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光栄養バイオフィルムは、一般に光をエネルギー源とする光栄養微生物と化学従属栄養生物の両方から構成される微生物群集である。[1]厚い積層構造の多層光栄養バイオフィルムは、通常、微生物マットまたは光栄養マットと呼ばれる（バイオフィルムも参照）。[2]これらの生物は、細菌、シアノバクテリア、真菌、微細藻類などの原核生物または真核生物であり、粘液マトリックスまたはフィルムに付着した多様な微生物群集を構成する。これらのバイオフィルムは、さまざまな陸上および水中環境の接触面に発生する。バイオフィルムの形成は複雑なプロセスであり、光の利用可能性と微生物間の関係に依存している。バイオフィルムは、水中、陸上、極限環境でさまざまな役割を果たしており、これらの役割には、環境に有益な機能と有害な機能の両方が含まれる。これらの自然な役割に加えて、光合成バイオフィルムは、作物の生産と保護、バイオレメディエーション、廃水処理などの用途にも適応されています。[1] [2]
バイオフィルムの形成
バイオフィルムの形成は、細胞の付着、コロニーの形成、成熟、細胞の分散という4つの一般的なステップで起こる複雑なプロセスです。これらのフィルムは、厚さが数ミクロンから数センチメートルまでの範囲で成長します。ほとんどは緑色や茶色ですが、よりカラフルな場合もあります。[1]
バイオフィルムの発達は、微生物による細胞外高分子物質（EPS）の生成に依存しています。ゲルに似たEPSは、バイオフィルムの構造を提供するマトリックスであり、成長と機能に不可欠です。EPSは、多糖類、タンパク質、糖脂質などの有機化合物で構成されており、シルトやシリカなどの無機物質も含まれる場合があります。EPSはバイオフィルム内の細胞を結合し、下層の生物に光を伝達します。さらに、EPSは表面付着の接着剤として機能し、細胞外酵素による栄養素の消化を促進します。[1]
微生物の機能と相互作用も、コミュニティの健全性を維持するために重要です。一般的に、バイオフィルム内の光栄養生物は、バイオフィルムのプロセスと変換を仲介することで、コミュニティ全体の成長の基盤を提供します。化学従属栄養生物は、光栄養生物からの光合成廃棄物を炭素源と窒素源として使用し、コミュニティの栄養再生を実行します。[1] [2]さまざまなグループの生物は、光の利用可能性、酸素の存在、および種によって生成される酸化還元勾配に基づいて、明確な層に配置されています。 [2]バイオフィルム発達の初期段階での光曝露は、成長と微生物の多様性に大きな影響を与えます。より多くの光が利用可能であるほど、より多くの成長が促進されます。シアノバクテリアや緑藻などの光栄養生物はバイオフィルムの露出層を占め、下層は嫌気性光栄養生物と、細菌、原生動物、真菌などの従属栄養生物で構成されています。[1]外側部分の真核藻類とシアノバクテリアは光エネルギーを利用して二酸化炭素を還元し、有機基質と酸素を供給する。この光合成活動は、従属栄養分を含むバイオフィルムコミュニティ全体のプロセスと変換を促進する。また、マット内に酸素勾配を生み出し、ほとんどの嫌気性光栄養生物と化学栄養生物が上部で成長するのを阻害する。[2]
微生物間のコミュニケーションは、クオラムセンシングまたはシグナル伝達経路によって促進され、バイオフィルムを通して拡散する分子の分泌を通じて達成されます。これらの物質の正体は、それが分泌された微生物の種類によって異なります。[1]
バイオフィルムの形成に寄与する微生物の一部は特定できるが、多くの微生物は純粋培養法では増殖できないため、バイオフィルムの正確な構成を特定することは困難である。純粋培養法は培養不可能な微生物の特定には使用できず、光合成独立栄養生物と従属栄養生物の複雑な相互作用の研究には役立たないが、メタゲノミクス、プロテオミクス、トランスクリプトミクスの使用により、これらの培養不可能な微生物の特徴付けが促進され、バイオフィルムの分子メカニズム、微生物組織、相互作用に関する知見が得られている。[1]
エコロジー
光合成バイオフィルムは陸上および水中の表面に見られ、環境変動や極限環境にも耐えることができます。水生システムでは、バイオフィルムは岩や植物の表面に多く見られ、陸上環境では土壌、岩、建物に見られます。[1]光合成バイオフィルムと微生物マットは、温泉、[3]塩分濃度の高い池、[4]砂漠の土壌地殻、南極の湖の氷床などの極限環境で確認されています。微生物マットやストロマトライトなどの底生光合成生物群集の34億年前の化石記録は、これらの関連が地球最古の既知の生態系を表していることを示しています。これらの初期の生態系は、地球の大気中の酸素の蓄積に重要な役割を果たしたと考えられています。[5]
これらの微生物は、生息する環境の範囲に応じて、さまざまな役割を果たしています。水生環境では、これらの微生物は一次生産者であり、食物連鎖の重要な部分です。大気と海洋の貯留層の間で大量の栄養素とガスを交換するという重要な機能を果たします。陸上システムのバイオフィルムは、土壌の改善、浸食の軽減、植物の成長の促進、砂漠のような土地の再生に貢献しますが、建物や記念碑などの固体構造物の劣化を加速させることもあります。[1]
アプリケーション
人工湿地での廃水処理、バイオレメディエーション、農業、バイオ水素生産など、光合成バイオフィルムの応用に対する関心が高まっています。 [2]以下にいくつかを概説します。
農業
殺虫剤、肥料、食品ホルモンなどの農薬は、より高品質で多量の食品を生産し、作物を保護するために広く使用されています。しかし、バイオ肥料は、シアノバクテリアなどの微生物の成長を促進することで植物の発育と保護を支援する、より環境に配慮した方法として開発されました。シアノバクテリアは、植物の根に定着して炭素と窒素を供給し、二酸化炭素と窒素固定という自然な代謝プロセスを通じて植物に供給することで、植物の成長を増強することができます。また、シアノバクテリアは、有害な真菌、細菌、ウイルスに対する植物の防御を誘導する物質を生成することもできます。他の生物も、害虫や病気に対する植物の抵抗力を高める植物ホルモンなどの二次代謝産物を生成することができます。[1]農業環境で光合成バイオフィルムの成長を促進すると、土壌の質と保水性が向上し、塩分濃度が低下し、浸食から保護されます。[2]
バイオレメディエーション
シアノバクテリア、硫酸還元菌、好気性従属栄養菌などのマット内の生物は、油の生分解を通じて水系のバイオレメディエーションに役立ちます。[2]これは、炭化水素汚染物質から酸素、有機化合物、窒素を解放することによって達成されます。バイオフィルムの成長は、油、殺虫剤、除草剤を酸化し、銅、鉛、亜鉛などの重金属を還元することによって、他の汚染物質を分解することもできます。汚染物質を分解する好気性プロセスは日中に達成され、嫌気性プロセスはバイオフィルムによって夜間に実行されます。[1]さらに、最初の暴露時の汚染物質に対するバイオフィルムの反応は急性毒性を示唆するため、バイオフィルムは汚染のセンサーとして使用できます。[2]
廃水処理
バイオフィルムは、他のフロック材料と比較して、フロックまたは凝集体を形成するのが簡単なため、廃水処理施設や人工湿地で農薬や肥料を含んだ水を浄化するなどのプロセスに使用されています。[1] [2]廃水処理、特に栄養素の除去において光合成バイオフィルムを使用することには、他の多くの利点もあります。 生物は廃水から栄養素を隔離し、これを二酸化炭素と一緒にバイオマスを構築するために使用できます。 バイオマスは窒素を捕捉することができ、これを抽出して肥料生産に使用できます。[2]光合成バイオフィルムは成長が速いため、藻類バイオマスを使用する他の栄養素除去方法よりも栄養素の吸収が大きく、廃水池の表面で自然に生育するため収穫が容易です。[6]
これらの膜の光合成活性により、pHが上昇して溶解したリン酸が沈殿し、その後、これらのリン酸は同化によって除去されます。廃水のpHが上昇すると、大腸菌の存在も最小限に抑えられます。[2]
廃水処理における重金属の解毒も、これらの微生物によって、主にイオン交換、キレート化、吸着、拡散などの受動的なメカニズム（バイオソープション）を通じて達成できます。能動的なモードは生体蓄積として知られています。バイオソープションによる金属の解毒は、光の強度、pH、バイオフィルムの密度、重金属に対する生物の耐性などの要因によって影響を受けます。バイオソープションは効率的で安価なプロセスですが、バイオソープション後のバイオマスから重金属を回収する方法はまだ開発が必要です。[2]
廃水処理に光合成バイオフィルムを使用すると、エネルギー効率と経済性が向上し、さらにバイオ燃料に加工できる副産物を生産することができます。[1]特にシアノバクテリアはバイオ水素を生産することができ、これは化石燃料の代替品であり、再生可能エネルギーの実現可能な供給源になる可能性があります。[2]
参考文献
- ^ abcdefghijklmn バーティ、アーシャ;ヴェルムロウガン、クランダイヴェル。プラサンナ、ラダ (2017-12-01)。 「光栄養性バイオフィルム：多様性、生態学、および応用」。応用生理学のジャーナル。29 (6): 2729–2744。土井：10.1007/s10811-017-1172-9。ISSN 1573-5176。S2CID 25176474。
- ^ abcdefghijklmn Roeselers G、van Loosdrecht MC、Muyzer G (2007 年 6 月)。 「光合成バイオフィルムとその潜在的な応用」。応用生理学のジャーナル。20 (3): 227-35。土井：10.1007/s10811-007-9223-2。PMC 2668646。PMID 19396356。
- ^ Roeselers G、Norris TB 、 Castenholz RW (2007 年 1 月)。「北極の温泉の微生物マットにおける光合成細菌の多様性 (グリーンランド)」。環境微生物学。9 (1): 26–38。doi : 10.1111 /j.1462-2920.2006.01103.x。PMID 17227409 。
- ^ Sørensen KB、Canfield DE、Teske AP、Oren A (2005 年 11 月) 。「高塩分エンドエバポライト微生物マットのコミュニティ構成」。応用環境微生物学。71 (11): 7352–65。doi : 10.1128 / AEM.71.11.7352-7365.2005。PMC 1287706。PMID 16269778。
- ^ Hoehler TM、Bebout BM、Des Marais DJ (2001 年 7 月)。「初期地球における還元ガスの生成における微生物マットの役割」。Nature . 412 ( 6844 ): 324–7。Bibcode : 2001Natur.412..324H。doi : 10.1038/35085554。PMID 11460161。S2CID 4365775。
- ^ Guzzon, Antonella; Bohn, Andreas; Diociaiuti, Marco; Albertano, Patrizia (2008 年 10 月)。「廃水処理におけるリン除去のための培養光栄養バイオフィルム」。水研究。42 (16): 4357–4367。doi :10.1016/ j.watres.2008.07.029。PMID 18774156 。