微生物燃料電池バイオカソードにおけるモデル細菌の単離とその電子移動機構の解明

本研究では、電極上に形成した微生物膜の代謝反応を利用した新しい電極微生物触媒の開発を進めている。廃水など環境中にいる生きた微生物をそのまま電極触媒として利用することで、従来の白金などの希少金属を用いる無機触媒に比べ、極めて安価で、かつ自己再生・複製能を有した安定な機能発現が期待出来る。現状では、微生物膜触媒は無機触媒に比べてその効率が劣ることが報告されているが、微生物膜内における優先種や、その電子移動メカニズムは全く解明されておらず、そのポテンシャルは未知である。そこで、本研究では、①高い電子引き抜き能を持つ菌を微生物群集から単離するための実験系の構築と、②既知の電流生成菌における電子引き抜き機構の検討を行った。①においては、当初の目論見通り、電極触媒能を有する微生物薄膜が形成することが確認された。今後はこの菌叢から優先種を単離する。②電極からの電子引き抜き反応におけるモデル微生物には鉄還元細菌Shewanellaを選定した。これまでの我々の検討から、細胞外膜タンパク質におけるフラビン反応中心が直接電極表面から電子を引き抜く機構が明らかとなっている。我々が廃水処理を想定して様々なイオン強度で検討を行ったところ、膜タンパク質と結合フラビン分子間の相互作用が大きく影響を受け、フラビン分子の安定性が大きく向上することが明らかとなった。このようなイオン強度依存性は、生化学的な重要性に止まらず、バイオカソード廃水処理における廃水の初期調整や季節的な廃水組成の揺らぎに対する知見としても重要である。

本研究では、電極上に形成した微生物膜の代謝反応を利用した新しい電極微生物触媒の開発を進めている。廃水など環境中にいる生きた微生物をそのまま電極触媒として利用することで、従来の白金などの希少金属を用いる無機触媒に比べ、極めて安価で、かつ自己再生・複製能を有した安定な機能発現が期待出来る。現状では、微生物膜触媒は無機触媒に比べてその効率が劣ることが報告されているが、微生物膜内における優先種や、その電子移動メカニズムは全く解明されておらず、そのポテンシャルは未知である。そこで、本研究では、①高い電子引き抜き能を持つ菌を微生物群集から単離するための実験系の構築と、②既知の電流生成菌における電子引き抜き機構の検討を行った。①においては、当初の目論見通り、電極触媒能を有する微生物薄膜が形成することが確認された。今後はこの菌叢から優先種を単離する。②電極からの電子引き抜き反応におけるモデル微生物には鉄還元細菌Shewanellaを選定した。これまでの我々の検討から、細胞外膜タンパク質におけるフラビン反応中心が直接電極表面から電子を引き抜く機構が明らかとなっている。我々が廃水処理を想定して様々なイオン強度で検討を行ったところ、膜タンパク質と結合フラビン分子間の相互作用が大きく影響を受け、フラビン分子の安定性が大きく向上することが明らかとなった。このようなイオン強度依存性は、生化学的な重要性に止まらず、バイオカソード廃水処理における廃水の初期調整や季節的な廃水組成の揺らぎに対する知見としても重要である。