微生物：ほら、電気を作ってるよ

微生物電気化学は、微生物学、電気化学、材料科学、環境工学などの複数の分野を組み合わせた新興分野です。微生物と電極の相互作用、およびこれらの相互作用を利用して化学エネルギーを電気エネルギーに変換する方法、あるいはその逆の方法に焦点を当てています。この分野の研究は20世紀初頭にまで遡りますが、本当のブレークスルーは1980年代に起こりました。科学者が、細胞内から細胞外の金属酸化物に電子を直接移動できる細菌を発見したのです。

微生物から電気を得る：若者の科学技術イノベーションレポート

微生物電気化学の初期の探究

微生物の電気化学に関する最初の発見は、微生物が有機基質を代謝する際に電圧と電流を生成できることが観察された 1910 年にまで遡ります。 1962年、デイビスとヤーブローはサイエンス誌でバイオ燃料電池の概念を提案しました。これは微生物電気化学システムの一種であり、その動作は微生物から陽極への細胞外電子移動のプロセスに基づいています。

デレク・ラヴリー教授が学術報告に招かれた。出典：都市水資源・水環境国家重点実験室

1987 年、デレク・ラヴリー教授とケネス・ニールソン教授は、2 つの重要な電気活性微生物モデル属、Geobacter metallireducens GS-15 と Shewanella oneidensis MR-1 を発見しました。これらの発見は微生物電気化学の分野の発展の基礎を築きました。

金冰紅教授が教える 出典：国家都市水資源・水環境重点研究室

1999年、韓国科学技術研究院のキム・ビョンホン教授は、200種を超えるFe(III)還元細菌の80%が電気化学的に活性であることを発見しました。この発見により、微生物の電気化学現象の応用可能性が大きく広がりました。

研究室にいるブルース・E・ローガン教授 出典：ペンシルベニア州立大学

2004 年、ペンシルベニア州立大学のブルース E. ローガン教授とリウ ホン博士は、単一チャンバー空気陰極微生物燃料電池リアクターを開発し、微生物電気化学技術を廃水処理と同時電力回収に使用する実現可能性を実証しました。

微生物電気化学技術の応用

近年、環境科学工学の分野における微生物電気化学技術の応用は徐々に増加しており、廃水処理、栄養塩回収、微生物電気化学修復、微生物電気化学合成などが含まれます。これらの技術は、廃水中の有機汚染物質を処理できるだけでなく、エネルギーを回収し、高付加価値の化学物質を生産することもできます。

微生物電気化学技術が公衆トイレの照明に電力を供給する 出典: ChemElectroChem

現代の研究では、淡水化、バイオガスのメタンへの変換、バイオセンサーなど、微生物電気化学システムの新しい用途の探求が続けられています。さらに、研究者はこれらのシステムのエネルギー効率を向上させる方法と大規模生産の可能性を模索しています。

微生物電気化学技術は大きな可能性を示していますが、まだいくつかの課題に直面しています。たとえば、電気を生成する微生物と電極界面の間の細胞外電子伝達の効率が低く、バイオフィルムを形成する能力が弱いため、有機物分解、発電、海水淡水化、バイオレメディエーション、バイオセンシングにおける微生物電気化学技術の応用が制限されます。そのため、電気発生微生物と電極インターフェース間の相互作用を強化することは、ここ数年の主要な研究のホットスポットとなっています。

研究者たちは、合成生物学による細胞のエンジニアリング、導電性ナノ材料による細胞の改変、電極表面への細胞の固定化など、微生物と電極の相互作用を強化するためのさまざまな戦略を開発してきました。これらの戦略は、電子伝達成分の生合成経路を最適化または外因的に導入し、細胞内の電子伝達経路を直接制御し、電気発生微生物の細胞外電子伝達効率を向上させることを目的としています。

微生物電気化学の将来展望

将来、微生物電気化学の分野での研究は、電気を生成する微生物の細胞外電子伝達とバイオフィルム形成メカニズムの詳細な分析などの側面に焦点が当てられる可能性があります。優れた生体適合性、強力な導電性、大きな負荷容量、優れた安定性、低コストなどの利点を備えた活性バイオ電気化学複合材料の開発。微生物と電極の相互作用に基づき、導電性材料で修飾した細胞や電極表面に固定化した細胞などの方法が微生物と電極間の電子伝達効率を高める役割について深く研究します。

要約すると、微生物電気化学は、複数の分野の知識を組み合わせて環境保護とエネルギー生産のための新しいソリューションを提供する、急速に発展している分野です。電気活性微生物の深い理解と新しい技術の開発により、微生物電気化学は将来さらに重要な役割を果たすことが期待されています。

参考文献:

[1] 傅傑、李伝福。微生物燃料電池：廃棄物からエネルギーを得る[N]。青少年科学技術イノベーションニュース、2024-07-19（06）。

[2] Feng Yujie、Ren Nanqi、Li Da、He Weihua 他。微生物電気化学の原理と応用（M）。サイエンスプレス。 2022-07.

[3]Zhang, L.、Zhang, Y.、Liu, Y. 他。高出力密度の酸化還元媒介 Shewanella 微生物フロー燃料電池。ナット。コミュニケーション。 15、8302（2024）。

[4]Li C、Liang D、Tian Y、et al.廃水処理のための分離器とパイロット規模の微生物電気化学システムにおける最新の進歩の整理：同時開発、実用化、および将来の展望[J]。環境科学とテクノロジー、2024年。

著者：李伝福、浙江省科学普及連合会「科小児」編集委員、中国科学記者協会会員、英国王立化学協会（MRSC）会員、浙江省科学コミュニケーションコンテスト金賞受賞者、著書の一つが甘粛省科学普及協会の今年の科学普及作品ベスト10に選ばれました。