概要
微生物由来のナノ構造制御鉄酸化物の革新的機能創出
身近な自然界に生息する鉄酸化細菌が地下水が湧き出る場所で作る微生物由来酸化鉄（“BIOX”）は、これまで不要廃棄物とみなされてきたが、我々はこれをエコな機能材料として注目し、その科学的特徴解明と機能開拓の独創的研究を行ってきた。その結果、このBIOXがFe, Si, Pを主成分とし、直径約3nmの1次ナノ非結晶粒子から構成された特異な形態（チューブ状やリボン状状）を有した有機・無機ハイブリッド構造体であり、人工合成が困難な材料であることを初めて見出した。さらに、驚くことに、これらが現在の人工材料を遥かに凌駕する数々の機能を有することを発見した。例えば、これに固定化した化学触媒の高活性化、ヒト細胞への高親和性、Liイオン２次電池の負極特性、この加熱材の新規赤色顔料の色特性などが挙げられる。
また我々は、鞘状酸化鉄を作る鉄細菌“OUMS1”の単離・培養に成功した。さらに、単離菌OUMS1を用いることによって、今まで不明であったBIOXの形成初期過程を解明に初めて成功した。つまり、最初にOUMS1が分泌する有機物の鞘が形成された後に、その有機物鞘に水中の鉄分が酸化鉄として沈着し、酸化鉄鞘を形成する。
本プロジェクトでは、このような成果を基盤として、材料科学、微生物学、電気化学、バイオテクノロジー、触媒化学、計算科学といった異分野融合体制のもとに、人工的に化学組成やナノ構造を制御した次世代エコ材料を創り出し、革新的機能を創出することを目指す。
“Iron-oxidizing bacteria” produce extracellular, uniquely-shaped microsheaths or fibrous bundles comprised of iron oxides as major components [named “Biogenous iron oxides (BIOX)”] ubiquitously in natural hydrosphere at ambient temperature. Although BIOX has been generally recognized as unnecessary wastes, we assumed it to have unfound industry-worthy functions and thus have continued to study their scientific characters and potentials fit to industrial purposes. Our careful and enthusiastic studies revealed that BIOX matrix had (i) the amorphous state, (ii) the organic/inorganic hybrid comprised of primary particles (ca 3 nm diameter), (iii) Fe, Si and P as the major compositional elements, (iv) inorganic elements linked via oxygen It is extremely noteworthy that BIOX has a far superior potential (large capacity etc.) as an anode material of Li-ion battery to that of broadly-used carbon anode. In addition, BIOX exhibits amazingly broadly-ranged functions over currently-used materials: (i) higher catalytic potential, (ii) higher affinity to human cells, and (iii) brighter color property. All these characters are far beyond those of artificially synthesized iron oxides. We place our hopes and expectations on the eco-friendly, nontoxic, low-cost BIOX as a fascinating functional material for the next generation.
Detailed studies of an isolated strain of one type of the bacteria led us to succeed to reveal the incipient mechanism of BIOX formation in that extracellular secretion of bacterial polymers triggers deposition and binding of aquatic inorganics such as Fe, Si, and P to result in the unique organic/inorganic hybrid.
To fully harness these functions for broad industrial applications, this collaborative study encompasses material science, electrochemistry, catalytic chemistry, computational science, microbiology, biotechnology, with high hopes and expectations for developing this eco-friendly, nontoxic, low-cost, fascinating BIOX into beneficial materials for the next generation.
メンバー表
| Ⅰ．岡山大学 | 高田潤、菅誠治、妹尾昌治、依馬正、藤井達生、難波徳郎、紅野安彦、豊田和弘、林秀考、中西真、光藤耕一、水谷昭文 ＜専任スタッフ＞ 久能均（非常勤講師）、鈴木智子、石原博通、橋本英樹、中塚大輔、豊田啓子 |
|---|---|
| Ⅱ．京都大学 | 高野幹夫、山本真平、林直顕 |
| Ⅲ．三重大学 | 今西誠之、平野敦、武田保雄 |
業績
平成２４年度業績
Ⅰ．原著論文発表
- Hideki Hashimoto, Tatsuo Fujii, Shinji Kohara, Hiroshi Asaoka, Yoshihiro Kusano, Yasunori Ikeda, Makoto Nakanishi, Yasuhiko Benino, Tokuro Nanba, Jun Takada “Amorphous structure of iron oxide of bacterial origin” Materials Chemistry and Physics vol. 137, pp.571?575, 2012 (DOI:10.1016/j.matchemphys.2012.10.002)
- Hideki Hashimoto, Atsushi Itadani, Tatsuo Fujii, Makoto Nakanishi, Hiroshi Asaoka, Yasuhiro Kusano, Yasunori Ikeda, Yasushige Kuroda, Jun Takada, “Nano?micro-architectural composites with acid properties: Magnetic iron oxides/amorphous silicate prepared from iron oxide produced by iron-oxidizing bacterium, Leptothrix ochracea” Materials Research Bulletin vol. 48, pp.1174?1177, 2013 (DOI:10.1016/j.materresbull.2012.12.022)
- Hideki Hashimoto, Atsushi Itadani, Takayuki Kudoh, Yasushige Kuroda, Masaharu Seno, Yoshihiro Kusano, Yasunori Ikeda, Makoto Nakanishi, Tatsuo Fujii, Jun Takada, “Acidic amorphous silica prepared from iron oxide of bacterial origin” ACS Applied Materials & Interfaces vol. 5, pp.518-523, 2013 (DOI:10.1021/am302837p)
- Hiromichi Ishihara, Tomoko Suzuki, Hideki Hashimoto, Hitoshi Kunoh, and Jun Takada. “Initial parallel arrangement of extracellular fibrils holds a key for sheath frame construction by Leptothrix sp. strain OUMS1” Minerals vol. 3, pp.73-81, 2013 (10.3390/min3010073).
- 木村倫康, 橋本英樹, 宮田直幸, 仁科勇太, 草野圭弘, 池田靖訓, 中西真, 藤井達生, Ivo Safarik, Mirka Safarikova, 高田潤,「微生物が作るマンガン酸化物の加熱処理による結晶構造と微細構造の変化」, 粉体および粉末冶金, Vol.60, No.3, pp.92-99, 2013.
Ⅱ．特許関係
- 国内出願：１件