PET関連物質を酸素の無い環境で分解する微生物を発見~分解の鍵を握る新しい酵素を推定~

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2022-07-11 産業技術総合研究所

ポイント

  • 酸素の無い環境でPETのモノマーや原料である難分解性物質の微生物による分解に成功
  • 微生物による分解の仕組みを新規提案
  • 酸素の無い環境でのPET関連物質の分解に対する環境動態の理解へ貢献

概要図

PET関連物質の嫌気性分解に関する研究成果の概要

概要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下「産総研」という) 生物プロセス研究部門 微生物生態工学研究グループ 黒田 恭平 研究員、成廣 隆 研究グループ長、合成生物工学研究グループ Masaru K. Nobu 主任研究員らは、ペットボトルなどに用いられるポリエチレンテレフタレート(以下「PET」という)のモノマーであるテレフタル酸ビス(2-ヒドロキシエチル)(以下「BHET」という)やPET原料である難分解性物質テレフタル酸ジメチル(以下「DMT」という)の分解が酸素の無い環境(以下「嫌気性環境」という)で生じることを解明し、その浄化機構を微生物の培養とゲノム情報に基づき新規提案をしました。

環境中に排出されたプラスチック類は、物理化学的あるいは微生物による分解を受け、マイクロプラスチックやナノプラスチックなどに微細化されます。このようなプラスチックの分解過程ではさまざまな副産物を環境中へ流出させますが、地下圏や河川・湖沼・海洋の堆積物(底質)などの嫌気性環境での分解挙動はよく知られていません。

そこで産総研では、嫌気性環境を模擬して、BHETと分解機構が不明なDMTを分解する微生物を集積培養するとともに代謝産物の測定を行い、BHETとDMTの生分解が生じることを実証しました。加えて、ショットガンメタゲノム解析とタンパク質立体構造予測により、BHETとDMTの嫌気性分解を担う微生物由来の酵素の推定に成功しました。本研究の成果は、PET関連物質の環境での動態と微生物の新機能に関する学術的理解の両面に貢献します。なお本成果は、国際学術誌「Chemical Engineering Journal」オンライン版に2022年7月5日に掲載されました。

開発の社会的背景

PETはペットボトルなどに利用されるプラスチック材料の一つです。PETの市場規模は年々増加しており、今後も世界規模でPET製造は継続すると考えられます。PETは高純度テレフタル酸(以下「PTA」という)とDMTを主原料として製造されます。その製造工程で排出された環境負荷の高い有機性廃水は主に浄化処理と同時にメタンを製造する嫌気性生物学的廃水処理法により処理されています。PETを含むプラスチックは、紫外線や生物による分解などによりマイクロプラスチックやナノプラスチックに分解されるため、これらを摂取した水生・陸生動物の健康への影響が懸念されます。プラスチック分解に関する研究は、海洋表層などの酸素が存在する好気性環境を想定して行われていますが、酸素が無い嫌気性環境における分解機構については不明な点が多いです。プラスチック廃棄物の約8割が地中へ埋め立て処分されたりして自然環境中へ蓄積していること、深海底でマイクロプラスチックが高濃度で存在するホットスポットが見つかっていることなどから、嫌気性環境でのプラスチック類の分解挙動を把握するための基盤的な知見が求められています。しかし、嫌気性環境に生息するプラスチック分解微生物に関する情報はほとんど得られていません。

研究の経緯

産総研では、内閣府のバイオ戦略が目指す2030年のバイオエコノミー社会の実現に貢献するため、素材開発・高機能化・製造・分解性評価・廃水処理といった一連の研究を組み合わせた「循環型社会を目指した生物資源利用技術」の社会実装を目指しています。分解性評価・廃水処理を対象とする研究においては、分解が難しい有機性廃水処理の効率化やコスト削減を社会課題として位置付け、生物学的廃水処理の主役である微生物に着目し、廃水処理技術の高度化に役立つ微生物機能の発見を目指してきました。これまで、微生物機能を活用することで、ペットボトル原料製造過程における難分解性廃水の効率的な処理に成功しています(産総研プレス発表2022年5月13日、https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2022/pr20220513/pr20220513.html)。

本研究では、代表的なプラスチックの一つであるPETを対象とし、PETが嫌気性環境へ流出した際の環境動態を正確に評価することを最終的な目標としました。PETのモノマーであるBHETとPET原料であるDMTについて、嫌気性環境を模擬して、分解に関与する微生物の集積培養を行いました。また、1H NMRを用いた分解性評価とショットガンメタゲノム解析を用いた代謝機能評価に基づいて、嫌気性環境でBHETとDMTの生分解が起こることを明らかにし、その鍵となる微生物を特定しました。

なお、本研究の一部は、日本学術振興会の科学研究費助成事業 基盤研究(B)(一般)(JP18H01576、JP21H01471)の支援を受けて実施しました。

研究の内容

本研究では、まずペットボトル原料の製造廃水を効率的に処理するラボスケールリアクター(産総研プレス発表2022年5月13日)から汚泥と呼ばれる複合微生物試料を取り出して嫌気性環境を模擬した培養瓶に添加し、BHETまたはDMTを基質として加えて集積培養を行いました。1H NMRを用いてBHETとDMTの分解産物を評価したところ、BHETはモノヒドロキシエチルテレフタル酸(以下「MHET」という)とテレフタル酸(以下「TA」という)、DMTはテレフタル酸モノメチル(以下「MMT」という)とTAを生成することを確認しました(図1)。このことから、嫌気性環境においても、BHETとDMTが微生物による分解を受けることが明らかとなりました。さらに培養物内に添加したBHETおよびDMTの結晶周辺を顕微鏡により観察したところ、結晶に特異的に付着するスパイラル状の微生物を発見しました。これら微生物が分解に関与していることが示唆されました。

図1

図1 嫌気性培養で得られたBHETとDMTの分解産物と培養物の顕微鏡観察結果
原論文「Table 2」の数値データを基に作製

BHETおよびDMTの分解機構を解明するため、培養物に含まれる複合微生物群のショットガンメタゲノム解析を行いました。その結果、BHETとDMTを分解する可能性のある新しい酵素の存在を確認ました(図2)。これらの酵素はBHETとDMTをそれぞれMHETとMMTに分解し、さらにTAまで分解できると推定しました。これら全ての酵素は、スピロヘータ(Spirochaeota)門に属する微生物のゲノム上にコード化されています。

また、ファーミキューテス(Firmicutes)門に属する系統学的に新しい微生物が、BHETの分解過程で生じるエチレングリコールを酢酸まで分解する代謝経路を持つことが推定され、さらに、メタノール利用性のメタン生成アーキアが、DMTの分解過程で生じるメタノールからメタンを生成することも明らかとなりました(図2)。

図2

図2 本研究で推定した嫌気性条件下におけるBHETとDMTの分解経路と分解微生物

本研究では、嫌気性環境での分解挙動が不明であったBHETとDMTについて、その生分解性を明らかにし、その分解を担う微生物機能を推定しました。本研究の成果は、嫌気性生物による廃プラスチック類の除去技術の開発やプラスチック類で汚染された自然環境の浄化につながるものです。

将来的には石油由来の原料だけではなく、廃プラスチックや生物由来の原料を利用する新しいPET製造技術の開発、またPTAとDMTを同じ工場敷地内で生産するなどの集約型プラントの普及も予測されます。これらの過程で生じうる化学物質の生分解性を評価して分解メカニズムを明らかにすることは、環境保護の観点からも重要な取り組みです。本研究では、さまざまな環境を模擬して化学物質の生分解性を評価し、その分解に関与する微生物や酵素を推定しました。このような産業利用を目指す試みは、今後のバイオエコノミー社会の形成に向けて、より一層需要が高まることが予想されます。また、新たに提案したBHETおよびDMT分解経路とそれを触媒する微生物由来の酵素は、嫌気性微生物の合成化学物質の分解能力を理解する上での重要な発見です。

今後の予定

今後は、BHETやDMTだけなく、ポリマーであるPETそのものやその他のプラスチック類の嫌気性環境における分解性評価を実施することで、自然界に拡散したさまざまなプラスチックの動態を明らかにします。また、本研究で新規提案したBHETやDMTの分解酵素の利用可能性を評価するため、遺伝子発現や酵素発現を行うことで、分解機構のより詳細な解明に取り組んでいきます。さらに、これらの微生物学的情報に基づき、新しい処理プロセスを設計し、さまざまな廃プラスチック類を効率的に分解することができる環境調和型廃棄物処理プロセスを創出し、バイオエコノミー社会の形成に貢献します。

論文情報

掲載誌:Chemical Engineering Journal
論文タイトル:Elucidation of the biodegradation pathways of bis(2-hydroxyethyl) terephthalate and dimethyl terephthalate under anaerobic conditions revealed by enrichment culture and microbiome analysis
著者:Kyohei Kuroda*, Takashi Narihiro*, Yuki Nakaya, Taro Q.P. Noguchi, Ryota Maeda, Masaru K. Nobu, Yuki Ohnishi, Yasuhiro Kumaki, Tomoyasu Aizawa, Hisashi Satoh
*両著者はこの研究の共同責任著者

用語解説
モノマー
高分子(ポリマー)を構成する構造単位のこと。モノマーであるBHETが繰り返し連結されることでPETなどのポリマーが形成される。
集積培養
特定の基質や培地、生育条件を用いて培養を行うことで、目的の微生物を増殖させる培養方法。
ショットガンメタゲノム解析
環境中の複合微生物から抽出したDNAを断片化し、網羅的に解読することで、複合微生物の生態や機能を解析すること。
タンパク質立体構造予測
ゲノム上にコードされるアミノ酸配列データを基にして、コンピュータプログラムを用いてタンパク質の3次元構造を予測すること。
バイオ戦略
我が国におけるバイオエコノミーの推進に関する方針で、内閣府の統合イノベーション戦略推進会議により取りまとめられている『「2030年に世界最先端のバイオエコノミー社会を実現すること」を目標に、持続可能性、循環型社会、健康(ウェルネス)をキーワードに産業界、大学、自治体などの参画も得て推進しているイノベーション戦略(内閣府ウェブサイトより引用、(https://www8.cao.go.jp/cstp/bio/index.html、2022年6月10日)。』。
バイオエコノミー
バイオテクノロジーや再生可能な生物資源などを利活用し、持続的で、再生可能性のある循環型の経済社会を拡大させる概念を指す(内閣府ウェブサイトより引用、https://www8.cao.go.jp/cstp/bio/index.html、2022年6月10日)。経済協力開発機構(OECD)が2009年に発表した報告書「The Bioeconomy to 2030: designing a policy agenda」によりその概念が広まり、我が国におけるバイオ戦略の策定にもつながった。
1H NMR(プロトン-核磁気共鳴:Nuclear Magnetic Resonance)
水素原子核の置かれた環境によってさまざまなシグナルを検出することで、化学物質の構造解析や物質推定が可能となる分析手法のこと。
メタン生成アーキア
無酸素環境下において、水素、二酸化炭素、メタノール、酢酸などからメタンを生産可能な微生物。嫌気性環境下における有機物の無機化に必要不可欠な微生物である。
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