微生物利用による資源金属回収 技術の研究開発 秋田県立大学 生物資源科学部 生物環境科学科 准教授 宮田 直幸 研究背景 ■ 金属資源問題－需要の増加，供給の不安定化 低品位鉱からの回収技術， 廃棄物・廃水からのリサイクル技術 ■ 金属元素に対する環境基準・排水基準の強化 －低濃度排水への対応，処理コストの上昇 Cd, Pb, Cr, As, Hg, Se, F, B, Ni, Mo, Sb, Mn, U, Zn 既存技術の補完，新しい処理（回収）技術 ■ 金属材料の開発 機能性材料の創出，製造技術 省エネルギー・低環境負荷型のプロセスを 構築することが必要 研究背景＜微生物の多様な金属代謝機能＞ ■ バイオリーチング（Bio-leaching) 鉱石等からの金属類の溶出 ■ バイオミネラリゼーション（Bio-mineralization） 金属類の不溶化、結晶形成 ■ バイオボラタリゼーション（Bio-volatilization） 金属類の揮発化 ■ バイオソープション（Bio-sorption） 金属類の吸着・吸収 微生物利用の利点 省エネルギー・低環境負荷型のプロセスを 構築することが可能 □ 増殖により触媒機能が絶えず更新 □ 常温・常圧下のプロセス □ 生物反応のため高い特異性（選択性） ■ バイオミネラリゼーションでは、生物反応特 有の（化学反応では生成困難な）ミネラルが 得られる可能性 微生物の金属代謝機能の検討事例 （1）マンガン酸化バイオリアクターの作製と 微量金属イオンの高効率回収 Mn(II) Mn(IV)O2 マンガン酸化菌を高度に集積培養し、マン ガン酸化物ナノ粒子を産生するバイオリア クターを構築 リアクター内で形成したMn酸化物の特性 • 多様なMn酸化細菌が細胞表層にMn(IV)酸化物を形成 • Mn酸化物はナノシート構造をもち、鉱物形態はバーネサイ ト様（-MnO2） • BET表面積＝121 m2/g （Miyata et al. 2007） 生成したMn 酸化物の XANES解析 Mn酸化菌によ るMn酸化物の 沈積（薄切後 TEM観察） 微生物が形成するMn酸化物 は金属陽イオンの高い吸着 容量をもつ（モル比～30％） →一般的な化学合成品に 対して卓越した性能 (Tani et al., 2004) <真菌のMn酸化物＞ • 結晶の粒子径：~10 nm (Mn ~35原子分 に相当） • シートの厚み：～2.2 nm (2～3層分に相 当) • シート上のMnO6格 子の22～30%は空 孔 回分式バイオリアクターを用い た微量金属の回収試験 微量のCo, Ni, Znイオンを水 相から回収 環境基準値を概ねクリア フレッシュなMn酸化物（吸 着剤）が生成するため、再 生操作が不要（汚泥の引き 抜きは必要） Mn酸化菌の環境保全/資源循環技術への 応用可能性 ■ 金属汚染土壌/地下水の浄化技術 ■ 廃水からの資源金属回収技術 ■ 酸化剤/触媒としての利用 （例：バイオ燃料電池の陽極材料（Rhoads et al. (2005)） 真菌Acremoniumの 精製酵素によるMn 酸化物の形成 培養菌体のほか、 Mn酸化酵素の利 用技術の開発も 期待される →不純物の混入 を最小限に！ (Miyata et al., 2007) 酵素反応条件 1 m 800 L HEPES (20 mM, pH 7.0) 1.5 g 精製酵素 1 mM Mn(II) （室温、30分間） 微生物の金属代謝機能の検討事例 （2）微生物を利用した金ナノ粒子形成 ■ 鉱山廃水や精錬廃水、各種の産業排水中に有価金属が含 まれるが、含有量が低い場合、コストに見合う回収は困難の ため、ほとんど未利用である。 ■ このため、低コストで回収するか、又は回収された金属をよ り付加価値の高い金属材料として資源化することが求めら れている。 金酸還元菌の適用可能性 水相中の溶存性金酸イオン([AuCl4]-を還元し、 金（単体, Au(0)）を析出させて回収 Au(III) → Au(0) 既知の金(III)還元微生物群とその特性 (1) 異化的鉄還元細菌（Schewanella属等） ■ 菌体内で金ナノ粒子を生成 ■ 嫌気条件で生育 ■ 酵素の単離・利用は困難である可能性 (2) 好気性従属栄養細菌（Pseudomonas属等） ■ 金ナノ粒子を形成（多くの場合、菌体外に遊離） ■ 好気条件 ■ 一部の菌種で酵素活性が報告（酵素反応によ る金ナノ粒子の生成過程は不明） (3) 真菌（Aspergillus属等） 金酸還元細菌探索のアプローチ （1） （2）金酸イオンを含まない培地で種々の菌株を分離 → 金還元活性をもった菌株をスクリーニング 新規金酸還元細菌の分離と特徴付け D-25株 グラム陰性桿菌 好気性、硝酸塩還元能：－ 好気，嫌気の両条件で金還元！ D-25 株 の コ ロ ニー形態と細胞 形態 好気（左）および嫌気（右） 条件での金ナノ粒子形成 D-25株による金ナノ粒子の形成 （TEM観察） • 粒子径＝5～40 nm • 細胞外に漏出 →凝集体として存在 細胞外の 金ナノ粒子 （凝集体） 細胞の痕跡 （多量の粒子 が沈積） 遠心操作により 容易に水相から 分離可能 20 m D-25株による金ナノ粒子生成機構 菌体内のAu(III)還元酵素による触媒作用 酵素活性は好気条件および嫌気条件でも発現 D-25株の金酸還元酵素による金ナノ粒子 の形成 【酵素反応条件】 • 0.1 mM [AuCl4]• 0.5 mM NADH • 酵素抽出液 ↓ 混合後、室温で15分間 放置 ↓ 0.1 mM [AuCl4]-を追加 して15分放置 D-25株による金ナノ粒子の形成 （検討結果まとめ） 新しい知見として・・・ 好気・嫌気の両条件において金酸イオンを還元 金ナノ粒子は細胞外に漏出し凝集体として存在 好気・嫌気の両条件において金(III)還元酵素が作用 セル・フリー（酵素利用）で金ナノ粒子を生成可能 新技術の特徴・従来技術との比較 （金酸還元菌のケース） • 従来の金酸還元菌は、嫌気条件または好気条件で の利用に限定されていた。本研究では、両条件で利 用できる菌株の取得に成功した。 • 菌体より抽出した酵素液でも金ナノ粒子を生成でき、 菌体成分の混入が最尐となる生成システムの構築も 可能となった。 • 本技術の適用により、廃水等からの金回収（菌体利 用）や材料としての金ナノ粒子の開発（菌体・酵素利 用）が期待される。 想定される用途 • 本技術の特徴を生かすためには、従来の物理化学的手法の 適用が困難な低濃度排水を対象とした場合にメリットが大き いと考えられる。 • 生物反応の特異性に着目し、廃棄物浸出水等からの選択濃 縮に適用できる可能性がある。 • 金酸イオン以外に、還元され得る他の金属元素にも同様の 効果が得られる可能性がある。 • また、酵素反応を制御することにより、金ナノ粒子を自由にデ ザインできることが期待され、新しい機能性材料やその用途 の開発につながることも可能と思われる。 想定される業界 • 利用者・対象 精錬所の精錬・精製排水、鉱山廃水 めっき廃液等の各種廃液 リサイクル・資源回収工場/廃基板等の浸出液 金属材料メーカー 実用化に向けた課題 • 現在、菌体の培養条件や酵素発現条件の最適化に ついて検討している。今後、実用化に向けて連続培 養によるバイオリアクターを構築する必要がある。 • また実排水を用いて生物プロセスの最適化を検討す る必要がある。 • 酵素の利用に関しては、反応系の制御因子を特定す るとともに、遺伝子組換えによる大量発現技術を確 立する必要もあり。 企業への期待 • 廃棄物や排水からの回収技術を開発してい る企業には、本技術の導入検討は有効と考 えている。 • また機能性材料の開発を展開している企業 との共同研究も希望している。 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称 • 出願番号 • 出願人 • 発明者 ：金ナノ粒子を形成する微生物及び これを用いた金ナノ粒子の形成方法 ：特願2011-129713 ：公立大学法人秋田県立大学 株式会社APS ：宮田直幸、廣瀬陽一郎 お問い合わせ先 秋田県立大学 地域連携・研究推進センター コーディネーター 渡邊 雅生 ＴＥＬ 018－872－1826 ＦＡＸ 018－872－1673 e-mail mawatana@akita-pu.ac.jp
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