高校生のみなさんへ

地球上には38-39億年前から出現した最古の生物であるバクテリア（細菌）が10の30乗のオーダーで存在しています。

その種類は数百万種とも報告されていますが、われわれが環境浄化を含めた産業用途で利用している種類はごくごく限られています。

細菌細胞が増殖によりコンパクトに凝集し、粘着性のポリマーを産出して自分の棲家を作ります。これがいわゆるバイオフィルムです。

バイオフィルムは、バイオリアクター内に水をきれいにしてくれる細菌群を高密度に存在させることが出来るため、環境浄化用バイオリアクターの一種としてその利用が注目されています。

我々は、バイオフィルム内に存在する役割の異なる様々な細菌群の性能を高めるため、バイオフィルムへ供給する電子供与体・受容体（いわゆる細菌群のエサ）を二方向から供給する対抗拡散方式というユニークなバイオフィルムリアクターの設計を行っています。

排水中や自然環境中に溶存する窒素化合物は硝化・脱窒と呼ばれる微生物による酸化・還元反応により非反応性の窒素ガスに変換されます。

その過程において副生成物や中間生成物として亜酸化窒素（N₂O）が発生します。この亜酸化窒素は、二酸化炭素の265倍の温室効果能を有し、強力なオゾン層破壊能を有しています。また、その残留時間は114年との報告もあり、地球温暖化やオゾン層破壊を抑制するために亜酸化窒素の放出抑制が必要不可欠です。

この亜酸化窒素は生物・非生物学的に様々な経路を経て生成することが報告されており、どの経路がどれくらい支配的かということはよくわかっていません。我々は、自然界では0.36%しか存在しない陽子数7、中性子数8の質量数15の安定同位体（¹⁵N）を人工的に加えることにより、¹⁵NがどのようにN₂Oに入ってくるかを明らかにする方法（¹⁵Nトレーサー法）を用いています。¹⁵Nトレーサー法を用いることにより、排水処理施設や自然環境中からどのようにN₂Oが生成するかを体系的に明らかにすることができるため、排水処理バイオリアクターや自然環境からのN₂O生成メカニズムの解明と排出削減に向けた方法を検討しています。

亜酸化窒素の削減に向け、我々は亜酸化窒素を窒素ガスに無害化する細菌群や、N₂Oを細胞内に取り込んで体を作るシアノバクテリアなどの探索を行っています。

高効率な細菌群の獲得のため、我々はこれらの亜酸化窒素を削減する細菌が優占的に増えやすい環境をつくることができる装置の開発を行っています。

亜酸化窒素を効率的に窒素ガスに変換したり、細胞内に取り込むことが可能な細菌群を獲得できれば、温室効果ガスである亜酸化窒素の削減に大きく貢献できます。

地球環境に存在する細菌は約9割は固体表面に付着してバイオフィルムとして存在しています。排水処理バイオリアクターにおいてはバイオフィルムは細菌を高密度に保持できるため有益ですが、医療機器・水処理のろ過装置・熱交換器などにバイオフィルムが形成されると、病原菌が増殖する温床になったり、産業用装置の性能が低下するため、バイオフィルムは有害であるともいえます。

バイオフィルムの形成の第一過程は細菌細胞の付着であることから、付着しにくい、もしくは付着してもはがれやすい材料表面の作製を行っています。

さらに、ひとたび不可逆的に細菌が付着するとバイオフィルムの成熟化が始まります。