バイオレメディエーションにおける微生物の役割 – レビュー

はじめに

微生物は、その代謝能力が非常に高く、さまざまな環境条件で容易に増殖できるため、生物圏に広く分布しています。 また、微生物の栄養学的な多様性は、汚染物質の生分解にも利用することができる。 このようなプロセスをバイオレメディエーションと呼びます。 これは、ある種の微生物が有害な汚染物質を変換・改質・利用し、その過程でエネルギーやバイオマスを生産する能力に基づいて継続されるものです。 バイオレメディエーションは、汚染物質を単に回収して貯蔵するのではなく、微生物学的によく組織化された手順で、汚染物質を毒性の低い、あるいは無毒な元素や化合物の形に分解・変換するために適用される活動である。 バイオレメディエーターとは、汚染された場所を浄化するためにバイオレメディエーションに使用される生物製剤のことである。 細菌、古細菌、真菌が代表的な生物浄化剤である。 バイオレメディエーションは、微生物が関与するバイオテクノロジープロセスとして、環境中の多くの汚染物質を生分解してその危険性を解決・除去するために応用されるものである。 バイオレメディエーションと生分解の用語は、より交換しやすい言葉です。 微生物が土壌、水、堆積物などの汚染物質除去に重要な役割を果たすのは、そのほとんどが他の浄化方法よりも優れているためです。 微生物は、元の自然環境を回復させ、さらなる汚染を防止することができる。 このレビューの目的は、バイオレメディエーションにおける微生物の応用と役割に関する現在の傾向を示し、このテーマ領域で確認されたギャップに関連する背景を提供することである。

微生物によるバイオレメディエーションに影響を与える要因

バイオレメディエーションは、バクテリア、菌類、植物の作用により、環境中のさまざまな化学物質や物理的廃棄物を分解、除去、変化、固定化、無毒化することである。 微生物は、その酵素経路を通じて生体触媒として働き、目的の汚染物質を分解する生化学反応の進行を促進する。 微生物が汚染物質に対して活動するのは、より多くの細胞を作るためのエネルギーや栄養素を生み出すのに役立つ様々な物質化合物を利用できる場合のみである。 バイオレメディエーションの効率は、汚染物質の化学的性質や濃度、環境の物理化学的特性、微生物が利用可能かどうかなど、多くの要因に依存する。 分解速度は、バクテリアと汚染物質が互いに接触しないために影響を受ける。 さらに、微生物や汚染物質は環境中に一様に分布しているわけではない。 バイオレメディエーションプロセスの制御と最適化は、多くの要因による複雑なシステムである。 ここでは、汚染物質を分解できる微生物群の存在、微生物群にとっての汚染物質の利用可能性、環境要因（土壌の種類、温度、pH、酸素や他の電子受容体の存在、栄養分）などが含まれる。

生物学的要因

生物学的要因は、限られた炭素源に対する微生物間の競争、微生物間の拮抗作用、原生動物やバクテリオファージによる微生物の捕食を通じて、有機化合物の分解に影響を与えるものです。 汚染物質の分解速度は、多くの場合、汚染物質の濃度と「触媒」の存在量に依存する。 ここでいう「触媒」の量とは、汚染物質を代謝することができる生物の数、および各細胞が産生する酵素（複数可）の量を意味する。 細胞による特定の酵素の発現は、汚染物質の分解速度を増加または減少させることができる。 さらに、汚染物質の代謝に必要な酵素がどの程度存在するか、汚染物質に対する親和性、汚染物質の入手可能性が大きく問われる。 主な生物学的要因には、突然変異、水平遺伝子移動、酵素活性、相互作用 (競争、継承、捕食)、臨界バイオマスに達するまでの自身の成長、集団のサイズと構成があります。

環境要因

微生物の代謝特性および対象となる汚染物質の物理化学特性は、プロセス中に起こりうる相互作用を決定づけます。 しかし、実際に両者の相互作用がうまくいくかどうかは、相互作用が起こる場所の環境条件によって異なります。 微生物の成長と活性は、pH、温度、水分、土壌構造、水への溶解度、栄養素、場所の特性、酸化還元電位と酸素含有量、この分野で訓練を受けた人材の不足、汚染物質の物理化学的生物学的利用能（汚染物質の濃度、種類、溶解度、化学構造、毒性）に影響を受けます。 このような要因が分解速度を決定している。 生分解は幅広いpH範囲で起こるが、一般的に水生・陸生系ではpH6.5〜8.5が最適とされている。 水分は、利用可能な可溶性物質の種類と量、および陸上と水中の浸透圧とpHに影響を与えるため、汚染物質の代謝速度に影響を与える。

栄養素の利用

栄養素の添加は、微生物の成長と繁殖に不可欠な栄養バランスを調整し、生分解の速度と効果に影響を及ぼします。 栄養バランス、特にNとPのような必須栄養素の供給は、細菌のC：N：P比を最適化することにより、生分解効率を向上させることができる。 微生物が生存し、その活動を継続するためには、炭素、窒素、リンなど多くの栄養素が必要である。 また、炭化水素の分解は低濃度では限界があります。 適切な量の栄養素を添加することは、微生物の代謝活性を高め、寒冷環境での生分解率を向上させるために有効な手段である。 水中環境での生分解は、栄養塩の利用可能性によって制限される。 他の生物が必要とする栄養と同様に、油食性微生物も最適な成長と発達のために栄養を必要とする。

温度

物理的要因の中で、温度は、微生物の生存と炭化水素の組成を決定する最も重要な要因です。 北極のような寒い環境では、自然のプロセスによる油の分解は非常に遅く、流出した石油を浄化するために、微生物により大きなプレッシャーがかかります。 この地域の水温は氷点下であるため、微生物細胞内の輸送チャンネルが停止し、細胞質全体が凍結することもあり、ほとんどの親油性微生物が代謝不能に陥ってしまう。 分解経路に関与する生物酵素には最適な温度があり、どの温度でも同じ代謝回転をするわけではありません。 また、特定の化合物の分解には、特定の温度が必要である。 また、温度は微生物の生理的性質に大きく影響するため、バイオレメディエーションプロセスのスピードアップやスピードダウンにつながります。 微生物の活動速度は温度とともに増加し、最適な温度で最大レベルに達する。

酸素濃度

異なる生物は酸素を必要とし、また酸素を必要としない生物もいるため、その要求に基づいて生分解率をより良くすることができます。 酸素はほとんどの生物にとって気体の必要条件であるため、生物学的分解は好気性および嫌気性の状態で行われます。 ほとんどの場合、酸素が存在すると炭化水素の代謝が促進されます。

水分

微生物が成長するためには、適切な水分が必要です。 土壌の水分量は、生分解剤に悪影響を与える。

pH

化合物の酸性、塩基性、アルカリ性の性質であるpHは、微生物の代謝活動に独自の影響を与え、除去プロセスの増加や減少をもたらします。 土壌中のpHの測定は、微生物の増殖の可能性を示すことができる。 代謝プロセスは、pH のわずかな変化にも非常に敏感です。

サイトの特性化と選択

汚染の大きさと範囲を適切に特性化するために、バイオレメディエーションの改善策を提案する前に、十分な改善調査作業を実施する必要があります。 この作業は、少なくとも次の要素を包含する必要があります: 汚染の水平および垂直方向の範囲を完全に決定すること、サンプルとなるパラメータと場所およびその選択の根拠をリストすること、サンプル取得に使用する方法と実行する分析について説明すること

金属イオン

金属は細菌や菌にとって少量では重要ですが、多量では細胞の代謝活性を阻害してしまいます。 金属化合物は、分解速度に直接的・間接的な影響を与える。

毒性化合物

一部の汚染物質の毒性は高濃度の場合、微生物に毒性を与え、除染を遅らせる可能性があります。 毒性の程度やメカニズムは、特定の毒性物質やその濃度、暴露された微生物によって異なる。

バイオレメディエーションの原理

バイオレメディエーションとは、有機廃棄物を制御された条件下で生物学的に分解し、無害な状態にする、または規制当局が定めた濃度限度以下にするプロセスである、と定義されています。 微生物は、環境汚染物質を餌として利用できる酵素を持っているため、汚染物質の破壊作業に適している。 バイオレメディエーションの目的は、環境や生物にとって有害な物質を分解・無害化するために、微生物の代謝に必要な栄養素や化学物質を最適なレベルで供給し、微生物の働きを促すことにある。 すべての代謝反応は、酵素によって媒介される。 酵素は、酸化還元酵素、加水分解酵素、リアーゼ、転移酵素、異性化酵素、リガーゼに分類される。 多くの酵素は、非特異的および特異的な基質親和性により、驚くほど幅広い分解能力を有している。 バイオレメディエーションを効果的に行うためには、微生物が汚染物質を酵素的に攻撃し、無害な生成物に変換することが必要である。 バイオレメディエーションは、環境条件が微生物の成長と活動を許す場合にのみ有効であるため、その応用には、微生物の成長と分解がより速い速度で進むように環境パラメータを操作することが多く含まれます

バイオレメディは自然に発生し、生物と肥料の添加により促進されます。 バイオレメディエーション技術は、主に生分解に基づくものです。 有機有害汚染物質を、人間や動物、植物、水生生物にとって安全な、二酸化炭素や水、無機化合物などの無害な、あるいは自然に存在する化合物に完全に除去することを指します。

バイオレメディエーションの利点

自然のプロセスであり、土壌などの汚染物質の廃棄物処理プロセスとして受け入れられ、少しの時間で完了することができます。 微生物が汚染物質を分解し、汚染物質が存在する場合はその数を増やすことができます。 汚染物質が分解されると、生分解性微生物が減少する。

処理後の残留物は、通常、水や二酸化炭素、細胞のバイオマスなど無害なものです。

非常に少ない労力で、多くの場合、通常の活動に大きな支障をきたすことなく、その場で実施することができます。

-有害廃棄物の浄化に使用される他の従来の方法（テクノロジー）よりも損失が少ないため、費用対効果の高いプロセスで適用されます。 油で汚染された場所の処理に重要な方法です。

また、汚染物質の完全な破壊に役立ち、有害化合物の多くは無害な製品に変換することができ、この機能は汚染物質の処理と処分に関連する将来の責任の可能性も排除します。

危険な化学物質は一切使いません。 栄養分特に肥料を加えて、微生物の成長を活発にし、速くする。 一般的に、芝生や庭に使用されます。 バイオレメディエーションは、有害な化学物質を水や無害なガスに変えるため、有害な化学物質は完全に破壊されます。

-環境における自然の役割から、シンプルで労働集約的でなく、安価です。

-環境に優しく、持続可能。

-汚染物質は破壊され、単に別の環境媒体に移動するだけではありません。

-非侵入型で、サイトの継続利用が可能な場合があります。

-比較的容易に実施可能。

-多数の汚染物質から自然の生態系を修復し、環境に優しい選択肢として機能する有効な方法。

バイオレメディのデメリット

-生分解性の化合物に限られること。

-生分解生成物は、親化合物よりも残留性や毒性が高い可能性があります。

-生物学的プロセスは、多くの場合、非常に特殊です。

-成功に必要な重要なサイト要因には、代謝能力のある微生物集団の存在、適切な環境成長条件、および適切なレベルの栄養素と汚染物質がある。

-ベンチおよびパイロットスケール研究からフルスケールのフィールドオペレーションへ外挿することは難しい。

-環境中に均一に分散していない汚染物質が複雑に混合したサイトに適したバイオレメディエーション技術を開発・設計する研究が求められている。

-汚染物質は固体、液体、気体として存在する可能性があります。

-土壌の掘削除去や焼却など、他の処理方法よりも時間がかかることがよくあります。

•Regulatory uncertainty remains regarding acceptable performance criteria for bioremediation. There is no accepted definition of “clean”, evaluating performance of bioremediation is difficult.

Microorganisms and pollutants (Tables 1-5)

Heavy metals cannot be destroyed biologically (“no degradation”, changes occur in the nuclear structure of the element), but only transformed from one oxidation state or organic complex to another. Besides, bacteria are also efficient in heavy metals bioremediation. Microorganisms have developed the capabilities to protect themselves from heavy metal toxicity by various mechanisms, such as adsorption, uptake, methylation, oxidation and reduction. 微生物は重金属を能動的に取り込み（生物濃縮）、あるいは受動的に取り込む（吸着）。 重金属のバイオレメディエーションにおいて、微生物のメチル化は重要な役割を担っています。なぜなら、メチル化された化合物は揮発性であることが多いからです。 たとえば、水銀 (Hg (II)) は、多くの異なる細菌種 Alcaligenes faecalis、Bacillus pumilus、Bacillus sp.、P. aeruginosa、Brevibacterium iodinium によって、ガス状のメチル水銀にバイオメチル化されます

バイオレメディの種類

バイオレメディの処理技術や手法にはさまざまな種類があります。 基本的なバイオレメディエーションの方法は以下の通りです。

バイオスティミュレーション

この種の戦略は、現場（土壌/地下水）に特定の栄養素を注入し、土着の微生物の活動を刺激することで結びつきます。 土着の、あるいは自然に存在するバクテリアや菌類のコミュニティを刺激することに焦点が当てられています。 まず、肥料、成長補助剤、微量ミネラルを供給することで、土着菌を活性化させます。 次に、pH、温度、酸素などの環境条件を整えることで、微生物の代謝速度や経路を速めることです。 また、少量の汚染物質が存在すると、バイオレメディエーション酵素のオペロンがオンになり、刺激剤として作用することもある。 このような戦略的な経路は、ほとんどの場合、土着の微生物を助けるために栄養分と酸素を加えることで継続されます。 これらの栄養素は生命の基本的な構成要素であり、微生物が、例えば、エネルギー、細胞バイオマス、汚染物質を分解する酵素などの基本的な必要条件を作り出すことを可能にする。

生物による減衰

生物による減衰または自然減衰は、周囲から汚染物質の濃度をなくすことです。 生物学的プロセス（好気性および嫌気性生分解、植物や動物の取り込み）、物理現象（移流、分散、希釈、拡散、揮発、収着・脱着）、化学反応（イオン交換、錯形成、生物変換）などで行われることが多いようです。

環境が化学物質で汚染されている場合、自然は次の 4 つの方法で浄化に取り組みます： 1) 土壌や地下水に生息する小さな虫や微生物が、化学物質を餌として利用します。 化学物質を完全に消化すると、水や無害なガスに変えることができます。 2）化学物質が土に付着・吸着し、その場所に固定されることがある。 これは化学物質を浄化するものではありませんが、地下水を汚染したり、敷地外に出てしまったりするのを防ぐことができます。 3) 汚染物質が土壌や地下水中を移動する際に、きれいな水と混ざり合う可能性がある。 これにより、汚染物質が減少または希釈されます。 4) 石油や溶剤のような一部の化学物質は、蒸発する可能性があり、土壌の中で液体から気体に変化します。 これらのガスが地表で空気中に逃げ出すと、太陽光によって破壊されることがあります。 自然減衰が十分でない場合や完全でない場合、バイオレメディエーションは、バイオスティミュレーションまたはバイオオーグメンテーションのいずれかによって強化されます。

バイオオーグメンテーション

これは生分解のメカニズムの1つです。 汚染物質分解微生物（天然/外来/人工）を添加し、汚染地域の土着微生物集団の生分解能力を増強するこのプロセスは、バイオオーグメンテーションとして知られています。 汚染物質を優先的に食べてくれる天然微生物の個体数を急激に増やし、分解を促進させることです。 そこで、汚染現場から微生物を採取し、別途培養して遺伝子組み換えを行い、再び汚染現場に戻すという方法がとられています。 テトラクロロエチレンやトリクロロエチレンなどの塩素系エチレンで土壌や地下水が汚染された場所では、すべての必須微生物が生息しているため、汚染された土壌や地下水を浄化することができます。

バイオオーグメンテーションは、複雑な汚染物質を迅速かつ完全に除去するために、バイオレメディエーターとして機能する人工微生物をシステム内に追加するプロセスです。 また、遺伝子組換え微生物が、さまざまな環境汚染物質の分解効率を向上させることを示し、証明しています。 その理由は、より複雑でない無害な最終生成物に変化させる多様な代謝プロファイルを持っているためです。 遺伝子組換え微生物は、天然種よりはるかに速く汚染物質を分解し、在来種や捕食者、様々な生物学的要因と競合することが知られています。 遺伝子組み換え微生物は、土壌、地下水、活性汚泥のバイオレメディエーションの可能性を示し、幅広い範囲の化学的および物理的汚染物質の分解能力が向上していることを示しました。 このような芸術的な作業や科学的な手順を、主に組換えDNA技術と呼んでいます。 遺伝子工学は、遺伝子組換え生物を作り出すことによって、実験室条件下での危険な不要物の利用と除去を改善しました。 遺伝子組換え生物は、組換えDNA技術によって、あるいは生物間の自然な遺伝物質交換によって得ることができる。

遺伝子組み換え微生物 (GEM) は、土壌、地下水、活性汚泥環境において、さまざまな化学汚染物質を分解する能力を強化し、バイオレメディエーションへの応用の可能性を示してきました。 近年、遺伝子工学的な手法を用いた分解性能の向上が期待されている。 例えば、既知の代謝経路の律速段階を遺伝子工学的に操作して分解速度を向上させたり、全く新しい代謝経路を細菌株に組み込んで、以前は難分解性だった化合物の分解を可能にしたりすることができる。 GEMでは、以下の4つの活動/戦略が行われる。 (1) 酵素の特異性と親和性の改変、(2) 経路の構築と制御、(3) バイオプロセスの開発、モニタリング、制御、(4) 化学物質感知、毒性低減、エンドポイント分析用のバイオアフィニティー・バイオレポーターセンサー応用、です。 バクテリアの必須遺伝子は単一の染色体上に担われているが、これらの異常基質の異化に必要な酵素を特定する遺伝子はプラスミド上に担われている場合がある。 プラスミドが異化に関与している可能性が指摘されている。

バイオレメディエーションにおけるGEMの優位性

GEMは生分解に有効であり、将来的に広い意味を持つ研究のフロンティアとなる。 主な機能としては、廃棄物汚染サイトの回復を早める、基質分解力を高める、少ない細胞量で高い触媒・利用能力を発揮する、有害物質を除染・中和して安全で清浄な環境状態を作る、などが挙げられる。

バイオレメディエーションにおけるGEMの不利な点。

バイオレメディエーションにおけるGEMの欠点：従来の方法では実施されなかったこと、場合によっては細胞の死滅が起こり、周囲への放出に関連した課題があること、特定のレベルでは、成長の遅れや基質分解、季節変動やその他の生物学的要因の変動が、微生物の活動に直接的および間接的に影響し関係していることが示されたこと、最後にシステムに外国の改変株を導入すると、自然の構造や機能の微生物群構成および発生に未反応で測定不可能な悪影響を与えることにつながることなどが挙げられる。

Bioventing

既存の土壌微生物に酸素を供給することにより、土壌中の天然または導入した細菌やカビの成長を刺激するために、土壌を通して酸素を放出することに関与しています。 バイオベントは、微生物の活動を維持するのに十分な酸素だけを供給するために、低い空気流量を使用します。 酸素の供給は、土壌中に残留する汚染物質に井戸を使って直接空気を注入する方法が最も一般的です。 吸着した残留燃料は生分解され、揮発性化合物も生物学的に活性な土壌中を蒸気がゆっくりと移動することにより生分解されます。 バイオベンチレーションを用いた石油汚染土壌のバイオレメディエーションは、多くの研究者によってその有効性が証明されている。

バイオパイル

バイオパイルは、好気性炭化水素で汚染された土壌を掘削し、「バイオパイル」で処理する方法である。 バイオパイル（バイオセル、バイオヒープ、バイオマウンド、コンポストパイルとも呼ばれる）は、生分解の間に掘削土壌中の石油系汚染物質の濃度を下げるために使用されます。 このプロセスでは、配管とポンプのシステムによって、正圧下でパイル内に空気を送り込むか、負圧下でパイル内の空気を吸引することで、バイオパイルシステムに空気が供給されます。

結論

生分解は、汚染された環境を微生物によって修復、清掃、管理、回復する技術として非常に有益で魅力的なオプションである。 不要な廃棄物の分解速度は、生物学的因子との競争、必須栄養素の不十分な供給、不快な外部環境（通気、湿気、pH、温度）、汚染物質の低い生物学的利用可能性で決定される。 このような要因から、自然条件下での生分解はあまりうまくいかない。 バイオレメディエーションは、微生物の増殖と活性化が可能な環境条件下でのみ有効である。 バイオレメディエーションは、世界各地の様々な場所で、程度の差こそあれ、成功裏に利用されてきました。 このことは、この技術を選択するサイトの数と、時間とともに人気が高まっていることからも明らかである。 一般に、異なるサイトから異なる種が探索され、それらは制御メカニズムにおいて効果的です

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