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「バイオマス・ニッポン」とキノコの遺伝子工学
本田, 与一
木材研究・資料 (2003), 39: 23-37
2003-12-20
http://hdl.handle.net/2433/51371
Right
Type
Textversion
Departmental Bulletin Paper
publisher
Kyoto University
総
説 (
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｢
バイオマス･ニッポン｣とキノコの遺伝子工学*
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(
平成 1
5年 8月31日受理)
1.はじめに
平成 1
4年 1
2月末､｢
バイオマス･ニッポン総合戦略｣が閣議決定された1)｡この戦略の目指すものは､
バイオマス資源をエネルギーや製品として総合的に､また最大限利活用することによって､持続的に発
展可能な社会｢
バイオマス･ニッポン｣をできる限り早期に実現することである｡再生可能なバイオマ
ス資源を循環型の新しい社会の基盤として活用していくという戦略は､既に米国では1
999年､時のクリ
ントン政権により発表された｢
バイオ製品およびバイオエネルギーの開発･普及に関する大統領令｣に
基づき､国家戦略として技術開発･実用化が進められている｡また､EUにおいても201
0年までに全体に
8.
5%) にまで高めることを決め､炭素税の導入やバイオマ
占めるバイオマスエネルギーの割合を 3倍 (
ス利活用-の補助制度等により､化石資源からの代替政策を進めている｡｢
バイオマス･ニッポン総合
戦略｣の閣議決定は､我が国においても､バイオマスの利用に根ざした持続可能な社会の構築を目指す
ことを､国家ビジョンとして明確に掲げた事を示すものである (
図 1)0
図1 ｢
バイオマス･ニッポン総合戦略｣で提案されたバイオマスの利用法
(
バイオマス･ニッポン参考資料 1)より抜粋)
平成 1
5年5月 1
6日) において講演した｡
*第 58回木研公開講演会 (
**木質バイオマス研究部門バイオマス変換分野
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実質ゼロ
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図 2 バイオマスの活用の具体例 (
バイオマス･ニッポン参考資料 1)より抜粋)
そもそもバイオマスとは､生物資源 (
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) を表す概念で､ここでは｢
再生可能な､生物
由来の有機性資源で化石資源をのぞいたもの｣と定義されている｡地球に降り注ぐ太陽エネルギーを
使って､生物の光合成によって､水と二酸化炭素 (
cO2
) から生成したバイオマスは､私たちのライフ
サイクルの中で､一
生命と太陽エネルギーがある限り持続的に再生可能な資源である｡これに対して､石
油に代表される化石資源は､元々は太古の生命が蓄積した有機物に由来すると考えられているが､私た
ちのライフサイクルの中で再生することは不可能であり､いずれは枯渇が予想される有限の資源である｡
さらに､昨今の地球温暖化問題を巡っても､京都議定書による温室効果ガス排出削減の具体的目標値が
設定される中で､循環使用により大気中の二酸化炭素を増やさないという｢
カーボンニュートラル｣の
図 2)｡｢
バイオマス･ニッポン総合戦略｣
特性からもバイオマスの積極的な利用拡大が望まれている2) (
の中では､またバイオマスを有効に利活用するための新たな戦略的産業の育成や､主な生産･利用に関
与することとなる農山漁村の活性化にも資することが盲
匝われている0
このように､様々な観点から利用拡大が望まれるバイオマス資源であるが､実際の利用にあたっては
未解決の技術的課題を克服し､実用化を進めていくことが急務となっている｡たとえば､自動車用ガソ
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0
8
年からバイオエタノール 1
0%混合 (
El°)-の切り替えを導入していく方針が
リンは環境省により2
発表されているが､この際使用されるエタノールとしては当面デンプンから発酵生産されるエタノール
を海外から輸入すること等で大半を賄うとされている｡しかしながら､量的にも大部分を占め､将来の
食糧問題との競合も少ないことからバイオマス資源の本命であるとされる木質系バイオマスの効果的な
変換利用技術は､未だ確立されていない｡木質バイオマスは､従来はパルプ等の比較的限られた用途で
用いられてきたが､その成分の変換利用を行うことでエタノールに限らず､プラスチックに代表される
化成品や飼料､機能性食品として利用することが可能である｡こうした点から､｢
バイオマス･ニッポ
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本田 :｢
バイオマス｡ニッポン｣とキノコの遺伝子工学
ン｣を実現するためには､木質バイオマスを効率よく､またェコフレンドリーな方法によって様々な有
用物質に変換利用していくための学問領域の発展が必要である3-8)0
2.バイオマス資源としての木材の利用
光合成によって生産される植物バイオマスは､毎年新たに2000億トン生産され､これは全世界の年間
ェネルギー総消費量の1
0倍にあたるといわれる7)｡このうち樹木が固定する木質バイオマスは､全体の
90-95% に上ることが知られている｡従って､一次資源として利用することを考えたとき､潜在量とし
ての木質バイオマスは十分量存在することが予想される｡一方で､木質バイオマスの持続的･効果的な
利用にあたっては､森林の持つ多面的な機能を活かし､天然林に代表される自然環境の保護に注意を払
いつつ利用を行うことは重要である｡また材料として､多段階かつロングライフ的に用いるためのシス
テムを開発することも必要である｡このような木材の生産･保全とカスケード型の利用を両立させたう
えで､その循環利用サイクルを有効に完結させるため､最終段階として変換利用を行うことも考えられ
る｡
一方､｢
バイオマス･ニッポン総合戦略｣の中で試算される国内で供給される利用可能なバイオマス
の量は､廃棄物系バイオマス､未利用バイオマス､将来栽培されることが予想される資源作物を併せて
炭素量として年間約3300万トンである(
図 3)｡これは国内で生産されるプラスチックに含まれる全炭素
3倍にあたる｡ところが､これをエネルギーとして利用する場合､原油に換算すると3500万kl
に過
量の3.
ぎない｡現在国内で使用されるエネルギーの総量は､原油に換算して約 6億kl
程度であるので､国内で
調達可能なバイオマスはその全てをエネルギーとして変換したとして､全体の 6%に満たないのである｡
しかしながら､地球温暖化問題の解決にあたっては､エネルギーとしてのバイオマスの利用は極めて重
要な意味を持つ｡
我が国のバイ
オマス賦存量
国内で生産さ
れるプラ
スチッ
クに含まれる
全炭素量の
約3.
3
倍
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千
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幕蛮表毎
喜
強運
《
具体的目標(
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年目途)》
◎技術的観点
エネルギー変換効率向上､
製造製品のコ対､目標等
◎地域的観点
バイオマスを一定割合以上
利活用する市町村を 500程度構築
◎全国的観点
･廃棄物系バイオマス :
炭素量換算で 80% 以上利活用
･未利用バイオマス :
炭素量換算で 25% 以上利活用
図3
｢
バイオマス･ニッポン｣の展開方向 (
バイオマス･ニッポン参考資料 1)より抜粋)
-
2
5
-
木材研究･資料
第39号 (
2003)
京都議定書を履行するためには我が国は､2008年から201
2年までの間に1
996年比で 6% の削減を行わ
なければならない｡エネルギー使用の節約や合理化といった対策のみではこの目標を達成することは不
可能である｡そこで､カーボンニュートラルなバイオマスエネルギーが期待される所以である｡政府が
掲げた｢
地球温暖化対策推進大綱｣によると､京都議定書を履行するために201
0年度までに運輸部門で
排出炭素量900万トンを削減するという目標は､ガソリンの 3割をバイオエタノール 1
0%混合 (
El
°) 切り替えることで達成が可能である｡さらに､全面的に切り替えが完了することにより､全体で3000万
トンの二酸化炭素削減になる｡国全体としての削減目標は 1億8
00万トンであるので､その約 3割近くが
達成されることになるのである2)0
3.木質バイオマスの生物変換
ところで木質バイオマスを化学物質として捉え､バイオェタノールや種々の化成品原料として利用し
て行くには､木材の構成成分を変換するプロセスが必要である (
図 4)｡一般に木材は､その大部分が
セルロース､- ミセルロースに代表される多糖類と､リグニンと呼ばれる難分解性の高分子芳香族ポリ
マーにより構成されている｡この中で化学物質として変換利用する際に問題になるのが､リグニンの存
在である｡リグニンはフェニルプロパノイド単位が複雑に重合した構造を持ち､樹木が生育する際や材
料として木材を利用する際に､微生物からの攻撃による劣化から､木材を守る働きをしているため｢
天
然の防腐剤｣とも呼ばれている｡しかし､木材をバイオマス資源として変換利用する際には､複雑で多
様な構造を含むリグニンが､単純なプロセスによる処理を難しいものにしているのである｡現在､リグ
ニンの除去･分解のための様々な方法が研究されており､それらの中には､物理的処理､化学的処理な
ど多様なアプローチが存在している4
)
｡著者らが属する研究グループでは､白色腐朽菌と呼ばれるキノ
図 4 木質バイオマスの変換によって作られる物質循環
1
26-
本田 :｢
バイオマス･ニッポン｣とキノコの遺伝子工学
コを利用した生物的変換によるプロセスの開発を行っている｡生物的な変換プロセスは､一般に常温常
圧下で進行するため､環境に対する負荷が小さく省エネルギー的である｡
構造の複雑さから生物による分解が困難なリグニンであるが､白色腐朽菌の仲間は進化の過程で木材
細胞壁中の高分子リグニンを分解するユニークなシステムを発達させてきたO 白色腐朽菌は､一般に菌
体外に分泌するラッカーゼやペルオキシダーゼ等の酸化酵素によって開始される連鎖的ラジカル反応に
よって､高分子リグニンの低分子化を促し､これによって生成する多様な芳香族有機化合物を分解･資
化する｢リグニン分解系｣を持つとされている9
,
1
0
)
｡このリグニン分解系を用いることで､木質バイオマ
スの変換における前処理を行い､多糖類成分の発酵ステップの変換効率を高めようというのが､バイオ
マスの生物変換である｡しかしながら､白色腐朽菌による前処理は一般に長時間を要し､またリグニン
と同時にセルロースなども分解を受けることが実用化に向けてのネックとなっている｡そのため､セル
ロースの分解を伴うことなくリグニンのみを効率的に分解することができる｢
選択的リグニン分解菌｣
としてスクリーニングされた白色腐朽菌 (
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ことや､それらの巧みなリグニン分解システムを化学的に模倣したり､遺伝子工学によって強化する方
法により､効率がよく実用に耐えうるステップの開発が進められている｡本稿では､これらの試みの中
で特に遺伝子工学によるアプローチについて取り上げる｡
4. キノコの遺伝子工学
生物の細胞の中に外部から遺伝子を導入することにより性質の変わった生物を作りだすことを､形
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) と呼ぶ｡また､形質転換によって作り出された個体は形質転換体と呼ばれる｡
質転換 (
一般に｢
遺伝子組換え体｣または｢
組換え作物｣と呼ばれるのは､このように形質転換操作によって人
為的に外来の遺伝子を導入された生物や農作物のことである9)｡これまでに様々なキノコにおいて形質
転換系の開発が報告されてきている (
表 1)｡形質転換の際には､一般に外部から遺伝子を取り込んだ
細胞だけを選り分けるための｢
マーカー遺伝子｣というものが必要となる｡キノコで利用されているマー
カー遺伝子は､栄養要求性マーカー遺伝子と薬剤耐性マーカー遺伝子に大別することができる｡栄養要
求性マーカー遺伝子は､特定の栄養素の添加が成長に必要な突然変異株が最小培地上で成育することを
可能にする遺伝子で､担子菌類の形質転換においては､これまでにトリプトファンやアルギニン､ロイ
シンといったアミノ酸や､アデニン､ウラシルといった核酸の要求性変異株を野生型に復帰させるマー
カー遺伝子が用いられてきた｡これらの栄養要求性マーカー遺伝子を用いる場合には､形質転換に用い
ようとする宿主株として､あらかじめ当該栄養要求性の変異をを持つ株を準備しておく必要がある｡一
方､薬剤耐性マーカー遺伝子は､ハイグロマイシン､ブレオマイシン､ビアラフオス等の抗菌剤に対す
る抵抗性をキノコに与える遺伝子であり､形質転換に先立って宿主側に特定の変異を導入する必要が無
い点で､その応用範囲は格段に広いと考えられる｡これまでに用いられてきた薬剤耐性マーカー遺伝子
は､細菌や放線菌など他の生物由来の遺伝子を組み換えたものを利用したものが主流であったが､最近
担子菌自身に由来する薬剤耐性マーカー遺伝子も開発され56)､同じ手法を使って様々な担子菌でも形質
転換が成功している｡他の生物由来の遺伝子配列を含まないこれらのマーカーは､セルフクローニング
という観点から､産業プロセスでの応用が比較的容易であることが期待されている｡
細胞に遺伝子を導入する方法 (
形質転換法) については､現在もっとも多く用いられているのが､
㌢
EG/
Ca
C1
2法と呼ばれる方法である｡この方法は､キノコの細胞から調整されたプロトプラストを､導
入しようとするDNAと共に､P
EG (ポリエチレングリコール) と塩化カルシウムを含む溶液につけて化
学的に処理する方法で､細菌や酵母など他の生物を用いた系においても同様の原理が広く用いられてい
る｡プロトプラスト化に用いられる細胞としては､比較的成長の早い菌糸体や､未発芽の胞子あるいは
-2
7-
木材研究･資料
第3
9号 (
200
3)
表 1 担子菌で報告された主な形質転換
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4
本田 :｢
バイオマス･ニッポン｣とキノコの遺伝子工学
発芽している胞子､または分裂子などが利用される｡形質転換の効率は 1マイクログラムの導入DNAあ
たり､食用担子菌中ではもっとも効率の高いヒラタケで約200程度57)､実験用モデル生物としてよく用い
られているスエヒロタケでは1
034程度6265
)である｡ P
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Ca
Cl
2法の他にも､プロトプラストに電圧をか
けることによってD
NAを導入するエレクトロポーレーション法､また酢酸リチウムで処理する方法､さ
らに菌糸体そのものを使って､パーティクルガンと呼ばれる装置で金またはタングステンなどの金属の
微細な粒子にDNAをまぶしたものを直接細胞の中に打ち込む方法などが､報告されている17)｡また､ユ
ニークな方法としては植物に感染するアグロバクテリウムと呼ばれる細菌の持つ遺伝子導入系を使って
キノコを始めとする糸状菌の仲間にもDNAを導入する方法が報告されている13)｡これらの方法による形
質転換の効率は､現状では前述のPEG/
Ca
C1
2法と同程度かそれ以下であり､形質転換の効率を飛躍的に
高めるためには､形質転換方法自体の改良と共に汎用が可能な自律複製型のベクターの開発が必要とな
るであろう｡
5.遺伝子組換えキノコの利用
キノコでは導入された遺伝子が染色体内に取り込まれた形で存在する｢
染色体組込み型｣の形質転換
が一般的であるので､目的の形質を持った遺伝子をベクター (
あるいはマーカー遺伝子) と同時に細胞
内に導入する｢
共形質転換法｣を用いることで､特定の性質が強化された｢
組換えキノコ｣を作成する
ことが可能である (
図 5)｡このようにして形質転換による分子育種を行う際､導入する遺伝子としては､
その生物自身から単離された遺伝子をはじめ､他の生物由来の遺伝子や､複数の遺伝子の一部を組み合
わせた組換え遺伝子､人為的に遺伝情報の一部を変化させた変異遺伝子などを用いることができる｡ま
た､プロモーターと呼ばれる遺伝子の発現を調節する配列を人為的に他の遺伝子由来のものと置き換え
ることで､本来のものとは発現の量やタイミングを変化させた組換え遺伝子を用いることが可能である｡
したがって､遺伝子組換え技術を用いることで､原理的には特定の遺伝子の作用を制御したり､キノコ
を用いて異種生物由来の有用遺伝子を発現させることも可能である｡
薬剤耐性ベクターの導入を指標に外部からDNAを取り込んだ個体を多数選抜し､その中から組換えリグ
ニン分解酵素遺伝子も同時に導入された株を選抜する｡
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薬剤耐性ベクター
組換えリグニン分解酵
素遺伝子
リグニン分解酵素系
が増強された組換え体
共形質転換
野生型ヒラタケ
図 5共形質転換を用いた組換えヒラタケの分子育種
-31-
木材研究･資料
第 39号 (
2003)
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ヒラタケのコハク酸デヒドロゲナーゼI
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DNAが挿入されているO
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さて､白色腐朽菌のリグニン分解を考えた場合､遺伝子組換え技術を用いることでリグニン分解系を
構成する特定の酵素の機能や発現制御のメカニズムを解明したり､大量生産を行うことが可能となる｡
これまでの研究例では､白色腐朽菌の菌体外ペルオキシダーゼは､バクテリアや酵母､麹菌などの異種
発現系では十分に発現することが難しいことが報告されており､キノコ自身の分子育種によって高発現
されることが期待される｡さらに重要なことは､このようにして遺伝子組換えによって育種された組換
え生物自体を､生体触媒として種々の産業プロセスに利用することが可能であるということである｡
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我々は､これまでに白色腐朽菌ヒラタケ (
系を開発し (
図 6)､マンガンペルオキシダーゼの高生産株の育種を行ってきた66) (
図 7)｡今後様々な
組換え遺伝子を導入した菌体を利用してリグニン分解系の律速段階について解明したり､酵素の構造機
能相関や複雑な発現制御系をコントロールするメカニズムの解明が行われていくだろう｡また､同様な
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を遺伝子レベルで解明が進むことが期待される｡現在､このようにして遺伝子組換えによって強化した
株による前処理を行うことで､オイルパームの圧搾残査などの木質バイオマスからェタノールの生産を
行う効率について解析を進めている｡
最近では､白色腐朽菌のリグニン分解酵素系を利用してビニールやプラスチック､またダイオキシン
1
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)
｡生物の機能を使って環
やpcBといった難分解性の環境汚染物質を分解する研究が行われてきている9,
境を浄化･修復しようという考え方は､生物的環境修復 (
バイオレメディエーション) と呼ばれるが､
白色腐朽菌を利用した汚染物質分解系は､他の生物には見られない多種多様な有機化合物に対して有効
な点が特徴である｡すなわち多環式･複素環式芳香族化合物や高塩基置換された芳香族化合物など､バ
クテリア等では分解が難しい毒性化合物の分解をできることが知られており､それらの中には､ビス
フェノールAなどの内分泌擾乱作用を持つとされる化学物質や､PCB ･ダイオキシン類も含まれている｡
こうした多様な化合物の分解系についても､遺伝子工学的手法を用いて活性を強化したり､発現の時期
-3
2-
本田 :｢
バイオマス･ニッポン｣とキノコの遺伝子工学
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図 7 組換えヒラタケによるマンガンペルオキシダーゼの生産
組換え遺伝子を導入した形質転換体 (
TMG9C1
)では､野生型に比べて数倍のマンガンペルオキシダー
ゼ活性が培地中に発現しているのが確認された(
A)
｡一方､菌体重量の増加は､双方であまり大きな違い
は見られなかった(
B)
0
を早めてやることで､より効率的な環境修復システムが構築する事が可能となるであろう｡
6 キノコにおけるゲノム研究の現状
.
ヒトゲノムプロジェクトをはじめとした様々な生物におけるゲノム解析計画が進行する中で､キノコ
の仲間を対象としたゲノム解析プロジェクトの開始は遅れをとっていた｡しかし代表的なモデル生物や
主要作物の解析が実りを結びつつある昨今､漸くキノコゲノムの研究が進められつつある｡2002年 5月
にはアメリカ合衆国エネルギー省 (
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が可能となった6
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｡また､遺伝学的な研究例が多くキノコにおけるモデル生物として知られるヒトヨタ
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ネナガノヒトヨタケまたはウマグソヒトヨタケ) についても､米国において産業界､学界よりなる
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)が構成され､ゲノム解析を行うべき菌類の候補に推薦されていたが､ご
く最近マサチューセッツ工科大学ゲノム研究センター (
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h) より第一次解析結果が公開され (
こうした状況は､ゲノム解析によってもたらされる様々な情報や実験手法の利用が可能となってきて
いることを示しており､キノコの遺伝子研究がポストゲノミックスと呼ばれる新しい局面に入ろうとし
ていることを物語っている｡今後､比較ゲノム学的な解析を行ったり､転写制御や発現タンパク質､代
謝物をも含めた網羅的な解析が進められていくことが期待される｡一方で､ゲノム解析の結果を用いて
明らかにされるであろう新たな知見を活用していくためには､キノコにおける生物学的な基礎や､分子
生物学的な技術基盤が確立されることが重要であるということも忘れてはならない｡とりわけ､すでに
形質転換法が確立した菌においては､効率のよい遺伝子破壊やサイレンシングの技術が開発されること
が待たれる｡
-33
-
第3
9号 (
2
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3)
木材研究･資料
7.将来の展望
遺伝子工学的に分子育種されたキノコは､今後様々な工業プロセスにおける生体触媒として活用され
ていくことが期待される｡とりわけ木質系バイオマスの変換においては､キノコがもっている低エネル
ギーでエコフレンドリーなシステムを実用化に向けていかに現実的なプロセスとして提供できるかが研
究の焦点となる｡そのためには､物理的もしくは化学的処理法との併用を含めたより効率的なプロセス
の開発が必要とされるO-方で､担子菌類を産業微生物として利用するための研究はまだ緒についたば
かりであり､その活用を様々な分野に広げていくためには､キノコの基礎科学について十分な理解を深
め､有用遺伝子のクローニングや組換え遺伝子発現系の改良において､さらなる努力を積み重ねていく
ことが必要である｡また､リグニン生分解系の全貌解明と制御システムの確立に向けては､分子生物学､
酵素科学的な解析にとどまらず､生化学的な研究手法と併せて､リグニン生分解が起こっている｢
場｣
のしくみを総合的な視点から解明していくことが重要となるであろう0
｢
バイオマス･ニッポン｣では､光合成によってもたらされる植物から派生する様々なバイオマス資
源を積極的･総合的に利用していくことが基本である｡従って､実際に利用に供される出発物質や具体
的な利用の方法も多様なものがあっていいと思う｡しかし､地球上で生産されるバイオマスの殆どを占
める木質バイオマスの効果的な変換法の開発が､｢
バイオマス･ニッポン｣に標梼される循環型社会実
現の大きな鍵となることは間違いない｡キノコに学ぶ木質バイオマス変換術が､持続可能な社会形成の
一助となることを願ってやまないO
参考文献
1
)｢
バイオマス･ニッポン総合戦略｣および｢
参考資料｣h
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2)｢ゴミ問題と温暖化に効くバイオマスエタノール｣日経バイオビジネス
3
)木材なんでも小事典
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)もくざいと環境
7
)バイオマス
シンビオ社会研究会編
エコマテリアル - の招待
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)バイオエネルギー最前線
横山伸也著
究極の代替エネルギー
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)バイオエネルギー
山地憲治編
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)キノコを科学する槍垣首都編
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アイピーシー (
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