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研究活動

研究プロジェクト

バイオ燃料のため冷水藻類―新しい代替エネルギー源

計画書

研究代表者
(所属)
白岩善博(筑波大学生命環境系・教授)
研究関係者
(所属)
トニー・ヘイメット(カリフォルニア大学サイディエゴ校・教授)、ピーター・ウイルソン(豪州タスマニア大学・教授)
研究期間 2014年4月~2015年3月
研究概要

カリフォルニア大学サンディエゴ校(以下、UCSD)と筑波大学では、冷水藻類(低温でも増殖する藻類)を地球環境保全のために不可欠なバイオ燃料生産に利用するための世界水準の技術を有している。バイオ燃料生産技術及び研究は、現在、未来のエネルギー需要を満たす水準ではなく、その開発研究スピードは不十分な状況にある。微細藻類はわずかな栄養分を加えると、太陽光エネルギーを利用して二酸化炭素を吸収・固定し非常に早く増殖するため、代替エネルギー生産の有力な候補として注目を集めている。大豆やトウモロコシなどの穀類やヤシ等の陸上職物に比較して、微細藻類は単位面積当たり30倍もの油を生産する能力を有している。藻類の分子・遺伝子研究を通して、経済的に持続可能なバイオ燃料の開発を推進する社会的ニーズが高まっており、直ちに開発研究を加速する必要がある。

サンデイエゴ藻類バイオテクノロジーセンター(SD-CAB)とUCSDのMayfield研究室、そして筑波大学生命環境系渡邉信研究室(淡水生藻類と従属栄養藻類の研究)と白岩善博研究室(海洋微細藻類の研究)は、微細藻類のバイオマスエネルギー生産研究とその産業への応用技術において、ほぼ間違いなく世界の先端を走っている。日米の両研究室では、様々な学術組織(全米科学財団、米国エネルギー省、文部科学省、 JST 等)から研究資金を得て研究を推進している。しかし、いずれの研究組織においても、冷水藻類には着眼してこなかった。最近の 高緯度海域における植物プランクトン(微細藻類)の大増殖(ブルーム)を見れば、地球規模の気候の変動により、栄養分の少ないきれいな海水海域でも大規模な藻類の増殖を示している。したがって、冷水環境に適した微細藻類種を新たに選抜することにより、冷水環境でも大規模な藻類の培養(栽培)が可能であることを示している。そのような技術が開発されれば、世界の油需要が大きい高緯度に位置する国においても微細藻類の高効率的な培養とバイオ燃料生産が可能となる。

日米のそれぞれの研究室では、既に様々な極地の藻類の培養を開始しており、集中ワークショップのような情報交換と研究協力の機会が得られれば、更に急速な発展が期待できる。筑波大学の白岩研究室では既に北極海から単離した微細藻類の研究を開始し、オーストラリアに異動したウイルソン教授と共同において、珪藻を含む様々な藻類の氷との結合能の解析を開始している。また、ドイツのアルフレッド・ウエーゲナー研究所やオタワ大学のBen研究室などの海外機関とも共同研究を開始している。日本やアメリカが共同して、バイオ燃料科学やバイオ燃料生産研究や技術を開発し、世界の先導的役割を果たすためには、大規模栽培に適した品種改良や培養環境条件の最適化が必要であり、そのためには、双方の学術成果と技術を持ち寄り、共同して研究する必要がある。

報告書

研究代表者
(所属)
白岩善博(筑波大学生命環境系・教授)
研究関係者
(所属)
トニー・ヘイメット(カリフォルニア大学サイディエゴ校・教授)、ピーター・ウイルソン(豪州タスマニア大学・教授)
研究期間 2014年4月~2015年3月
実績概要

(1) 2015年2月23日(月)ワシントンDCにおいてUSJIセミナーを実施した。
(2) 筑波大学において、北極海域、高緯度海域、温帯、熱帯海域から採取され株化された多種類の海洋微細藻類(ハプト藻類円石藻)を用いて、再生可能エネルギー源として利用可能なオイル生産の高効率的な生産に関する基盤技術の開発を行った。
(3) 筑波大学、タスマニア大学およびカリフォルニア大学サンエゴ校(UCSD)・スクリプス海洋研究所、アルフレッド・ヴェーゲナー研究所(ドイツ)の連携の元に、寒冷海域でも生物が生育できる機能を付与するIce Proteinsに関する国際共同研究を実施した。
(4) 研究成果の情報交換および相互連携の強化に取り組んだ。

活動内容・
研究成果

(1) 2015年2月23日(月)ワシントンDCにおいてUSJIセミナーを実施した。講演者は、白岩善博(筑波大学教授)、Peter Wilson(タスマニア大学教授)、Toney Haymet(UCSD & CSIRO教授)の3名であった。当該セミナーには20名程度(Science誌、US環境機関などからの参加者を含む)が参加した。セミナー課題は、「Algae for biofuels - cold water, inland in ponds or in the lab?」であり、藻類バイオマスエネルギー生産を主要な石油消費地である寒冷地域において実現するための技術的課題について話題提供と議論を展開した。
(2) 筑波大学において、北極海域、高緯度海域、温帯、熱帯海域から採取され株化された多種類の海洋微細藻類(ハプト藻類円石藻)を用いて、それら藻類の生理学的特性の解析と相違点の解析や再生可能エネルギー源として利用可能なオイル生産の高効率的な生産に関する基盤技術の開発を行った。これらの研究は、文科省科学研究費およびJST/CRESTの研究資金を獲得して実施した。
(3) 筑波大学、タスマニア大学およびカリフォルニア大学サンエゴ校(UCSD)・スクリプス海洋研究所、アルフレッド・ヴェーゲナー研究所(ドイツ)の連携の元に、寒冷海域でも生物が生育できる機能を付与するIce Proteinsに関する国際共同研究を実施した。
(4) 筑波大学、UCSD,タスマニア大学を相互訪問し、本研究課題に関する国際共同研究に加え、研究者、学生交流を含めた国際連携を推進した。その際、セミナーを実施した(例:白岩善博がタスマニア大学南極海洋研究所においてセミナーを実施した(2015年3月)。Peter WilsonがUCSDにおいて、Ice Proteinsに関する講義を実施した(2015年2月)など。)

Policy Paper

研究代表者
(所属)
白岩善博(筑波大学生命環境系・教授)
研究関係者
(所属)
トニー・ヘイメット(カリフォルニア大学サイディエゴ校・教授)、ピーター・ウイルソン(豪州タスマニア大学・教授)
研究期間 2014年4月~2015年3月
タイトル Algae for biofuels - cold water, inland in ponds or in the lab?

Cold water algae for biofuels are increasingly becoming a new source of alternative energy.  Due to global warming, increases in atmospheric CO2 concentrations cause ocean acidification.  In Florida’s case, for example, a vast amount of coral reefs are being broken up by acidification.  This especially affects high latitude areas, notably Arctic regions.  As a result, Arctic sea ice size is becoming smaller year by year and the thickness of ice in Arctic regions is presently no higher than 5 meters.  The goal, therefore, is to stop the increase of CO2 concentrations.

An observable algae bloom has been occurring in the world’s oceans over the past few years, leading to an explosion of algae research for biofuel production. Accordingly, microalgae photosynthesis is very effective in reducing CO2 levels in the atmosphere.  One such type of microalgae, cocclithophorids, have calcium carbonate crystals on the cell surface.  As such, the inside of cell can became petroleum, which is a source of crude oil.

With regard to determining if cold water algae are viable for use as biofuel stock, firstly we must determine their behavior in ice laden waters.  Much of the period to date has been spent determining who, around the world, has stocks and cultures of cold water microalgae which might be used to assay for antifreeze and ice binding proteins before we look at lipid content and biofuels possibilities.  These algae must withstand multiple freeze-thaw cycles to be able to be used as a source of biofuels in cold surface waters at high latitudes.

  1. The Alfred Wegener Institute in Bremerhaven, Germany studies antifreeze and salt stress tolerant proteins from sea ice diatoms. They note that “some polar diatoms (e.g. Fragilariopsis species)” are able to grow and to divide below freezing temperature and above average sea water salinity. Their work includes a patent application in which there are three nucleic acid sequences coding for salt and cold stress and their respectively proteins.  Dr M. Bayer-Giraldi, who works on this at AWI, and together with Professor Peter Wilson, is working on this and other projects and have they recently written a book chapter together.
  2. In Australia CSIRO houses the Australian National Algae Culture Collection (ANACC) at the Marine and Atmospheric Research laboratories located in Hobart, Tasmania. ANACC maintains over 950 strains, and is a major culture collection in the Australasian region. It is housed in a world-class algal culture facility, the collection is a research resource for investigations into the growth and physiology, taxonomy, biochemistry and molecular genetics of microalgae.  It is managed by Dr Susan Blackburn and both Professor Peter Wilson and Professor Tony Haymet have been in contact with Susan recently about collaborating and using the cultures.
  3. The University of Tasmania is studying the microbial communities inhabiting sea ice ecosystems which currently contribute 10–50% of the annual primary production of polar seas. Brine algae collected from McMurdo Sound (Antarctica) sea ice has been incubated in situ under various carbonate chemistry conditions. They find that projected increases in seawater pCO2, will not adversely impact brine algal communities. Professor Wilson now works at the same institution as Professor Andrew McMinn, the PI on this work.  Professor Haymet, from UCSD Scripps Institution of Oceanography, and Professor Wilson continue to collaborate closely on this project and meet every few months to discuss.
  4. The Japan Science and Technology Agency is currently running a 5-year project to create new basic technologies for bioenergy production using algae and other microorganisms. There are two types of algae: microalgae, which are made up of a single cell, mostly made of cellulose, and cannot produce high amounts of hydrogen, but have more potential to produce biofuels; and macroalgae, which are large algae that can produce hydrocarbons. Microalgae can produce drop-in fuel, which is useful for driving cars by mixing it with gasoline (if carbon chain is liquid, then it can directly be used as fuel).  Professor Shiraiwa has stated that plant oil produces tri-acyl glycerol (TAG) which contains fatty acids. In order to use TAG and produce biodiesel, large amounts of methanol are needed.

The focus of Professor Shiraiwa’s research has been the Emiliania huxleyi bloom in the Bering Sea near Alaska, which has proven to be a useful organism for biofuel production.  Emiliania huxleyi is the best-suited candidate, as alkenes and alkenones are dominant, which enables us to get more crude oil components.  At the University of Tsukuba experiments underway have tried to produce more of this compound using genetic engineering. It is different from other microalgae, as it produces the least amount of lipids (straight chain) and contains no neutral polysaccharides. It is also unique in that it has two pathways: a plant type and animal type of metabolism for production of DHA.  Researchers have collected hundreds of strains of culture collection and have found that the content of these lipid oils (alkenes) is different among strains; as such, they are able to select the best strain and pick the best organism from that.  For example, strains that produce C9-18 alkanes can be used for jet fuel.  The Mirai cruise in 2010 to the Arctic Ocean succeeded in collecting high-latitude strains of E. huxleyi, which is able to survive in cold water and produce lipids as storage compound.

  1. Scripps Institute of Oceanography at the University of California San Diego have carried out experiments which were conducted on Mauna Loa in Hawaii, where CO2 measurements have increased over 40% since 1960, now at over 400 ppm (parts per million). Carbon that’s been buried in the earth has been depleted due to carbon 13 and carbon 14, and fluctuation in CO2 levels is in part due to change in vegetation and the burning of fossil fuels.  It is clear that on Earth we want to be able to burn liquid fuel, but don’t have sufficiently high energy density to fly planes, etc. solely on CO2; as a result, we need to limit the use of liquid fuels. Algae, therefore, is likely  to be the answer to this problem. Algae takes sunlight and CO2 and turns it into fat and protein. Therefore, growing algae on the surface of the earth could be used to reduce CO2 levels. Earth, however, is 71% water, and with one side almost all ocean, there is a lot of potential of growing algae on large bodies of water. Algae, unfortunately, are the least studied of plants, but can be used to solve our liquid fuel problem. Professor Haymet has pointed out that the US Department of Energy is planning to save microalgae biofuels with oil at $55 per barrel, giving the following suggestions:
  • A need for high-value secondary products
  • Scripps researchers are making progress with animal and fish vaccines, which are required at high volumes, and hence perfect for mass production by algae
  • Algae are adept at making things in vast volumes
  • While making fuel simultaneously, competition is nonexistent

The high productivity of microalgae can be used for biotechnological applications, namely biofuels. Diatoms are excellent lipid accumulators and were the featured organism in early US biofuels efforts. AT UCSD the laboratory of Dr Mark Hildebrand has pioneered the application of genetic manipulation approaches to improve lipid productivity to make the technology cost-efficient. HVSP is a diatom-based vaccine that is useful in that:

  • Killed pathogenic vaccines are expensive
  • Live modified or recombinant bacteria or virus vectored vaccines may revert to virulence
  • Target: respiratory disease in cattle, H. somni is a causative agent of the disease, most important cause of economic loss in cattle

Diatom-expressed antigens will be inexpensive to produce regionally on a large scale, can be produced in various locations

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