「さび」を取り除く細菌で、海洋の炭素除去を加速できるか

海洋細菌に、鉱物の「さび」を取り除かせる――。ハーバード大学のWyss Instituteなどの研究チームは、海洋に広く分布する細菌 Alteromonas macleodii を遺伝子改変し、鉄を結合する分子「シデロフォア」を、鉄が不足していない状態でも作り続けるよう設計した。狙いは、かんらん石の表面にできる酸化鉄の被膜を取り除き、鉱物の溶解を持続させることだ。2

かんらん石のようなケイ酸塩鉱物が海水中で溶けると、海水のアルカリ度が高まり、大気中の二酸化炭素（CO₂）が溶存重炭酸イオンへ移行する化学反応を支えられる。Wyss Instituteは、この仕組みを微生物による「バイオ風化」と位置づけ、炭素回収への応用を目指している。3

鍵は、鉄を感知する仕組みを切り離すこと

通常、細菌は周囲に十分な鉄があると感知すると、シデロフォアの生産を抑える。今回のアプローチでは、この鉄感知によるフィードバック制御とシデロフォア生産を切り離し、より大量かつ継続的に分子を作る株を設計したと説明されている。2

提供された資料には、変更された具体的な遺伝子や調節配列までは記載されていない。そのため、特定の遺伝子構築を断定するよりも、「鉄応答性の制御を再プログラムした」と表現するのが適切だ。

かんらん石が溶解すると、鉱物表面から鉄が放出される。その鉄が酸化すると、比較的溶けにくい被膜となって新しい鉱物表面を覆い、反応を妨げる。シデロフォアは鉄と結合して溶液中に保ちやすくするため、この被膜を実質的に“除錆”し、海水が新しいかんらん石に接触できる状態を保つと考えられている。

Alteromonas 属がこの用途の候補となる背景には、同属の細菌が海水中に広く分布し、表層から深海までさまざまな環境で見つかっていることがある。1718

バイオリアクターで示されたこと

研究では、海水を連続的に供給するeVOLVERリアクターで改変細菌を試験した後、パイロット規模の岩石・海水バイオリアクターでも検証した。提供された研究概要によれば、改変システムは関連する対照条件と比べ、かんらん石の溶解速度を約2.6倍に高めた。また、パイロット装置では大気中CO₂を1日あたり約0.5グラム除去したとされる。

これは、微生物による鉄のキレート化と海洋ケイ酸塩風化を、制御された工程のなかで組み合わせられる可能性を示す初期的な実証だ。一方で、鉱物1単位あたりの除去量、必要なエネルギーや海水量、運転費、商業規模での性能を示すものではない。改変細菌を海へ放出しても安全かつ有効だと証明した結果でもない。

本当に「差し引きマイナス」になる条件

この技術を評価する際、細菌の遺伝子改変だけに注目することはできない。ライフサイクル評価では、少なくとも次の工程に伴う排出量と資源消費を数える必要がある。

• かんらん石などのケイ酸塩鉱物の採掘と粉砕
• 処理場所までの鉱物輸送
• リアクター、タンク、池などの建設・運転
• 海水のくみ上げと処理
• 細菌の培養や維持、栄養分の供給
• 生成物の分離と、実際に除去された炭素の監視・測定

提供された概要では、結論は条件付きとされている。エネルギーと資材の投入が十分に低炭素で、なおかつ鉱物が投入分の排出を上回る速度で溶解する場合に限り、システム全体として正味の炭素除去になり得るという見方だ。

つまり、実用性を左右するのは微生物工学だけではない。鉱物資源と海水を近接させ、低炭素電力を使い、粉砕や送水を抑え、通常の海水化学でも起きるCO₂吸収と、新たに追加された除去量を区別できる測定方法を整える必要がある。

拡大に向けた3つの可能性

開放型・半閉鎖型の海水池

研究チームは、完全に制御されたリアクターに代わる低コストの選択肢として、開放型または半閉鎖型の海水池に言及している。自然な海水の流れや海洋環境を利用できれば、設備や送水にかかる負担を減らせる可能性がある。

ただし、開放系では制御が難しくなる。改変細菌やシデロフォアが最終的にどうなるのか、細胞の封じ込めや回収、希釈、在来微生物との競争、栄養分の需要、生態系への影響を検証しなければならない。追加的なアルカリ度とCO₂除去を継続的に確認する仕組みも必要だ。Alteromonas が海洋環境に広く存在することを踏まえると、環境安全性は特に重要な論点になる。1718

地域で調達できる鉱物

実験ではかんらん石が使われているが、どの地域でも最も経済的な原料になるとは限らない。将来は、鉱物組成や汚染物質、輸送距離、溶解速度が条件を満たす場合に限り、鉱山廃棄物や産業副産物を含む、地域で入手しやすいケイ酸塩資材が検討対象になり得る。

ただし、安価な資材がそのまま優れた炭素除去資材になるわけではない。採掘、破砕、微量金属の溶出、輸送に伴う排出量をすべて含めて評価する必要がある。

金属回収を副産物にできるか

シデロフォアは鉄を動員するだけでなく、他の金属とも相互作用する可能性がある。そのため、適切な鉱物原料を選べば、炭素除去と有価金属の回収を組み合わせられる可能性もある。

副産物としての収益が実現すれば経済性を改善できるかもしれないが、分離・精製、汚染管理、許認可といった新たな工程も必要になる。現時点の資料が示しているのは将来の可能性であり、商業的な収益源が実証されたわけではない。

実用化前に答えるべき問い

制御された実験から先へ進むには、少なくとも次の点を明らかにする必要がある。

• 改変形質が長期の連続運転で安定するか
• 複雑な天然海水の微生物群集で、細菌がどのように振る舞うか
• 改変細菌とシデロフォアをどのように封じ込め、あるいは除去するか
• 栄養分と電力のコスト、ならびにそれらの炭素強度はどの程度か
• 鉱物ごとに問題となる金属や汚染物質が放出されないか
• 追加的なアルカリ度と、長期的な大気中CO₂除去を独立に測定できるか

したがって、報告された「溶解2.6倍」と「1日0.5グラムのCO₂除去」は、初期段階の工学的なベンチマークとして捉えるのが妥当だ。提供された資料には、A. macleodii に多量のシデロフォアを作らせ、海洋での炭素除去に利用するという中心的な発想は示されている。しかし、Nature Biotechnology掲載論文の全文や、ライフサイクル評価の手法・前提を独立に再構成できるだけの詳細までは含まれていない。23

この研究が示す大きな教訓は、微生物工学が鉱物風化のボトルネックを解消する助けにはなっても、それだけで正味の炭素除去を保証するわけではないということだ。最終的な評価を決めるのは、適した鉱物を低炭素エネルギーで処理し、改変生物を封じ込め、除去量を測定し、環境面でも受け入れられる完全なシステムを構築できるかどうかになる。