光合成の機構は生命創成のしばらく後にできあがったものであるが、当初より機能的に高度完成されたものであったようである。光合成細菌に於いて見いだされる光合成反応中心の構造は、植物の光合成I、IIに引き継がれ、現代に至っている。
二十世紀の中頃以降、放射性アイソトープの利用やX線結晶学などにより、光合成研究が大きく進歩した。現在ではさらに遺伝子レベルの技術も用いてその機構の解明と応用が各国で研究されている。例えばその1に、サトウキビなどのバイオマスからエタノール燃料の生産があげられる。ブラジルが好例であるが自動車燃料として世界中で適用が拡がっている。その2に、光合成の初期過程である光電分離の機構は半導体開発のモデルになりうることである。有機物を用いた太陽電池の効率向上が期待できる。光合成反応中心の量子効率はほぼ100%であるからだ。その3に、水素の生産があげられる。光合成微生物に光を当てると培地条件によっては水素ガスが発生する。燃料電池や水素エンジンなどに利用範囲の広い水素を直接作れることは大きな意味があろう。
再生可能エネルギーを考えるなら、変換効率の多寡だけが問題なのではない。我々の生活を支えるエネルギーであれば、安全性、省資源性は効率以上に重要なものとなろう。光合成にどのような価値があるかは問題のどの本質を見るかによる。光合成は新しい時代の課題の解決に繋がる幾つかの深い機能を有しており、応用の方法が開発できれば、人類の今後にとってますます重要なものとなろう。
目次
【第1編 機能・構造】
第1章 紅色光合成細菌・海洋藻類の光合成初期過程 (橋本秀樹)
1 はじめに
2 光合成の分子構築
3 紅色光合成細菌の光合成初期反応
4 海洋藻類の光合成初期反応
5 おわりに
第2章 緑色光合成細菌の光合成初期過程 (民秋均)
1 はじめに
2 緑色硫黄細菌(GSB)
2.1 クロロゾーム
2.2 FMOタンパク質
2.3 反応中心(RC)複合体
2.4 GSB変異体
3 糸状酸素非発生型光合成生物(FAP)の緑色細菌
3.1 クロロゾーム
3.2 膜内アンテナ
3.3 反応中心(RC)
第3章 高等植物の光捕集系タンパク質複合体の構造と機能 (近藤政晴、南後守)
1 はじめに
2 高等植物の光合成膜での光合成のエネルギー変換システム
2.1 高等植物のLHC系色素の構造と分類・分布
2.2 CP47、CP43
2.3 LHC
2.4 ステート遷移
2.5 非光化学消光(NPQ):キサントフィル回路
3 LHCⅡ複合体の機能解析と人口光合成アンテナ系への展開
3.1 HCⅡ複合体の基板への自己組織化とその機能評価
3.2 LHCⅡの酸化チタン(TiO2)電極への自己組織化と光電変換デバイスへの展開
4 おわりに
第4章 ヒドロゲナーゼ (樋口芳樹)
1 はじめに
2 ヒドロゲナーゼの分類とその特徴
3 ヒドロゲナーゼの立体構造
3.1 〔NiFe〕ヒドロゲナーゼ
3.2 〔FeFe〕ヒドロゲナーゼ
3.3 〔Fe〕ヒドロゲナーゼ
4 ヒドロゲナーゼの成熟化
5 酸素耐性機構
6 おわりに
第5章 酸素発生型光合成タンパク質の構造と機能 (杉浦美羽)
1 はじめに
1.1 酸素発生を伴う光合成反応の概容
1.2 光化学系Ⅱ複合体タンパク質の構造と機能についての研究の歴史
2 酸素発生型光合成の初期過程を担う光化学系Ⅱ
2.1 光化学系Ⅱ複合体の全体構造
2.2 光化学系Ⅱ複合体における水の参加と電子伝達コファクターの配置
2.3 水の酸化触媒中心の構造と水の酸化機構
3 今後の課題と将来の展望
第6章 ホモダイマー型光合成反応中心の分子構築と反応機構 (浅井智広、大岡宏造)
1 はじめに
2 光合成反応中心による光エネルギー変換
2.1 電荷分離と電子移動
2.2 電子移動理論
3 光合成反応中心の分子的基盤
3.1 タイプⅠ型とタイプⅡ型
3.2 ヘテロダイマー型とホモダイマー型
4 ホモダイマー型反応中心の構造機能相関
4.1 特異な電子移動反応
4.2 未解明課題への挑戦
5 おわりに
第7章 電子伝達、電子キャリアーとエネルギー代謝 (石井正治)
1 はじめに―電子伝達と電子キャリアーの重要性―
2 代謝的出口の違いに応じた電子の流れ
3 典型的な生体由来電子キャリアー
4 新たに見つかりつつある電子伝達手段(エレクトロンバイファーケーション)
5 電子伝達(電子の流れ)が代謝を決める―独立栄養的代謝の概観―
第8章 酸素発生型光合成微生物の分類と生態 (須田彰一郎)
1 はじめに
2 シアノバクテリア
2.1 シアノバクテリアの基本的特性
2.2 シアノバクテリアの分類
3 真核藻類
3.1 葉緑体の獲得過程―共生進化―
3.2 一次共生のグループ
3.3 二次共生のグループ
3.4 二次共生から三次共生へ
3.5 おわりに
【第2編 エネルギー応用】
第9章 嫌気性微生物による水素生産とエネルギー変換
1 嫌気性ミクロフローラによるバイオマス原料の水素発酵 (上野嘉之)
1.1 はじめに
1.2 ミクロフローラによる水素発酵の原理
1.3 ミクロフローラによる水素発酵条件の検討
1.3.1 培養における水理学的滞留時間(HRT)とpH
1.3.2 種汚泥
1.4 実バイオマス原料の水素発酵事例
1.4.1 製糖工場廃水
1.4.2 生ごみスラリーと紙ごみの混合物
1.4.3 水素メタン二段発酵
1.5 水素発酵ミクロフローラの菌叢と微生物生態学
1.5.1 酸発酵の培養条件と発酵様式と菌叢変化
1.5.2 実原料への種菌植種による水素発酵
1.6 実用化の課題
1.7 おわりに
2 発酵微生物による食品廃棄物のバイオガス化とエネルギー利用
(岡田行夫、三谷優、徳永博、畠岡勲)
2.1 水素・メタン二段発酵技術開発の背景と意義
2.2 発酵側面における実証試験
2.3 バイオガス利用側面における実証試験
2.4 今後の課題
3 暗発酵による水素生産 (丁楠、中谷肇、堀克敏)
3.1 はじめに
3.2 種々の嫌気性微生物による水素生産の実績
3.2.1 中温菌
3.2.2 好熱菌および超好熱菌
3.3 嫌気性細菌の水素発生に関わる代謝経路
3.3.1 Clostridium属細菌型の水素生産
3.3.2 Enterobacter属細菌型の水素生産
3.4 最新研究事情
4 廃糖蜜や海藻を発酵基質に使用した水素生産 (谷生重晴)
4.1 はじめに
4.2 沖縄県の糖蜜発生量と水素生産可能量
4.3 沖縄県の離島における電力消費量と糖蜜からの水素発電可能量
4.4 地産地消に適した発酵水素-発電の利用
4.5 パイロットプラントの建設
4.6 水素発酵の原料として期待できるバイオマス
5 石油関連技術 (若山樹、前田治男、小林肇)
5.1 緒言
5.2 ジオバイオリアクターによるエネルギー生産
5.2.1 原油・天然ガスの生産と微生物の関わり
5.2.2 ジオバイオリアクターとエネルギー生産
5.3 原油からH2/CH4へのエネルギー変換
5.3.1 原油からH2/CH4への微生物変換
5.3.2 原油からCH4変換研究の現状と今後の展開
5.4 CO2からH2/CH4への炭素循環―バイオカソードを利用した微生物電気化学的システムによるエネルギー変換・物質生産―
5.4.1 H2の生産:微生物電気分解
5.4.2 CH4の生産:電気化学的CH4生成
5.4.3 有機酸等の生産:微生物電気合成
5.4.4 バイオカソード技術の応用・発展可能性:人工光合成とカーボン・プランテーション
5.5 結言
6 メタン発酵技術の動向と展望 (藤谷泰裕)
6.1 はじめに
6.2 メタン発酵の前処理としての水素発酵
6.3 水素・メタン二段発酵
6.4 メタン発酵消化液の効率的処理
6.5 メタン発酵技術の最近の普及動向
6.6 メタン発酵技術へ再評価と期待
7 ポルフィリンを用いた光エネルギーの化学エネルギーへの変換
(蒲池利章、朝倉則行、大倉一郎)
7.1 光水素発生反応の原理
7.2 均一系光水素発生
第10章 光合成細菌による水素発生とバイオマス生産技術
1 光合成細菌を用いた水素生産 (三宅淳、高木大輔、田中康太)
1.1 はじめに
1.2 光合成細菌による水素発生の仕組み
1.3 有機性廃液の利用
1.4 リアクターと水素生産
1.4.1 リアクターのデザインと光照射
1.4.2 リアクター中の光エネルギー変換プロセス
1.5 バイオマスエネルギー・バイオ水素の課題
2 紅色光合成細菌による水素発生 (永島賢治、櫻井英博、井上和仁)
2.1 はじめに
2.2 紅色光合成細菌の光合成器官
2.3 紅色光合成細菌のエネルギー代謝の多様性
2.4 光合成による水素発生
2.5 まとめと展望
3 嫌気性菌と光合成細菌の混合培養による水素生産 (石見勝洋、神野英毅、淺田泰男)
3.1 はじめに
3.2 ClostridiumとRhodobacter sphaeroides RV
3.3 乳酸菌とRhodobacter sphaeroides RV
3.4 Enterobacter H-1とRhodobacter sphaeroides RVとRhodopseudomonas viridis No.7
3.5 Rhizopus oryzaeとRhodobacter sphaeroides RV
3.6 デンプンやセルロースからの水素生産
4 微細藻類の培養技術 (藏野憲秀)
4.1 微細藻類の特徴
4.1.1 陸上植物よりも高い光合成能力
4.1.2 速い生育速度
4.1.3 多様性
4.1.4 有用物質の生産
4.2 微細藻類培養の問題点
4.2 微細藻類培養の問題点
4.2.1 光供給
4.2.2 多様性
4.3 細胞濃度の指標
4.3.1 直接計数法(Direct Cell Count,単位cells ml-1)
4.3.2 充填容積(Packed Cell Volume,PCV,単位ml l-1)
4.3.3 クロロフィル量(Chlorophyll,単位mg l-1)
4.3.4 光学濁度法(Optical Density,OD)
4.3.5 乾燥重量(Dry Weight,単位g l-1)
4.3.6 全有機炭素(TOC,単位mg l-1)
4.4 培養条件
4.4.1 光強度
4.4.2 pH
4.4.3 温度
4.4.4 通気・撹拌
4.5 増殖に必要な栄養素
4.5.1 炭素
4.5.2 窒素
4.5.3 リン
4.5.4 硫黄
4.5.5 その他の成分
4.6 培養操作
4.6.1 回分培養(batch culture)
4.6.2 反復回分培養(repeated batch culture,semi-continuous culture)
4.6.3 連続培養(continuous culture)
4.6.4 流加培養(fed-batch culture)
4.6.5 明暗培養(dark-light cycle culture)
4.7 培養装置
4.7.1 高付加価値生産物用培養装置
4.7.2 低付加価値生産物培養装置
4.8 おわりに
5 光水素発生 (宮坂均)
5.1 はじめに
5.2 光合成の光化学系電子伝達とヒドロゲナーゼによる水素発生
5.3 硫黄欠乏条件下でのC.reinhardtiiによる連続的な光水素発生
5.4 今後の課題
5.5 おわりに
6 微細藻類の大量培養とその応用 ―タイの事例― (Aparat Mahakhant、宮本和久)
6.1 はじめに
6.2 微細藻類の商業生産
6.3 微細藻類培養装置(フォトバイオリアクター)
6.4 バイオ燃料生産のための微細藻類培養システム
6.5 藻類によるエネルギー生産と環境改善―タイにおける展望―
6.6 おわりに
【第3編 環境浄化/バイオ変換】
第11章 藻類由来のバイオエタノール (澤山茂樹)
1 はじめに
2 藻類によるエタノール生産
3 藻類からのエタノール生産
4 おわりに
第12章 光合成生物の機能を利用した内分泌撹乱物質除去技術 (平田收正)
1 はじめに
2 植物を水系のP-EDCs浄化に用いることの意義
3 優れたBPA代謝能を有する植物の選抜
4 ポーチュラカのP-EDCsに対する浄化能の評価
5 ポーチュラカのPPO遺伝子の同定
6 おわりに
第13章 微細藻類の物質生産 (田中聡、宮坂均)
1 はじめに
2 これまでに実用化された微細藻類物質生産の例
2.1 クロレラ(Chlorella)
2.2 スピルリナ(Spirulina)
2.3 ドナリエラ(Dunaliella)
2.4 ヘマトコッカス(Haematococcus)
2.5 ナンノクロロプシス(Nannochloropsis)
2.6 ケイ藻類
2.7 ユーグレナ(Euglena)
3 緑藻Chlamydomonas sp.W80の有効利用について
3.1 美白効果
3.2 育毛効果
3.3 脂質蓄積抑制剤としての利用
3.4 アレルギー抑制効果
4 おわりに
第14章 環境浄化:排水処理 (佐々木健、竹野健次)
1 はじめに
2 養鯉池の浄化、固定化光合成細菌による養鯉池の浄化と脱窒
3 光合成細菌による底泥(ヘドロ)の浄化
4 底泥の嫌気消化
5 底泥の嫌気消化脱離液の光合成細菌による浄化
6 混合菌固定化によるCOD、硝酸、リンおよび硫化水素の同時除去
7 食品工場および厨房排水の処理、光合成細菌による油含有排水の処理
8 油含有モデル排水の連続処理
9 光合成細菌による有害金属、重金属除去
10 福島での光合成細菌によるヘドロおよび土壌の放射能除染
第15章 水生植物と根圏微生物の共生系を利用した水質浄化 (池道彦、黒田真史)
1 はじめに
2 水生植物-根圏微生物系による有害化学物質の分解・除去
3 PGPRのよる植生浄化性向上の可能性
4 おわりに
第16章 電気化学的手法による廃水浄化 (神谷和秀、岡本章玄、中西周次、橋本和仁)
1 はじめに
2 電極触媒
2.1 概論
2.2 微生物電極触媒
2.3 無機触媒
3 エネルギー自立型・電気化学的廃水処理:微生物燃料電池
4 まとめ
第17章 組換えシアノバクテリアを利用した二酸化炭素からエチレンの生産
(長濱一弘、松岡正佳、小川隆平)
1 はじめに
2 種々の組換えシアノバクテリアによるエチレン生成速度の比較
3 Synechococcus elongatus PCC7942 IEK2-2株によるエチレン生産の反応速度論
4 組換えシアノバクテリアによるエチレン生産の不安定性とその対策
5 まとめ
第18章 微細藻類の重金属応答機能を利用した環境浄化技術 (平田收正、宮坂均)
1 はじめに
2 シアノバクテリアによる有害重金属の特異的吸収
3 微細藻類の重金属無毒化機構の解析とその応用
4 おわりに
【第4編 ゲノムと人工光合成】
第19章 バイオエネルギー生産のためのハイブリッド型人工光合成 (天尾豊)
1 はじめに
2 人工光合成系のパーツとして光合成器官の役割
3 ソーラー水素生成のための人工光合成系
4 葉緑体―白金微粒子ハイブリッド型人工光合成系による水素生産反応―
5 光捕集系タンパク質―色素複合体(LHC)―白金微粒子ハイブリッド型人工光合成系による水素生産反応―
6 まとめ
第20章 太陽光燃料(Solar Fuel)を生成する人工光合成 (橋本秀樹)
1 はじめに
2 光合成から人工光合成へ
3 人工光合成を実現するための4つの要素
3.1 アンテナ部位
3.2 光反応中心部位
3.3 酸化型触媒部位
3.4 還元型触媒部位
4 おわりに
第21章 ゲノム解読とポストゲノム解析の現状 (佐藤壮一郎、三室守)
1 はじめに
2 シアノバクテリアにおけるゲノム解読の現状
2.1 Synechocystis sp.PCC 6803
2.2 Anabaena sp.PCC 7120
2.3 Prochlorococcus.spp.
2.4 Gloeobacter violaceus PCC 7421
2.5 Acaryochloris marina MBIC 11017
2.6 Microcystis aeruginosa NIES-843
2.7 Cyanothece sp.ATCC 51142
3 ポストゲノム解析の現状
3.1 トランスクリプトーム解析
3.2 プロテオーム、インタラクトーム解析
3.2.1 プロテオーム解析
3.2.2 インタラクトーム解析(タンパク質間相互作用解析)
3.3 メタボローム解析
3.4 比較ゲノム解析
4 おわりに
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