金を飲み込む、解毒する、採掘する、微生物について話している

制作：中国科学普及協会

制作者：張暁東（広東工貿易職業技術学院）

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

「敦煌壁画」はなぜ消えてしまったのか？なぜ宇宙機器は微生物の侵入を恐れるのか？金属材料は地球の循環にどのように関わっているのでしょうか?金属と微生物の関係は何ですか?

金属は破壊不可能に思えますが、小さな微生物はどうやってそれを征服するのでしょうか?今日は、微生物と金属の愛憎関係について学びましょう。

集まるのが好きな微生物

金属元素は自然環境や人間の社会生産に広く分布しています。自然環境において、金属は一般に岩石圏、土壌圏等においては金属鉱物の形で存在し、海洋、湖沼等の水環境においては金属イオンの形で存在するのが一般的である。岩石圏であろうと海水であろうと、微生物は金属を「収集」するという作業を完了することができ、決して飽きることはありません。微生物による金属の「収集」は、金属固定化、生物濃縮、または生物吸着としても知られています。

微生物が金属を「収集」する方法は多数ありますが、それらは細胞外吸着と錯体形成、細胞外沈殿、細胞内蓄積としてまとめることができます。

細胞外沈殿とは、細菌によって生成された特定の物質が溶液中の金属と化学反応を起こして不溶性の金属化合物を形成するプロセスを指します。たとえば、一部の細菌細胞の表面にあるホスファターゼはグリセロール-2-リン酸を切断し、沈殿物を生成します。可溶性金属一水素リン酸イオンは、スズ、鉛、ウランなどの重金属と反応して、水にわずかに溶ける、または水に溶けない沈殿物を形成し、金属イオンを保持します。

表面吸着とは、微生物の表面にある負に帯電した官能基が金属陽イオンを吸着するプロセスを指します。重金属廃水中の金属イオンは通常陽イオンであり、陰イオンと結合する機会を常に求めます。微生物の細胞壁の表面にある硫黄、リン酸、ヒドロキシル、カルボキシルなどの官能基の存在こそが、微生物の表面に「負電荷」を与えるのです。これらの官能基は金属イオンに配位電子対を提供し、図 1 に示すように、金属を細胞壁に吸着させることができます。さらに、微生物はイオン交換、表面錯体形成、その他の方法を通じて金属を「収集」することもできます。

図1 微生物が金属を「収集」する模式図

エンドサイトーシスとは、微生物細胞内での金属固定のプロセスを指します。物理的および化学的効果により、金属は細胞表面に吸着され、その後「収集された」金属は図 2 に示すように微生物に吸収されます。たとえば、枯草菌でキレート化された鉛の 8.5% は、細胞壁に物理的にカプセル化されています。

図2 細胞内凝集

(画像出典: Journal of Engineering Science)

微生物：人間の良き助っ人

1980 年代には、微生物を利用して金属鉱床を検出する新しい鉱物探査技術が報告されました。一時期、人々は微生物を使って「金の採掘」をすることに熱中し、微生物は素晴らしい「探鉱者」となりました。

微生物が人類の探査作業の完了を支援できる理由は、微生物によって重金属の毒性に対する感受性が異なるためです。特定の微生物は高濃度の金属に耐えることができるため、これらの微生物は金属含有量の高い領域で優先的に増殖します。この特定の微生物を検出することは、金属の堆積物を検出することと同等です。

微生物は単なる探鉱者ではなく、必要な金属を効率的に採掘できる真の「鉱夫」です。微生物は鉱物に対する自身の酸化還元特性を利用して鉱物中の金属を浸出液（固体鉱石を液体に変換し、金属を含む鉱石液を得て採掘を完了できる溶液）に溶解するか、微生物の代謝産物（クエン酸、シュウ酸、Fe3+など）を使用して鉱物を溶解します。また、鉱物に含まれる金属錯体を利用して鉱物を酸化・還元し、鉱物を溶解することで採掘の目的を達成することもできます。これが「壁画」が輝きを失う原因の一つです。

微生物は、金属の検出や鉱物の採掘に加えて、土壌内の重金属汚染を修復することもできます。

産業の発展は重金属による汚染を引き起こした。自然環境に排出された重金属は人間に害を及ぼすだけでなく、さまざまな微生物にも脅威を与えます。しかし、微生物は重金属元素の毒性を軽減することで「自分自身を救う」ことができます。

研究により、さまざまな土壌環境に生息する一部の微生物が一連の活動を通じて、As、Cr、Hg、Znなどの金属元素の原子価状態を変化させ、それらの毒性、溶解性、移動性などの特性に変化を引き起こすことが判明しています。たとえば、一部の好酸性細菌は、自身の代謝活動を通じて、毒性の強い六価クロム（発がん性物質の一種）を毒性が低く溶解性の低い三価クロムに変換し、その毒性を大幅に低減することができます。

微生物 - 産業にとって「大きな脅威」

『神易経』には、「南方に一匹の獣がいる。角と足は水牛ほどの大きさで、体形は漆のように黒く、鉄を食べ水を飲み、その糞は武器となり、その鋭さは鋼鉄のようで、鉄齧りと呼ばれている」とある。これは私の国の鉄食獣の記録です。自然界で「鉄を食べる」という重要な役割を担っているのは微生物や植物です。微生物と金属は互いに引き合うだけでなく、ある程度は敵対し合う関係にあるものもあります。

産業機器、航空宇宙機器、外洋船舶などは常に微生物の脅威にさらされています。一部の微生物の生命活動が間接的に金属腐食の電気化学プロセスに影響を与え、それによって金銭腐食のプロセスを悪化させ、鉄鋼製品を破壊するため、本質的には電気化学腐食です。

一般的な微生物性金属腐食細菌には、好気性鉄細菌、マンガン細菌、嫌気性硫酸還元細菌などがあります。そのうち、栄養鉄細菌は二価鉄の酸化からエネルギーを得て、二価鉄イオンを三価鉄イオンに変換し、水酸化鉄沈殿物を生成して錆スケールを形成し、腐食プロセスを継続的に悪化させ、最終的に鉄鋼製品を破壊する能力を持っています。

金属と微生物の関係は複雑かつ入り組んでおり、その作用メカニズムの多くはまだ改善の余地があります。しかし、人類は金属材料の分野、特に重金属汚染処理、土壌修復、鉱物探査、金属リサイクルなどの面で微生物の利用をやめたことはありません。