カーボンナノチューブを微生物で分解する世界初の手法を開発

～フレンドマイクローブと日本ゼオン、名古屋大学が環境保護と産業革新を目指す画期的成果～

名古屋大学発ベンチャー株式会社フレンドマイクローブ、大手化学メーカー日本ゼオン株式会社、および国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院工学研究科の堀 克敏 教授の研究グループは共同研究によって、エレクトロニクスをはじめとする様々な産業分野に大きな便益をもたらすことが期待されているカーボンナノチューブ（CNTs）を微生物によって効率的に分解する新手法を開発しました。炭素からできている無機物のCNTsは環境中では生分解されないと考えられてきましたが、今回の結果はその考えを覆すものとなりました。また、これまで環境中に放出された場合の影響が充分に解明されておらず、早急な対応策の策定が産業化の大きな課題でしたが、今回の研究成果により活路が見出された結果となりました。

【概要】

堀教授らはShewanella属の細菌を利用した単層カーボンナノチューブ注5)（SWCNTs）の効率的な生物学的分解法を開発しました。新手法では、Shewanella属がもつ無酸素条件下でFe(III)をFe(II)に還元し、有酸素条件下でO2をH2O2に還元することでフェントン反応を効率的に誘導する能力を利用しています。この研究では、その特性を利用して、SWCNTsの連続的かつ長期にわたる分解を実現しました。この新しいアプローチは、SWCNTsの環境へのリスクを軽減し、廃棄物処理や環境バイオレメディエーションにおける新しい可能性を提供するものです。Shewanella属によるこの分解技術は、より幅広い環境条件下でのCNTsの安全な処理方法として期待されます。

本研究成果は、2023年11月30日付国際学術雑誌「Frontiers in Microbiology」にオンライン掲載されました。

【研究背景と内容】

本研究は、カーボンナノチューブ（CNTs）、特に単層カーボンナノチューブ（SWCNTs）の生物学的分解に焦点を当てています。CNTsはその優れた物理的特性により広範な応用がありますが、人間の健康や生態系に対する潜在的なリスクが懸念されています。例えば、CNTsは針状の構造を持ち、中皮腫や肺がんなどの健康問題を引き起こす可能性があり、植物、動物、微生物に対する毒性も報告されています。これまでの研究では、ホースラディッシュペルオキシダーゼ（HRP）などのヘム酵素注6)を用いたCNTsの分解が報告されていますが、これらの分解過程は実際にはフェントン反応によるものであり、酵素反応によるものではないことを、今回の発表者らは既に論文で発表しています。今回は、その知見をもとに、新しいCNTｓのバイオ分解技術の開発に成功しました。フェントン反応は、過酸化水素の分解を触媒する鉄(II)によって生じる高反応性のヒドロキシルラジカルによって、有機物を迅速かつ非選択的に酸化します。Shewanella属の細菌は、無酸素条件下で鉄(III)を鉄(II)に還元し、有酸素条件下で酸素を過酸化水素に還元することで、フェントン反応を効率的に誘導する能力があります。これは、CNTsの分解に応用できる可能性がありますが、Shewanella属がCNTsに耐性があるか、またフェントン反応がCNTsを分解するのに十分な期間続くかについては全く知見がありませんでした。この研究では、30 µg/mLのO-SWCNTsと10 mMのFe(III)クエン酸塩を含む条件下で21時間の無酸素と3時間の有酸素のサイクルを行い、90日間でO-SWCNTsの56.3%を分解しました。この結果は、Shewanella属によるフェントン反応が、幅広い条件下でのCNTs分解に応用可能であることを示唆しており、ＣＮＴｓの廃棄物処理や環境バイオレメディエーションにおける新たな方法の開発に寄与すると考えられます。

【成果の意義】

CNTsは産業界で広く利用されていますが、健康と環境への懸念が指摘されています。この研究により、環境中に広く存在する細菌を利用して、CNTsを安全かつ持続可能な方法で分解する新たな可能性が開かれました。これは、廃棄物処理技術の改善、環境汚染の軽減、そして長期的には人間と生態系の健康へのリスクを減少させる道を提供します。ナノテクノロジーの安全な利用と持続可能な発展にとって、この研究は重要なステップとなるでしょう。

【株式会社フレンドマイクローブについて】

我々は”微生物を友だちに”を社名に掲げ、微生物やその酵素を用いた技術を実用化し、社会実装していくことでSDGsの掲げる持続的社会の実現に貢献します。

[会社概要]

社名：株式会社フレンドマイクローブ

本社所在地：愛知県名古屋市千種区千種2-22-8 NALIC 104

代表取締役：蟹江　純一

設立： 2017年6月13日

事業内容： 微生物関連受託研究事業・油関連環境事業

HP：https://friendmicrobe.co.jp/