石油微生物学

石油微生物学は、原油または精製石油製品を代謝または変化させることができる微生物の研究を扱う微生物学の一分野です。炭化水素分解微生物とも呼ばれるこれらの微生物は炭化水素を分解することができ、細菌、メタン生成古細菌、および一部の真菌が広く分布しています。炭化水素分解微生物のすべてが生存のために炭化水素に依存しているわけではなく、石油製品を代替炭素源およびエネルギー源として使用する場合があります。この分野への関心は、油流出のバイオレメディエーションの使用の増加により高まっています。^{[1] [2] [3]}

炭化水素分解微生物はどこにでも存在し、石油に含まれるほとんどの化合物を分解できるため、油で汚染された土壌、海水、油性スラッジの 現場でのバイオレメディエーションは実行可能なプロセスです。最も単純なケースでは、流出が発生した場所で土着の微生物群が石油を分解できます。より複雑なケースでは、汚染された場所に栄養素、空気、または外因性微生物を追加するさまざまな方法を適用できます。^[4]たとえば、バイオリアクターでは、高い生分解率が得られ、さまざまな媒体で使用できる制御された成長条件で天然微生物と追加微生物の両方を適用します。^[4]

原油は、さまざまな化合物、微量成分、微量金属で構成されています。これらの石油製品の50〜98％は、飽和、不飽和、芳香族構造を持つ炭化水素であり、これがハイドロノカーボンクラストによる生分解性に影響を及ぼします。^[5]これらの炭化水素酸化微生物による吸収と生分解の速度は、基質の化学構造に依存するだけでなく、温度、塩分、環境中の栄養素の利用可能性などの生物的および非生物的要因によって制限されます。^{[6] [7]}

石油流出現場のバイオレメディエーションと炭化水素分解における役割が研究されているモデル微生物は、様々な代謝活動を通じて脂肪族アルカンを分解するアルファプロテオバクテリアのアルカニボラックス^{である。 [6]} アルカニボラックス ボルクメンシスは、好気性条件下で石油中の直鎖炭化水素鎖を主なエネルギー源として利用する。さらに窒素やリンなどの制限栄養素を十分に供給すると、成長して界面活性剤の糖脂質を生成し、表面水張力を減らして炭化水素の吸収を高める。[5] このため、硝酸塩とリン酸塩は商業的に石油流出現場に添加されることが多く、静止状態のA. ボルクメンシスの個体群を活性化させ、他の微生物個体群を急速に追い越して、石油汚染環境で優勢な種になるようにしている。^{[8] [9]}

律速栄養素の添加は、様々な長さの直鎖アルカンを酸化する複数のアルカン水酸化酵素をコードする遺伝子の上方制御を含む、微生物の生分解経路を促進する。^[10]これらの酵素は本質的に石油の問題のある炭化水素成分を除去する一方で、A. borkumensis は同時に、環境中の炭化水素を乳化してその生物学的利用能を高めるために使用されるアニオン性糖タンパク質の合成を増加させる。 ^[10]原油と適切なレベルの窒素およびリンの存在は、基質の吸収効率を高めるメカニズムによって、または脂肪族鎖の直接的な生分解によって、石油の除去を触媒する。

2 つのよく知られた油流出事故は、大規模な海洋バイオ修復の適用例です。

1989年、エクソンバルディーズ号が座礁し、4160万リットルの原油が流出し、原油流出に対する最初の大規模な生物修復活動の1つが開始されました。アラスカの海岸線の浄化は、バクテリアの増殖を促進するために肥料の散布に一部依存していました。^[11]

2010年、BPディープウォーターホライズン原油流出事故により、7億7900万リットルの原油がメキシコ湾に流出した。これは史上最大の原油流出事故であり、土着の石油微生物が石油の分解と浄化に大きな役割を果たした。^[12]

これらは微生物が合成した界面活性物質であり、バイオレメディエーションプロセスにおいて炭化水素の微生物分解をより効率的に行う。バイオサーファクタントがバイオレメディエーションに関与する方法は 2 つある。(1)疎水性水不溶性基質の表面積を増やす。炭化水素上の微生物の増殖は、水と油の界面の利用可能な表面積によって制限される可能性がある。微生物が生成する乳化剤は油をより小さな液滴に分解し、利用可能な表面積を効果的に増やすことができる。(2)疎水性水不溶性基質の生物学的利用能を高める。バイオサーファクタントは、結合した基質を表面 (土壌など) から脱着するか、見かけの溶解度を高めることで、その利用性を高めることができる。一部のバイオサーファクタントは臨界ミセル濃度(CMC)が低く、疎水性分子をミセルの中心に隔離することで炭化水素の見かけの溶解度を高める特性がある。^[13]

微生物による石油回収強化（MEOR）は、微生物環境を操作して石油回収を強化する技術です。栄養素を多孔質媒体にその場で注入し、土着の微生物または添加微生物が成長を促進し、石油を生産井に動員する生成物を生成します。あるいは、石油動員生成物を発酵によって生成し、貯留層に注入することもできます。さまざまな生成物と微生物がこれらの用途に役立ち、それぞれが異なる結果をもたらします。石油回収を強化するための 2 つの一般的な戦略は、界面の表面特性を変更することと、バイオクロッギングを使用して流動挙動を変更することです。^[14] バイオマス、バイオサーファクタント、バイオポリマー、溶媒、酸、ガスは、回収を強化するために油層に追加される製品の一部です。^[4] この用途に関するその他のリソース：^{[15] [16]}

微生物バイオセンサーは、微生物との相互作用を通じて、対象となる化合物を識別し、定量化します。たとえば、細菌は、特定の化学物質に対する細菌の反応を監視することで汚染物質を識別するために使用できます。バイオセンサー システムは、汚染物質の指標として細菌の増殖のみを使用することも、化学物質によってレポーター遺伝子が誘導される 遺伝子アッセイを 利用することもできます。

多くの分析技術では、汚染物質の存在を検出するために土壌サンプルの高価な処理や高価な機器が必要です。細菌バイオセンサーシステムは、選択的で高感度な、安価で堅牢な検出システムの可能性を提供します。開発されたシステムの1つは、Pseudomonas fluorescens HK44を使用して、生物発光を利用してナフタレンを定量的に分析します。^[17]

微生物は汚染物質を分解する過程で、有害な中間体や副産物を生成することが多く、時には元の基質よりも有害な場合もあります。例えば、一部の微生物は特定の石油炭化水素の分解時に副産物として硫化水素を生成しますが、これらのガスがシステムから排出される前に解毒されなければ、大気中に放出される可能性があります。^[18]

さまざまな石油製品の分解経路は、基質と微生物（好気性/嫌気性）によって異なります。多くの炭化水素化合物の特定の分解経路は、ミネソタ大学のバイオ触媒/生分解データベースで見つけることができます。

• Davis, John B.; M. Updegraff, David (1954). 「石油産業における微生物学」Bacteriol Rev. 18 ( 4): 215–38. doi : 10.1128/MMBR.18.4.215-238.1954. PMC  440986. PMID  13219047.
• ジョーンズ、トレバー。ヴァンデカスティール、ジャン＝ポール。石油微生物学。エディションズ・オフリース。ISBN 978-2710811350。
• オリヴィエ、ベルナール、マゴ、ミシェル (2005)。石油微生物学_アメリカ協会マイクロシリーズ。ASM プレス。ISBN 978-1555813277。