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SDGsへの貢献のために
ミドリムシのさらなる活用が
​期待されています

SDGsとミドリムシ

SDGsとは

SDGとは、Sustainable Development Goals(時速可能な開発目標)の略で、2015年9月にニューヨークの国連サミットで採択された「持続可能な開発のための2030年アジェンダ」にて記載された2016年から2030年までの国際目標で、貧困、飢餓、気候変動等17項目に関連する169のターゲットからなります。

このSDGsの目標の中にはバイオテクノロジー分野の貢献できる課題が多数あり、日本バイオ産業人会議(JABEX)が2016年に公表した2030年を想定した「進化を続けるバイオ産業の社会貢献ビジョン」において、1,日本のバイオ関連技術が欧米諸国に遅れを取っていること、2,SDGs実現のための諸課題に対してバイオ分野が貢献しうること、3,各国がバイオエコノミー戦略を策定しバイオ産業の進行と社会課題解決の両立を目指していることを示し、日本においてもその必要性があると発表しました(文献1)。

バイオエコノミーという概念はSDGsの実現に向けて国際的に提唱されている概念であり、OECDは2030年のバイオ市場はGDPの2.7%に成長しうち4割を工業分野が占めると予想しており(文献2)バイオ経済を加速させる新たな風潮が形成されています。

バイオテクノロジー分野の技術革新とスマートインダストリー

経済産業省の産業構造審議会によると、今後バイオテクノロジー分野で進む大きな技術革新として、1,次世代シーケンサーを利用した大規模なゲノム解析、2,IT x AI(生物情報学)技術、3,ゲノム編集技術の三点が挙げられており、これらの技術によって高度に機能がデザインされ機能の発現が制御された生物細胞が今後のバイオテクノロジーで重要な役割を果たすと考えられています。この高度に発現が制御された生物細胞を「スマートセル」とよび、スマートセルを利用した産業軍を「スマートセルインダストリー」と呼びます(文献3)。

スマートセルインダストリーと国内バイオマス資源の開発促進

スマートインダストリーによってSDGsを実現する方法として、バイオテクノロジーを活用した国内のバイオマス生産に適した生物種の育種や改変が挙げられます。国内バイオマス資源として特に有望視されているのがミドリムシを始めとした微細藻類であり(文献3)、当チームでは世界で初めて高効率なミドリムシのゲノム編集技術を開発しています(文献4)。この技術により、遺伝子機能の解析などの基礎研究の推進や、有用物質生産能を向上させた株の分子育種をはじめ、目的に応じたミドリムシの作出が可能になり、これらを応用することでミドリムシ由来のバイオ燃料の運用が実現可能になると考えています。これはSDGsの目標の一つである「エネルギーをみんなにそしてクリーンに」という目標に貢献する非常に重要なテーマです。

現在のミドリムシの産業利用と今後の展望

2005年に株式会社ユーグレナにより、大量培養したユーグレナを食品素材として供給できるようになりました。これにより私達はパラミロンをはじめとするユーグレナ由来の有用な成分の恩恵を受けることが可能になり、食品だけでなく化粧品や飼料など幅広い分野でのミドリムシの利用が実現しています。今後は、食用としてのさらなる有用性の追求や、先程述べたバイオ燃料の製造、更には医療環境改善などへのミドリムシのさらなる活用が期待されます。

バイオ燃料としての微細藻類の利用

SDGsのターゲットの一つである「気候変動に具体的な対策を」を達成するためには、石油資源から代替燃料への切り替えが重要です。現在、世界の人口は2050年には97億人超になるなど急激な人口の増加が予想されており [UNIC, 2019]、天然の石油は人口増加による消費率を満たすには不十分であると言われています。さらに化石燃料の使用は温室効果ガスの排出とその結果としての地球温暖化をもたらすため、クリーンなエネルギーの開発が現在重要な課題となっており、様々な生物資源を燃料として活用した取り組みが行われています。

実際に、米国ではバイオ燃料に関する政策として2012年にバイオエタノールを15%含有しているE15という燃料がEPAにより承認を受け (EPA, 2012)、現在公道で走っている90%の車両がE15による走行を承認されています [RFA, 2017]。また、2020年からエタノールの含有量を更に引き上げるほか、高エタノール混合ガソリンの販売を巡る規制撤廃を目指しています (RFA, 2015)。米国のバイオエタノールはほとんどがトウモロコシから作られていますが、トウモロコシは食用や飼料としての既存の用途と競合する可能性があります。また、サトウキビに関しても同様の問題が懸念されているため、大体のバイオ燃料が必要とされています。またEUでは温暖化対策としてバイオ燃料の使用を促進するため、2009 年に「再生可能エネルギー指令(RED)」により輸送用燃料に混合するバイオ燃料の割合を 2020年までに10%以上とする義務的目標を設定しました (EU, 2009)。しかし、2015年にはバイオ燃料用作物の栽培のために耕地面積の拡大によって温暖化が進行する可能性があることを考慮し、廃油の再利用などを含む非食用作物由来のバイオ燃料の使用を推進するためにREDⅡとして改正が行われています [EU, 2019]。このように、バイオ燃料の普及のためには、食用などの他用途との競合や生産に伴う温暖化の進行の回避が必要です。

微細藻類由来のバイオ燃料は穀物由来のバイオエタノールで懸念されている食料や飼料等との競合問題を回避可能かつ卓越した光合成能力を持つため、化石燃料の代替となるバイオ燃料として非常に有望です。微細藻類由来の主なバイオ燃料は、バイオディーゼル、バイオエタノール、バイオ水素、バイオガスです (Cuellar-Bermudez, 2014)。特に藻類由来のバイオディーゼルは第三世代のバイオ燃料として注目されており、硫黄および粒子状物質の排出量を削減しながら石油ディーゼルに匹敵する性能をもっていることが示されています (Miao, 2006)。また、一般的な微細藻類の脂質は乾燥重量の20-50%であり (Zhipeng Chen, 2018)、穀物からの油の抽出と比較して非常に高い効率を実現する可能性があります。さらに、微細藻類のCO2固定能力は高等植物と比較して10-50倍高く [Langley, 2012]、微細藻類は廃水に存在する高い窒素に耐性があり、リンの除去能力の高さも示されています (Molazadeh, 2019)。さらに、養豚場の廃水に二酸化炭素を添加することによって光合成効率と生産性が高くなることが実証されています (Chaudhary, 2018)。養豚で生じる廃水はpHが高くCO2の割合が少ないため、多くの微細藻類ではCO2の添加によってバイオマスの生産に最適なpHとCO2濃度になり、生産性が向上することが知られています [Ayre, 2017]。また、多くの微細藻類は穀物と異なり一年中生産可能であるため微細藻類は従来の穀物由来のバイオディーゼルよりも高い生産性をもつ可能性があります。

バイオディーゼルは、触媒存在下で微細藻類の脂質から遊離脂肪酸(FFA)のエステル化とエステル化した遊離脂肪酸をメタノールまたはエタノールにエステル交換することによって生産できます (Sánchez-Bayo, 2019)。微細藻類油由来のバイオディーゼルの生産にはいくつかの課題があり、微細藻類の脂質の抽出方法、微細藻類油からのバイオディーゼルの生産方法、微細藻類バイオディーゼルの燃焼特性及びその性能と燃焼課題の観点から研究が行われています。

微細藻類からの油抽出については、バイオマスが湿っていることによる乾燥コストや他のバイオマスと比較した時の抽出効率の低さなどが挙げられおり (Mofijur, 2019)、微細藻類から抽出した脂肪酸からバイオディーゼルを生産するためには、脂肪酸のエステル化の工程が必要です。従来エステル化の工程には酸触媒が用いられていましたが、この方法は高コストなだけでなく、反応後処理などのプロセスにも欠点があります (Carrero, 2015)。近年では生体触媒を利用してより低いエネルギーコストを実現しています。Candida antarcticaのリパーゼB(CalB)と細菌Pseudomonas cepaciaのリパーゼ(PC)を1:3で混合したリパーゼ生体触媒用いることで、湿潤状態のバイオマスから、従来の高コストでエネルギー集約的な段階を必要とせずに、脂肪酸エチルエステル(FAEE)の生産が可能であることが示されました。


また、微細藻類由来のバイオディーゼル内燃機関に関する研究も行われており、微細藻類バイオディーゼルはディーゼルと比較してエンジンの排出量は減少しますがNOxの排出量はわずかに増加する事が知られています (Haik, 2011)。一方、ブタノールの添加によってエンジン出力がわずかに減少しますがNOx排出も減少しCO及びNOxの排出量と煙の不透明度が改善されることが示されています (Tüccar, 2013)。今後微細藻類を第三のバイオ燃料として普及していくためには、バイオディーゼルの生産コストを下げるための投資や研究と、微細藻類由来のバイオディーゼルの内燃機関に関する研究が必要と考えられます。

 
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