静岡理工科大学紀要
5 1
ダイオキシン類汚染土壌から分離された微生物の特徴について
I s o l a t i o n and C h a r a c t e r i z a t i o n o f a f l l n g u s from a d i o x i n ‑ c o n t a m i n a t e d s o i l
惣 田 呈 夫 へ 今 井 絵 理 奈 州 、 古 市 徹 * 枇
IkuoSOUTA
へE r i n a
恥W**and T h o r u FURUICHI***
A b s t r a c t
A f l l n g a l i s o l a t e from a d i o x i n ‑ c o n t a m i n a t e d s o i l sample was c h a r a c t e r i z e d f o r i t s a b i l i t y t o d e g r a d e t h e d i o x i n ‑ l i l
王ec o m p o l l n d 3 C I ‑DD and l i g n i n . The f o l l o w i n g became c l e a r . 1 ) L i g n i n was d e c o l o r i z e d by 90% a f t e r 3 days o f c u l t u r e . 2 ) Based on t h e a n a l y s i s o f 288 rDNA
,t h e fungus was i d e n t i f i e d a s A
伊e l i g i l l u s f a . ponik a . . 3 ) D l l r i n g t h e same t i m e p e r i o d , t h e 五 mgali s o l a t e was a b l e t o d e g r a d e 20% o f t h e 1 0 0 ppm 3CI‑DD p r e s e n t i n t h e c u l t u r e medium.
1 .
はじめにダイオキシン類は、ポリ塩化ジベンゾーパラージオキシン
( P C D D )
とポリ塩化ジベンゾフラン( P C D F )
に加え、コプ ラナーポリ塩化ビフェニノレ( C o ‑ P C B s )
の三種類の化合物 の総称である。異性体が多く、そのうち毒性のあるものはPCDD
では7 5
種類中7
種類、PCDF
は1 3 5
種類中1 0
種類、PCB209
種類中Co‑PCB
は1 3
種類とされている。最も毒性の 強し、異性体は、2
,3
,7
,8‑TCDDである。ダイオキシン類は、
量的に少ない量で急性毒性を示し、長期摂取により発ガン、
成長抑制、生殖毒性などの慢性毒性も示す特異的な化学物 質
1 )
である。ダイオキシン類の主な発生源は、有機塩素系農薬等の製 造過程や、塩素漂白や塩素殺菌の過程、廃棄物の焼却燃焼 過程、過去に生産された化学物質である。中でもゴミ焼却 による発生が多いとされ、現在では排出抑制基準が設けら れ発生量は減少し大気中のダイオキシン濃度は低くなっ ているが、解体された焼却場の適正な処理が行われなかっ たこと等により、これらのダイオキシン汚染土壌等の無害 化処理は現在でも課題となっている。
2010
年3
月5
日受理* 理 工 学 部 物 質 生 命 科 学 科 制 理 工 学 部 物 質 生 命 科 学 科 卒 業 生 州*北海道大学大学院工学研究科
本研究では、厚木飛行場周辺の焼却施設から排出されたダ イオキシン類により汚染された土壌のバイオレメディエ ーションの実験を行い、ダイオキシン類が減少しているラ イシメータ
‑2)
から、ダイオキシン分解薗の分離を試みた。リグニン分解菌はダイオキシン類を分解
3
,4
,5
,ω
するという 報告があることから、分離した薗がリグニンと三塩素化ダ イ オ キ シ ン で あ る3
,7‑threechlor
吋ibenzo‑p‑Dioxin ( 3 C l ‑ D D )
の分解の特徴を調べた。また分離した分離菌の薗 種の同定も行った。2 実験方法
2 . 1
ダイオキシン分解菌の分離と培養条件厚木飛行場周辺のダイオキシン汚染土壌を用いバイオ レメディエーションの実験を行いダイオキシン類の減少 が認められた土壌
19
を生理食塩水9ml
に溶かし、その上 清1ml
をリグニン培地20ml
の入った50ml
の遠沈管に入 れ、室温で1
週間、150rpm
で援とう培養した。1
週間後、ジグニン脱色が確認されたサンプルから
1mlをどフェニ
ール200ppmの入った LB
平板培地に入れ30
0C
で培養し た。ピフェニールが分解され黄色くなった培地に生育した 菌をリグニン培地20ml
に一白金耳植薗し、同じく室温で1
週間,150rpm
で振とう培養した。リグニンの脱色を確認 された培地をダイオキシン分解薗とした。リグニン培地組5 2
成は、リグニン
O .1 9
、グルコース1.0g
、K2HP04 O . l g
、(NH4) 804 0 . 2 g
、Mg804'7H20 O . l g
、NaCIO.2g
、CaC03 0 . 2 g
,微量塩類溶液0.lm
l(Fe804
・7H20O . O l g
,MnCb
・4H20 0 . 0 1 g
,Zn804
・7H20 0.01g/100m
l)である。2 . 2
リグニン脱色と菌数の測定リグニン培地
20ml
を50ml
遠沈管に入れ培養し、その 1.0ml
をマイクロチューブに取り、12000rpm
で1 5
分間 遠心分離した。上清0.5ml
は、4
倍稀釈した後480nm
で 透過率を測定し、リグ、ニンの脱色の変化を測定した。また、混釈法により菌数を測定した。シャーレに稀釈水
l m l
とツ アベックドックス寒天培地を加え、3 0
0C
で1
週間培養した。培養後コロニー数をカウントし、菌数を求めた。
2 . 3
ダイオキシン類分解試験本分解試験では
3CI‑DD
を使用した。リグ、ニンの脱色試験 で脱色が確認できたサンフ。ルから1ml
をリグニン培地に 入れ再度4‑6
日間前培養した。リグ、ニンを除いたリグ、ニン 培地25ml
の入った遠沈管に各々5ml
ずつ分注した。この 遠沈管の最終濃度が各々1ppm
、10ppm
、100ppm
となる よう3CI‑DD
を添加し、3
種類の試料を作成し、3
日間25
0C
,150rpm
で援とう培養した。2
.4抽出方法2
.4. 1
分解代謝物の抽出7
、8 )
培養後、培地液を
50ml
共栓試験管に移し、塩酸を加えpH2
とした。この試料を酸性抽出画分とした。抽出は、酢酸エチノレ
10ml
を入れ約5
分間接とう後、軽く遠心し、酢酸エチル層を分取した。これを
2
回繰り返した。次に分 取した酢酸エチル層を無水硫酸ナトリウムで脱水し、1 ml
以下に濃縮した。2
.4. 2
ダイオキシン類抽出9
、1 0 )
酢酸エチルで抽出した後の培地を水酸化ナトリウムで 中性に戻し、中性抽出面分とした。抽出は、トルエン
10ml
を入れ約5
分間振とうし、トルエン層を分取した。これを2回繰り返した。次に有機物の分配のため、硫酸を用いて
トルエン層を洗浄した。この洗浄は、硫酸層の黄色の着色 が呂で確認できなくなるまで、行った。硫酸処理したトルヱ ン層は蒸留水で2
回洗浄した。さらに無水硫酸ナトリウムVo
1.18 . 2 0 1 0
で脱水後、濃縮し1ml
に定量した。2
.4. 3
回収率の測定権菌していない水
20ml
およびリグニン培地20ml
より ダイオキシン類の抽出を行った。3CI‑DD
分解試験においても培養後の培地に内部標準物質 として1 3 C
でラベルした2
,3
,7 ・ 3CI‑DD
を添加し、回収率 を求めた。2 . 5
分析条件GC‑M8
分析言十 島津製QP‑5050A
型を用いて分析した。分析条件は以下の通りである。
カラム
DB‑5 (0.22mm x 30m)
キャリアガスHe
1.3m
l/min
インターフェイス:250
0C 3CI‑DD
代謝物分析のGC
条件:昇温条件:
100 o C
,1 min h o l d
、1 0 0 ' " " ' ‑ ' 2 5 0
0C/10 o C/min
、250
0C 5min h o l d
測定モード:Scan
3CI‑DD
定量分析のGC
条件 昇温条件:1 0 0
0C
、1min h o l d
、1 0 0 ' " " ' ‑ ' 250
0C
lOo C/min 250
0C 5min h o l d
測定モード:SIM
SIM
測定イオン:2 8 6 . 9 5 2 9 8 . 0 0
2 . 6 8DS‑PAGE
法1 1 、 1 2 ) 2 . 6 . 1
酵素の抽出培養
8
日目の培地液20ml;
を2000rpm
で1 0
分間違心分 離し、上清と沈殿物に分けた。上清は、使搾型ウルトラホ ルダーで、5ml
以下になるまで濃縮した。沈殿した菌体は、ピーだピーターで
1 0
分間破砕した後 メンブレンフィルター( 0
.45μm)
付きマイクロチューブ を用いて10000rpm
、1 0
分間遠心を行い、溶液を濃縮した。2 . 6 . 2 SDS‑PAGE
の作成BIO‑RAD
製を使用し、以下の組成でγ
ノレを作製し、50
静岡理工科大学紀要
m A
で電気泳動し、染色、脱色を行なったc11%
アクリル アミドゲ、ルの組成は以下の通りである。アクリルアミド
3 . 7 m l
L5M
トリス2.5ml
10%8D8 O . l m l
イオン交換水4
.4ml
テトラメチルメチレンジアミン0.012ml
AP8 O.lml
2 . 7
分解菌の同定1 3
、1 4 )
2 . 7 . 1
光学顕微鏡による形態観察ダイオキシン分解酵素を出すカビをツアベックドック ス液体培地にて、
150rpm
で3
日間振とう培養し、ベレツ ト状の菌体をプレパラートに乗せ、光学顕微鏡により観察 した。2 . 7 . 2 SEM
による形態観察ダイオキシン分解酵素を出すカビをツアベックドック ス平板培地で
30
0C
、1
週間ほど培養し、8EM(J8M'5400
、日本電子)により観察した。
観察試料は、真銭試料台に培養したカビを両面テープで 目占り、
FINE COAT (JFC'
1l00E
、 日本電子) で5
分間金 蒸着した。2 . 7 . 3 DNA
解 析1 5 )
ポテトデキストロース寒天培地「ダイゴ
J
(日本製薬、東京)で
25
0C
、3
日間培養した菌株を用いてDNeasyp l a n t Mini Ki t(Q1AGEN
,Hilden
,Germany)
によりDNA
を調整し,これをテンプテートとしてプライマ‑
NLl
,NL2
,NL3
及 びNL4(Donnell
,1 9 9 3 )
でPCR
を 行 っ た 。AB1 PRI8M3100 G e n e t i c Analyzer 8ystem
でシークエンスを行い、国際塩基性配列データベースで相向性検索を行っ た。
3 .
実験結果3 . 1
リグ、ニン分解菌の分離リクcニ ン 分 解 用 培 地 に ダ イ オ キ シ ン 類 含 有 土 壌 サ ン プ ルを入れ培養したところ、リグ、ニンが分解され脱色が確認
5 3
されたc この試料を3
回ほど集積培養し、その中から1
種 類の、リグニンを分解する菌が分離され、8 I ' 2 0 0 0
とした。3 . 2
リグニン脱色と菌増殖の測定リグニン脱色と菌増殖の測定結果を図 lに示した。 図 1 より菌数は、培養開始から 3日間で
1 0 8
を越え、定常期と なった。 リグニンの脱色は菌の増殖からやや遅れて 3~6日目に活性が高くなった。リクマニン脱色率は、
8R
で90%
となった。培養8日後の脱色の写真を図 2に示した。
1
問「きl.
E+08 3
色ふ百
主l.E+07 E e
i~ t
,E+06 S
OS
.lE+05
0
23 4
56 7
80 $
i ‑ l j D
8
図 l リグニンの脱色率と菌増殖の関係
.Lignin degradated rate.Bacteria numbe l ' s
8
日間培養後図
2 8
日 後 の81.2000
株 に よ る リ グ ニ ン の 脱 色3 . 3
ダイオキシン類分解試験3 . 3 . 1
好気的分解試験8 1 ' 2 0 0 0
を用いて、1
,1 0
,100ppm
の3
種類入った3Cl.DD
分解試験を行った。分解能力の検定を行うため3日間測定
した結果を図
3
に示した。3Cl.DD
濃度が1ppm(5μg
含 有)の場合,3
日目でGCM8
のT1C
の3Cl.DD
のピークが検 出されなくなった。10ppm(
同50μg)
で、は約70%(35μg)
、5 4
100ppm
では約20%
の減少率(100μg)
で、あった。100 ま 80
)
活
ω 60
、 ー
c o
5 4 0
山幸0
2・ ? 20
。
d a y s
図3 3 CI‑DD
の濃度の違いによる分解の経時変化3 . 3 . 2
回収率測定ダイオキシン類抽出におけるロスを換算するため、回収 率の測定を行った。植菌していない水
20ml
およびリグニ ン培地20ml
よりダイオキシン類の抽出を行った結果、水 からはほぼ100%
、リグニン培地からは90%
回収できた。また、
3CI‑DD
分解試験においても培養後の培地に内部 標準物質として1 3 C
でラベルした2
,3 . 7 ‑ 3 C I ‑ D D
を添加し たところ、約80%
の回収率であった。Vo 1 . 1 8
,2 0 1 0
いるリグニンベルオキ乙ダ ゼは
22kDa
、PheB
は35kDa
、 ラッカーゼは53kDa
と判明しているc これらの位置にバ ンドが認められたQ3 . 5
分解菌の同定3 . 5 . 1
顕微鏡観察1 5 )
光学顕微鏡で観察した菌の写真を図
5
に示したコまた、8EM
で撮影した菌全体の写真を図6
に示した。図
5
顕微鏡による8 1 ‑ 2 0 0 0
図6
電子顕微鏡による菌糸と 胞子顕微鏡による観察で菌糸が、
8EM
では菌体の長さ約250 3 . 4
リグ、ニン分解酵素の8 D 8 ‑ P A G E I 6 . 1 7 )
μm 、胞子は 3~4μm と確認された。また、胞子は突起状リ グ ニ ン の 脱 色 を 行 う 菌 の 酵 素 を 確 認 す る た め の球形をしていた。
8D8‑PAGE
を図4
示した。細胞内と細胞外濃縮液を泳動3 ‑ 5 . 2 DNA
解析及び系統樹1 5
、1 6 )
した。細胞内濃縮液に
20
近くのバンドが確認された。こ288R‑DNA
の解析を行った。解析した結果、A s p e r i g i l u s
のうち22kDa
,35kDa
、53kDa
、57kDa
,90kDa
の位置 ]apOnlCa 近縁種の糸状菌であった。その系統樹を図7
に にバンドが確認された。リグ、ニン分解酵素として知られて 示した。図
4 8 1 ‑ 2 0 0 0
の酵素の8DS‑PAGE
4 .
考 察分離菌のリグニン分解試験の結果では、
1 0
日間でリグ、ニ ンの茶褐色を分解・脱色することがわかった。リグ、ニンの濃度が
100ppm
程度に下がると、肉眼ではほ ぼリグニンの茶褐色の色は確認できなくなるが、実験開始 時 リ グ ニ ン の 濃 度 が1000ppm
の培地が、1 0
日後には123.8ppm
まで低下し、脱色がはっきりと目視されたc
こ の結果から菌数の増加は早く、リグ、ニン脱色は遅れていることから、脱色するのは菌の生成した酵素、リグニンペル オ キ シ ダ ← ゼ 等
1 2 )
に よ る 分 解 で あ る と 推 測 さ れ たc
8DS‑PAGE
でも22kDa
の位置に酵素の存在が認められて静悶理工科大学紀要
いる。
リグPニンは製紙・パルプ工業における廃液に多く含まれ、
河川の泥濁を引き起こし問題となっている。今回分離した 菌種はリク、、ニンを効率よく分解することから、本菌を利用 するならリグニン廃液を効率よく分解処理
1 2 )
出来るので はないかと思っている。3CI‑DD
の各濃度の分解試験では、濃度によって分解率 が異なっている。一般に化学物質の分解は存在する酵素量 に比例することから3CI‑DD
の分解量は菌が生産した酵素 量 に よ っ て 決 定 さ れ る 。 培 地 中 の 含 有 濃 度 が500μg
(100ppm)
と多いほど分解率は20%
と低いが分解量は100μg
と多い。高濃度の方が菌の活性を高め分解酵素生 産量を多くしているようである。トーーー→
0 . 0 0 5
A s p e r g l l l u s a c u J e a l l l s U28829 A s p e r g i l l l l s ; a p o n i c u s U28823 2 1 I A s p e r g
伽J
叩a pan
削 , 町 叩eA s p e r g l f l u s j a p o n i c
口U$U28826 6 2 JAsP 吋 H
町 中o n i c u sU2
回2 5 Asperg
iIJl l s j a p o n i c
lt.s U28828
65L A s p e r g i l i l l s j a p o l l i c u s U28827
A s p e r g i l l l l s c o r b o n a r i u s AF459732 A s p e r g i / l u s c o r b o n a r i u s AF459734
A s p e r g i l l l l s j 1 a v i p e s A Y216668 A s p e r g i l l u s
f1o ¥ '
U$AF454160
図
7 A s p e r i g i l u s j a p o n i c a S I ‑ 2 0 0 0
の系統樹菌の活性は、添加された化学物質の量や毒性によっても 異なる。本菌株を有効利用する場合、酵素の活性化条件は 重要となる。コンカイ}
8D8‑PAGE
は8
日目の分解終了時の培 養液の泳動であることから確認されたバンドが薄いもの となっている。今後さらに検討し、酵素類の解析を進めた5 5
いと考えている。
また、一般にダイオキシン類の分解では中間代謝物
10 , 17 , 1 8 )
が生成する。GC‑M8
で3CI‑DD
分解と分解代謝物 を調べたが、予想される開環前の中間代謝物は確認されな かった。そのため本分解菌による分解代謝経路を確定でき なかった。しかし、リグニンベルオキシダーゼやラッカー ゼ等の酵素を含む培養液によるダイオキシン類を分解し た報告6 , 1 2 )
によると関環前の分解物がわずかながら検出さ れることや本試験でも開環後の代謝物と思われるベンゼ ン化合物が確認されたことから、本菌株による3CI‑DD
の 分解が行われたものと推測している。菌種の同定では、光学顕微鏡による形態観察で糸状菌と 確認された。糸状菌は、カピと呼ばれ糸状の菌糸を伸ばし て生育し、胞子を形成する。
8EM
写真では萄糸と胞子嚢、胞子が確認され、顕微鏡 では菌糸などが見られた。これらの結果から糸状菌と確認 された。また、本菌株の288 r ‑ DNA
の解析と系統樹作成に より Aξp e l i g i r u s j a p o n I k a
の近縁穏と判明してし、る。本 菌株は有害性の少ない菌種であると考えている。5 ̲
まとめダイオキシン汚染土壌からダイオキシン分解菌として 分離した分解菌
8 1 ‑ 2 0 0 0
の特徴を調べた。 以下のことが 明らかとなった。1
)分離菌8 1 ‑ 2 0 0 0
によりリグニン分解が確認された。2 ) 8 1 ‑ 2 0 0 0
株による3
塩素化ダイオキシンの分解が確認 された。3)培養液中からリグニン及びダイオキシン分解酵素とし て知られているリグニンベルオキシゲ、ナーゼとラッカ
ーゼのバンドが認められた。
4 ) 8 1 ‑ 2 0 0 0
株は、288r‑DNA
の解析からA 申 e l i g i r u s j a p o n I k a
の近縁種の糸状菌と同定された。6̲
謝辞本研究は平成
1 7
年度環境省廃棄物処理等科学研究費の 援助で実施した。また遺伝子の解析で(株)テクノスルガ (静岡市清水区)の援助をいただいた。併せて感謝します。5 6
7.
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、 学会出版センター( 2 0 0 2 )
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金 山 望 他:A
ξp e r g i l l u sten
・' e u s LD‑l
の生産するVo 1 . 1 8
,2 0 1 0
アルカリ性リグ、ニンベルオキシダーゼの精製と詩性質、環 境技術、