連続的な酸化還元サイクルにおける不安定な生物地球電池としての磁鉄鉱ナノ粒子
鉄（Fe）は地球上で最も豊富な元素の一つであり、土壌や堆積物中に広く存在し、地球規模の炭素、窒素、酸素の循環に関与しています。鉄の酸化還元反応は、特に鉄酸化と鉄還元の過程において、生物地球化学的循環において重要な役割を果たしています。鉄鉱物、特に混合価態の鉄鉱物（例えば磁鉄鉱）は、その高い表面積と酸化還元活性により、環境中の栄養素や汚染物質の移動と変換に影響を与えることができます。近年の研究では、磁鉄鉱ナノ粒子（MNPs）が微生物の電子供与体および受容体として機能し、「生物地球電池」として微生物駆動の酸化還元循環において電子を蓄積および放出することが明らかになりました。しかし、磁鉄鉱ナノ粒子が連続的な酸化還元循環においてどの程度安定であり、鉱物の完全性と性質にどのような影響を与えるかはまだ不明です。
本研究は、磁鉄鉱ナノ粒子が連続的な酸化還元循環において生物地球電池として機能する可能性を探り、その鉱物特性の変化および環境中の汚染物質や栄養素への影響を研究することを目的としています。微生物駆動の酸化還元循環実験を通じて、著者らは磁鉄鉱ナノ粒子が長期の酸化還元過程において溶解および再結晶する現象、およびこれらの過程が環境中の鉄代謝微生物に与える影響を明らかにしました。
論文の出典
この論文は、Timm Bayer、Natalia Jakus、Andreas Kappler、James M. Byrneによって共同執筆され、それぞれドイツのテュービンゲン大学、スイスのローザンヌ連邦工科大学、イギリスのブリストル大学に所属しています。論文は2024年5月7日に『Geo-Bio Interfaces』誌に掲載され、タイトルは『Magnetite Nanoparticles are Metastable Biogeobatteries in Consecutive Redox Cycles Driven by Microbial Fe Oxidation and Reduction』です。
研究の流れ
1. 磁鉄鉱ナノ粒子の合成
研究ではまず、改良されたPearce法を用いて磁鉄鉱ナノ粒子を合成しました。具体的な手順は、無酸素条件下でFe溶液とNH4OH溶液を混合し、磁鉄鉱粒子を生成することです。合成された磁鉄鉱は、複数回洗浄された後、pH 7の炭酸水素塩緩衝液に懸濁されました。
2. 微生物の培養
研究では、硝酸塩還元鉄酸化菌KSと鉄還元菌Geobacter sulfurreducensの2種類の微生物を使用しました。KS菌は硝酸塩を含む培地で7日間培養され、G. sulfurreducensは酢酸塩を含む培地で5日間培養されました。培養が完了した後、菌液は混合され、その後の実験に使用されました。
3. 実験設計
実験は大容量（1リットル）と小容量（50ミリリットル）の2種類の反応瓶で行われ、それぞれ炭酸水素塩緩衝液、磁鉄鉱ナノ粒子、硝酸塩が含まれていました。KS菌が反応瓶に添加され、対照群には等量の緩衝液が添加されました。反応瓶は無酸素条件下で密封され、定期的にサンプリングが行われ、地球化学的および鉱物学的分析が実施されました。
4. 酸化還元循環
実験では、2つの完全な酸化還元循環が行われ、各循環はKS菌駆動の酸化段階とG. sulfurreducens駆動の還元段階で構成されました。各酸化還元段階の終了後、磁鉄鉱ナノ粒子は微生物を除去するために洗浄され、次の循環のために新しい培地と微生物が追加されました。
5. 地球化学的分析
実験中、定期的にサンプルを採取し、遠心分離して上清と沈殿物を分離しました。沈殿物は硫酸で分解され、上清は溶解した鉄、硝酸塩、酢酸塩の濃度を測定するために使用されました。鉄の総濃度とFe(II)/Fe(III)比はFerrozine法で測定されました。
6. 磁性測定
KLY-3磁化率計を使用して、反応瓶内の磁鉄鉱ナノ粒子の磁化率変化を測定し、酸化還元過程における磁鉄鉱の磁性変化を評価しました。
7. 鉱物学的分析
メスバウアー分光法、X線回折（XRD）、走査型電子顕微鏡（SEM）、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）などの技術を用いて、異なる酸化還元段階後の磁鉄鉱ナノ粒子の鉱物組成と形態変化を分析しました。
主な結果
1. 磁鉄鉱ナノ粒子の酸化還元循環
実験結果は、磁鉄鉱ナノ粒子が2つの連続した酸化還元循環において生物地球電池として成功裏に機能したことを示しました。KS菌駆動の酸化段階では、Fe(II)/Fe(III)比が初期の0.43から0.29に減少し、KS菌が磁鉄鉱ナノ粒子中のFe(II)を酸化したことが示されました。G. sulfurreducens駆動の還元段階では、Fe(II)/Fe(III)比が0.29から0.75に増加し、G. sulfurreducensが磁鉄鉱ナノ粒子中のFe(III)を還元したことが示されました。
2. 磁性の変化
磁性測定の結果、磁鉄鉱ナノ粒子は酸化段階で磁化率が低下し、還元段階で磁化率が上昇しました。第2酸化段階での磁化率変化（-8.7%）は、第1酸化段階（-3.9%）よりも大きく、還元後の磁鉄鉱ナノ粒子がより酸化されやすいことが示されました。
3. 鉱物学的分析
メスバウアー分光法とXRD分析により、還元段階で磁鉄鉱ナノ粒子が部分的に溶解し、Fe(II)鉱物である藍鉄鉱（vivianite）として再結晶することが明らかになりました。SEM画像は藍鉄鉱の形成をさらに確認し、磁鉄鉱ナノ粒子と藍鉄鉱の間の密接な接触を示しました。
4. 長期酸化還元循環の影響
実験では、酸化還元循環が進むにつれて、磁鉄鉱ナノ粒子の安定性が徐々に低下し、一部の磁鉄鉱ナノ粒子が溶解して藍鉄鉱に変換されることが明らかになりました。これは、長期の酸化還元循環が磁鉄鉱ナノ粒子の消耗を引き起こし、環境中の生物地球化学的機能に影響を与えることを示しています。
結論
本研究は、磁鉄鉱ナノ粒子が連続的な酸化還元循環において生物地球電池として機能する可能性を初めて明らかにし、微生物駆動の酸化還元過程における溶解および再結晶現象を証明しました。研究結果は、磁鉄鉱ナノ粒子が環境中の鉄代謝微生物の電子供与体および受容体として機能し得るが、その長期安定性は酸化還元循環に大きな影響を受けることを示しています。この発見は、環境中の鉄循環の動的過程を理解し、磁鉄鉱ナノ粒子の汚染物質修復や栄養素移動への応用において重要な意義を持ちます。
研究のハイライト
- 磁鉄鉱ナノ粒子の連続酸化還元循環における安定性を初めて体系的に研究：長期実験を通じて、磁鉄鉱ナノ粒子が微生物駆動の酸化還元循環において溶解および再結晶する現象を明らかにしました。
- 磁鉄鉱ナノ粒子が生物地球電池として機能する可能性を明らかに：磁鉄鉱ナノ粒子が微生物の電子供与体および受容体として機能し得るが、その長期安定性は酸化還元循環に大きな影響を受けることが示されました。
- 藍鉄鉱の形成を発見：鉱物学的分析により、磁鉄鉱ナノ粒子が還元段階で部分的に溶解し、藍鉄鉱として再結晶することが確認され、環境中の鉄鉱物の変換過程を理解する上で重要な意義を持ちます。
研究の価値
本研究は、磁鉄鉱ナノ粒子の生物地球化学的循環における役割を深く理解するだけでなく、磁鉄鉱ナノ粒子の環境修復や汚染物質処理への応用において新たな視点を提供します。研究結果は、磁鉄鉱ナノ粒子が長期の酸化還元循環において徐々に溶解することを示しており、実際の応用においてはその長期安定性と環境影響を考慮する必要があることを示唆しています。