電極呼吸するGeobacter sulfurreducensバイオフィルムによるパラジウムナノ粒子の合成

研究背景

現代の産業および環境科学において、パラジウム（Pd）は重要な触媒として、製薬、農業、化学工業などで広く利用されています。しかし、従来のパラジウムナノ粒子（Pd NPs）の合成方法は、高エネルギーを消費する化学的および固相合成技術に依存しており、これらの方法はコストが高く、有害な化学廃棄物を生成するという問題があります。そのため、より持続可能で環境に優しいパラジウムナノ粒子の合成方法の開発が重要な研究課題となっています。

近年、電活性微生物（例えばGeobacter sulfurreducens）は、有機電子供体を酸化し、外部の固体鉱物や電極表面に電子を伝達する能力があるため、注目を集めています。この微生物は、電極表面にバイオフィルムを形成するだけでなく、可溶性金属イオン（例えばパラジウムイオン）を還元し、金属ナノ粒子を合成することができます。電活性微生物を利用したパラジウムナノ粒子の合成は、生理的な温度、圧力、pH条件下で行うことができ、従来の方法で発生する有害な廃棄物を回避できるため、重要な科学的および応用的価値を持っています。したがって、Geobacter sulfurreducensバイオフィルムを利用して電極上でパラジウムナノ粒子を合成する方法の研究は、重要な意義を持っています。

論文の出所

この論文は、Marko S. Chavez、Magdalene A. Maclean、Nir Sukenik、Sukrampal Yadav、Carolyn Marks、およびMohamed Y. El-Naggarによって共同執筆され、研究チームは米国南カリフォルニア大学（University of Southern California）の物理学および天文学科、生物科学科、化学科に所属しています。論文は2024年12月11日に『ACS Biomaterials Science & Engineering』誌に掲載され、タイトルは「Synthesis of Palladium Nanoparticles by Electrode-Respiring Geobacter sulfurreducens Biofilms」です。

研究のプロセスと結果

1. バイオフィルム培養と電気化学的活性のテスト

研究の第一段階では、嫌気性電気化学反応器内でGeobacter sulfurreducensバイオフィルムを培養しました。研究者は、グラファイト電極と金インタージギテーテッドアレイ（IDA）電極を作業電極（WE）として使用し、クロノアンペロメトリー（Chronoamperometry, CA）を用いてバイオフィルム形成過程における電流変化を監視しました。電流の生成は、バイオフィルムの成長と細胞活性の指標として使用されました。電流が安定状態に達した後、研究者はサイクリックボルタンメトリー（Cyclic Voltammetry, CV）スキャンを実施し、パラジウム添加前のバイオフィルムの電気化学的活性を評価しました。

結果は、バイオフィルムが電極上に数十マイクロメートルの厚さの電流生成層を形成し、電流密度は約1 mA/cm²に達することを示しました。CVスキャンは、バイオフィルムが電極上で電子を伝達する際に、Geobacter sulfurreducensの外膜シトクロムを介していることを示し、これは既知の細胞外電子伝達（Extracellular Electron Transfer, EET）メカニズムと一致しています。

2. パラジウムイオンの添加と還元

バイオフィルムが形成され、ピーク電流に達した後、研究者は反応器に0.5 mMのNa₂PdCl₄溶液を添加し、バイオフィルムが可溶性パラジウムイオンを還元する際の電気化学的活性を研究しました。誘導結合プラズマ発光分光法（ICP-OES）を用いてパラジウムイオン濃度の変化を監視した結果、バイオフィルムは24時間以内に添加されたパラジウムイオンを完全に還元することがわかりました。一方、対照実験（バイオフィルムのない培地と電極）では、パラジウムイオン濃度は一定のままでした。

さらに、CVスキャンにより、パラジウムイオンの添加により電流が著しく減少したものの、バイオフィルムは依然として部分的に電子伝達能力を保持していることが確認されました。これは、Geobacter sulfurreducensバイオフィルムが電極呼吸とパラジウムイオン還元を同時に行えることを示しています。

3. パラジウムナノ粒子の合成と特性評価

バイオフィルム局所でのパラジウムナノ粒子の形成を確認するため、研究者は走査型電子顕微鏡（SEM）およびエネルギー分散型X線分光法（EDS）を用いて電極上のバイオフィルムを分析しました。SEM画像は、パラジウムナノ粒子が白色の球体としてバイオフィルム表面に不均一に分布していることを示しました。EDSスペクトルは、パラジウム元素の存在をさらに確認し、バイオフィルムが実際に局所的にパラジウムナノ粒子を合成できることを示しました。

パラジウムナノ粒子の形態と分布をより詳細に研究するため、研究者は透過型電子顕微鏡（TEM）および走査型透過電子顕微鏡（STEM）をEDSと組み合わせて使用しました。TEM画像は、パラジウムナノ粒子がバイオフィルム表面だけでなく、バイオフィルム内部にも浸透していることを示し、パラジウムイオンがバイオフィルムの深部に拡散し、細胞によって還元されることを示唆しています。粒子サイズ分析は、パラジウムナノ粒子の平均直径が4-5.5 nmであることを示しました。

4. バイオフィルムの回復と再利用

パラジウムイオン還元後、研究者は培地交換実験を行い、バイオフィルムの電気化学的活性が回復するかどうかを評価しました。結果は、培地交換後、バイオフィルムの電流生成能力が著しく回復したことを示し、パラジウムイオンの添加がバイオフィルムに長期的な毒性影響を与えなかったことを示唆しています。この発見は、バイオフィルムが複数のパラジウムイオン還元実験で再利用可能であることを示しています。

結論と意義

この研究を通じて、研究者は初めてGeobacter sulfurreducensバイオフィルムが電極呼吸を行いながら可溶性パラジウムイオンを還元し、バイオフィルム局所でパラジウムナノ粒子を合成できることを実証しました。この発見は、電活性微生物が金属イオン還元およびバイオミネラリゼーション分野で応用される可能性を拡大し、新しい細胞-ナノ粒子バイオマテリアルの開発に新たな視点を提供しました。

科学的価値と応用の展望

1. 持続可能なナノ材料合成：電活性微生物を利用したパラジウムナノ粒子の合成は、温和な条件下で行うことができ、従来の方法における高エネルギー消費と有害廃棄物の発生を回避するため、環境に優しい利点があります。

2. バイオフィルム局所材料形成：バイオフィルム局所でのパラジウムナノ粒子合成は、独特の電子伝達および触媒特性を持つハイブリッド材料の構築の可能性を提供します。この材料は、触媒、環境修復、エネルギー貯蔵などの分野で広範な応用が期待されます。

3. バイオフィルムの再利用：研究は、Geobacter sulfurreducensバイオフィルムがパラジウムイオン還元後も電気化学的活性を回復できることを示しており、バイオフィルムが複数のパラジウムイオン還元実験で再利用可能であることを示唆しています。これにより、この技術の経済性がさらに向上します。

研究のハイライト

1. 初めて電極呼吸するバイオフィルムでパラジウムナノ粒子を合成：これまでの研究とは異なり、この研究は初めて電極呼吸するGeobacter sulfurreducensバイオフィルムでパラジウムナノ粒子の合成を実現し、バイオフィルムがナノ材料合成において持つ独特の利点を示しました。

2. 学際的な研究方法：研究は、電気化学、分光法、電子顕微鏡など、さまざまな技術を組み合わせることで、バイオフィルムがパラジウムイオン還元およびナノ粒子合成において果たす役割を包括的に明らかにしました。

3. 潜在的な環境応用：バイオフィルム局所でのパラジウムナノ粒子合成を通じて、研究者はこの技術が環境修復（例えば重金属除去）や触媒回収における潜在的な応用価値を示しました。

まとめ

この研究は、電活性微生物がナノ材料合成において持つ新たな可能性を示すだけでなく、より持続可能で環境に優しいナノ材料合成方法の開発への道を開きました。将来的には、バイオフィルムパターニング技術と遺伝子工学を組み合わせることで、このプロセスをさらに最適化し、複雑な幾何学的形状と機能を持つハイブリッド材料を開発し、エネルギー、環境、材料科学における微生物技術の応用を推進することが期待されます。