「生命の禁断の領域」には立ち入ることはできないが、彼らはここで粘り強く生きている

自然界には、高温、低温、高酸、高アルカリ、高塩分、高圧、高放射線など、普通の生物が生存できない環境がいくつかあります。

しかし、一般的には生命の禁断地帯とされるこのような極限環境においても、粘り強く生きる微生物が存在します。私たちはこれらの微生物を極限環境微生物、あるいは単に極限微生物と呼んでいます。

今日は、この粘り強い小さな生き物たちについて知りましょう。

好冷性細菌

寒冷地を好む微生物の中には、地球の北極や南極地域、氷室、一年中雪に覆われた高山、深海、永久凍土地域に生息するものがあります。絶対好冷菌は20℃以下の環境に適応しており、温度が20℃を超えると死んでしまいます。

絶対好冷菌の中には、温度が22℃を超えるとタンパク質の合成を停止する種類があります。

絶対好冷菌の細胞膜には多量の不飽和脂肪酸が含まれており、温度が低下するにつれてその量が増加し、低温でも膜の流動性が確保されます。このようにして、細胞は低温でも外部環境から栄養素を継続的に吸収することができます。

通性好冷菌は生育温度範囲が広く、最高 30°C まで生存できます。低温保存された食品が腐敗する根本的な原因は好冷性微生物です。

好熱菌

好熱菌は一般に高温細菌として知られ、温泉、堆肥、地熱土壌、火山地域、海底火山に広く分布しています。通性好熱菌の最も適した生育温度は 50 ～ 65 ℃ ですが、絶対好熱菌の場合は 65 ～ 70 ℃ です。

アイスランドには、98℃の温泉でも生育できる好熱菌が存在します。好熱性通性独立栄養細菌であるサルフォロバス・アシドカルダリウスは、かつて米国のイエローストーン国立公園の硫黄含有温泉から分離されました。 90℃以上の温度でも増殖します。近年、この細菌は広く注目を集めており、鉱石の細菌浸出、石油や石炭の脱硫に使用することができます。

一部のヘドロ、温泉、深海地熱水には、メタンを生成できる好熱菌が生息しています。彼らが生息する環境は高温、高塩分濃度、非常に高い圧力であるため、研究室で分離して培養することが困難です。

好熱菌は、堆肥の山、干し草の山、木材チップの山などの暑い環境によく見られ、一部の有機物の分解を助けます。

発酵産業では、好熱性細菌を利用して、セルラーゼ、プロテアーゼ、アミラーゼ、リパーゼ、イヌリナーゼなどのさまざまな酵素製剤を生産することができます。これらの微生物によって生産される酵素製剤は、熱安定性が良好で、触媒反応速度が高く、室温での保存が容易です。

近年、好熱菌の研究における最も顕著な成果の一つは、サーマス・アクアティクス由来の耐熱性Taq DNAポリメラーゼを遺伝子研究や遺伝子工学研究に利用し、遺伝子技術を幅広く応用したことです。

アシドフィルス

好酸性細菌は酸性ミネラルウォーターや酸性温泉などの地域に分布しています。そのうち、アシディチオバチルスは化学独立栄養的および化学従属栄養的に生育できる細菌であり、最適な生育環境は pH 値 3.0 ～ 3.5 です。

例えば、チオバチルス・チオオキシダンスはpH 値が 0.5 未満の環境でも生存でき、絶対独立栄養好酸性のチオバチルス・フェロオキシダンスは硫黄と鉄を酸化して硫酸を生成することができます。これら細菌は両方とも極めて好酸性の細菌です。

酸性環境では、好酸性および好熱性のアシディチオバチルスも生息しています。 60～65℃、pH3～4の条件下では増殖速度が最大になります。この細菌は炭水化物またはアミノ酸のいずれかを栄養源として利用できます。

酸性で高温の環境で成長し、繁殖する別の微生物も存在します。これを好酸性熱プラズマといいます。最適な生育温度は 59°C、最適な pH 値は 2 前後です。細胞壁がなく、栄養要件は非常に複雑です。成長には酵母ペーストを栄養マトリックスとして使用し、天然の有機栄養素が必要です。

さらに、楕円酵母や赤色酵母など、好酸性真核微生物の多くは酸性環境に生息します。セファロスポリウムには、濃度 10% 以上の硫酸で増殖する必要があり、培地に 4% の硫酸銅が含まれている必要がある種類があります。これはこれまでに発見された最も耐酸性の強い微生物です。

好酸性細菌は長年にわたり、銅などの金属の細菌浸出に広く使用されてきました。さらに、チオバチルスを利用してリン酸岩粉末を分解し、溶解性を高めることで肥料効果を高める試みも行われている。

好アルカリ性細菌

好アルカリ性微生物は、アルカリ性の湖、一部のアルカリ性環境、さらには一部の中性環境でも分離できます。絶対好アルカリ性微生物は pH 11 ～ 12 で増殖できますが、中性 pH では増殖できません。例えば、バチルス・パスツリアヌスやバチルス・アルカリフィルスなどの細菌がこれに該当します。

pH 11.4 でよく生育する高 pH アルカリ性温泉から黄色の細菌が分離されました。

ライム湖の富栄養水域では、多くのシアノバクテリアも好アルカリ性であり、最適な成長 pH は 9 ～ 10 です。ある種の藻類は pH 13 の強アルカリ条件下でも成長することができ、これはこれまでに発見された中で最もアルカリ耐性が高い微生物です。

近年では光合成が可能な好アルカリ性細菌も発見されています。好アルカリ性細菌は、発酵産業において多くの酵素製剤の生産者として使用することができます。例えば、好アルカリ性バチルスによって生成されるエラスターゼはエラスチンに作用するのに適しており、このタンパク質を切断する活性は高 pH 条件下で大幅に向上します。

好アルカリ性細菌によって生産されるプロテアーゼは、アルカリ条件下で高い触媒活性と強力な熱安定性の利点があり、洗剤の添加剤としてよく使用されます。

また、好アルカリ性バチルス菌が生産するキシラナーゼはキシランを加水分解してキシロースやオリゴ糖を生成するため、人造繊維廃棄物の処理に利用することができるほか、アルカリ性β-マンナナーゼがマンナンを分解して生成するオリゴ糖は健康食品の添加物として利用できる。

好塩菌

好塩菌は、塩田、塩湖、漬物、そして世界的に有名な死海によく見られます。好塩性細菌は、塩分濃度が 15% ～ 20% の環境で増殖することができ、中には 32% の塩水でも増殖できる細菌もあります。

高度好塩菌には、古細菌に属する Halobacterium や Halococcus が含まれます。ハロバクテリウム細胞には赤い色素が含まれているため、塩湖や死海で大量に増殖すると、その環境が赤く見えるようになります。

一部の好塩性細菌は細胞内に紫色の膜を持っており、その中にバクテリオロドプシンと呼ばれるタンパク質が含まれており、太陽光からエネルギーを吸収します。

好塩菌は食品の腐敗や食中毒を引き起こす可能性があります。腸炎ビブリオは広く分布する海洋細菌であり、食中毒を引き起こす主な細菌の 1 つです。魚介類、漬物、ローストガチョウなどを汚染して病気を引き起こします。

しかし、好塩菌は実際には多くの分野で貢献しています。好塩菌は、細胞外多糖類、ポリヒドロキシ酪酸（PHB）、食用タンパク質、調味料、健康食品強化剤、酵素保護剤、コンピューターメモリなどの生産に使用できます。また、海水淡水化、塩性アルカリ土地変換と利用、エネルギー開発にも使用できます。

バロフィール

深海や深部の油井にも好圧性微生物が分布しています。彼らが生息する環境の圧力は1000気圧以上ですが、通常の圧力では生き残ることができません。かつて、フィリピン付近の太平洋の深さ10,897メートルの海底から好圧細菌が分離されたことがある。

高温や嫌気性増殖に耐性のある好圧菌は、油井内のガス圧を高め、原油の粘度を下げ、回収率を向上させるために使用できると期待されています。

信じられないですよね？草も生えない不毛の地には、実は肉眼では見えない微生物が生息しているのです。