微生物利用による資源金属回収技術の研究開発

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 [email protected]

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