偶然発見された謎の古細菌は古い油田を「復活」させることができる

メタン生成菌は、嫌気性条件下でメタンを特定の代謝産物として使用する細菌の一種です。代謝産物はメタンと二酸化炭素です。

人類はメタン生成菌を古くから知っていた

メタンを生成できる微生物はメタン生成菌と呼ばれます。これらの生物は原核生物の中でも古細菌に属します。これらは嫌気性細菌であり、成長と増殖が非常に遅く、培養と分離が困難です。メタン生成菌は酸素が全く存在しない環境でのみ存在します。電子受容体として炭素含有化合物のみを使用すると、メタン生成と発酵のみが起こります。メタン生成により、有機廃棄物はメタン（バイオガス）と呼ばれる有用で無色でわずかに酸味のある可燃性ガスに変換されます。メタン生成は人間や動物の腸内でも起こります。

メタン生成菌は非常に古く、おそらく地球上で最も古い生命形態の 1 つです。地球の初期の状態では、特殊な環境によりメタン生成菌が誕生しました。酸素を必要とせず、炭酸塩やギ酸塩などの単純な物質を使って容易に呼吸し、生命を維持することができます。彼らは生命体、つまり細胞を持ち、自然に繁殖し始めます。彼らはすべての生き物の祖先です。

古細菌 - 地球上の生命の「祖先」

今日、地球はもはやかつての姿ではありませんが、メタン生成菌は依然としてその性質を保持しており、嫌気性のままです。現在、メタン生成菌には雑草、わら、葉、水筒の残り物、動物の糞尿、さらにはゴミなど、メタン生成菌にとって最適な「食料」源が幅広く存在します。水生植物が密集している沼地や池の底は、一般的に酸素が極度に不足しています。メタン細菌はここで隠れて餌を食べながら同時に吐き出すことが多く、これをバイオガス泡と呼びます。

メタン細菌は非常にゆっくりと成長し、人工培養条件下ではコロニーが成長するまでに10日以上、場合によっては数十日もかかります。一部のメタン細菌は、コロニーを形成するまでに 70 ～ 80 日間培養する必要があり、自然条件下ではさらに長い期間培養する必要があります。コロニーもかなり小さく、特にメタノサルキナのコロニーはさらに小さく、注意深く見ないと見逃してしまうこともあります。コロニーは一般に丸く、透明で、端がきれいで、蛍光顕微鏡下では強い蛍光を発します。

メタン細菌の成長が遅い理由は、利用できる物質が非常に少なく、二酸化炭素、水素、ギ酸、酢酸、メチルアミンなどの非常に単純な物質しか利用できないからです。これらの単純な物質は、複雑な有機物を分解した後、他の発酵細菌によってメタン細菌に提供される必要があります。そのため、メタン細菌は他の細菌が大量に増殖するまで成長を待たなければなりません。同時に、メタン細菌の生成時間は長いです。一部の細菌は 20 分で世代を再生できますが、メタン細菌は世代を再生するのに数日、場合によっては数十日もかかります。

メタン細菌は酸素が存在すると生存できません。彼らは、湿地の土壌、動物の消化管、水中の堆積物など、完全に酸素が欠乏した環境でのみ生存できます。メタンの生成は、地下深部、深海の熱水噴出孔、石油貯蔵庫など、酸素も腐敗した有機物も存在しない場所でも発生する可能性があります。

メタン生成細菌はバイオガス発酵における究極のメタン生成菌であり、バイオガス発酵における重要な細菌の 1 つです。この細菌群の活性と、バイオガス発酵に関与する他の細菌との相乗関係が、バイオガス発酵が正常かどうかの鍵となります。

古い油田の「復活」への最後の仕上げ

20世紀末の早い時期に、ドイツの科学者たちは、石油炭化水素が嫌気性微生物によって分解され、メタンに変換できることを、国際的に有名な科学誌「ネイチャー」で初めて報告しました。しかし、この生分解プロセスは従来のバイオガス発酵に似ており、共生代謝によって完了するには複数の異なるタイプの細菌と古細菌が必要です。

2008年、カナダの科学者たちはネイチャー誌で、このような混合細菌群が石油貯留層にも存在し、原油を分解してメタンを生成すると報告した。

かつては、メタン生成古細菌は酢酸発酵、二酸化炭素還元、メチル分解、酸素-メチル変換という 4 つの経路を通じてのみメタンを生成できると考えられていました。利用できる基質は非常に単純で、主に 1 炭素または 2 炭素の化合物です。

これまでに多くの石油抽出技術が実用化されているが、従来の原油抽出技術では、地下貯留層内の原油をすべて抽出することは難しく、依然として原油の半分以上が抽出できていない。科学者たちは、石油貯留層環境で生存できる嫌気性微生物が人類の助けになるかもしれないと考えている。バイオガス発酵の原理を利用して液体原油をガス状メタンに分解し、石油とガスの共採掘を実現することは、科学者が研究に取り組んでいる道です。

我が国農業農村部バイオガス科学研究所エネルギー微生物学イノベーションチーム（以下、バイオガス科学研究所）は、深セン大学、ドイツのマックス・プランク海洋微生物学研究所、中国石油化工（シノペック）微生物油回収重点実験室などの機関と協力し、油層から新しいタイプのメタン生成古細菌を発見しました。嫌気条件下で原油中の長鎖アルキル炭化水素を直接酸化してメタンを生成することができます。これは、メタン生成古細菌は単純な化合物を使用してのみ成長できるという従来の認識を打ち破り、メタン生成古細菌の炭素代謝機能に関する理解を深めます。

この研究により、炭素循環の生物地球化学的プロセスが改善され、枯渇した油層内の残留原油のバイオガス化と利用、つまり「地下バイオガス工学」の科学的基礎が築かれました。

好気性微生物は、地球上で最も数が多く、最も種の豊富な生物資源です。しかし、技術的な理由により、これまでに分離・特定された嫌気性微生物種は0.1％未満であり、そのほとんどは依然として「微生物の暗黒物質」に属しています。科学者たちはそれらが存在することは知っているが、それがどのような存在であるかは知らない。

我が国のバイオガス研究所は嫌気性微生物に関する基礎研究と応用研究に取り組んでいます。過去数十年にわたり、同国最大の嫌気性微生物モデル種のコレクション（約600種、世界には2,000種以上）を保存してきました。同社は我が国のバイオガス工学基準の主な策定者であり、一連の代表的な家庭用および大規模・中規模バイオガスプロジェクトを開発、設計、構築してきました。これにより、石油系炭化水素を直接分解できる微生物を発見するための科学的研究基盤が築かれ、古い油田の「復活」への基盤も築かれた。

偶然発見された謎の古細菌

メタン生成古細菌は、酸素に敏感で、通常は空気に数分さらされると死滅する、嫌気性微生物の独特なクラスです。このユニークな生命は、35億年前にはすでに地球上に存在していたため、「古細菌」と呼ばれています。地球上で最も古い生命体の一つ、地球の大気中のメタン排出の主な原因、バイオガス発酵プロセスにおける重要な機能微生物など、多くの称号を持っています。

2019年、数十年にわたる予備作業を経て、我が国の生物多様性科学研究所の研究者らは、長鎖石油炭化水素からメタンを生成する培養物を手に入れました。 C13 から C34 までの長鎖アルカン、および 13 を超える側鎖アルカンを持つシクロヘキサンとシクロヘキシルベンゼンを直接分解できます。

ほぼ同時期に、外国の科学者らは、アルカンを直接分解してメタンを生成できる新たな古細菌が自然界に存在する可能性があるという考えを提唱したが、それを裏付ける証拠はなかった。中国の科学者が2019年に発見された培養物を再分析したところ、その痕跡が見つかり、その存在量は非常に多かった。しかし、この培養物には多くの種類の微生物が含まれており、複数の異なる次元からの証拠が必要です。

科学者たちはまず、安定炭素同位体標識実験を通じて、添加されたn-アルカンがほぼ完全にメタンと二酸化炭素に変換されたことを確認した。さらに微生物学的分析を行った結果、炭化水素の分解とメタン生成のための完全な代謝経路を持ち、メタン生成能力が非常に高く、完了するために共生代謝を必要としない新しいタイプの古細菌が発見されました。このタイプの古細菌は、複数の細菌と古細菌の協力を必要とする共生代謝における分解の「作業」を単独で完了します。そこで研究者らはメタン生成の第5の経路を提案した。

中国の微生物学者は、「第5のメタン生成経路の提案により、地球規模の炭素生物地球化学循環に関する理解が深まった」と信じている。これはまた、石油貯留層の条件下では、さまざまな機能を持つ未知の微生物が依然として豊富に存在することを示しています。これらの微生物の中には、さまざまな方法で原油を分解し、メタンや天然ガスに変換するものもあります。

多様な応用の可能性

従来の原油抽出技術では、主に化学物質や水圧を利用して原油を地下深くまで移動させます。物理的・化学的手法を用いた石油抽出技術では、原油の半分以上が地下の貯留層に残っており、抽出・利用が困難となっている。このメタン生成菌に関する研究成果を基に、地下の嫌気性微生物の働きを利用して液体原油をガス状のメタンに分解し、石油とガスの併産を実現し、最終的には比較的高い原油生産利用率を達成することが可能となる。また、油田の開発寿命を延ばし、古い油田を「復活」させることも期待されます。

この「0」から「1」への基礎研究知識は、人々が「地下バイオガス工学」を発展させるための理論的基礎を築きました。地下の石油を汲み出す必要はありません。代わりに、石油を直接ガスに変えてガスを取り出し、メタンを回収することができます。これは、数千メートルの深さの地下油田にバイオガス発酵槽を建設することに相当し、1平方キロメートル規模の巨大な「地下バイオガス発酵槽」を形成します。この成果を基に技術革新が進展すれば、枯渇した油層での石油・ガスの併産により石油・ガスの総生産量は数億トン増加し、我が国の海外エネルギー依存を軽減し、国家エネルギー安全保障を確保するための科学的裏付けとなる。

これは、原油の抽出、精製、加工という膨大な炭素排出プロセスを排除し、代わりに環境に優しく持続可能な生物学的変換プロセスを使用してクリーンなエネルギー源であるメタンを直接取得することで、炭素排出量を削減する、環境に優しい低炭素技術です。もちろん、これを完成させるには、国がトップレベルの設計を行い、国の優位性を統合し、科学者や工学技術者のさらなる研究と努力に頼る必要があります。この新しいタイプのメタン生成古細菌は、合成生物学の新たな基本細胞として機能し、より幅広い応用が期待されると考えられます。

著者: 王達瑞 (中国石油開発研究所)