土壌・地下水における微生物の分布

第5章 地中における微生物と物質変換
土壌・地下水における微生物の分布
Distribution of Microorganisms in Soil and Groundwater
• 分布： ほとんどいたるところに見られ、環境因子に応じて種お
よびその多様性は変化する
– pH, 含水率、土壌構造、栄養供給性
• Bacteriaの個体数:
– 107-1010 CFU (colony-forming units)/g dry surface soil
– 106-107 CFU/g dry sub-surface soil
• 菌濃度、種の多様性、活性：
– 土壌の粘土含有率、低pH，重金属濃度と負の相関、
– 砂含有率、水分含有率と正の相関
1
進化による生物の分類
原核生物
真核生物
単細胞生物
真正細菌
多細胞生物
古細菌
微生物(単細胞生物）
Karyo: nucleus (Greek)
Pro: prior or before
Eu : true or good
procaryotes: nucleus is not surrounded by membrane
eucaryotes: well-defined nucleus with nuclear membrane
バクテリアの基本構造
Cell Structure
•
細胞壁 (wall)
•
– 構造の保持、有毒物質や抗生物質の排
除機能
– グラム染色：陰性・陽性
よう膜 (capsule)
– 水分（ ９０％以上）と細胞外多量体
（EPS）、細胞の増殖周期により厚さが
かわる
• 繊毛 region)
(pili)
核領域 (nuclear
–
長さ10
µm以下
–
核酸
DNA
(deoxyribonucleic
acid、長さ
細胞膜 (membrane)
9 order）がある
1000 µm,
– 分子量10
土壌粒子等に固着するときに機能
• – 細胞質
(cytoplasma)
リン脂質とタンパクからなる、厚さ7-8
nm、浸透圧バリア
– 生命の存続に必要な酵素や構造の生成のた
– 小器官を相互に結びつけるマトリクスとしての
–形状：球菌(coccus)、短かん菌(bacillus)など
特異分子の輸送機能
めの情報をもつ
• 鞭毛 (flagella)
役割
–サイズ：長さ1-2µm、太さ0.5-1
電子伝達系、ＡＴＰの合成
µm
– 長さ15-20 µm
– 水溶性タンパク、低分子物質
– 運動性に寄与
•
•
2
バクテリアの化学組成
Chemical Composition of Cells
• 水分 ９０％
• 主要元素：C, O,N, H, P, S 基本構造成分
– 単一バクテリア細胞の炭素含有量 1 x 10-13 g
• 微量元素：metals (Fe, Mn, Co, Zn, Cu) 補
酵素
細菌の基本構造
Cell Structure
• サイズ 通常長さ1-2µm、太さ0.5-1 µm
• 細胞壁 (wall)
• 核領域 (nuclear region)
– 核酸 DNA (deoxyribonucleic acid、長
さ1000 µm, 分子量109 order）がある
– 生命の存続に必要な酵素や構造の生成
•
のための情報をもつ
• 細胞質 (cytoplasma)
– 小器官を相互に結びつけるマトリクスとし
ての役割
•
– 水溶性タンパク、低分子物質
• 細胞膜 (membrane)
– リン脂質とタンパクからなる、厚さ7-8 nm、
•
浸透圧バリア
– 特異分子の輸送機能（能動輸送）
– 電子伝達系、ＡＴＰの合成
– ＤＮＡの複製
– 構造の保持、有毒物質や抗生物質
の排除機能
– グラム染色：陰性・陽性
よう膜 (capsule)
– 水分（ ９０％以上）と細胞外多量体
（EPS）、細胞の増殖周期により厚
さがかわる
繊毛 (pili)
– 長さ10 µm以下
– 土壌粒子等に固着するときに機能
鞭毛 (flagella)
– 長さ15-20 µm
– 運動性に寄与
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細菌の増殖
Bacterial Growth
対数増殖期
誘導期
死滅期
定常期
対数増殖期の増殖曲線と比増殖速度
Growth Curve and Specific Growth Rate in Exponential Growth
dN
= kN
dt
t
dN
=
∫N 0 N ∫0 kdt
N
ln(
N
) = kt
N0
N = N 0 e kt
N: 菌濃度(cells/mL)
N0: 初期菌濃度(cells/mL)
t: 時間
k: 比例定数、比増殖速度(h-1)
N = 2N 0 のとき
ln 2 = kt d , k =
ln 2
td
td: doubling time （倍加時間）
または generation time （世代時間）
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微生物増殖や生分解性に影響を及ぼす要因
Factors Influencing Growth and Biodegradation
• 栄養（基質）供給性： 制限基質の概念
Growth rate
• pH：
– 大部分の微生物はpH6~8が最適、その他好酸性、好塩基性菌もあり
• 温度：
– 大部分の菌は25 ~ 35℃が最適、-5 ~ +100℃の範囲で生育可能
• 水分：
– 栄養塩の輸送
• 光：
– 光合成細菌、紫外線によるDNA損傷
• 圧力（静水圧）：
– 1気圧から数気圧まで生育可能
• 浸透圧（溶質濃度）：
– 内部浸透圧を外部浸透圧よりも高く維持
pH
• 酸素：好気性菌、嫌気性菌
微生物増殖と生分解のモデリング
Modeling Growth and Biodegradation
• 制限基質濃度が細菌の増殖速度の律速条件となる場合
（ pH, 温度、水分等の条件が最適）
rg =
dX  μmaxC
=
dt  K S + C
ここでKS =Cのとき、 μ =

X

rg μmax
=
2
X
となり、 KSは最大比増殖速度の半分
を与える基質濃度を意味する
rg: 増殖速度(mg/L day)
C: 制限基質濃度(mg/L)
µmax::最大比増殖速度(day-1)
Ks: 飽和定数(mg/L)
X:
細菌重量濃度(mg/L)
µ
µmax
μmax
2
KS
C
5
バクテリアによる汚染物質の生分解速度の記述
Substrate Disappearance
汚染物質の生分解速度が、汚染物質濃度と微生物量によって決まる場合を数式化
dB μmaxC
B
=
dt K S + C
dC
= -Y
dt
Y =−
B - B0
C - C0
バクテリア重量濃度(mg/g-soil)
µmax: 最大比増殖速度(day-1)
KS: 飽和定数(mg/L)
C: 汚染物質（基質）濃度（mg/L)
Y: 基質利用量に対する菌生成量(-)
B:
B0: 初期バクテリア重量濃度(mg/g-soil)
C0: 初期汚染物質（基質）濃度（mg/L)
dC
B μmaxC
=−
dt
Y K S +C
μ C[B0 +Y(C0 - C)]
= − max
Y
K S +C
dC
μ C[B0 +Y(C0 - C)]
= − max
dt
Y
K S +C
B = constant, C >> K S
dC
μ
= − max Β0
dt
Y
B = constant
dC
μ BC
= − max 0
dt
Y(K S + C)
B = constant, K S >> C
dC
μ BC
= − max 0
dt
YK S
C = C0 −
K S ln
μmax
Β0t
Y
Zero-order model
B
C
+ C − C0 = − 0 μmaxt
Y
C0
Monod model
 μmax B0 
t 
 YK S 
C = C0 exp  −
First-order model
6

μmax
1 B +YC0 −YC
KS
CB0
t = ln 0
ln
−
Y
Y
B0
B0 +YC0  C0 (B0 +YC0 −YC)



微生物による代謝
Metabolism in Microorganisms
代謝(metabolism)：
細胞内で行われる化学変換により、新しい細胞をつくるこ
とで、つぎの二つのプロセスに分かれる
同化(anabolism):
細胞物質を合成するときにエネルギーを必要とする過程
生合成(biosynthesis)ともいう
異化(catabolism):
物質を酸化するときにエネルギーを放出する過程
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エネルギー源と炭素源による微生物の分類
Classification of microorganisms by energy sources and carbon sources
分類
炭素源
炭素源
独立栄養細菌
従属栄養細菌
エネルギー源
CO2
有機炭素
エネルギー源
化学合成細菌
光合成細菌
化学物質
光
炭素源・エネルギー源
化学独立栄養細菌
光独立栄養細菌
化学従属栄養細菌
光従属栄養細菌
CO2
CO2
有機炭素
有機炭素
化学物質
光
化学物質
光
自由エネルギー
Free Energy
aA + bB = cC + dD
[C] c [D] d
ΔG =ΔG + RTln
[A] a [B] b
0
ΔG : 与えられた条件での自 由エネルギー変化
ΔG 0 : 標準状態における反応 の自由エネルギー変化
R : 気体定数(1.99cal / moleK)
T : 絶対温度(K )
Exergonic 発熱反応
ΔG < 0のとき反応は自発的に 右へ進み自由エネルギ ーが放出される
ΔG > 0のとき反応は自発的に 右へ進まない
Endergonic 吸熱反応
全体として、同化(anabolism)はendergonic、異化(catabolism)はexergonic
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aA + bB = cC + dD
ΔG 0 = cG f 0 (C ) + dG f 0 (D ) − aG f 0 (A ) − bG f 0 (B )
ΔG 0 : 標準状態における反応の自由エネルギー変化
G f 0 (i ) : 標準状態におけるiの生成自由エネルギー
メタン１モルと酸素２ モルを密閉した反応容 器に入れたとする。
以下の反応は自発的に 右へ進むか。
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
ΔG 0 = 1(-394.4) + 2(−237.17) − 1(-50.75) − 2(0)
= −817.99( kJ / mole) < 0
ΔG =ΔG 0 + RTlnK
平衡状態ではΔG = 0
 - ∆G 0
K = exp 
 RT

817.99
 = exp
= exp(330.7) >> 1
(0.0083)(298)

反応は自発的に右へ進む
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微生物による有機物の代謝
Metabolism of organic materials by microorganisms
発酵 (Fermentation)
外部に電子受容体がなく、有機化合物が電子供与体および電子受容体とし
て使われる酸化還元反応で、この過程でATP(adenosine triphosphate, 高
エネルギーリン化合物)が合成される
呼吸 (Respiration)
外部に電子受容体があり、有機化合物が電子供与体として働く酸化還元反
応で、 ATP合成効率は発酵より高い
好気的呼吸 (aerobic respiration)
– 酸素が外部電子受容体の場合：
– 酸素以外の化学種が外部電子受容体の場合： 嫌気的呼吸 (anaerobic respiration)
(NO3-, NO2-, SO42-, CO2, Fe3+ etc)
酸化還元反応
Oxidation-Reduction Reactions
酸化還元電位 E0 (V) が電子の供与しやすさ、受容しやすさをあらわす
たとえば、H2Oの生成反応では、
•
Acceptor pair
•
Donor pair
電子受容体
1
O 2 + 2 H + + 2e − → H 2 O
2
H 2 → 2 H + + 2e −
E0 = 0.814 V
E0 = -0.421 V
電子供与体
•
Combined
1
O 2 + H 2 → H 2O
2
∆E0 = E0 acceptor –E0 donor
Nernst equation
∆G0 = -nF∆E0
= 0.814-(-0.421)
=1.24 (V)
n: 授受にあずかる電子数
F: Faraday 定数 96,630 J/V
E0 acceptor > E0 donor でなければ、酸化還元反応は起きない
H2Oの生成反応では、∆G0 = -2(96630)(1.24) = -239.6kJ <0
Electron Tower
右へ進む
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微生物によるグルコース（C6H12O6）の代謝について、好気的呼吸によって得ら
れるエネルギーは？
(Oxidant = electron acceptor)/(Reductant = electron donor)
二対の酸化還元系”O2/H2O”と”CO2/C6H12O6”の半反応は、
Electron acceptor
6O 2 + 24H + + 24e − → 12H 2 O
+
C 6 H12 O 6 + 6H 2 O → 6CO 2 + 24H + 24e
−
E0 = 0.82(V)
E0 = −0.43(V)
Electron donor
これらを組み合わせてグルコースの酸化反応は、
C 6 H12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
この反応の生成自由エネルギー変化は
ΔG 0 = −nF∆E 0
= −( 24)(96.63)(1.25)
= −2899(kJ / mole)
ΔE0 = 0.82 − (−0.43)
= 1.25(V)
n: 授受にあずかる電子の数
F: Faraday定数
グルコースの代謝によりエネルギーが放出
されることがわかる
グルコースは炭素源であると同時にエネルギー源でもある
解糖系（EMP pathway）
C 6 H12 O 6 → 2C 2 H 5OH + 2CO 2
有機物の代謝 （発酵）
NAD (nicotinamide-adenine dinucleotide)
NADH: good electron donor
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微生物によるグルコース（C6H12O6）の発酵で得られるエネルギーは？
呼吸で得られるエネルギーと比較してどちらが大きいか。
C 6 H12 O 6 → 2CO 2 + 2C 2 H 5OH
この反応の生成自由エネルギーは
ΔG 0 = 2(−394.4) + 2(−181.75) − (−917.22)
= −235.08kJ / mole
この値は呼吸で得られるエネルギー(∆G0 =-2899 kJ/mole) と比較して、かなり
小さい
微生物にとっては、呼吸による完全酸化により得られるエネルギーのほうが、発酵
により得られるエネルギーより有利である
有機物の代謝 （好気的呼吸）
好気性従属栄養細菌
(Aerobic-Heterotrophic Bacteria)
C 6 H12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O
有機物の代謝 （嫌気的呼吸）
脱窒菌 (Nitrate-Reducing Bacteria)
−
−
3NO3 + CH 3OH → 3NO 2 + CO 2 + 2H 2 O
硫酸還元菌 (Sulfate-Reducing Bacteria)
2−
SO 4 + 2CH 2 O → H 2S + 2HCO3
−
−
HCO3 + H + → CO 2 + H 2 O
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無機物の代謝（化学独立栄養細菌の場合）
水素細菌 (Hydrogen Bacteria)
6H 2 + 2O 2 + CO 2 → CH 2 O + 5H 2 O
硫黄細菌 (Sulfur Bacteria)
2−
H 2S + 2O 2 → SO 4 + 2H +
2−
S + H 2O + 3 / 2O 2 → SO 4 + 2H +
2−
2−
S2 O 3 + H 2 O + 2O 2 → 2SO 4 + 2H +
無機物の代謝（光独立栄養細菌の場合）
緑色硫黄細菌
(Green-Purple Bacteria)
6CO 2 + 12H 2S → C 6 H12 O 6 + 6H 2 O + 12S
共代謝
cometabolism
微生物がある有機物を分解するとき、それを増殖のための基質やエネルギー源とし
て使っていない場合の代謝（非増殖基質の付随的代謝）
酵素の基質特異性が厳密でなく類似基質に作用することによる
たとえば、dioxin, TCE, PCBsの微生物分解は共代謝により可能
濃度
基質濃度
濃度
菌数
<生育による代謝>
基質濃度
菌数
時間
時間
<共代謝>
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物質循環における微生物の役割
無機的環境
化学的要素：栄養源、水、二酸化炭素、
酸素、pHなど
物理的要素：温度、圧力、放射線など
生態系
生物群集
生産者 (producer)
・・・ 植物
消費者 (consumer)
・・・ 動物
分解者 (decomposer) ・・・ 微生物
生産者： 光合成により無機物から炭化水素、脂質、たんぱく質を合成する
消費者： 無機物から直接有機物を合成できない、
生産者が合成した有機物を栄養源として生育する
分解者： 生産者が合成した有機物に依存したり、動植物の遺骸・排泄物・老廃物
などの有機物を分解し無機化する
微生物による炭素と酸素の循環
The Carbon and Oxygen Cycle by Microorganisms
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窒素の循環
The Nitrogen Cycle
Nitrosomonas属
Nitrobacter属
イオウの循環
The Sulfur Cycle
Dimethyl sulfide (DMS)
海洋性植物プランクトン
Desulfovibrio属
Thiobacillus属
Thiobacillus属
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リンの循環
The Phosphorous Cycle
リン
生命維持にとって重要
ＡＴＰ
PO43-のまま循環
(酸化も還元もしない）
鉄の循環
The Iron Cycle
Fe(II) –bearing minerals
好気的
Thiobacillus sp.
Gallionella sp.
Leptothrix sp.
嫌気的
析出
溶解
FeS, FeS2, clay
Fe2+
酸化
pH<4.5 微生物的
pH>4.5 化学的
微生物的還元
Geobactor sp.
Fe3+
析出
溶解
Fe(III)-bearing minerals
FeOOH, Fe(OH)3, jarosite, etc
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マンガンの循環
The Manganese Cycle
MnCO3, MnSO4
Mn(II)-bearing minerals
好気的
Leptothrix sp.
Fungi
嫌気的
析出
溶解
Mn2+
酸化
pH<9 微生物的
pH>9 化学的
微生物的還元
Geobactor sp.
Mn3+, Mn4+
析出
溶解
Mn(III, IV)-bearing minerals
MnOOH, MnO2, etc
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