炭化水素分解細菌

炭化水素分解細菌（炭化水素分解細菌、油分解細菌、またはHCBとも呼ばれる）は、炭化水素化合物を分解して炭素とエネルギーの源として利用できる異種の原核生物のグループです。世界中のほとんどの環境に存在しますが、これらの特殊な細菌のいくつかは海に生息し、汚染された海水から分離されています。

炭化水素分解細菌の分類学上の多様性は、高等分類群を考慮するとそれほど大きくは変わっていませんが、多くの研究で、海洋環境から分離された25種類の炭化水素分解細菌と25種類の真菌に関する情報が得られています。^{[1]石油から分離された}Gordonia、Brevibacterium、Aeromicrobium、Dietzia、Burkholderia、Mycobacteriumなどの細菌属は、炭化水素分解の潜在的生物であることが示されています。Cernigliaらは、9種類のシアノバクテリア、5種類の緑藻、1種類の紅藻、1種類の褐藻、2種類の珪藻がナフタレンを酸化できることを観察しました。温度は微生物の生理機能と多様性に影響を与えるため、非常に重要です。一般的に、温度が下がると生分解速度は低下します。^[1]

炭化水素分解細菌は好ジアゾ性であり、窒素化合物が極めて少ない環境でも生存できるため、環境全体に分布することができます。好気性条件下で最も速く、最も完全な分解が起こるため、環境に優しいバイオサニテーションに非常に役立ちます。

炭化水素は、原油流出事故が発生した海洋環境で発生するため、大気中の窒素を固定する能力があるため、栄養的に窒素源に依存しないことがわかります。ナイジェリアの都市ラゴスでは、原油を劣化させる可能性のある汚染された流れから分離された9つの細菌株、Pseudomonas fluorescens、P. aeruginosa、Bacillus subtilis、Bacillus sp.、Alcaligenes sp.、Acinetobacter lwoffi、Flavobacterium sp.、Micrococcus roseus、Corynebacterium spが検出されました^[要出典]。インド北東部でも検出されました。メキシコ湾のルイジアナ事件では、約100の株が検出され、調査され、分離株はすべてプロテオバクテリア門の3つの綱（Alteromonadales、Rhodospirillales、Enterobacteriales）に属することが明らかになりました。^[2]

これらの生物は通常、非常に少数で存在するため、急速に成長し増殖するため、炭素やエネルギーなどの炭化水素よりも有利です。アルカニボラックス様細菌は、米国、ドイツ、英国、スペイン、イタリア、シンガポール、中国、フィリピン西部、日本、南極近くの大西洋中央海嶺、および東太平洋の深海堆積物など、世界中の石油の影響を受けた環境で検出されています。^[3]

炭化水素分解細菌には、（1）特異的な膜結合型ジオキシゲナーゼ^[4]と（2）水不溶性炭化水素との接触を最適化するメカニズムという2つの基本的な特徴があります。^[5]石油汚染が発生すると、どこでも微生物による生分解が起こります。しかし、生分解速度は遅く、その結果、水中や海岸の海洋生物に深刻な毒性影響を及ぼします。^[6]

石油に含まれる炭化水素は、その化学的性質に応じて水中で異なる挙動を示します。このプロセスは風化と呼ばれ、低分子量の炭化水素は表面に到達すると揮発します。

残りは、これを実行できる細菌によって攻撃されます。これらの細菌は油に付着せず、細胞表面の疎水性が高くありません。分解の次の段階では、残留高分子炭化水素に付着できる細胞表面の疎水性が高い微生物が関与します。付着は、外膜の疎水性線毛、原繊維、脂質、タンパク質、およびグラミシジンSやプロディジオシンなどの細胞表面のいくつかの小分子によるものです。^[7]

すべての石油製品は原油から作られ、その主成分は炭化水素で、飽和、芳香族、樹脂、アスファルテンの4つの部分に分けられます。炭化水素の微生物分解に対する感受性は、一般的に次のようにランク付けされます。直鎖アルカン、分岐アルカン > 小さな芳香族 > 環状アルカン。^{[8] [9]}高分子量の多環芳香族炭化水素（PAH）などの一部の化合物はまったく分解されない可能性があり、アスファルテンと樹脂は生分解に対して難分解性であると考えられています。^[10]

アルカンは、海中でいくつかの異なる経路によって好気的に容易に生分解されます。

シュードモナス・プチダによる中鎖脂肪酸の分解はアルカン水酸化酵素から始まり、この酵素は膜結合型オキシゲナーゼ成分とルブレドキシンおよびルブレドキシン還元酵素と呼ばれる2つの可溶性成分の3つの成分で構成されています。^[11]

アルカン水酸化酵素による n-アルカンのメチル基の酸化によりn-アルカノールが遊離し、これが膜結合アルコール脱水素酵素によってさらに酸化されてn-アルカナールとなる。その後、 n-アルカナールはアルデヒド脱水素酵素とアシルCoA 合成酵素によってそれぞれ脂肪酸に変換され、さらにアシル CoAに変換される。

$${\displaystyle {\ce {CH3-R-CH3 -> CH3-R-CH2OH -> CH3-R-CHO -> CH3-R-COOH -> (CH2OH)-R-COOH}}}$$

$${\displaystyle {\ce {CH3-R-CH2OH -> (CH2OH)-R-CH2OH -> (CH2OH)-R-CHO -> (CH2OH)-R-COOH}}}$$

$${\displaystyle {\ce {(CH2OH)-R-COOH -> CHO-R-COOH -> HOOC-R-COOH}}}$$

この経路により第二級アルコールが放出される。n-アルカンはモノオキシゲナーゼによって第二級アルコールに酸化され、次にケトンに、そして最終的に脂肪酸に酸化される。^[12]

$${\displaystyle {\ce {R1-(CH2)(CH2)-R2 -> R1-(CH2)(CHOH)-R2 -> R1-(CH2)(CO)-R2 -> R1-(CH2)O( CO)-R2 -> R1-COOH + R2-COOH}}}$$

シクロアルカンは共酸化機構によって分解され、環状アルコールとケトンが形成される。モノオキシゲナーゼが環状ケトンに酸素を導入し、環状環が切断される。^[13]

芳香族化合物には様々な経路があり、トルエンに関しては少なくとも5つの経路が知られています。^[14]これらの経路はそれぞれ特定の細菌種に存在し、Burkholderia sp. JS150株はトルエン代謝に複数の経路を使用する点で独特です。^[15]

• TOL 経路: この経路は、それをコードする同名のプラスミドの名前が付けられています。トルエンはアルコールに分解され、ベンジル、ベンズアルデヒド、そして安息香酸に分解され、さらにTCA 回路の中間体に変換されます。
• F1 経路: P.putidaはこの経路を実行でき、トルエンに 2 つのヒドロキシル基を導入して、シス-トルエンジヒドロジオールを形成します。この中間体は、その後 3-メチルカテコールに変換されます。
• KR1 経路: Pseudomonas mendocina KR1 は、トルエン 4-モノオキシゲナーゼ酵素によってトルエンを p-クレゾールに変換できます。その後、メチル側鎖の酸化によって p-ヒドロキシ安息香酸が生成されます。
• PK01 : Pseudomonas pickettii PKO1 は、トルエン 3-モノオキシゲナーゼという酵素でトルエンを m-クレゾールに酸化し、さらに別のモノオキシゲナーゼによって 3-メチルカテコールに酸化します。
• G4 : Bukholderia cepacia G4では G4 経路が観察され、トルエンはトルエン 2-モノオキシゲナーゼによって o-クレゾールに変換され、その後別のモノオキシゲナーゼによって 3-メチルカテコールに変換されます。

海洋堆積物に閉じ込められた油成分は嫌気性条件下で残留する傾向がある。一部の炭化水素は、硝酸塩還元、硫酸塩還元、メタン生成、Fe3 ⁺還元、または光合成が炭化水素の酸化と結びつくと、嫌気性条件下で酸化される可能性がある。^[16]

嫌気性細菌株HD-1はH存在下で_{CO2上で増殖する。
2}またはテトラデカン。H
₂テトラデカンは分解され、主要な代謝中間体は1-ドデセンである^[17]

炭化水素の生分解は、さまざまな化学的、物理的、生物学的要因によって制限されます。

• バイオサーファクタント：^[19]細菌と炭化水素の接触は、最初の分解段階でオキシゲナーゼが使用されるため重要です。接着と乳化のメカニズムによって接触が促進されます。 ^[20]炭化水素を分解する細菌は、二次代謝産物としてバイオ乳化剤を生成することがよくあります。これらは、表面張力と界面張力を効果的に下げる低分子量分子と、表面にしっかりと結合する高分子ポリマーに分けられます。一部のバイオ乳化剤は、バイオアベイラビリティを高め、表面積を増やし、表面から脱着させて溶解性を高めることで、水に溶けない疎水性基質上での細菌の成長を促進します。バイオサーファクタントは両親媒性であるため、それを生産する微生物は疎水性基質を利用して運動し、競争相手を回避できます。疎水性部分は通常、鎖長が8〜18の飽和または不飽和脂肪酸、脂肪ヒドロキシ酸、または脂肪アルコールで構成されます。親水性成分は、小さなヒドロキシル基、リン酸基、カルボキシル基、または炭水化物やペプチドの一部で構成されています。バイオサーファクタントは主にアニオン性化合物と非イオン性化合物です。
• 成長に必要な栄養：HCBは大量の窒素とリンも必要とします。酸化炭化水素1kgあたり窒素150gとリン30gが必要であると推定されています。^[5]
• 温度：石油系炭化水素の生分解は20℃から50℃の最適温度で起こりますが、それより低い温度では劣化速度は遅くなります。^[21]
• pHと酸素：細菌は中性のpHを必要とし、この点では同じオイルが微生物の増殖には酸性が強すぎる環境を中和するのに役立ちます。酸素は好気性分解に不可欠です。^[22]

現在、炭化水素分解細菌の生態に関する研究のほとんどは、主に海洋環境に生息する幅広い属を対象としています。それぞれの細菌は異なる代謝を特徴とするため、これらの生物は協力してあらゆる種類の炭化水素化合物を非常に効率的に分解します。また、これらの細菌は炭素の生物地球化学循環において基本的な役割を果たしており、いくつかの研究では、一部の種はさまざまな海洋生物と複雑な関係を築くことができることが示されています。^[23]

特定の海域で石油（または炭化水素化合物）が流出すると、多くの細菌種がそこに定着し始め、そこにすでに存在する微生物群集を変化させます。これらの群集の動態を分析すると、生分解に関連する共通パターンが発見され、これらの情報はバイオレメディエーション方法の改善に役立ちます。炭化水素の存在が増加すると栄養素の量が変化するため、微生物群集は現場でシャッフルされます。この生態学的状況では、炭化水素をエネルギー源として利用でき、そのための酵素をすべて備えた生物のみを選択できます。さらに、ほとんどの石油分解種は、分解プロセスを実行するために特定の量のリンと窒素を必要とします。したがって、炭化水素分解細菌の速度は主に窒素とリンの利用可能性によって制限されると言えます。^[24]

試験管内および原位置で行われたいくつかの実験により、原油流出のような事態において OHCB（絶対炭化水素分解細菌）が果たす基本的な役割が明らかになった。炭化水素が放出されると最初に増殖する微生物群は、いわゆるジェネラリストであり、炭化水素の最も単純な結合を（特定の酵素を介して）切断することができる（一般的には n-アルカン分解菌である）。その中で最も一般的な属はAlcanivoraxであり（最も重要な種はAlcanivorax borkumensis）、脂肪族炭化水素化合物を分解することができる。^[25]その後、より強力で複雑な結合を分解するために、スペシャリストがジェネラリストに取って代わる。その中で最もよく知られている属の 1 つはCycloclasticusであり、例えばPAH（多環芳香族炭化水素）などの芳香族炭化水素を分解することができる。^[26]

これまでのところ、炭化水素分解性古細菌種は発見されていない。海岸や沿岸水域で行われた多くの研究で示されているように、炭化水素分解性古細菌種は石油流出の影響に非常に敏感であると思われるためである。^[27]しかし、古細菌種は環境の生態学的状態のマーカーとして使用できる可能性がある。

炭化水素分解細菌は、バイオレメディエーションおよび生分解プロセス中の生態系ネットワークの一部を形成し、他のコミュニティや周囲の環境との多くの直接的および間接的な関係や相互作用を伴います。このような相互作用には、制限栄養素の競争、原生動物による捕食、ファージによる溶解、炭化水素の分解を減少または増加させる協力的な相互作用が含まれます。^[23]

栄養素の利用可能性と栄養素のリサイクルは、生分解コミュニティの重要な側面です。前述のように、リンと窒素の量は微生物集団の構造を変え、その結果、生態系内の特定の分子の存在によって形成されるコミュニティの構成を変えることができます。

捕食やファージとの相互作用も炭化水素分解細菌群集の発達に影響を与える。バイオマスの回転率の増加（バクテリオファージの溶解や原生動物の捕食の活動を刺激することで得られる）は、生物学的修復を刺激することで炭化水素分解細菌群集に利益をもたらす可能性がある。^[28]実際、環境中に油が存在するとプロファージが誘発され^[29]、その後膨大な数の細菌が溶解する。^[30]同時に、ファージの溶解によって引き起こされる栄養素のリサイクルは、栄養素と炭化水素（エネルギー源として使用される）の両方の存在に有利な種の急増を引き起こす可能性がある。一方、原生動物の存在は、生態系内の細菌群集の成長を制限することで、逆の状況（生分解に悪影響を与える）を生み出す可能性がある。^[31]そのため、捕食者との相互作用は海洋環境では基本となる。しかしながら、特定の状況では、捕食者の存在がベンゼン^[32]やトルエン^[33]の場合のように、細菌の分解を促進する可能性があります。さらに、ファージの場合と同様に、捕食者の活動は栄養ループを作り出します。捕食者は栄養素を再ミネラル化できるため、細菌の増殖が促進されるからです。

炭化水素分解細菌は長炭素化合物を酸化することができるため、その代謝は生物地球化学的炭素循環における大規模な生物反応ファミリーの一部となります。炭化水素、特にアルカンは、廃棄物として、防御として、構造要素として、そして化学誘引物質として、無数の生物によって生成されます。^[34]したがって、このタイプの生分解は、炭化水素化合物の主要なシンクの1つであり、海洋環境における二酸化炭素の発生源の1つです。

結論として、炭化水素分解細菌は天然源から炭化水素を動員し、酸化炭素原子を使用してそれを代謝の中心経路に導入することができます。これらの酸化分子は炭素循環の生物段階に入り、捕食を通じて一次消費者と二次消費者によって同化されるか、または細胞死後にそれらを引き継ぐことができます。

炭化水素分解細菌は様々な用途に使用されていますが、環境微生物学の分野では特に重要な役割を果たしています。^[35]

海洋炭化水素分解細菌は、その分解多様性により汚染油を分解・変換できるため、バイオレメディエーションの強力なツールです。 ^[36]このように、バイオテクノロジーを使用すると、石油流出や人間の活動による汚染後の沿岸地域や沖合などの汚染された場所の浄化を加速できるだけでなく、その被害を抑制して軽減することもできます。^[37]これらの細菌は通常、石油流出やその他の汚染の後に繁殖し、代謝が非常に多様であるため、最小培地で増殖できます。 その一例は、石油生産混合物から分離された窒素固定および重油分解細菌のAzospirillum oleiclasticumです。 ^[38]しかし、A. oleiclasticumは油で増殖できる唯一の株ではなく、2013年の研究では、原油を添加した最小培地で増殖するように適応した株が少なくとも125株あることがわかりました。研究によって検出された主な細菌はプロテオバクテリアであり、最も豊富な種はアシネトバクター属とステノトロフォモン属であった。^[39]

これらは、モノオキシゲナーゼ、ジオキシゲナーゼ、オキシダーゼ、デヒドロゲナーゼなどの酵素の素晴らしいアーカイブであるため、生合成にも使用されます。さらに、炭化水素が豊富な環境で成長するように適応しているため、産業上の関心のあるポリマー貯蔵物質や高い乳化活性を持つバイオ洗剤などの特徴的な化合物を合成することがよくあります。その一例は、油性酵母Yarrowia lipolyticaの使用です。この酵母は多用途の脂質代謝を持っているため、特定の細菌遺伝子と組み合わせることで、特定の酵素経路を使用して、さまざまな脂質（石油、アルカン、植物油、脂肪酸）、脂肪、油を、イソプレノイド由来化合物（カロテノイド、ポリエンカロテノイドエステル）、ワックスエステル（WE）、ポリヒドロキシアルカン酸（PHA）、遊離ヒドロキシル化脂肪酸（HFA）などの産業的に価値のある脂質由来化合物に生物変換できます。^[40]

• ウィキメディア・コモンズの炭化水素分解細菌に関連するメディア