JP2005341817A

JP2005341817A - 微生物を用いたナノ発光材料の合成技術

Info

Publication number: JP2005341817A
Application number: JP2004162187A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Sakaguchi; 利文阪口; Terubumi Matsumoto; 光史松本
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Kinki University; Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Kinki University; Kitakyushu Foundation for Advancement of Industry Science and Technology
Priority date: 2004-05-31
Filing date: 2004-05-31
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】ナノ発光材料である、セレン化カドミウムなどの重金属カチオンを含む結晶性セレン、テルル材料の合成を実現する。土壌汚染物質を生物作用によって有用な結晶材料に変換する。
【解決手段】セレン酸や亜テルル酸などの酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンを代謝還元することができる微生物を、カドミウムなどの重金属カチオン存在下において培養、もしくはその生体活性を利用することで、セレン化カドミウムをはじめとするＩＩ−ＶＩ族の半導体ナノ結晶性発光材料を合成する。
【選択図】なし

Description

この発明は微生物を用いたナノ発光材料の合成技術、例えば火力発電、ガラス製造、半導体製造などから生じた排水処理や、重金属、セレンに汚染された土壌改修や、さらに汚染物の材料資源化に適用可能な技術に関する。

これまでの土壌汚染改修技術では、トリクロロエチレンなどの塩素化合物をはじめとする有機化合物の生物分解が達成されている。しかしながら、重金属汚染に対しては、重金属自体の分解が不可能であることから、汚染個所や廃棄物に含まれる重金属に対して有効な除去改修、資源・材料化方法の提供が望まれている。

また、近年のナノテクノロジーの発展に伴い、ナノデバイスやナノマテリアルの開発がめざましい。とりわけ、発光性、半導体性を有する結晶材料であるセレン化カドミウムやテルル化カドミウムは、量子ドットナノパーティクルであり、超ＬＳＩやＭＥＭＳやＴＡＳなどの利用可能なナノテク素材として注目を集めている。

そこで、このようなセレン化カドミウムを合成する方法として、逆ミセル法、ホットソープ法、ゾルゲル法などが知られている。ところが、これらのいずれの方法にあっても未だその効率が低いという現状である。
一方、セレン酸の還元については、微生物を用いた方法として、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。
これは、バチルス属に属し、セレン酸還元能を有する微生物を培養する際、セレン酸またはその含有物を嫌気条件下で接触させることにより、土壌、汚泥中のセレン酸の還元が行われるとする技術である。

特開平９−２４８５９５号公報（第１頁、図１）

しかしながら、このような従来の微生物を用いたセレン酸還元方法では、セレン酸を元素態セレンに還元するのみであり、その利用などについてはなんら方策を有していない。

そこで、本開発技術は、微生物の代謝作用を利用することで、廃棄物に含まれるセレン酸、亜セレン酸、テルル酸、亜テルル酸とカドミウムなど重金属類をセレン化カドミウム、テルル酸カドミウムなどのナノ発光材料に合成、変換することができる資源・材料化技術を提供するものである。
この発明は、セレン酸、亜セレン酸、テルル酸、亜テルル酸などの酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンを代謝還元することができる微生物をカドミウムなどの重金属カチオン存在下において培養、もしくはその生体活性を利用することで、セレン化カドミウムをはじめとするＩＩ−ＶＩ族の半導体ナノ結晶性発光材料の合成する方法を提供することを、その目的としている。

請求項１に記載の発明は、Acetonema属 longum種の近縁種に属し、酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンを代謝還元することができる微生物である。
この微生物は、２００４年４月２３日に工業技術院生命工学工業技術研究所特許微生物寄託センターに、受託番号NITE P-1として寄託されている。

請求項２に記載の発明は、Acetonema属のlongum種の近縁種に属し、セレン酸還元能およびテルル酸還元能を有する請求項１に記載の微生物である。

請求項３に記載の発明は、酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンを代謝還元することができる微生物を、重金属カチオンの存在下において、培養することにより、ＩＩ−ＶＩ族の半導体ナノ結晶性発光材料を合成する微生物を用いたナノ発光材料の合成方法である。
酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンとは、例えば硫酸イオン、セレン酸イオン、テルル酸イオン、亜硫酸イオン、亜セレン酸イオン、亜テルル酸イオンのことを意味している。
また、重金属カチオンとしては、亜鉛イオン、カドミウムイオン、アルミニウムイオン、ニッケルイオン、ガリウムイオン、インジウムイオン、ルテニウムイオン、ロジウムイオン、パラジウムイオン、鉄イオン、銅イオン、銀イオン、金イオン、コバルトイオン、水銀イオン、マンガンイオン、クロムイオン、ヒ素イオン、錫イオン、アンチモンイオン、ゲルマニウムイオン、ガリウムイオン、インジウムイオン、ネオジムイオン、サマリウムイオン、バナジウムイオン、ニオブイオン、モリブデンイオン、スカンジウムイオン、イットリウムイオン、チタニウムイオン、ビスマスイオン、鉛イオンなどがある。
ＩＩ−ＶＩ族の半導体ナノ結晶性発光材料としては、例えばＣｄＳｅ（セレン化カドミウム），ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）などがある。

請求項４に記載の発明は、重金属カチオンの存在下において、酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンを代謝還元することができる微生物の生体活性を利用することにより、ＩＩ−ＶＩ族の半導体ナノ結晶性発光材料を合成する微生物を用いたナノ発光材料の合成方法である。

請求項５に記載の発明は、上記微生物は、セレン酸還元菌CdSeSR-1株である請求項３または請求項４に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法である。

請求項６に記載の発明は、上記重金属は、カドミウムである請求項３または請求項４に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法である。

請求項７に記載の発明は、上記酸化物アニオンは、セレン酸酸化体アニオンまたはテルル酸酸化体アニオンである請求項３または請求項４に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法である。

請求項８に記載の発明は、上記培養は、室温、常圧、ｐＨ７付近の条件下において、少なくとも７日間以上保持する請求項３に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法である。

請求項９に記載の発明は、上記微生物を、セレン酸、テルル酸またはそれらの含有物と接触させることにより、セレン酸またはテルル酸を還元してセレン化カドミウムまたはテルル化カドミウムを得る請求項４に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法である。

請求項３〜請求項９に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法によれば、上記微生物の培養またはその生体活性により、重金属カチオン、例えばカドミウム，亜鉛などのカチオンの存在下でＶＩ族（酸素族；例えばセレン，テルル）の元素の酸化物アニオンを還元することができる。その結果、ＩＩ−ＶＩ化合物である半導体ナノ結晶性発光材料を合成することができる。
以上のように、セレン酸や亜セレン酸、テルル酸、亜テルル酸のような、セレンまたはテルル酸化体アニオンを還元する微生物を、カドミウムや亜鉛、銅など重金属カチオンと共存させながら培養する。その結果、ナノ発光材料である、セレン化カドミウムなどの重金属カチオンを含む結晶性セレン、テルル材料の合成を実現した。
よって、本発明によれば、微生物によるＩＩ−ＩＶ族の半導体ナノ結晶性発光材料の合成が可能化される他、土壌汚染などで確認される重金属やセレン化合物、テルル化合物を微生物の持つ生物活性によって資源的、材料的に有用である結晶材料に変換することができる。

本発明によれば、ＩＩ−ＶＩ化合物である半導体ナノ結晶性発光材料の合成に際して、上記微生物を用いるため、他法に比較して、簡便でマイルドな条件でのナノ発光粒子の合成が可能となる。本発明によれば、重金属排水、セレン（テルル）排水からの効率的な重金属およびセレンなどの除去が期待できる。
本発明によれば、セレンまたはテルルや重金属の水性廃棄物から有害物質を発光性ナノ粒子として資源化・材料化することができる。有害物質を資源として有効利用することが可能となる。

本発明は、微生物の代謝作用を利用することで、産業廃棄物に含まれるセレン酸、重金属類を、セレン化カドミウムなどのＩＩ−ＶＩ化合物であるナノ発光材料に合成、変換する方法である。また、そのための微生物である。
本発明に係る微生物は、主に火力発電所から出る排水、ガラス製造工場、半導体製造工場、メッキ工場からの排水、その排水口付近の土壌、および活性汚泥に分布しており、これから採取し得る。
この微生物は、２００４年４月２３日に工業技術院生命工学工業技術研究所特許微生物寄託センターに、受託番号NITE P-1として寄託されている。
採取した微生物による合成方法は、以下の通りである。
まず、セレン化カドミウム合成微生物の分離、増殖培地として以下の培地を使用した。培養はバイアル瓶を用いて行った。
Ｌａｃｔａｔｅ０．６ｇ
ＫＨ_２ＰＯ_４０．５ｇ
ＮＨ_４Ｃｌ０．２ｇ
Ｃｙｓｔｅｉｎｅ・ＨＣｌ０．０５ｇ
Ｙｅａｓｔｅｘｔｒａｃｔ（Ｄｉｆｃｏ）０．０２ｇ
ＤｉｓｔｉｌｌｅｄＷａｔｅｒ１．０ｌｉｔｔｅｒ
Ｍｉｎｅｒａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ４０．０ｍｌ
ｐＨ７．０〜７．４（ＮａＯＨ液にて調整する）
Ｎａ_２ＳｅＯ_４０．１〜１．０ｍＭ
ＣｄＣｌ_２０．１〜１．０ｍＭ
ＮａＣｌ０％〜３％
この場合の上記「Ｍｉｎｅｒａｌｓｏｌｕｔｉｏｎ」は以下の組成である。
Ｎｉｔｏｒｉｌｏｔｒｉａｃｅｔｉｃａｃｉｄ１．８ｇ
ＭｇＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ２．５ｇ
ＭｎＣｌ_２・４Ｈ_２Ｏ０．６ｇ
ＮａＣｌ１．０ｇ
ＦｅＣｌ_３・６Ｈ_２Ｏ０．１３６ｇ
ＣｏＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ０．１ｇ
ＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏ０．１３ｇ
ＣｕＳＯ_４・５Ｈ_２Ｏ０．０１４６ｇ
ＺｎＣｌ_２０．０１ｇ
Ｈ_３ＢＯ_３０．０１ｇ
ＮｉＣｌ_２・６Ｈ_２Ｏ０．０１ｇ
Ｎａ_２ＭｏＯ_４・２Ｈ_２Ｏ０．０１ｇ
ＤｉｓｔｉｌｌｅｄＷａｔｅｒ１．０ｌｉｔｔｅｒ

次に、上記培地組成液を、１２０℃、２気圧、１０分間の条件で、オートクレーブ滅菌した後、下記最終濃度になるよう調節した蒸留水懸濁溶液をフィルター（ポアサイズ０．２μｍ）でろ過滅菌後、この培地に添加した。
蒸留水懸濁溶液は以下の組成である。
Ｎａ_２ＳｅＯ_４１ｍＭ
ＣｄＣｌ_２１ｍＭ
上記組成の培地を用いて微生物を嫌気、もしくは静置好気的な条件で培養することで、発光性ナノ粒子（セレン化カドミウム）の合成が可能であった。培地条件は（滅菌前）、滅菌温度・時間１２０℃、１５分、培養温度２５℃、培養期間約７日間とした。この結果、セレン化カドミウムナノ微粒子合成微生物株（純粋培養株）が分離された。

兵庫県西宮市夙川河川底質より採取したサンプルよりCdSeSR-1株が分離された。すなわち、分離された微生物株は共に短桿菌（２〜３μｍ）、通性嫌気性、セレン酸ＳｅＯ_４ ^２−およびＣｄ^２＋に対する耐性を有する。セレン酸に対しては嫌気状態で乳酸を電子供与体として、電子受容体物質として利用する。利用されたセレン酸は元素体セレンＳｅ^０まで還元される。この微生物株はそれぞれ１ｍＭの塩化カドミウム、１ｍＭのセレン酸ナトリウム存在下で生育し、赤色の沈殿物質を生成しながら増殖することが明らかになった。さらに、この菌体から発光性ナノ微粒子の合成が可能であった。

このように微生物によって合成された微粒子のダークライト励起による発光確認は、以下の方法で行った。
培養後の微生物菌体はリゾチームによって溶菌され、遠心後、回収された微粒子を蒸留水に懸濁した。懸濁後、ポア径２００ｎｍのフィルタで分画処理し、ダークライト（紫外線：３６５ｎｍ）の照射を行った。この結果から、１ｍＭの塩化カドミウム、１ｍＭのセレン酸存在下の培地を用いて微生物を培養することで、発光性ナノ微粒子の合成が可能であることが確認された。

分光蛍光光度計による微生物生成ナノ微粒子懸濁液の発光スペクトルの確認は以下の通りである。
生成ナノ微粒子の発光スペクトルでは、４４３ｎｍに最大波長を持つ青色発光を微生物生成ナノ微粒子から確認した。このときの励起光は３６５ｎｍである。
測定は日立分光蛍光光度計Ｆ−４５００を用いた。蒸留水懸濁液（ポア径２００ｎｍのフィルタで分画）を用いた。

微生物によって生成された発光性ナノ微粒子の高分解能透過型電子顕微鏡による観察像は以下の通りである。
測定は日立高分解能分析電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＲを使用した。この測定によれば、発光性ナノ微粒子としては、５０ｎｍ以下の微粒子が確認され、５ｎｍ〜２０ｎｍのナノ微粒子で構成されていることが確認された。なお、生成粒子のエタノール懸濁液をポア径２００ｎｍのフィルタで分画後、銅メッシュに固定して観察した。

エネルギー分散型Ｘ線元素分析による粒子構成元素の同定も行った。測定は、日立高分解能分析電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを使用した。この測定によれば、カドミウムとセレンの強いシグナルを観察し、この生成ナノ微粒子がカドミウム，セレンで構成されていることが確認された。

生成ナノ微粒子の電子線回析像を撮影した。測定は日立高分解能分析電子顕微鏡Ｈ−９０００ＮＡＲを使用した。撮影条件は、カメラ長１，１ｍ・電子の波長１００ｋＶとした。この結果、生成した微粒子が結晶性のものであることが確認された。

以下、微生物を用いたナノ発光材料の合成の実験例を説明する。まず、微生物によるナノ粒子の合成を行った。第１に、セレン酸還元菌CdSeSR-1株を１００ｍｌバイアル瓶で培養した。セレンと思われる赤色の沈殿が確認できたら、培地を試験管に２ｍｌ加えリゾチームを添加し、３７℃で２４時間インキュベートした。培地としては上記培地を使用した。24時間インキュベート後、遠心集菌（４℃，１２００ｒｐｍ，１０分）を行い、上澄みに紫外線（３６５ｎｍ）を照射し、変化を確認した。
このとき、比較例として、水のみ、培地のみ、市販セレン化カドミウム０．１ｇ＋培地、セレン化カドミウム０．０１ｇ＋培地、大腸菌Escherichia coli＋培地を同様の操作を行った後のものをそれぞれ用いた。また、ナノ結晶か否かの確認のためフィルタを通してこれらの発光の違いを確認した。

次に、ナノ粒子合成菌の単離と培養を行った。安全キャビネット内で培地を撹拌しながら窒素置換を行い、菌を混ぜた状態で寒天プレートを作製した。条件としてセレン酸ナトリウム１ｍＭ、塩化カドミウム１ｍＭ加えた。発光を確認できたものを寒天プレートに植え継いだ。
嫌気ジャーにてコロニーが確認できるまで放置した。この結果、ナノ粒子合成菌を分離できた。

Claims

Acetonema属 longum種の近縁種に属し、酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンを代謝還元することができる微生物。
Acetonema属 longum種の近縁種に属し、セレン酸還元能およびテルル酸還元能を有する請求項１に記載の微生物。
酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンを代謝還元することができる微生物を、重金属カチオンの存在下において、培養することにより、ＩＩ−ＶＩ族の半導体ナノ結晶性発光材料を合成する微生物を用いたナノ発光材料の合成方法。
重金属カチオンの存在下において、酸素族に分類される金属様元素の酸化物アニオンを代謝還元することができる微生物の酵素、遺伝子などの生体活性を利用することにより、ＩＩ−ＶＩ族の半導体ナノ結晶性発光材料を合成する微生物を用いたナノ発光材料の合成方法。
上記微生物は、セレン酸還元菌CdSeSR-1株である請求項３または請求項４に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法。
上記重金属は、カドミウムである請求項３または請求項４に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法。
上記酸化物アニオンは、セレン酸酸化体アニオンまたはテルル酸酸化体アニオンである請求項３または請求項４に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法。
上記培養は、室温、常圧、ｐＨ７付近の条件下において、少なくとも７日間以上保持する請求項３に記載の微生物を用いたナノ発光材料の合成方法。
上記微生物を、セレン酸、テルル酸またはそれらの含有物と接触させることにより、セレン酸またはテルル酸を還元してセレン化カドミウムまたはテルル化カドミウムを得る請求項４に記載の微生物の生体活性を用いたナノ発光材料の合成方法。