温和な環境で働く人工脱窒触媒

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微生物の仕組みに学ぶ環境浄化技術

2018/03/29 理化学研究所

要旨

理化学研究所(理研)環境資源科学研究センター生体機能触媒研究チームの中村龍平チームリーダー、何道平国際プログラムアソシエイトらの国際共同研究チームは、微生物の脱窒酵素[1]を模倣した人工触媒を開発し、高効率で亜硝酸イオンを窒素に無害化することに成功しました。

人口増加に伴う過度な窒素肥料[2]の利用により、環境汚染が深刻化しています。窒素肥料に含まれる窒素酸化物[3]は、水に溶けやすい性質を持つため、地下水や河川へ流入し、飲料水の汚染、湖沼の富栄養化や赤潮発生の原因になります。そのため、環境への排出が厳しく規制されています。窒素酸化物を除去する方法として、微生物が持つ脱窒反応[4]が利用されています。脱窒反応は硝酸イオンや亜硝酸イオンを還元することで窒素分子にして無害化し、大気に放出します。しかし、微生物を用いた排水処理には大掛かりな装置が必要になります。また、高濃度の硝酸イオンを処理することが難しいなどの問題点があります。

今回、国際共同研究チームは、微生物が行う脱窒反応の仕組みに着目し、完全に人工物で構成される脱窒触媒の開発に取り組みました。その結果、酸素を含むモリブテン硫化物から構成される触媒が、温和な環境で、亜硝酸イオンを窒素分子にまで変換する能力を持つことを見いだしました。この触媒開発のカギとなったのが、「電子とプロトン(水素イオン)の移動のタイミングを意図的にずらす」という新しい概念です。これにより、溶液のpHを変えるだけで選択性を向上させ、世界最高レベルの選択性(13.5%)を達成しました。

今後、窒素生成に対する選択性をさらに高めることで、微生物処理技術と並び新たな脱窒技術としての利用が期待できます。また、廃液からアンモニアを合成する新しい技術としての展開も考えられます。

本研究は、米国の科学雑誌『Journal of the American Chemical Society』に掲載されるのに先立ち、オンライン版(1月17日付け:日本時間1月18日)に掲載されました。

※国際共同研究グループ

理化学研究所 環境資源科学研究センター 生体機能触媒研究チーム
チームリーダー 中村 龍平(なかむら りゅうへい)
国際プログラムアソシエイト 何 道平(ヘ ダオピン)

上海交通大学
教授 金 放鳴(ジン ファンミン)

韓国基礎科学研究院
主任研究員 Sun Hee Kim(スン ヒ キム)

背景

窒素肥料の耕作地への過剰な散布により、農地から溶け出した窒素酸化物が引き起こす環境破壊が深刻化しています。窒素肥料のみならず、家畜の糞尿や生活排水にも窒素酸化物が含まれており、これらが湖沼や沿岸域に蓄積すると富栄養化や赤潮発生の原因になります。また、地下水への流出は、井戸水の汚染につながるため、環境への流出は厳しく規制されています。

現在、窒素酸化物を無害化する方法として、微生物が持つ脱窒反応を利用した排水処理技術が用いられています。微生物は、脱窒代謝により、毒性の高い硝酸や亜硝酸を、高い選択性で窒素分子へと変換することができます。しかし、微生物を用いた排水処理には大掛かりな装置が必要になります。また、微生物が生育できない高濃度の硝酸イオンや亜硝酸イオンを含む廃液などを、処理できないという問題があります。そのため、微生物が行う脱窒反応を人工触媒により代替する試みが行われてきました。しかし、人工の脱窒触媒には白金などの高価な貴金属を使う必要があります。また、反応を起こすためにはpH1以下の強酸性条件が必要であるなど、費用的な面や環境負荷の大きさという点で問題がありました。

研究手法と成果

国際共同研究チームはまず、人工の脱窒触媒を開発するにあたり、微生物が行う脱窒反応の仕組みに着目しました。土壌などに生息する微生物は、4種類の異なる酵素を用い、硝酸イオン(NO3)から亜硝酸イオン(NO2)、亜硝酸イオンから一酸化窒素(NO)、一酸化窒素から一酸化二窒素(N2O)、そして最後に一酸化二窒素から窒素分子(N2)を作り出します(図1)。微生物は、このような多段階反応を、鉄(Fe)や銅(Cu)、そしてモリブテン(Mo)などの元素を酵素の活性中心に用い、脱窒反応を選択的かつ温和な条件で進行させます。

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