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| スポロサルシナ・パストゥリ | |
|---|---|
科学的分類 
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| ドメイン： | 細菌 |
| 門: | バシロタ |
| クラス： | バチルス |
| 注文： | ナデシコ目 |
| 家族： | ナデシコ科 |
| 属: | スポロサルシナ |
| 種： | S.パストゥリ
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| 二名法名 | |
| スポロサルシナ・パストゥリ バーギー2004
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| 同義語[1] | |
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スポロサルシナ・パステュリは、古い分類学ではバチルス・パステュリとして知られていましたが、グラム陽性細菌で、カルシウム源と尿素を与えると、微生物学的誘導方解石沈殿（MICP）または生物学的セメント化のプロセスを通じて方解石を沈殿させ、砂を固める能力が。 [2] S. pasteuriiは、生態学的に健全な生物学的建設資材として使用することが提案されています。研究者は、プラスチックや硬質鉱物と組み合わせて細菌を研究し、骨よりも強い材料を形成しました。 [3]これは非病原性であり、尿素を炭酸塩とアンモニアに加水分解する酵素ウレアーゼを大量に生成できる。 [4]
生理
S. pasteurii は、自然界では桿菌のような形をしたグラム陽性細菌です。適切な環境条件下では胞子を形成して生存率を高める能力があり、これはバチルス属の特徴です。[5]幅は 0.5～1.2 ミクロン、長さは 1.3～4.0 ミクロンです。好アルカリ性であるため、pH 9～10 の塩基性環境で繁殖します。比較的厳しい条件でも pH 11.2 まで生存できます。[4]
代謝と成長
S. pasteurii は土壌由来の通性嫌気性菌で、従属栄養性で、成長には尿素とアンモニウムが必要です。[6]アンモニウムは、基質が細胞膜を通過して細胞内に入ることを可能にするために利用されます。 [6]尿素は細菌の窒素源および炭素源として使用されます。S. pasteurii は、ウレアーゼ酵素を生成および分泌することにより、尿素の加水分解を誘導し、それをエネルギー源として使用することができます。酵素は尿素を加水分解して炭酸塩とアンモニアを形成します。この加水分解中に、さらにいくつかの自発的な反応が行われます。カルバミン酸は炭酸とアンモニアに加水分解され、さらにアンモニウムと重炭酸塩に加水分解されます。[4]このプロセスにより、反応のpHが1～2上昇し、環境がより塩基性になり、この特定の細菌が繁殖する条件が促進されます。[7]このpHの培地を維持することは、バイオセメント用にこの細菌を大規模に生産するにはコストがかかる可能性があります。 さまざまな要因がS. pasteuriiの増殖速度に影響する可能性があります。これには、最適な温度、pH、尿素濃度、細菌密度、酸素レベルなどを見つけることが含まれます。[7]最適な増殖温度は30℃であることが判明していますが、これは存在する他の環境要因とは無関係です。[5] S. pasteuriiは耐塩性がある ため、細菌細胞の増殖を阻害しないほど低い濃度の水性塩化物イオンの存在下で増殖できます。[7]これはMICPの用途が有望であることを示しています。
S. pasteurii DSM 33は、L-メチオニン、L-システイン、チアミン、ニコチン酸に対して栄養要求性があると記載されている。[8]
ゲノム特性
S. pasteurii NCTC4822の全ゲノムが配列決定され、NCBIアクセッション番号: NZ_UGYZ01000000として報告されました。染色体長は3.3 Mbで、3,036個のタンパク質コード遺伝子を含み、 GC含量は39.17%です。 [9]既知の機能遺伝子と未知の遺伝子の比率を計算すると、この細菌は輸送、代謝、転写の比率が最も高いことがわかります。これらの機能の割合が高いため、バイオミネラリゼーションプロセスに必要な尿素から炭酸イオンへの変換が可能になります。[9]この細菌には、ウレアーゼ活性とアセンブリに直接関連する7つの遺伝子が特定されており、これらをさらに研究することで、 S. pasteuriiを産業用途で最適に使用するためにウレアーゼ生産を最大化するための洞察が得られます。[9]
MICP を使用したアプリケーション
S. pasteurii は尿素を加水分解し、一連の反応を経て炭酸イオンを生成するという独自の能力を持っています。これは、細胞膜を通して多量のウレアーゼを分泌することによって行われます。[5]細菌を方解石が豊富な環境に置くと、負に帯電した炭酸イオンがカルシウムなどの正の金属イオンと反応して炭酸カルシウム、つまりバイオセメントを沈殿させます。[4]炭酸カルシウムは沈殿物として使用することも、方解石として結晶化させて砂粒子を接着することもできます。したがって、塩化カルシウム環境に置かれても、S. pasteuriiは耐塩性および好アルカリ性であるため生存することができます。細菌は過酷な鉱化条件下でも無傷のままで、頑強で、負の表面電荷を帯びているため、MICPの良い核形成部位として機能します。[9]細菌の負に帯電した細胞壁は、正に帯電したカチオンが相互作用してミネラルを形成する場所を提供します。この相互作用の程度は、細胞表面の特性、ペプチドグリカンの量、遊離カルボキシルのアミド化レベル、およびテイコ酸の利用可能性を含むさまざまな要因に依存します。[7] S. pasteurii は非常に負の表面電荷を示し、非石灰化細菌であるE. coli、S . aureus、B . subtilisのそれぞれ -28、-26、および -40.8 mV と比較して、 -67 mV という非常に負のゼータ電位で示されます。 [9] S. pasteurii をMICP に使用することに関するこれらすべての利点とは別に、未開発のエンジニアリングスケールアップ、望ましくない副産物、制御されていない増殖、または尿素や酸素濃度などの増殖条件への依存などの制限があります。[9]
現在のアプリケーションと潜在的なアプリケーション
S. pasteurii は、コンクリートやモルタルなどの建築材料の改良に利用されています。コンクリートは世界で最も多く使用されている材料の 1 つですが、ひび割れが生じやすく、修復には多額の費用がかかります。解決策の 1 つは、この細菌をひび割れに埋め込み、MICP を使用して活性化することです。鉱物が形成され、環境に優しい方法で永久的に隙間を修復します。欠点の 1 つは、この技術が手の届く外部表面にしか使用できないことです。[7]
もう一つの応用は、コンクリートのバイオ自己修復にS. pasteuriiを使用することで、コンクリートの準備中に細菌をコンクリートマトリックスに導入して微小な亀裂を修復します。これにより、人間の介入が最小限に抑えられ、圧縮強度が高く耐久性の高いコンクリートが得られるという利点があります。[7]
この細菌をバイオミネラリゼーションに使用する場合の制限の 1 つは、通性嫌気性菌であるにもかかわらず、酸素がなければ嫌気的にウレアーゼを合成できないことです。また、MICP の開始は酸素に大きく依存するため、酸素不足は MICP を妨げます。したがって、注入場所から離れた場所や深い場所では、沈殿の可能性が低くなります。[9]考えられる解決策の 1 つは、バイオセメント内のこの細菌を、土壌からの汚染物質のバイオレメディエーションや除去に一般的に使用される酸素放出化合物 (ORC) と組み合わせることです。[7]この組み合わせにより、酸素不足を軽減し、MICP を細菌で最適化できます。
現在のアプリケーションの具体的な例は次のとおりです。
- 建築学生のマグナス・ラーソンは、プロジェクト「ナイジェリア、ソコトの砂丘の砂漠化防止建築」と居住可能な壁の設計で、2008年のホルシム賞「次世代」アフリカ中東地域最優秀賞を受賞した。 [10]ラーソンはTEDでもこの提案を発表した。[11]
- ノースカロライナ州ローリーにあるジンジャー・クリーグ・ドシエのユニークなバイオテクノロジーの新興企業、バイオメイソンは、スポロサルシナ・パストゥリと天然に豊富に存在する材料からレンガを栽培する方法を開発した。2013年、この会社はクレイドル・トゥ・クレイドル・イノベーション・チャレンジ（賞金12万5000ドル）とオランダ郵便番号宝くじグリーン・チャレンジ（賞金50万ユーロ）で優勝した。[12]
その他の潜在的な用途としては、次のものがあります。
- 地震が発生しやすい地域の液状化しやすい土壌をバクテリアを使って固める。
- バイオレンガを作る
- 沼地や湿地を安定させる
- 建物の沈下率を下げる[6]
- 廃水から重金属を除去する[13]
- 農業における雑草防除の障壁として、除草剤の代替として使用される[14]
この細菌を産業用途で使用する場合の考慮事項としては、スケールアップの可能性、経済的実現可能性、細菌の長期生存性、炭酸カルシウムの付着挙動、および多形性が挙げられる。[7]
参照
参考文献
- ^ “Species: Sporosarcina pasteurii”. lpsn.dsmz.de . 2024年6月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2024年6月17日閲覧。
- ^ Chou CW、Aydilek A、Seagren E、Maugel T (2008 年 11 月)。「尿素分解による細菌誘導方解石沈殿」。アメリカ微生物学会。
- ^ 「微生物メーカーが人間に丈夫なものを作る手助けをする」ネイチャー. 591 (7849): 180. 2021年3月4日. Bibcode :2021Natur.591R.180.. doi :10.1038/d41586-021-00565-3.
- ^ abcd Henze J、 Randall DG（2018年8月）。「Sporosarcina pasteuriiを用いた高pH値（> 11）での微生物誘導炭酸カルシウム沈殿」。環境化学工学ジャーナル。6 （4）：5008–5013。doi ：10.1016/j.jece.2018.07.046。S2CID 105388152。
- ^ abc Bhaduri S、Debnath N、Mitra S、Liu Y、Kumar A（2016年4月）。 「 Sporosarcina pasteuriiによる微生物学的誘導方解石沈殿」。Journal of Visualized Experiments（110）。doi ： 10.3791/53253。PMC 4941918。PMID 27167458。
- ^ abc 「砂の硬化のためのスポロサルシナ・パストゥリ細菌の使用の最適化」www.envirobiotechjournals.com。2024年6月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年5月4日閲覧。
- ^ abcdefgh Seifan M、Berenjian A (2018年11月)。「バイオ自己修復コンクリートの設計における微生物誘導炭酸カルシウム沈殿の応用」。World Journal of Microbiology & Biotechnology。34 ( 11): 168。doi : 10.1007 /s11274-018-2552-2。PMID 30387067。S2CID 53295171。
- ^ Lapierre FM、Schmid S、Ederer B、Ihling N、Büchs J、Huber R（2020年12月）。「化学的に定義された複合培地での成長改善のためのMICP関連Sporosarcina pasteurii DSM33の栄養所要量の解明」。Scientific Reports。10 （22448 ）：22448。Bibcode：2020NatSR..1022448L。doi：10.1038 / s41598-020-79904-9。PMC 7775470。PMID 33384450。
- ^ abcdefg Ma L、Pang AP、Luo Y、Lu X、Lin F（2020年1月）。「尿素分解細菌Sporosarcina pasteuriiによるバイオミネラリゼーションに有益な因子」。微生物細胞工場。19 （1）：12。doi ：10.1186 /s12934-020-1281- z。PMC 6979283。PMID 31973723 。
- ^ Holcim Awards 2008 アフリカ 中東「次世代」第1位: 砂丘砂漠化防止建築、ナイジェリア、ソコト、Holcim 賞。2010年2月20日閲覧。
- ^ Magnus Larsson: Dune architect Archived 18 July 2010 at the Wayback Machine , TED.com. 2010年2月20日閲覧。
- ^ bioMason @グリーンチャレンジ
- ^ Torres-Aravena, Álvaro Esteban; Duarte-Nass, Carla; Azócar, Laura; Mella-Herrera, Rodrigo; Rivas, Mariella; Jeison, David (2018年11月)。「尿素分解経路を介した微生物誘導方解石沈殿 (MICP) は、廃水から重金属を除去するために効果的に適用できるか?」。Crystals。8 ( 11 ) : 438。doi : 10.3390/cryst8110438。
- ^ [1] 2024 年 6 月 17 日にウェイバック マシンにアーカイブ特許 WO2019141880A1「Verhindern oder vermindern von pflanzenwachstum durch biozementierung」
外部リンク
- </ref> マグナス・ラーソン：砂丘を建築物に変える - TED でのラーソンの講演。
- 「BacDive - 細菌多様性メタデータベースにおけるSporosarcina pasteuriiのタイプ株」。2024年6月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年9月15日閲覧。