研究内容

排水の生化学的、新窒素除去反応―Anammoxの解明

1995年、オランダのデルフト大学の研究グループが、酸素を必要とせず、アンモニア（NH₄⁺）と亜硝酸（NO₂^-）から脱窒素反応（嫌気性アンモニア酸化、Anammox反応）を行う化学独立栄養細菌を発見しました。

Anammox反応： NH₄⁺ ＋ NO₂^- → N₂

それ以降、世界中でAnammox細菌の集積が試みられ、日本でも熊本大学大学院の古川教授がAnammox細菌の集積に成功しました。Anammox反応を利用した排水処理は、従来型の硝化・脱窒法に比べ低コストで排水中の窒素（アンモニア態窒素）除去が可能なため、経済的な窒素除去プロセスへの応用が活発に行われています。

Anammox細菌は金属含有タンパク質、特にヘムタンパク質を豊富に含んでおり（図1、図2）、Anammox反応にもこれらのタンパク質が関わっていると考えられています。

図1. Anammoxリアクタ（50 L）の外観と経時変化（赤色はAnammox細菌のヘムタンパク質の色である）

図2. 疎水カラムクロマトグラフィーによるKSU-1株のヘムタンパク質の分離パターン
（青色、赤色のピークがそれぞれタンパク質、ヘムタンパク質を表す。
KSU-1株のタンパク質の主要ピークのほとんどがヘムタンパク質であることが分かる）

当研究室では、Planctomycete KSU-1株のAnammox反応に関わる以下の金属含有タンパク質について、生化学的性質の解析、立体構造の解析を行っており、Anammox反応機構の全容解明を目指しています。

NIR（nitrite reductase）
Anammox反応の基質の一つである亜硝酸（NO₂^-）を一酸化窒素（NO）へ還元する。KSU-1株では、他のAnammox細菌の鉄型NIRとは異なり、銅型のNIRが働いていることを明らかにしました（Hira et al., 2012）。
HZS（hydrazine synthase）
Anammox反応の基質の一つであるアンモニア（NH₄⁺）とNOからヒドラジン（N₂H₄）を合成する。
NaxLS（heterodimeric cytochrome c complex）
KSU-1株に豊富に含まれ、また還元されにくい特徴を持つAnammox細菌に特異的なタンパク質であることを明らかにしました（Ukita et al., 2010）（図3）。

HZO（hydrazine oxidizing enzyme）
Anammox反応の最終段階のN₂H₄から窒素ガス（N₂）への脱窒を触媒する。我々が世界で初めて単離・精製し、その遺伝子配列を明らかにしました（Shimamura et al., 2007）。
HAO（hydroxylamine oxidoreductase）
HZOと同様にN₂H₄からN₂への脱窒を触媒すると考えられている（図4）。

さらに、Anammox細菌が嫌気性細菌でありながら、溶存酸素除去を行っていない排水でもAnammoxによる窒素除去処理が阻害されないことが多いことから、比較的強い酸素耐性機構を持っていると予想し、その解明も行っています。