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自然に学ぶ研究事例

第86回微生物に学ぶエネルギー生産
エネルギー・環境技術
微生物資源
水田や湖沼がそのまま太陽電池になる!
太陽光を利用して、成長に必要な物質やエネルギーを生産する植物や微生物たち。その“生きる”仕組みを巧みに利用して外部に電力として取り出す、微生物に学ぶエネルギー生産とは?
シュワネラ菌(Shewanella)
シュワネラ菌(Shewanella)

シュワネラ菌は代表的な電流発生菌の1つで、深海の海底火山の近くから採取された。中央の顕微鏡写真は、酸化鉄コロイドを加えた系で電極に付着したシュワネラ菌を撮影したもので、右が1万倍、左が10万倍。背景の水田はイメージ。

クリーンエネルギーの旗手として期待される太陽光発電は、さまざまな研究が世界中で行われていますが、最近、非常にユニークな研究として注目を集めているのが、“微生物太陽電池”と“微生物燃料電池”の開発です。植物や光合成する能力を持った微生物と、有機物を分解して電子を放出する能力を持ったシュワネラ菌などの微生物(電流発生菌)を組み合わせて発電させようというのです。

 

多くの微生物は、細胞内に取り込んだ有機物が持つ電子エネルギーを増殖や、自らが生きるために利用しています。中には、まだエネルギーが残っている段階で体外に電子を放出する微生物も存在します。電子が酸素に渡されると二酸化炭素と水が生成され、二酸化炭素に渡されるとメタンが発生します。ところが、電流発生菌は電子を直接電極に渡すことができるのです。これを利用して電子を電力として取り出そうというのが、“微生物燃料電池”です。すでに実験には成功し、1日に3時間ほど電流を流さずに休ませることで、持続的に発電可能であることも明らかになっています。

 

また、このような電流発生菌は水田の土壌にも多く存在するので、水田に直接電極を入れて発電させる実験も行いました。すると日中、より多くの発電が見られたのです。これは、太陽の光を浴びた稲が根から有機物を排出し、それを電流発生菌が食べて電子を放出しているためだとわかりました。実験で得られた電力はごくわずかですが、水田そのものを太陽光発電装置にできる可能性が示唆されたのです。

 

さらに、湖沼の汚染原因となるアオコが光合成能力を持った微生物であることに着目し、それを利用する研究も行っています。湖や沼全体を太陽電池として使おうというのです。微生物に最適な環境をどう整え、発電効率をアップするかという課題はありますが、生きている発電装置がエネルギー生産の未来を大きく変えてくれるのではないでしょうか?

橋本和仁 教授

東京大学大学院 工学系研究科

自然界を上手く使い、新しい化学を創製する
私は、これまで光触媒や高分子太陽電池などを研究してきました。太陽光発電システムは昔に比べて性能が格段によくなっています。ところが、植物の行う光合成と比べると何か適わないんです。それは、人工物は必ず劣化するという点です。一方、植物や微生物は自らつくりだしたエネルギーの一部をメンテナンスや増殖に利用しています。劣化をいかにして防ぐかという研究ももちろん重要ですが、自己修復型太陽電池を考えたとき、私が行き着いたのは、自然界の生きものを自然に調和した形でうまく使うことでした。 私の専門は物理化学ですから、生物のことはまったく知りませんでした。初心者向けの分子生物学の教科書などでいろいろと勉強もしました。自然から離れていった20世紀の研究の延長ではなく、自然と調和する新たな視点で、21世紀の化学を形にしていく必要があると思っています。
 

トピックス
電流発生菌は、私たちの周りの地中や池や河川など至る所に生息しています。電流発生菌は上述のような微生物太陽電池への応用だけでなく、燃料電池への応用研究も盛んです。過去にも電気を取り出す研究は行われましたが、電流密度が低いために実用化には至らなかったという経緯があります。しかし最近、電流を増大させるさまざまな新しい知見が得られています。たとえば橋本教授らは、シュワネラ菌が生息する海底火山の周辺環境から学び、培養液に酸化鉄ナノコロイドを加えたところ微生物だけの場合に比べ50倍以上の電流が発生することを見出しています。 微生物燃料電池では、エサとなる有機物に食品廃棄物、ビール工場の廃液などを利用すれば廃棄物処理装置としての役割も果たすことができます。現在、食品廃棄物等のバイオマスはコンポスト(堆肥)製造、メタン発酵などに利用されていますが、微生物燃料電池では分解処理しながら直接発電が可能なのです。
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