JP2001103960A - 嫌気的環境における細菌の電気培養方法 - Google Patents
嫌気的環境における細菌の電気培養方法Info
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- C12M35/02—Electrical or electromagnetic means, e.g. for electroporation or for cell fusion
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Abstract
(57)【要約】
【課題】従来好気的環境下で培養されていた細菌を嫌気
的環境下、単純な組成の培地を用いる電気培養により増
殖させる方法の提供。 【解決手段】チオバチラス属、シュードモナス属および
エセリチア属からなる群から選択される細菌（チオバチ
ラス・フェロオキシダンス，緑膿菌，大腸菌等）を水素
（Ｈ2 ）および第二鉄イオン（Ｆｅ3+）を含有する培地
中、炭酸ガス（ＣＯ2 ）を炭素源として嫌気的環境にお
いて培養すること、および該培養により生じる第一鉄イ
オン（Ｆｅ2+）を電気化学的に第二鉄イオン（Ｆｅ3+）
に再生する（好ましくは培地の定電位電解により）こと
からなる嫌気的環境における細菌の電気培養方法（該方
法により図中ａが示す通り１０10ｃｅｌｌｓ／ｍｌまで
増殖し、ｂの電気をかけない嫌気的培養に比べ１０倍の
増殖が認められる）。
的環境下、単純な組成の培地を用いる電気培養により増
殖させる方法の提供。 【解決手段】チオバチラス属、シュードモナス属および
エセリチア属からなる群から選択される細菌（チオバチ
ラス・フェロオキシダンス，緑膿菌，大腸菌等）を水素
（Ｈ2 ）および第二鉄イオン（Ｆｅ3+）を含有する培地
中、炭酸ガス（ＣＯ2 ）を炭素源として嫌気的環境にお
いて培養すること、および該培養により生じる第一鉄イ
オン（Ｆｅ2+）を電気化学的に第二鉄イオン（Ｆｅ3+）
に再生する（好ましくは培地の定電位電解により）こと
からなる嫌気的環境における細菌の電気培養方法（該方
法により図中ａが示す通り１０10ｃｅｌｌｓ／ｍｌまで
増殖し、ｂの電気をかけない嫌気的培養に比べ１０倍の
増殖が認められる）。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は嫌気的環境における
細菌の電気培養方法に関し、より詳しくは細菌の嫌気的
呼吸に用いられる電子受容体を電気化学的に再生するこ
とにより、嫌気的環境で細菌を高濃度まで高いエネルギ
ー効率で増殖させる方法に関するものである。
細菌の電気培養方法に関し、より詳しくは細菌の嫌気的
呼吸に用いられる電子受容体を電気化学的に再生するこ
とにより、嫌気的環境で細菌を高濃度まで高いエネルギ
ー効率で増殖させる方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】植物由来の有機物や石油などの化石資源
を原料とした物質生産は、食品、医薬品およびプラスチ
ックなどの化成品の生産など、人間の生活に係わる多く
の産業に貢献している。しかし、将来における化石資源
の枯渇や食糧不足問題などから、このような有機物にで
きるだけ依存しない新しい物質生産システムの開発が今
後必要であると考えられている。原料に有機物を使わな
い物質生産として、二酸化炭素を原料にした新しい物質
生産システムが提案されているが、この場合、光や電
気、熱などをエネルギー源にした合成方法が検討されて
いる。しかしながら、現在の技術では、アルコールや有
機酸などの構造が単純な物質しか合成できていない。ま
た、光合成微生物を利用した高付加価値物質の生産につ
いても検討されているが、一般に光利用効率が低いとい
う問題が指摘されている。一方、生体内では有機物の化
学エネルギーや太陽光の光エネルギーを電子の流れ（電
流）として利用し、生命活動を行っている。従って、電
気エネルギーを微生物の増殖エネルギーとして供給でき
れば、エネルギー効率の高い物質生産系が構築できると
期待される。このような観点から、電気培養と呼ばれ
る、電気エネルギーを微生物に供給することによるエネ
ルギー効率の高い微生物培養法およびその物質生産系へ
の適用について様々研究されてきた。鉄酸化細菌は、石
炭脱硫や金、ウランなどの稀少金属の回収（バクテリア
リーチング）に使用される有用な微生物である。本発明
者はこの鉄酸化細菌を包含する化学独立栄養細菌を電気
培養により好気的環境下、高い増殖速度で、高濃度まで
培養する方法を開発し、先に出願した（特開平１０−１
９１９６５号公報）。なお、この鉄酸化細菌はその名が
示すように第一鉄イオン（Ｆｅ2+）を第二鉄イオン（Ｆ
ｅ3+）に酸化する際の電子（ｅ- ）をエネルギーとして
利用して生育するというのが一般的な認識だった。ま
た、大腸菌は遺伝子組換え実験の際の宿主として代表的
な細菌である。しかし、大腸菌など多くの細菌はその増
殖に肉汁培地など比較的複雑で高価な培地組成を必要と
する。そこで、大腸菌など有用な細菌の、より単純な培
養系に対する要望がある。
を原料とした物質生産は、食品、医薬品およびプラスチ
ックなどの化成品の生産など、人間の生活に係わる多く
の産業に貢献している。しかし、将来における化石資源
の枯渇や食糧不足問題などから、このような有機物にで
きるだけ依存しない新しい物質生産システムの開発が今
後必要であると考えられている。原料に有機物を使わな
い物質生産として、二酸化炭素を原料にした新しい物質
生産システムが提案されているが、この場合、光や電
気、熱などをエネルギー源にした合成方法が検討されて
いる。しかしながら、現在の技術では、アルコールや有
機酸などの構造が単純な物質しか合成できていない。ま
た、光合成微生物を利用した高付加価値物質の生産につ
いても検討されているが、一般に光利用効率が低いとい
う問題が指摘されている。一方、生体内では有機物の化
学エネルギーや太陽光の光エネルギーを電子の流れ（電
流）として利用し、生命活動を行っている。従って、電
気エネルギーを微生物の増殖エネルギーとして供給でき
れば、エネルギー効率の高い物質生産系が構築できると
期待される。このような観点から、電気培養と呼ばれ
る、電気エネルギーを微生物に供給することによるエネ
ルギー効率の高い微生物培養法およびその物質生産系へ
の適用について様々研究されてきた。鉄酸化細菌は、石
炭脱硫や金、ウランなどの稀少金属の回収（バクテリア
リーチング）に使用される有用な微生物である。本発明
者はこの鉄酸化細菌を包含する化学独立栄養細菌を電気
培養により好気的環境下、高い増殖速度で、高濃度まで
培養する方法を開発し、先に出願した（特開平１０−１
９１９６５号公報）。なお、この鉄酸化細菌はその名が
示すように第一鉄イオン（Ｆｅ2+）を第二鉄イオン（Ｆ
ｅ3+）に酸化する際の電子（ｅ- ）をエネルギーとして
利用して生育するというのが一般的な認識だった。ま
た、大腸菌は遺伝子組換え実験の際の宿主として代表的
な細菌である。しかし、大腸菌など多くの細菌はその増
殖に肉汁培地など比較的複雑で高価な培地組成を必要と
する。そこで、大腸菌など有用な細菌の、より単純な培
養系に対する要望がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、これまで好
気的環境下で通常培養されてきた鉄酸化細菌や大腸菌な
どの細菌を嫌気的環境下、単純な組成の培地を用いる電
気培養により、高いエネルギー効率で高濃度まで該細菌
を増殖させる方法、すなわち従来提案されたことのない
培養系を提供することを課題としてなされたものであ
る。
気的環境下で通常培養されてきた鉄酸化細菌や大腸菌な
どの細菌を嫌気的環境下、単純な組成の培地を用いる電
気培養により、高いエネルギー効率で高濃度まで該細菌
を増殖させる方法、すなわち従来提案されたことのない
培養系を提供することを課題としてなされたものであ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明者は、嫌気的環境
下で増殖可能な細菌に対し、増殖の過程で変化したエネ
ルギー源の化学種を電気化学的に再生することにより、
増殖促進が生じることを見出し、さらに鋭意検討を重
ね、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、チオバ
チラス属、シュードモナス属およびエセリチア属からな
る群から選択される細菌を水素（Ｈ2 ）および第二鉄イ
オン（Ｆｅ3+）を含有する培地中で嫌気的環境において
培養すること、および該培養により生じる第一鉄イオン
（Ｆｅ2+）を電気化学的に第二鉄イオン（Ｆｅ3+）に再
生することを特徴とする嫌気的環境における細菌の電気
培養方法に関する。
下で増殖可能な細菌に対し、増殖の過程で変化したエネ
ルギー源の化学種を電気化学的に再生することにより、
増殖促進が生じることを見出し、さらに鋭意検討を重
ね、本発明を完成させた。すなわち、本発明は、チオバ
チラス属、シュードモナス属およびエセリチア属からな
る群から選択される細菌を水素（Ｈ2 ）および第二鉄イ
オン（Ｆｅ3+）を含有する培地中で嫌気的環境において
培養すること、および該培養により生じる第一鉄イオン
（Ｆｅ2+）を電気化学的に第二鉄イオン（Ｆｅ3+）に再
生することを特徴とする嫌気的環境における細菌の電気
培養方法に関する。
【０００５】本発明における細菌は上記したようにチオ
バチラス属(Thiobacillus)、シュードモナス属(Pseudom
onas) およびエセリチア属(Escherichia) からなる群か
ら選択され、それらに属し、嫌気的環境で増殖可能であ
れば、特に限定されない。チオバチラス属のものとし
て、例えば鉄酸化細菌の一種チオバチラス・フェロオキ
シダンス(Thiobacillus ferrooxidans) など、シュード
モナス属のものとして、例えばシュードモナス・アウレ
ギノーサ(Pseudomonas aeruginosa,緑膿菌）など、そし
てエセリチア属のものとして、例えば大腸菌(Escherich
ia coli)などが挙げられる。
バチラス属(Thiobacillus)、シュードモナス属(Pseudom
onas) およびエセリチア属(Escherichia) からなる群か
ら選択され、それらに属し、嫌気的環境で増殖可能であ
れば、特に限定されない。チオバチラス属のものとし
て、例えば鉄酸化細菌の一種チオバチラス・フェロオキ
シダンス(Thiobacillus ferrooxidans) など、シュード
モナス属のものとして、例えばシュードモナス・アウレ
ギノーサ(Pseudomonas aeruginosa,緑膿菌）など、そし
てエセリチア属のものとして、例えば大腸菌(Escherich
ia coli)などが挙げられる。
【０００６】上記細菌の増殖のために本発明においては
Ｈ2 およびＦｅ3+を含有する培地が使用される。嫌気的
環境での電気培養において上記細菌によりＨ2 は電子供
与体として、そしてＦｅ3+は電子受容体として利用され
る。なお、Ｆｅ3+は、細菌の至適ｐＨと鉄塩の解離との
関係などから、チオバチラス・フェロオキシダンスに対
して硫酸第二鉄、シュードモナス・アウレギノーサや大
腸菌に対してはクエン酸第二鉄の形態で培地に添加され
るのが好ましい。細菌の増殖の過程でＨ2 はＨ+ に、そ
してＦｅ3+はＦｅ2+にそれぞれ変化する。本発明の電気
培養方法では、この増殖の際に生じたＦｅ2+を電気化学
的に酸化してＦｅ3+に再生することにより、細菌が再び
利用可能としている。これにより、細菌の増殖促進を図
るものである。ここで、電子供与体（Ｈ2 ）から生じた
Ｈ + をも再生することは、より効果的な増殖促進を可能
とし、好ましい。従って、本発明は、チオバチラス属、
シュードモナス属およびエセリチア属からなる群から選
択される細菌を水素（Ｈ2 ）および第二鉄イオン（Ｆｅ
3+）を含有する培地中で嫌気的環境において培養するこ
と、および該培養により生じる水素イオン（Ｈ+ ）およ
び第一鉄イオン（Ｆｅ2+）を電気化学的にそれぞれ水素
（Ｈ2 ）および第二鉄イオン（Ｆｅ3+）に再生すること
を特徴とする嫌気的環境における細菌の電気培養方法に
関する。
Ｈ2 およびＦｅ3+を含有する培地が使用される。嫌気的
環境での電気培養において上記細菌によりＨ2 は電子供
与体として、そしてＦｅ3+は電子受容体として利用され
る。なお、Ｆｅ3+は、細菌の至適ｐＨと鉄塩の解離との
関係などから、チオバチラス・フェロオキシダンスに対
して硫酸第二鉄、シュードモナス・アウレギノーサや大
腸菌に対してはクエン酸第二鉄の形態で培地に添加され
るのが好ましい。細菌の増殖の過程でＨ2 はＨ+ に、そ
してＦｅ3+はＦｅ2+にそれぞれ変化する。本発明の電気
培養方法では、この増殖の際に生じたＦｅ2+を電気化学
的に酸化してＦｅ3+に再生することにより、細菌が再び
利用可能としている。これにより、細菌の増殖促進を図
るものである。ここで、電子供与体（Ｈ2 ）から生じた
Ｈ + をも再生することは、より効果的な増殖促進を可能
とし、好ましい。従って、本発明は、チオバチラス属、
シュードモナス属およびエセリチア属からなる群から選
択される細菌を水素（Ｈ2 ）および第二鉄イオン（Ｆｅ
3+）を含有する培地中で嫌気的環境において培養するこ
と、および該培養により生じる水素イオン（Ｈ+ ）およ
び第一鉄イオン（Ｆｅ2+）を電気化学的にそれぞれ水素
（Ｈ2 ）および第二鉄イオン（Ｆｅ3+）に再生すること
を特徴とする嫌気的環境における細菌の電気培養方法に
関する。
【０００７】本発明において使用される培地は、上記の
電子供与体（Ｈ2 ）および電子受容体（Ｆｅ3+）、さら
には増殖に必要な炭素源、例えば二酸化炭素（ＣＯ2 ）
などを含有していれば、その他の成分は特に制限され
ず、培養する細菌の増殖に必要であり、かつ上記電子供
与体・電子受容体の酸化・還元を阻害するなどの悪影響
を与えないものであれば、含有し得ることはいうまでも
ない。なお、上記培地は、培地中の電子供与体・電子受
容体の自由な移動が妨げられないならば、固体と液体の
混合状態でも、固体状のものであってもよいが、培地の
製造性や使用性などの点から液体であることが好まし
い。ここで、Ｈ2 やＣＯ2 は気体であるので通常は培地
調製後、培養時に添加される。
電子供与体（Ｈ2 ）および電子受容体（Ｆｅ3+）、さら
には増殖に必要な炭素源、例えば二酸化炭素（ＣＯ2 ）
などを含有していれば、その他の成分は特に制限され
ず、培養する細菌の増殖に必要であり、かつ上記電子供
与体・電子受容体の酸化・還元を阻害するなどの悪影響
を与えないものであれば、含有し得ることはいうまでも
ない。なお、上記培地は、培地中の電子供与体・電子受
容体の自由な移動が妨げられないならば、固体と液体の
混合状態でも、固体状のものであってもよいが、培地の
製造性や使用性などの点から液体であることが好まし
い。ここで、Ｈ2 やＣＯ2 は気体であるので通常は培地
調製後、培養時に添加される。
【０００８】また、本発明における細菌培養時の培地
は、培養により生じるＦｅ2+を電気化学的にＦｅ3+に再
生（酸化）すること、好ましくは、Ｆｅ2+およびＨ+ を
それぞれＦｅ3+およびＨ2 に電気化学的に再生すること
が必要である。この際、還元された電子受容体（Ｆ
ｅ2+）および酸化された電子供与体（Ｈ+ ）を細菌が利
用し得る元の電子受容体（Ｆｅ3+）および電子供与体
（Ｈ2 ）に再生する反応のみ実質的に起こる一定の電位
を印加し培地を電解する、すなわち定電位電解を行うこ
とが、エネルギー効率の点から好ましい。通常、電位の
制御は、培地中に作用極、対極および参照極を配置し、
作用極に特定の電位を印加して行われる。このとき、電
子供与体の再酸化を防止するために、作用極と対極とは
イオン交換膜で隔てて配置することが好ましい。また、
上記各電極、特に作用極の材質などは培養する細菌に応
じて、所望の電子移動が行われ得るように選択されるこ
とが好ましい。印加される電位、好ましくは定電位は、
使用する電極、およびそれぞれの細菌などに応じて容易
に決定し得る。例えばチオバチラス属の細菌チオバチラ
ス・フェロオキシダンスの場合、通常１．０〜−１．０
Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌの範囲から選択され得る。
は、培養により生じるＦｅ2+を電気化学的にＦｅ3+に再
生（酸化）すること、好ましくは、Ｆｅ2+およびＨ+ を
それぞれＦｅ3+およびＨ2 に電気化学的に再生すること
が必要である。この際、還元された電子受容体（Ｆ
ｅ2+）および酸化された電子供与体（Ｈ+ ）を細菌が利
用し得る元の電子受容体（Ｆｅ3+）および電子供与体
（Ｈ2 ）に再生する反応のみ実質的に起こる一定の電位
を印加し培地を電解する、すなわち定電位電解を行うこ
とが、エネルギー効率の点から好ましい。通常、電位の
制御は、培地中に作用極、対極および参照極を配置し、
作用極に特定の電位を印加して行われる。このとき、電
子供与体の再酸化を防止するために、作用極と対極とは
イオン交換膜で隔てて配置することが好ましい。また、
上記各電極、特に作用極の材質などは培養する細菌に応
じて、所望の電子移動が行われ得るように選択されるこ
とが好ましい。印加される電位、好ましくは定電位は、
使用する電極、およびそれぞれの細菌などに応じて容易
に決定し得る。例えばチオバチラス属の細菌チオバチラ
ス・フェロオキシダンスの場合、通常１．０〜−１．０
Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌの範囲から選択され得る。
【０００９】また、本発明に係る培養は、上記のような
培地中、好ましくは定電位電解を行いながら、適当なｐ
Ｈおよび温度の下、好ましくは上記細菌の至適条件下、
一般の嫌気的細菌の培養と同様に行われ得る。また、上
記の条件を満足するものであれば、培養は回分式で行っ
ても、連続式で行ってもよい。なお、上記したように本
発明は特定の細菌の嫌気的環境における電気培養法を提
供するものであるが、本明細書に提示した手法を不特定
の細菌に適用することにより、未知の嫌気性微生物を発
見することが可能であろう。
培地中、好ましくは定電位電解を行いながら、適当なｐ
Ｈおよび温度の下、好ましくは上記細菌の至適条件下、
一般の嫌気的細菌の培養と同様に行われ得る。また、上
記の条件を満足するものであれば、培養は回分式で行っ
ても、連続式で行ってもよい。なお、上記したように本
発明は特定の細菌の嫌気的環境における電気培養法を提
供するものであるが、本明細書に提示した手法を不特定
の細菌に適用することにより、未知の嫌気性微生物を発
見することが可能であろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の嫌気的環境における細菌
の電気培養方法を細菌としてチオバチラス・フェロオキ
シダンスを例にとり図１を参照して説明する。培養槽１
の内部はイオン交換膜２により２室に分けられ、その一
方の室３に陽極５、他方の室４に陰極６を配置し、陽極
側の室（陽極槽）３にはチオバチラス・フェロオキシダ
ンスＢと培地（硫酸第二鉄などを含有）７、陰極側の室
（陰極槽）４には電解液（鉄成分を含まない上記培地）
８をそれぞれ入れる。陽極槽３の下部に設置した気泡発
生器９から培地中にＨ2 とＣＯ2 が供給される。培養の
際の温度は約３０℃、ｐＨは約２．０に保持される。両
電極５，６を連絡している電源１０により定電位電解条
件で印加を行うことにより、細菌の増殖により生じたＦ
ｅ2+およびＨ+ はそれぞれＦｅ3+（陽極）およびＨ
2 （陰極）に再生される。このような条件で培養を７日
間継続することにより、１０10ｃｅｌｌｓ／ｍｌとい
う、電気をかけない培養では決して得ることのできなか
った高濃度まで上記細菌を増殖させることができる。
の電気培養方法を細菌としてチオバチラス・フェロオキ
シダンスを例にとり図１を参照して説明する。培養槽１
の内部はイオン交換膜２により２室に分けられ、その一
方の室３に陽極５、他方の室４に陰極６を配置し、陽極
側の室（陽極槽）３にはチオバチラス・フェロオキシダ
ンスＢと培地（硫酸第二鉄などを含有）７、陰極側の室
（陰極槽）４には電解液（鉄成分を含まない上記培地）
８をそれぞれ入れる。陽極槽３の下部に設置した気泡発
生器９から培地中にＨ2 とＣＯ2 が供給される。培養の
際の温度は約３０℃、ｐＨは約２．０に保持される。両
電極５，６を連絡している電源１０により定電位電解条
件で印加を行うことにより、細菌の増殖により生じたＦ
ｅ2+およびＨ+ はそれぞれＦｅ3+（陽極）およびＨ
2 （陰極）に再生される。このような条件で培養を７日
間継続することにより、１０10ｃｅｌｌｓ／ｍｌとい
う、電気をかけない培養では決して得ることのできなか
った高濃度まで上記細菌を増殖させることができる。
【００１１】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明するが、
これらは本発明をより詳細に説明するためのものであ
り、限定するためのものではない。細菌として鉄酸化細
菌チオバチラス・フェロオキシダンス(Thiobacillus fe
rrooxidans) ＪＣＭ７８１１株を用いた。培養には、図
２に示す二槽式の電気培養装置を用いた。該装置は、内
部がイオン交換膜（一価陽イオン交換膜，商品名Ｋ１９
２，旭化成製）２により２室に分けられた培養槽１の一
方の室（陽極槽）３に陽極５と参照電極１１、他方の室
（陰極槽）４に陰極６が配置され、陽極槽３には上記細
菌と下の表１に示す組成からなる培地７、陰極槽４には
電解液（鉄成分を含まない上記培地）８をそれぞれ入れ
る。なお、上記電極は陽極５および陰極６は共に炭素繊
維（１００ｍｍ×５０ｍｍ，商品名カーボロン，日本カ
ーボン製）であり、参照電極１１は銀・塩化銀電極（Ａ
ｇ／ＡｇＣｌ，商品名１１−２０２０，ＢＡＳ製）であ
り、陽極槽３、陰極槽４の容量は共に１００ｍｌであ
る。上記培養槽１は嫌気度を保持するために加圧容器１
４に収納されており、該加圧容器１４には混合ガス発生
器９からＨ2 ：ＣＯ2 ＝８：２の混合ガスが通路ａを介
して、ガス圧が２気圧となるように導入されることによ
り、培地７に細菌のための電子供給体および炭素源が供
給される。加圧容器１４は攪拌器１３上に載置されてい
るが、該攪拌器１３は陽極側の室７中に投入された攪拌
子１２を回転させることにより、培地７を攪拌する。攪
拌器１３および加圧容器１４はさらに恒温器１５に収納
され、細菌を３０℃の恒温で培養することを可能にして
いる。また、培地７のｐＨは２．０に保持される。陽極
５、陰極６および参照電極１１は全て電位制御装置１０
に連結されており、０．７５Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ
の電解条件での定電位電解が行われる。上記のように、
すなわち温度３０℃、ｐＨ２．０で、Ｈ2 ：ＣＯ2 ＝
８：２の混合ガスを供給し、電位制御方式による電解を
行いながら、鉄酸化細菌（チオバチラス・フェロオキシ
ダンスＪＣＭ７８１１株）の嫌気的電気培養を７日間実
施し、電気をかけない場合の増殖結果と比較した。
これらは本発明をより詳細に説明するためのものであ
り、限定するためのものではない。細菌として鉄酸化細
菌チオバチラス・フェロオキシダンス(Thiobacillus fe
rrooxidans) ＪＣＭ７８１１株を用いた。培養には、図
２に示す二槽式の電気培養装置を用いた。該装置は、内
部がイオン交換膜（一価陽イオン交換膜，商品名Ｋ１９
２，旭化成製）２により２室に分けられた培養槽１の一
方の室（陽極槽）３に陽極５と参照電極１１、他方の室
（陰極槽）４に陰極６が配置され、陽極槽３には上記細
菌と下の表１に示す組成からなる培地７、陰極槽４には
電解液（鉄成分を含まない上記培地）８をそれぞれ入れ
る。なお、上記電極は陽極５および陰極６は共に炭素繊
維（１００ｍｍ×５０ｍｍ，商品名カーボロン，日本カ
ーボン製）であり、参照電極１１は銀・塩化銀電極（Ａ
ｇ／ＡｇＣｌ，商品名１１−２０２０，ＢＡＳ製）であ
り、陽極槽３、陰極槽４の容量は共に１００ｍｌであ
る。上記培養槽１は嫌気度を保持するために加圧容器１
４に収納されており、該加圧容器１４には混合ガス発生
器９からＨ2 ：ＣＯ2 ＝８：２の混合ガスが通路ａを介
して、ガス圧が２気圧となるように導入されることによ
り、培地７に細菌のための電子供給体および炭素源が供
給される。加圧容器１４は攪拌器１３上に載置されてい
るが、該攪拌器１３は陽極側の室７中に投入された攪拌
子１２を回転させることにより、培地７を攪拌する。攪
拌器１３および加圧容器１４はさらに恒温器１５に収納
され、細菌を３０℃の恒温で培養することを可能にして
いる。また、培地７のｐＨは２．０に保持される。陽極
５、陰極６および参照電極１１は全て電位制御装置１０
に連結されており、０．７５Ｖ ｖｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ
の電解条件での定電位電解が行われる。上記のように、
すなわち温度３０℃、ｐＨ２．０で、Ｈ2 ：ＣＯ2 ＝
８：２の混合ガスを供給し、電位制御方式による電解を
行いながら、鉄酸化細菌（チオバチラス・フェロオキシ
ダンスＪＣＭ７８１１株）の嫌気的電気培養を７日間実
施し、電気をかけない場合の増殖結果と比較した。
【００１２】 〔表１〕鉄酸化細菌の嫌気的培養に使用した培地の組成 ─────────────────────────────── 成分 配合量（ｍｇ／ｍｌ） ─────────────────────────────── Ｆｅ2 （ＳＯ4 ）3 ・ｘＨ2 Ｏ ２５００ （ＮＨ4 ）2 ＳＯ4 １３３ Ｋ2 ＨＰＯ4 ４１ ＭｇＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ ４９０ ＣａＣｌ2 ・２Ｈ2 Ｏ ９．０ ＫＣｌ ５２ ＺｎＳＯ4 ・７Ｈ2 Ｏ １．０ ＣｕＳＯ4 ・５Ｈ2 Ｏ ２．０ ＭｎＳＯ4 ・Ｈ2 Ｏ １．０ ＮａＭｏＯ4 ・２Ｈ2 Ｏ ０．５ ＣｏＣｌ2 ・６Ｈ2 Ｏ ０．５ Ｎａ2 ＳｅＯ4 ・１０Ｈ2 Ｏ １．０ ＮｉＣｌ2 ・６Ｈ2 Ｏ １．０ ─────────────────────────────── ｐＨ＝２．０（６規定のＨ2 ＳＯ4 で調整） ───────────────────────────────
【００１３】図３に、嫌気的電気培養によるチオバチラ
ス・フェロオキシダンスＪＣＭ７８１１株の増殖結果を
示す。本発明の電気培養により、同菌株の電気をかけな
い場合の嫌気的培養に比べ、約１０倍の増殖が確認され
た。すなわち、本発明の方法に従う電気培養（図中，
ａ）により１０10ｃｅｌｌｓ／ｍｌまで菌濃度が上昇し
たのに対し、電気をかけない培養（図中，ｂ）では１０
9 ｃｅｌｌｓ／ｍｌまでしか菌濃度は上昇しなかった。
これは、電気化学的な反応により、嫌気的環境において
鉄酸化細菌が必要とするＦｅ3+を供給し続けたことによ
るものである。また、上記の方法では、さらに増殖の過
程で生じたＨ+ を還元してＨ2 に再生していることによ
り、Ｈ2 の供給が少なくても、増殖の促進がより効果的
に保持されている。また、チオバチラス・フェロオキシ
ダンスのＪＣＭ７８１１株以外の菌株、例えばＩＦＯ１
４２４２株、ＩＦＯ１４２６２株およびＪＣＭ３８６５
株などでも、具体的データは示さないが、同様の増殖促
進効果が観察された。なお、上にはチオバチラス属の鉄
酸化細菌の菌株の例を示したが、シュードモナス属およ
びエセリチア属の菌株の場合も上記の方法と同様に行う
ことができるが、ただしＦｅ3+供給源として硫酸第二鉄
の代わりにクエン酸第二鉄を使用するなど、使用する細
菌に適応した条件を選択することは必要である。なお、
このような条件の選択は当該分野の当業者には容易であ
る。
ス・フェロオキシダンスＪＣＭ７８１１株の増殖結果を
示す。本発明の電気培養により、同菌株の電気をかけな
い場合の嫌気的培養に比べ、約１０倍の増殖が確認され
た。すなわち、本発明の方法に従う電気培養（図中，
ａ）により１０10ｃｅｌｌｓ／ｍｌまで菌濃度が上昇し
たのに対し、電気をかけない培養（図中，ｂ）では１０
9 ｃｅｌｌｓ／ｍｌまでしか菌濃度は上昇しなかった。
これは、電気化学的な反応により、嫌気的環境において
鉄酸化細菌が必要とするＦｅ3+を供給し続けたことによ
るものである。また、上記の方法では、さらに増殖の過
程で生じたＨ+ を還元してＨ2 に再生していることによ
り、Ｈ2 の供給が少なくても、増殖の促進がより効果的
に保持されている。また、チオバチラス・フェロオキシ
ダンスのＪＣＭ７８１１株以外の菌株、例えばＩＦＯ１
４２４２株、ＩＦＯ１４２６２株およびＪＣＭ３８６５
株などでも、具体的データは示さないが、同様の増殖促
進効果が観察された。なお、上にはチオバチラス属の鉄
酸化細菌の菌株の例を示したが、シュードモナス属およ
びエセリチア属の菌株の場合も上記の方法と同様に行う
ことができるが、ただしＦｅ3+供給源として硫酸第二鉄
の代わりにクエン酸第二鉄を使用するなど、使用する細
菌に適応した条件を選択することは必要である。なお、
このような条件の選択は当該分野の当業者には容易であ
る。
【００１４】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の嫌
気的環境における細菌の電気培養方法は、高いエネルギ
ー効率で高濃度まで該細菌を増殖させることを可能とし
たものである。嫌気的環境において電気培養を実施した
報告はこれまでなされたことがない。また、本発明の方
法は好気的環境下で通常培養されてきた細菌の嫌気的環
境下での電気培養を可能としたものであるので、種々の
細菌の嫌気的環境における未知の特徴を把握する手段を
提供するものである。さらに、本発明の方法は、種々の
細菌による物質生産や細菌自身の使用の可能性を拡大す
るものである。例えば鉄酸化細菌の場合、菌体自身が石
炭脱硫や稀少金属回収に有用であることから、本方法に
よれば、高いエネルギー効率で大量に低コストで該菌体
を提供することができる。また、緑膿菌の場合、該菌へ
の感染症の治療に有効なワクチンや血清の製造に使用さ
れる外毒素を効率よく大量に製造することができる。さ
らに、大腸菌の場合、本発明の方法を適用することによ
り、単純な培地組成を用いて培養可能であるので、該菌
を使用する遺伝子組換えの実験系をより簡易化すること
ができる。また、本発明の電気培養法において、細菌の
増殖により生じた化学種（Ｆｅ2+やＨ+ ）の再生を培地
の定電位電解により行うことにより、電気培養における
エネルギー効率をより向上させることができる。
気的環境における細菌の電気培養方法は、高いエネルギ
ー効率で高濃度まで該細菌を増殖させることを可能とし
たものである。嫌気的環境において電気培養を実施した
報告はこれまでなされたことがない。また、本発明の方
法は好気的環境下で通常培養されてきた細菌の嫌気的環
境下での電気培養を可能としたものであるので、種々の
細菌の嫌気的環境における未知の特徴を把握する手段を
提供するものである。さらに、本発明の方法は、種々の
細菌による物質生産や細菌自身の使用の可能性を拡大す
るものである。例えば鉄酸化細菌の場合、菌体自身が石
炭脱硫や稀少金属回収に有用であることから、本方法に
よれば、高いエネルギー効率で大量に低コストで該菌体
を提供することができる。また、緑膿菌の場合、該菌へ
の感染症の治療に有効なワクチンや血清の製造に使用さ
れる外毒素を効率よく大量に製造することができる。さ
らに、大腸菌の場合、本発明の方法を適用することによ
り、単純な培地組成を用いて培養可能であるので、該菌
を使用する遺伝子組換えの実験系をより簡易化すること
ができる。また、本発明の電気培養法において、細菌の
増殖により生じた化学種（Ｆｅ2+やＨ+ ）の再生を培地
の定電位電解により行うことにより、電気培養における
エネルギー効率をより向上させることができる。
【図１】本発明の嫌気的電気培養の原理を概略的に示す
図面である。
図面である。
【図２】本発明の実施例で使用する嫌気的電気培養装置
を模式的に示す図面である。
を模式的に示す図面である。
【図３】本発明の実施例において得られた嫌気的電気培
養の結果を示すグラフである。
養の結果を示すグラフである。
１ 培養槽 ２ イオン交換膜 ３ 陽極槽 ４ 陰極槽 ５ 陽極 ６ 陰極 ７ 培地 ９ 混合気体発生器 １０ 電位制御装置 １１ 参照電極
Claims (3)
- 【請求項１】 チオバチラス属、シュードモナス属およ
びエセリチア属からなる群から選択される細菌を水素
（Ｈ2 ）および第二鉄イオン（Ｆｅ3+）を含有する培地
中で嫌気的環境において培養すること、および該培養に
より生じる第一鉄イオン（Ｆｅ2+）を電気化学的に第二
鉄イオン（Ｆｅ3+）に再生することを特徴とする嫌気的
環境における細菌の電気培養方法。 - 【請求項２】 チオバチラス属、シュードモナス属およ
びエセリチア属からなる群から選択される細菌を水素
（Ｈ2 ）および第二鉄イオン（Ｆｅ3+）を含有する培地
中で嫌気的環境において培養すること、および該培養に
より生じる水素イオン（Ｈ+ ）および第一鉄イオン（Ｆ
ｅ2+）を電気化学的にそれぞれ水素（Ｈ 2 ）および第二
鉄イオン（Ｆｅ3+）に再生することを特徴とする嫌気的
環境における細菌の電気培養方法。 - 【請求項３】 培養により生じた化学種の電気化学的な
再生が培地の定電位電解により行われる請求項１または
２記載の嫌気的環境における細菌の電気培養方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28668399A JP3777534B2 (ja) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | 嫌気的環境における細菌の電気培養方法 |
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| JP28668399A JP3777534B2 (ja) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | 嫌気的環境における細菌の電気培養方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP2001103960A true JP2001103960A (ja) | 2001-04-17 |
| JP3777534B2 JP3777534B2 (ja) | 2006-05-24 |
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ID=17707628
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| JP28668399A Expired - Fee Related JP3777534B2 (ja) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | 嫌気的環境における細菌の電気培養方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007089580A (ja) * | 2005-09-05 | 2007-04-12 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 光合成微生物の培養方法および培養装置 |
| JP2008125487A (ja) * | 2006-11-24 | 2008-06-05 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 電気培養装置 |
| JP2009065940A (ja) * | 2007-09-14 | 2009-04-02 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 微生物の培養方法及び微生物の培養装置 |
| WO2010068994A1 (en) * | 2008-12-18 | 2010-06-24 | The University Of Queensland | Process for the production of chemicals |
| JP2012060992A (ja) * | 2010-08-20 | 2012-03-29 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 微生物を利用したアルコール生産方法及び装置 |
| CN107352649A (zh) * | 2017-08-02 | 2017-11-17 | 南京大学 | 一种新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法 |
| CN116064231A (zh) * | 2023-03-06 | 2023-05-05 | 哈尔滨葵花药业有限公司 | 一种双歧杆菌培养设备 |
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|---|---|---|---|---|
| CN103146568B (zh) * | 2013-03-19 | 2014-07-02 | 哈尔滨工业大学 | 暗-光发酵一体式生物制氢装置 |
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1999
- 1999-10-07 JP JP28668399A patent/JP3777534B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| WO2010068994A1 (en) * | 2008-12-18 | 2010-06-24 | The University Of Queensland | Process for the production of chemicals |
| CN102282295A (zh) * | 2008-12-18 | 2011-12-14 | 昆士兰大学 | 用于产生化学品的方法 |
| JP2012060992A (ja) * | 2010-08-20 | 2012-03-29 | Central Res Inst Of Electric Power Ind | 微生物を利用したアルコール生産方法及び装置 |
| CN107352649A (zh) * | 2017-08-02 | 2017-11-17 | 南京大学 | 一种新型集成式生物膜反应器及其处理污水的方法 |
| CN107352649B (zh) * | 2017-08-02 | 2020-09-08 | 南京大学 | 一种集成式生物膜反应器及其处理污水的方法 |
| CN116064231A (zh) * | 2023-03-06 | 2023-05-05 | 哈尔滨葵花药业有限公司 | 一种双歧杆菌培养设备 |
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