「碳中和+可持续发展」京大-利用光合作用细菌实现碳氮双循环

新闻概要：

在京都大学，NEDO，Spiber株式会社，JST等多部门的产学研项目中，成功开发了一种海洋性红色光合成细菌的高效培养法，并对其应用领域确立进行了各方面的评价。不仅确认了该细菌可以在海水中通过光合作用固定二氧化碳和氮气外（图1），更把该细菌的应用拓展到制造纺线，氮肥，饲料等领域。

图1.培养红色光合成细菌的样子

通过红色光合成细菌的光合作用固C，固N，研究人员确认了其三种应用场景，以实现碳的0排放和可循环 社会 ( 图2 )。

①制作蛋白质纤维

②进行氮肥生产

③鱼饲料生产

图2.利用海洋性红色光合成细菌，固C固N，实现资源循环 社会

应用场景①：

通过基因编辑，向光合成细菌内导入蜘蛛蛋白合成DNA片段，用来制作蛋白质纤维

概要：廉价且可大量生产的化学纤维是由石油等化石资源合成的，从制造到废弃的过程中会排放大量的二氧化碳。然而，红色光合细菌能够固定大气中的二氧化碳和氮。这一次，我们成功培育出一种通过基因重组技术，组合蜘蛛丝蛋白的海洋红色光合细菌。不仅如此，我们建立了一种有效培养海洋红色光合细菌的方法，并通过从细菌中提取和精炼一部分的蛋白，成功地进行了纤维化。合成的蛋白质纤维可以在不依赖化石资源作为主要原材料的情况下，在固定二氧化碳的同时，还能够生产作为化学纤维的代替品（高附加价值），有望为可持续的下一代纤维工业做出贡献。

图3. 导入蜘蛛纺线DNA片段，不仅利用海洋性红色光合成细菌进行固氮，固碳，还通过收集细菌中的部分蛋白进行纺线处理。

波及效果：成功生产出基于海洋红色光合细菌的环保蛋白纤维。作为一种可持续的，纤维制取方法，有望为下一代纺织行业做出贡献，以取代迄今为止一直是主流的石油化学纤维。未来，通过扩大海洋红色光合细菌的培养规模，将有可能扩大该蛋白纤维的生产和制造。今后会继续推进产学研，打造成为区域性资源循环的示范据点。

应用场景②：通过海洋性红色光合成细菌进行氮肥生产

概要：氮是农用肥料的三大元素之一，氮肥主要是通过化学合成(哈伯法)。高温高压的反应条件，让氮肥的制造过程中排放大量的CO2。上文中提到，海洋性红色光合成细菌可以直接固定大气中的CO2和氮气。我们通过建立一种高效的海洋性红色光合成细菌的培养法，并通过自己的工艺制备氮肥。成分分析结果表明，在其中含有10%左右甚至更多的氮，该含量的氮足以支持植物生长。以海洋性红色细菌为基础的氮肥生产，是一种作为代替化学肥料的，可持续的，有机肥料生产法(图4)。

图4. 红色光合成细菌肥料的过程，化学成分表，以及肥料效果实验（上）；红色光合成细菌肥料与传统化学肥料的效果对比实验（下）

波及效果：通过以海洋性红色细菌为基础，成功生产了环境友好型氮肥。有望作为，现阶段主流的哈伯法氮肥生产的候补制造法，为下一代农业的普及和发展做出贡献。未来，通过扩大海洋红色光合细菌的培养规模，不仅为地区性的农业普及和发展尽力，更通过产学研的体制，打造成为区域性资源循环的示范据点。

应用场景③：通过海洋性红色光合成细菌进行鱼饲料生产

成果总结：鱼类和贝类的养殖离不开稳定的饲料供应。目前，鱼粉作为许多水产养殖饲料被广泛使用。但是近年来，由于作为该鱼粉的原料的天然鱼的捕捞量不稳定以及燃料成本等成本问题，鱼粉供应紧张。这次使用的海洋性红色光合细菌可以通过利用大气中的二氧化碳和氮气作为原料，进行代谢增殖。我们通过建立一种高效的海洋性红色光合成细菌的培养法，在此过程中，我们利用红色光合细菌储存的光合代谢产物、蛋白质、氨基酸等，并通过自己的工艺制备了水产养殖试验饲料。

图5. 红色光合成细菌饲料和市贩饲料的成分对比，以及养殖效果对比

波及效果：这次，我们成功地利用红色光合细菌生产了一种0碳释放的水产养殖饲料。目前，除了青鳉鱼以外，我们还在外部养殖试验场进行了与川萩鱼等的饲养试验，未来我们计划进行更广泛的鱼类和贝类的饲养试验。通过扩大利用空气中的深红色光合细菌的可持续水产养殖饲料原料的生产，并将其作为饲料原料的新选择进行传播，我们将推动下一代水产养殖的传播。期待通过产学研的体制，打造成为区域性资源循环的示范据点。

用语解释：

海洋性红色光合细菌：

大约有1-2微米大，赤红色的椭圆身躯，非硫磺型红色光合成细菌。在近红外的作用下，可以利用二氧化碳进行非氧气释放的光合成。还能够通过固氮酶，固定大气中的氮气用来生长发育。