バイオレメディエーション：特性、種類、長所と短所 - 生物学 - 2025

バイオレメディエーションは土壌や水中の汚染物質を除去するために、細菌、微生物、菌類、植物および/または単離された酵素の代謝機能を使用して、バイオテクノロジー衛生のセットです。

微生物（細菌および真菌）および一部の植物は、無害または無害になるまで、さまざまな汚染物質および有毒な有機化合物を生体内変化させることができます。それらは、一部の有機化合物をメタン（CH ₄）や二酸化炭素（CO ₂）などの最も単純な形態に生物分解することさえできます。

図1.流出油による環境汚染、後にバイオレメディエーションで処理出典：commons.wikimedia.org

一部の微生物や植物は、重金属などの有毒な化学元素を環境内（in situ）で抽出または固定化することもできます。有毒物質を環境に固定化することにより、それはもはや生物に利用できなくなり、したがってそれらに影響を与えません。

したがって、毒性物質のバイオアベイラビリティを低下させることも、環境からの物質の除去を意味するものではありませんが、バイオレメディエーションの一形態です。

現在、地表水と地下水、汚泥、汚染土壌のバイオレメディエーションなど、経済的で環境への影響が少ない（または「環境にやさしい」）技術の開発に対する科学的および商業的関心が高まっています。

バイオレメディエーションの特徴

バイオレメディエーション可能な汚染物質

バイオレメディエーションが行われた汚染物質の中には、重金属、放射性物質、有毒有機汚染物質、爆発性物質、油由来の有機化合物（多環芳香族炭化水素またはHPA）、フェノールなどがあります。

バイオレメディエーション中の物理化学的状態

バイオレメディエーションプロセスは微生物や生きている植物またはそれらの分離された酵素の活性に依存するため、バイオレメディエーションプロセスでの代謝活性を最適化するために、適切な物理化学的条件を生物または酵素システムごとに維持する必要があります。

バイオレメディエーションプロセス全体を通じて最適化および維持される要素

-環境条件下での汚染物質の濃度とバイオアベイラビリティ：高すぎると、生物変換能力を持つ同じ微生物に有害となる可能性があるため。

-湿度：水の利用可能性は、無生物生物触媒の酵素活性だけでなく、生物にとっても不可欠です。一般に、バイオレメディエーションが行われている土壌では、相対湿度12〜25％を維持する必要があります。

-温度：適用された微生物の生存および/または必要な酵素活性を可能にする範囲内でなければなりません。

-生体利用可能な栄養素：目的の微生物の成長と増殖に不可欠です。炭素、リン、窒素、およびいくつかの必須ミネラルは主に制御する必要があります。

-水性媒体の酸性度またはアルカリ性またはpH（媒体中のH ⁺イオンの測定）。

-酸素の利用可能性：ほとんどのバイオレメディエーション技術では、好気性微生物が使用され（たとえば、堆肥化、バイオパイル、土地農業など）、基質の通気が必要です。しかし、嫌気性微生物は、実験室で非常に制御された条件下（バイオリアクターを使用）でバイオレメディエーションプロセスに使用できます。

バイオレメディエーションの種類

適用されるバイオレメディエーションバイオテクノロジーには次のものがあります。

生体刺激

生物刺激は、汚染された環境に既に存在する微生物（自発性微生物）のin situ刺激で構成され、汚染物質をバイオレメディエーションすることができます。

その場での生体刺激は、所望のプロセスが起こるように物理化学的条件を最適化することによって達成されます。とりわけ、pH、酸素、湿度、温度、および必要な栄養素の追加。

バイオオーグメンテーション

バイオオーグメンテーションは、実験室で成長したそれらの接種材料の追加のおかげで、興味のある微生物（好ましくは自発性）の量を増やすことを含みます。

続いて、対象の微生物がその場で接種されたら、微生物の分解活性を促進するために、物理化学的条件を最適化する必要があります（生物刺激など）。

バイオオーグメンテーションを適用するには、実験室のバイオリアクターでの微生物培養のコストを考慮する必要があります。

生体刺激と生体増強の両方を、以下に説明する他のすべてのバイオテクノロジーと組み合わせることができます。

堆肥化

堆肥化は、汚染された材料を、植物または動物の育種剤および栄養素が補充された汚染されていない土壌と混合することで構成されます。この混合物は、間隔をあけて最大3 mのコーンを形成します。

コーンの下層の酸素化は、機械を使用してある場所から別の場所に定期的に移動することによって制御する必要があります。湿度、温度、pH、栄養素などの最適な条件も維持する必要があります。

バイオパイル

バイオパイルを使用したバイオレメディエーション技術は、以下を除いて、上記の堆肥化技術と同じです。

• 植物または動物由来の育種剤の欠如。
• ある場所から別の場所への移動による曝気の排除。

バイオパイルは同じ場所に固定されたままで、パイプのシステムを介して内部層に通気されます。その設置、運用、保守のコストは、システムの設計段階から考慮する必要があります。

土地農業

「ランドファーミング」と呼ばれるバイオテクノロジー（英語からの翻訳：土地の耕作）は、汚染された物質（泥または堆積物）を広い範囲の汚染されていない土壌の最初の30 cmと混合することから成ります。

土壌の最初の1センチメートルでは、曝気と混合により汚染物質の分解が促進されます。これらの作業には、プラウトラクターなどの農業機械が使用されます。

土地農業の主な欠点は、それが必然的に食糧生産に使用できる大きな土地を必要とすることです。

ファイトレメディエーション

ファイトレメディエーションは、微生物および植物支援バイオレメディエーションとも呼ばれ、植物や微生物を使用して、地表水または地下水、汚泥、土壌中の汚染物質の毒性を除去、制限、または低減する一連のバイオテクノロジーです。

ファイトレメディエーション中に、汚染物質の分解、抽出、安定化（バイオアベイラビリティの低下）が発生する可能性があります。これらのプロセスは、根圏と呼ばれる領域で、根に非常に近いところに生息する植物と微生物の間の相互作用に依存しています。

図2.植物や微生物で汚染された水のバイオレメディエーション。出典：ウィキメディア・コモンズのWikyhelper

ファイトレメディエーションは、土壌や地表水や地下水からの重金属や放射性物質の除去（または汚染水の地下水ろ過）で特に成功しています。

この場合、植物は環境中の金属を組織に蓄積し、制御された条件下で収穫されて焼却されるため、汚染物質は環境中に分散され、灰の形で濃縮されます。

得られた灰は、金属を回収するために処理することができます（経済的に重要な場合）、または廃棄物の最終処分の場所に捨てることができます。

ファイトレメディエーションの欠点は、関与する生物（植物、細菌、おそらく菌根菌）間で発生する相互作用についての深い知識がないことです。

一方、すべての応用生物のニーズを満たす環境条件を維持する必要があります。

バイオリアクター

バイオリアクターは、かなりのサイズの容器であり、目的の生物学的プロセスを優先することを目的として、水性培地で非常に制御された物理化学的条件を維持することができます。

細菌微生物および真菌は、バイオリアクターの実験室で大規模に培養し、その後in situバイオオーグメンテーションプロセスに適用できます。微生物は、汚染物質分解酵素を得るために培養することもできます。

バイオリアクターは、汚染された基質を微生物培養培地と混合することにより、ex situバイオレメディエーションプロセスで使用され、汚染物質の分解を促進します。

バイオリアクターで生育する微生物は嫌気性であることさえあり、その場合、水性培地には溶存酸素が欠けている必要があります。

図3.バイオリアクター。出典：es.m.wikipedia.org

バイオレメディエーションバイオテクノロジーでは、機器のメンテナンスと微生物培養の要件のため、バイオリアクターの使用は比較的高価です。

マイクロレメディエーション

有毒な汚染物質のバイオレメディエーションプロセスにおける真菌微生物（微視的真菌）の使用は、マイコレメディエーションと呼ばれます。

顕微鏡の真菌の培養は通常、細菌の培養よりも複雑であり、したがってより高いコストを意味することを考慮すべきです。さらに、菌類はバクテリアよりもゆっくりと成長し、繁殖するため、菌類によるバイオレメディエーションはより遅いプロセスです。

バイオレメディエーションと従来の物理化学技術

-利点

バイオレメディエーションバイオテクノロジーは、従来から適用されている化学的および物理的環境衛生技術よりもはるかに経済的で環境にやさしいです。

これは、バイオレメディエーションの適用は、従来の物理化学的実践よりも環境への影響が少ないことを意味します。

一方、バイオレメディエーションプロセスで適用される微生物のなかには、汚染化合物を無機化して、環境からの消失を確実にするものもあります。これは、従来の物理化学プロセスでは1ステップで達成するのが難しいものです。

-考慮すべき欠点と側面

自然界に存在する微生物の代謝能力

自然界に存在する微生物の1％しか分離されていないことを考えると、バイオレメディエーションの制限は、特定の汚染物質を生分解できる微生物の特定にあります。

適用システムの知識の欠如

一方、バイオレメディエーションは2つ以上の生物の複雑なシステムで機能しますが、これは一般に完全には理解されていません。

研究された微生物の中には、汚染物質をさらに毒性の高い副産物に生物変換したものもあります。このため、バイオレメディエーション生物とその相互作用を実験室で事前に研究する必要があります。

さらに、小規模なパイロットテスト（現場で）をまとめて適用する前に実行する必要があり、最後にバイオレメディエーションプロセスを現場で監視して、環境衛生が正しく行われることを保証する必要があります。

実験室で得られた結果の外挿

生物学的システムは非常に複雑であるため、実験室で小規模に得られた結果を必ずしもフィールドプロセスに外挿することはできません。

各バイオレメディエーションプロセスの詳細

各バイオレメディエーションプロセスには、汚染された場所の特定の条件、処理される汚染物質の種類、および適用される微生物に応じた特定の実験計画が含まれます。

次に、これらのプロセスは、とりわけ生物学者、化学者、エンジニアなどでなければならない学際的な専門家グループによって指示される必要があります。

関心のある成長および代謝活動を促進するための環境物理化学的条件の維持は、バイオレメディエーションプロセス中の永続的な作業を意味します。

所要時間

最後に、バイオレメディエーションプロセスは、従来の物理化学的プロセスよりも長くかかることがあります。

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