土壌・地下水における微生物の分布

第5章地中における微生物と物質変換
土壌・地下水における微生物の分布
Distribution of Microorganisms in Soil and Groundwater
• 分布：ほとんどいたるところに見られ、環境因子に応じて種お
よびその多様性は変化する
– pH, 含水率、土壌構造、栄養供給性
• Bacteriaの個体数:
– 107-1010 CFU (colony-forming units)/g dry surface soil
– 106-107 CFU/g dry sub-surface soil
• 菌濃度、種の多様性、活性：
– 土壌の粘土含有率、低pH，重金属濃度と負の相関、
– 砂含有率、水分含有率と正の相関
1
進化による生物の分類
原核生物
真核生物
単細胞生物
真正細菌
多細胞生物
古細菌
微生物(単細胞生物）
Karyo: nucleus (Greek)
Pro: prior or before
Eu : true or good
procaryotes: nucleus is not surrounded by membrane
eucaryotes: well-defined nucleus with nuclear membrane
バクテリアの基本構造
Cell Structure
•
細胞壁 (wall)
•
– 構造の保持、有毒物質や抗生物質の排
除機能
– グラム染色：陰性・陽性
よう膜 (capsule)
– 水分（９０％以上）と細胞外多量体
（EPS）、細胞の増殖周期により厚さが
かわる
• 繊毛 region)
(pili)
核領域 (nuclear
–
長さ10
µm以下
–
核酸
DNA
(deoxyribonucleic
acid、長さ
細胞膜 (membrane)
9 order）がある
1000 µm,
– 分子量10
土壌粒子等に固着するときに機能
• – 細胞質
(cytoplasma)
リン脂質とタンパクからなる、厚さ7-8
nm、浸透圧バリア
– 生命の存続に必要な酵素や構造の生成のた
– 小器官を相互に結びつけるマトリクスとしての
–形状：球菌(coccus)、短かん菌(bacillus)など
特異分子の輸送機能
めの情報をもつ
• 鞭毛 (flagella)
役割
–サイズ：長さ1-2µm、太さ0.5-1
電子伝達系、ＡＴＰの合成
µm
– 長さ15-20 µm
– 水溶性タンパク、低分子物質
– 運動性に寄与
•
•
2
バクテリアの化学組成
Chemical Composition of Cells
• 水分９０％
• 主要元素：C, O,N, H, P, S 基本構造成分
– 単一バクテリア細胞の炭素含有量 1 x 10-13 g
• 微量元素：metals (Fe, Mn, Co, Zn, Cu) 補
酵素
細菌の基本構造
Cell Structure
• サイズ通常長さ1-2µm、太さ0.5-1 µm
• 細胞壁 (wall)
• 核領域 (nuclear region)
– 核酸 DNA (deoxyribonucleic acid、長
さ1000 µm, 分子量109 order）がある
– 生命の存続に必要な酵素や構造の生成
•
のための情報をもつ
• 細胞質 (cytoplasma)
– 小器官を相互に結びつけるマトリクスとし
ての役割
•
– 水溶性タンパク、低分子物質
• 細胞膜 (membrane)
– リン脂質とタンパクからなる、厚さ7-8 nm、
•
浸透圧バリア
– 特異分子の輸送機能（能動輸送）
– 電子伝達系、ＡＴＰの合成
– ＤＮＡの複製
– 構造の保持、有毒物質や抗生物質
の排除機能
– グラム染色：陰性・陽性
よう膜 (capsule)
– 水分（９０％以上）と細胞外多量体
（EPS）、細胞の増殖周期により厚
さがかわる
繊毛 (pili)
– 長さ10 µm以下
– 土壌粒子等に固着するときに機能
鞭毛 (flagella)
– 長さ15-20 µm
– 運動性に寄与
3
細菌の増殖
Bacterial Growth
対数増殖期
誘導期
死滅期
定常期
対数増殖期の増殖曲線と比増殖速度
Growth Curve and Specific Growth Rate in Exponential Growth
dN
= kN
dt
t
dN
=
∫N 0 N ∫0 kdt
N
ln(
N
) = kt
N0
N = N 0 e kt
N: 菌濃度(cells/mL)
N0: 初期菌濃度(cells/mL)
t: 時間
k: 比例定数、比増殖速度(h-1)
N = 2N 0 のとき
ln 2 = kt d , k =
ln 2
td
td: doubling time （倍加時間）
または generation time （世代時間）
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微生物増殖や生分解性に影響を及ぼす要因
Factors Influencing Growth and Biodegradation
• 栄養（基質）供給性：制限基質の概念
Growth rate
• pH：
– 大部分の微生物はpH6~8が最適、その他好酸性、好塩基性菌もあり
• 温度：
– 大部分の菌は25 ~ 35℃が最適、-5 ~ +100℃の範囲で生育可能
• 水分：
– 栄養塩の輸送
• 光：
– 光合成細菌、紫外線によるDNA損傷
• 圧力（静水圧）：
– 1気圧から数気圧まで生育可能
• 浸透圧（溶質濃度）：
– 内部浸透圧を外部浸透圧よりも高く維持
pH
• 酸素：好気性菌、嫌気性菌
微生物増殖と生分解のモデリング
Modeling Growth and Biodegradation
• 制限基質濃度が細菌の増殖速度の律速条件となる場合
（ pH, 温度、水分等の条件が最適）
rg =
dX  μmaxC
=
dt  K S + C
ここでKS =Cのとき、 μ =

X

rg μmax
=
2
X
となり、 KSは最大比増殖速度の半分
を与える基質濃度を意味する
rg: 増殖速度(mg/L day)
C: 制限基質濃度(mg/L)
µmax::最大比増殖速度(day-1)
Ks: 飽和定数(mg/L)
X:
細菌重量濃度(mg/L)
µ
µmax
μmax
2
KS
C
5
バクテリアによる汚染物質の生分解速度の記述
Substrate Disappearance
汚染物質の生分解速度が、汚染物質濃度と微生物量によって決まる場合を数式化
dB μmaxC
B
=
dt K S + C
dC
= -Y
dt
Y =−
B - B0
C - C0
バクテリア重量濃度(mg/g-soil)
µmax: 最大比増殖速度(day-1)
KS: 飽和定数(mg/L)
C: 汚染物質（基質）濃度（mg/L)
Y: 基質利用量に対する菌生成量(-)
B:
B0: 初期バクテリア重量濃度(mg/g-soil)
C0: 初期汚染物質（基質）濃度（mg/L)
dC
B μmaxC
=−
dt
Y K S +C
μ C[B0 +Y(C0 - C)]
= − max
Y
K S +C
dC
μ C[B0 +Y(C0 - C)]
= − max
dt
Y
K S +C
B = constant, C >> K S
dC
μ
= − max Β0
dt
Y
B = constant
dC
μ BC
= − max 0
dt
Y(K S + C)
B = constant, K S >> C
dC
μ BC
= − max 0
dt
YK S
C = C0 −
K S ln
μmax
Β0t
Y
Zero-order model
B
C
+ C − C0 = − 0 μmaxt
Y
C0
Monod model
 μmax B0 
t 
 YK S 
C = C0 exp  −
First-order model
6

μmax
1 B +YC0 −YC
KS
CB0
t = ln 0
ln
−
Y
Y
B0
B0 +YC0  C0 (B0 +YC0 −YC)



微生物による代謝
Metabolism in Microorganisms
代謝(metabolism)：
細胞内で行われる化学変換により、新しい細胞をつくるこ
とで、つぎの二つのプロセスに分かれる
同化(anabolism):
細胞物質を合成するときにエネルギーを必要とする過程
生合成(biosynthesis)ともいう
異化(catabolism):
物質を酸化するときにエネルギーを放出する過程
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エネルギー源と炭素源による微生物の分類
Classification of microorganisms by energy sources and carbon sources
分類
炭素源
炭素源
独立栄養細菌
従属栄養細菌
エネルギー源
CO2
有機炭素
エネルギー源
化学合成細菌
光合成細菌
化学物質
光
炭素源・エネルギー源
化学独立栄養細菌
光独立栄養細菌
化学従属栄養細菌
光従属栄養細菌
CO2
CO2
有機炭素
有機炭素
化学物質
光
化学物質
光
自由エネルギー
Free Energy
aA + bB = cC + dD
[C] c [D] d
ΔG =ΔG + RTln
[A] a [B] b
0
ΔG : 与えられた条件での自由エネルギー変化
ΔG 0 : 標準状態における反応の自由エネルギー変化
R : 気体定数(1.99cal / moleK)
T : 絶対温度(K )
Exergonic 発熱反応
ΔG < 0のとき反応は自発的に右へ進み自由エネルギーが放出される
ΔG > 0のとき反応は自発的に右へ進まない
Endergonic 吸熱反応
全体として、同化(anabolism)はendergonic、異化(catabolism)はexergonic
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aA + bB = cC + dD
ΔG 0 = cG f 0 (C ) + dG f 0 (D ) − aG f 0 (A ) − bG f 0 (B )
ΔG 0 : 標準状態における反応の自由エネルギー変化
G f 0 (i ) : 標準状態におけるiの生成自由エネルギー
メタン１モルと酸素２モルを密閉した反応容器に入れたとする。
以下の反応は自発的に右へ進むか。
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
ΔG 0 = 1(-394.4) + 2(−237.17) − 1(-50.75) − 2(0)
= −817.99( kJ / mole) < 0
ΔG =ΔG 0 + RTlnK
平衡状態ではΔG = 0
 - ∆G 0
K = exp 
 RT

817.99
 = exp
= exp(330.7) >> 1
(0.0083)(298)

反応は自発的に右へ進む
9
微生物による有機物の代謝
Metabolism of organic materials by microorganisms
発酵 (Fermentation)
外部に電子受容体がなく、有機化合物が電子供与体および電子受容体とし
て使われる酸化還元反応で、この過程でATP(adenosine triphosphate, 高
エネルギーリン化合物)が合成される
呼吸 (Respiration)
外部に電子受容体があり、有機化合物が電子供与体として働く酸化還元反
応で、 ATP合成効率は発酵より高い
好気的呼吸 (aerobic respiration)
– 酸素が外部電子受容体の場合：
– 酸素以外の化学種が外部電子受容体の場合：嫌気的呼吸 (anaerobic respiration)
(NO3-, NO2-, SO42-, CO2, Fe3+ etc)
酸化還元反応
Oxidation-Reduction Reactions
酸化還元電位 E0 (V) が電子の供与しやすさ、受容しやすさをあらわす
たとえば、H2Oの生成反応では、
•
Acceptor pair
•
Donor pair
電子受容体
1
O 2 + 2 H + + 2e − → H 2 O
2
H 2 → 2 H + + 2e −
E0 = 0.814 V
E0 = -0.421 V
電子供与体
•
Combined
1
O 2 + H 2 → H 2O
2
∆E0 = E0 acceptor –E0 donor
Nernst equation
∆G0 = -nF∆E0
= 0.814-(-0.421)
=1.24 (V)
n: 授受にあずかる電子数
F: Faraday 定数 96,630 J/V
E0 acceptor > E0 donor でなければ、酸化還元反応は起きない
H2Oの生成反応では、∆G0 = -2(96630)(1.24) = -239.6kJ <0
Electron Tower
右へ進む
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微生物によるグルコース（C6H12O6）の代謝について、好気的呼吸によって得ら
れるエネルギーは？
(Oxidant = electron acceptor)/(Reductant = electron donor)
二対の酸化還元系”O2/H2O”と”CO2/C6H12O6”の半反応は、
Electron acceptor
6O 2 + 24H + + 24e − → 12H 2 O
+
C 6 H12 O 6 + 6H 2 O → 6CO 2 + 24H + 24e
−
E0 = 0.82(V)
E0 = −0.43(V)
Electron donor
これらを組み合わせてグルコースの酸化反応は、
C 6 H12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
この反応の生成自由エネルギー変化は
ΔG 0 = −nF∆E 0
= −( 24)(96.63)(1.25)
= −2899(kJ / mole)
ΔE0 = 0.82 − (−0.43)
= 1.25(V)
n: 授受にあずかる電子の数
F: Faraday定数
グルコースの代謝によりエネルギーが放出
されることがわかる
グルコースは炭素源であると同時にエネルギー源でもある
解糖系（EMP pathway）
C 6 H12 O 6 → 2C 2 H 5OH + 2CO 2
有機物の代謝（発酵）
NAD (nicotinamide-adenine dinucleotide)
NADH: good electron donor
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微生物によるグルコース（C6H12O6）の発酵で得られるエネルギーは？
呼吸で得られるエネルギーと比較してどちらが大きいか。
C 6 H12 O 6 → 2CO 2 + 2C 2 H 5OH
この反応の生成自由エネルギーは
ΔG 0 = 2(−394.4) + 2(−181.75) − (−917.22)
= −235.08kJ / mole
この値は呼吸で得られるエネルギー(∆G0 =-2899 kJ/mole) と比較して、かなり
小さい
微生物にとっては、呼吸による完全酸化により得られるエネルギーのほうが、発酵
により得られるエネルギーより有利である
有機物の代謝（好気的呼吸）
好気性従属栄養細菌
(Aerobic-Heterotrophic Bacteria)
C 6 H12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
有機物の代謝（嫌気的呼吸）
脱窒菌 (Nitrate-Reducing Bacteria)
−
−
3NO3 + CH 3OH → 3NO 2 + CO 2 + 2H 2 O
硫酸還元菌 (Sulfate-Reducing Bacteria)
2−
SO 4 + 2CH 2 O → H 2S + 2HCO3
−
−
HCO3 + H + → CO 2 + H 2 O
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無機物の代謝（化学独立栄養細菌の場合）
水素細菌 (Hydrogen Bacteria)
6H 2 + 2O 2 + CO 2 → CH 2 O + 5H 2 O
硫黄細菌 (Sulfur Bacteria)
2−
H 2S + 2O 2 → SO 4 + 2H +
2−
S + H 2O + 3 / 2O 2 → SO 4 + 2H +
2−
2−
S2 O 3 + H 2 O + 2O 2 → 2SO 4 + 2H +
無機物の代謝（光独立栄養細菌の場合）
緑色硫黄細菌
(Green-Purple Bacteria)
6CO 2 + 12H 2S → C 6 H12 O 6 + 6H 2 O + 12S
共代謝
cometabolism
微生物がある有機物を分解するとき、それを増殖のための基質やエネルギー源とし
て使っていない場合の代謝（非増殖基質の付随的代謝）
酵素の基質特異性が厳密でなく類似基質に作用することによる
たとえば、dioxin, TCE, PCBsの微生物分解は共代謝により可能
濃度
基質濃度
濃度
菌数
<生育による代謝>
基質濃度
菌数
時間
時間
<共代謝>
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物質循環における微生物の役割
無機的環境
化学的要素：栄養源、水、二酸化炭素、
酸素、pHなど
物理的要素：温度、圧力、放射線など
生態系
生物群集
生産者 (producer)
・・・植物
消費者 (consumer)
・・・動物
分解者 (decomposer) ・・・微生物
生産者：光合成により無機物から炭化水素、脂質、たんぱく質を合成する
消費者：無機物から直接有機物を合成できない、
生産者が合成した有機物を栄養源として生育する
分解者：生産者が合成した有機物に依存したり、動植物の遺骸・排泄物・老廃物
などの有機物を分解し無機化する
微生物による炭素と酸素の循環
The Carbon and Oxygen Cycle by Microorganisms
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窒素の循環
The Nitrogen Cycle
Nitrosomonas属
Nitrobacter属
イオウの循環
The Sulfur Cycle
Dimethyl sulfide (DMS)
海洋性植物プランクトン
Desulfovibrio属
Thiobacillus属
Thiobacillus属
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リンの循環
The Phosphorous Cycle
リン
生命維持にとって重要
ＡＴＰ
PO43-のまま循環
(酸化も還元もしない）
鉄の循環
The Iron Cycle
Fe(II) –bearing minerals
好気的
Thiobacillus sp.
Gallionella sp.
Leptothrix sp.
嫌気的
析出
溶解
FeS, FeS2, clay
Fe2+
酸化
pH<4.5 微生物的
pH>4.5 化学的
微生物的還元
Geobactor sp.
Fe3+
析出
溶解
Fe(III)-bearing minerals
FeOOH, Fe(OH)3, jarosite, etc
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マンガンの循環
The Manganese Cycle
MnCO3, MnSO4
Mn(II)-bearing minerals
好気的
Leptothrix sp.
Fungi
嫌気的
析出
溶解
Mn2+
酸化
pH<9 微生物的
pH>9 化学的
微生物的還元
Geobactor sp.
Mn3+, Mn4+
析出
溶解
Mn(III, IV)-bearing minerals
MnOOH, MnO2, etc
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