微生物でレアアースの回収が可能に

1．全体概要

広島大学大学院理学研究科地球惑星システム学専攻・高橋嘉夫教授らの研究グループは、微生物の細胞表面では周囲(微生物が存在しない部分)に比べてレアアースを高濃度に濃縮する現象を見出しました。またレアアースの中でも特に希少価値の高い元素が選択的に濃縮することを発見しました。そして、その濃縮メカニズムを放射光を用いたＸ線吸収法(EXAFS法)により明らかにしました。

レアアース(希土類元素)は、ハイテク産業には不可欠な金属資源で、その安定供給は日本国内でも大きな問題となっています。レアアースは、「ランタン」から「ルテチウム」までのランタノイド15元素とスカンジウム・イットリウムからなる17元素の総称であり、鉱石からはこれらの元素の混合物として得られます。ハイテク産業で利用する場合は、特定のレアレース元素を分離精製して用いるため、レアレース元素の回収技術と共に、レアアース元素相互の分離技術の確立が極めて重要です。

研究グループは、バクテリア細胞表面にレアアースが高濃度に濃縮することを見出し、Ｘ線吸収法で分析することにより、その濃縮がバクテリア細胞壁に含まれるリン酸基との結合によるものであることを解明しました。

レアアースがバクテリア細胞表面で高濃度に濃縮する現象は、レアアース資源の開発、リサイクルにおけるレアアースの回収及び相互分離において、バクテリアを利用した手法が有用であることを示します。

本研究成果は、アメリカ地球化学会の学術雑誌『Geochimica et Cosmochimica Acta』誌の平成22年10月号に掲載されました。

■論文タイトル：EXAFS study on the cause of enrichment of heavy REEs on bacterial cell surfaces
日本語訳：EXAFS法を用いたバクテリア細胞表面における重希土類元素の濃集の原因に関する研究

2．本研究を始めた社会的背景や経緯

レアアースは、ハイテク産業には不可欠な金属資源ですが、現在世界の生産量では中国が95％以上のシェアを占めているため、その安定供給が日本国内でも大きな問題となっています。

レアアース(希土類元素)は、性質のよく似た17元素の総称であり、鉱石からはこれらの元素の混合物として得られます。またレアアースは、他の副産物と同時に回収される場合が多く、レアアースを選択的に濃縮・回収する技術の開発は、レアアース資源サイクルの確立において重要となっています。一方ハイテク産業で利用する場合には、これらの元素から特定のレアアース元素を分離精製して用いるため、こうしたレアアース元素相互の分離技術の確立も望まれています。

さらにネオジム磁石など、レアアースが多量に使われている製品からレアアースを安価に回収する技術の開発は、レアアースのリサイクルを進める上で重要な貢献をすると期待されます。これまでレアアースは、人工的に合成した試薬を用いたカラム法^※3や溶媒抽出法^※4で分離・濃縮してきました。これらは環境に負荷のかかる手法であり、特に各レアアース元素相互の分離を行うには高額な試薬を用いたり、強い酸試薬を用いる必要がありました。

3．研究手法と成果

広島大学大学院理学研究科地球惑星システム学専攻では、バクテリア細胞表面にレアアースが濃縮することを見出し、KEKフォトンファクトリー(PF)^※5及び大型放射光施設SPring-8^※6を用いたX線吸収法(EXAFS法)で分析することにより、その濃集がバクテリア細胞表面のリン酸基との結合によるものであることを解明しました。

得られた成果の特徴は以下のとおりです。

1. 水溶液中のレアアースは、バクテリア細胞表面に周囲に比べて10万倍程度濃縮する。この濃縮率は、従来金属イオンの回収などに使われる陽イオン交換樹脂に比べて10～100倍程度大きい。
2. この濃縮現象は細胞壁の構造が異なるグラム陽性菌と陰性菌のいずれでも同様にあり、さまざまなバクテリアで普遍的である可能性が高い。
3. 希少資源として特に値段の高いTm(ツリウム)やLu(ルテチウム)は、他のレアアースに比べてバクテリア細胞表面にさらに選択的に濃縮するため、これらの元素を他のレアアースから分離するために、バクテリアを利用できる可能性がある。
4. 同様の濃縮は、広島大学構内のバイオフィルムなど天然に存在するバクテリアでも確認された。

4．今後の期待

今回の研究成果は、レアアース資源の開発、リサイクルにおけるレアアースの回収及び相互分離において、バクテリアを利用した手法が有望であることを示しています。バクテリアは安価で大量に培養することができ、環境負荷も小さいことから、クリーンなレアアース資源サイクルの確立のための重要な基礎的発見となることが期待されます。