.1
9 No.2， 1994
解説
句
ロゲナーゼ欠損株の作製が試みられている口その結果、吸収型ヒドロゲナーゼ
活性の全くない変異株が得られ、その株の最大水素生成速度 l
土
、 13.5(μmO1•
mg-1 (
dry wei t). h-I) に 達 し た O こ れ は 野 生 株 と 比 べ 約 30弘 高 い 値 と な っ た
(図 7) 0
なお、この値は光合成細菌による水素生成の最高レベルに達してい
ると思われる
O
4
.
水素生産バイオリアクターシステムの開発
当 研 究 室 で 単 離 さ れ た 高 水 素 生 成 株 で あ り 、 ま た 新 種 の Rhodobactθ r馬 と 同 定
された海洋光合成細菌
Rhodobacter marinus1 9) は 、 菌 体 懸 濁 液 中 に 海 水 を 添 加
すると速やかに凝集し、沈澱する性質を有することが明らかになった。なお、
こ の 株 は 、 既 に 遺 伝 子 導 入 シ ス テ ム が 開 発 さ れ 1 4 - 16) 、 成 長 ホ ル モ ン 等 の 有 用
物質生産遺伝子
)を発現させることに成功している
2 0、 2 1
O
上記の性質を利用し
た海洋光合成細菌による水素生産システムが考案されている
O
その概略を図 8
に示す口これは、太陽光集光装置、バイオソーラーリアクター、及び凝集槽の
3つ か ら 成 り 立 っ て い る 。
光ファイパー
光分散型ファイパー
ノ官イオソーラー
ワアクター
関8 海洋光合成細菌を用いたバイオソ}ラ'-1
)アクタ}システム
FHU
Qd
水素エネルギーシステム
解説
Vol
.19，No.2， 1994
一般に、光合成微生物を用いて、バイオリアクターにより連続水素生産を行
う場合、細胞への光の供給方法が問題になる口特に光合成微生物が高濃度にな
るにつれ、
リアクタ}全体への光供給は困難になる口ここに示したバイオソー
ラーリアクターは、光分散型ファイパーを 1
)アクター内部に充填したもので、
この問題を解決している口光源としては、太陽先集光装置により集光された光
の他に、人工光の利用も可能である
O
また、このリアクターを利用して海洋藍
藻 Synechococcus s
p
. な ど の 藻 類 の 高 密 度 培 養 に 成 功 し た 例 も あ る 22-25)。
本 シ ス テ ム は 、 以 下 に 示 す 3つ を 同 時 に 行 う こ と が 可 能 で あ る
D
1.排水中に含まれる有機酸、硫化物等を海洋光合成細菌を用いてリアクター内
で分解し、高速水素生産を行う
D
2
. 水素生成を行った菌体懸濁液に海水を添加してフロキュレーション(菌体が
凝集し、沈殿する現象)による菌体の除去を行う。(排水処理)
3
. 回収した菌体の有効利用を行う
o
本システムの利点としては、これまでの国定化菌体を利用した水素生産シス
テムに比べ、固定化担体を使用しない点やシステムの運転に手聞がかからない
ことなどから大量水素生産を行うのに適していると考えられる。
ま た 、 本 シ ス テ ム は 、 炭 酸 ガ ス を 含 む 空 気 の 通 気 ラ イ ン の 設 置 や 凝 集 槽 の pH
コントロール等を行えば、藻類にも適用できると思われる
5
.
o
おわりに
太陽エネルギーの導入により藻類は水から水素と酸素を生成し、光合成細菌
は、排水中に含まれる有機物などを分解して水素生成を行う
o
光合成微生物を
利用した水素生成法は、反応が常温で行われることから、リアクターシステム
の構築に特殊な材料を必要としない点で、新しいエネルギ}獲得手段として非
常に魅力的である
O
特に海洋光合成微生物を用いれば、太陽光が豊富に降り注
ぐ海洋で、海水を利用した水素生産を行うことが可能である
o
今後、光合成微
生物による水素生産システムを実用化させるためには、基礎研究の蓄積と共に
屋外での大規模な研究を行うことが必要であると考えられる
D
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