オナラやゲップのメタンガスの話


ルーメンの原生動物Entodinium属
（左）光学顕微鏡写真（右）蛍光顕微鏡写真．青く光るのがメタン細菌．

オナラやゲップのメタンガスの話


この画面はOsaka fontでごらんください．
メタンガスは、最近では二酸化炭素以上の温室効果ガス(Green house Gas)であるとされ、その発生の抑制が研究されるようになりました．メタンガスはメタンを生成する古細菌(archaea)という一群の微生物によって作られています．動物の消化管には、このメタン細菌が棲みついており、主に水素ガスを利用して二酸化炭素を還元することでメタンガスを作っています．ウシやヒツジの反すう胃ではすべての場合でメタンガスが作られていますが、実はヒトもメタンガスを発生しているのです．ヒトの場合にはメタンガスを作っているヒトとそうでないヒトにわけられることが知られています．ヒト大腸においてメタンガスを作る作らないということには、遺伝的要因が関与しているという報告があります．自分がメタンガスを作っているかどうかを調べるためには、呼気を採取してガスクロマトグラフにうちこめばよいのです．ちなみにうちの研究室で調べたところ、8人中1名が有意なメタン生産者でした．イギリスで行われた調査では約3分の１のヒトがメタン生産者だったそうです．ところで、メタンガスを作らないヒトでは、メタン菌の代わりに硫酸還元菌が働いています．硫酸還元菌は水素や乳酸を利用して硫酸イオンを還元し、硫化水素をつくるのです． このほか、動物の消化管では、水素を利用して二酸化炭素を還元し酢酸を作るものもいます．これらの微生物たちは、共通の電子供与体である水素をめぐって競合関係にあるのです． それぞれの反応を熱力学的に解析してみると、
  • methanogenesis/ HCO3- + 4H2 + H+ ﾓCH4 +3H2O (ΔGo'=-135KJ/mol)
  • Sulfate reduction/SO4= + 4H2 + H+ ﾓ HS- +4H2O (ΔGo'=-152KJ/mol)
  • Reductive acetogenesis/ 2HCO3- + 4H2 + H+ ﾓ CH3COO- + 4H2O (ΔGo'=-105KJ/mol)



    • という具合で、硫酸還元が最も進みやすい反応であるのです．しかし、消化管の場合、実際にはメタン細菌が優占種である場合が少なくないのです．硫酸イオンが供給されない環境では当然硫酸還元が起こりにくいので、メタン生成が優勢となります．硫酸イオンが1ｍＭ以下の反すう胃ではメタン生成が、5mM以上ある大腸では硫酸還元が優占になるわけです(1,2)．しかし、事態はそれほど単純ではなく、硫酸イオン濃度を上昇させていっても硫酸還元が優勢にならない環境もあります(3)． 水素を作り出す微生物と水素を利用する微生物は、種間水素転移(Interspecies hydrogen transfer)と定義される共生関係を確立しますが、ある決まった組み合わせが確立していると(2)、環境をその組み合せの一方である特定の水素利用菌に不利にしても、別の水素利用菌が簡単に置き換わるわけにはいかないようです． 　反すう胃には有力な水素生成微生物として原生動物が生息しています．この微生物が、上の写真のようにメタン菌と共生関係にあることがはっきりしているので(4,5,6,7)、その物質的根拠について古典的な新規メタン菌単離作業(8)とともに分子生態学的な手法をもちいて現在研究しているところです(9,10,11,12,13)．これらの結果は、繊毛虫から単離されるメタン菌の16S rRNA遺伝子配列が、Metahnobacterialesにかなり限定されていることを示唆しています。そして、Methanobrevibacter smithii Methanobrevibacter ruminantium, Methanosphaera stadmaniaeにちかい関係にあるメタン菌の配列がみつかりました。これらは、ルーメンにおける最優勢のメタン菌と同一だと思われます。最優勢のメタン菌が原生動物にとりついているという示唆は、ルーメン以外の環境でも認められています。 また、硫酸還元の結果、大腸で発生する硫化水素は粘膜上皮細胞にたいする細胞毒性が顕著なため、大腸炎などの疾病との関係が疑われています．大腸での硫酸還元の化学的な特徴について研究しています．


    関連する論文
  • (1)K.Ushida, Y.Ohashi, M.Tokura, K.Miyazaki and Y.Kojima (1995) Sulphate reduction and methanogenesis in the ovine rumen and porcine caecum: A comparison of two microbial ecosystems. Deutsche Tierarzliche Wochenscrift,102,154-156.
  • (2)牛田一成・大橋雄二・福原章裕 (1995) 家畜消化管におけるメタン生成と硫酸還元. 栄養生理研究会報39, 19-28.
  • (3)Y.Ohashi, K.Ushida, K.Miyazaki and Y. Kojima(1996) Effect of initial sulfate level on electron partition between methanogenesis and sulfate reduction in the rumen. Annales de Zootecnie, 45(Suppl 1), 320.
  • (4)J.P.Jouany and K.Ushida(1990) Protozoa and Fiber Digestion in the Rumen. In "The Rumen Ecosystem"(S.Hoshino, R.Onodera, H.Minato and H.Itabashi, eds.), pp.139-p.150.Japan Scientific Society Press. Tokyo.
  • (5)K.Ushida, J.P.Jouany and D.I.Demeyer (1991) Effects of Presence or Absence of Rumen Protozoa on the Efficiency of Utilization of Concentrate and Fibrous Feeds. In "Physiological Aspects of Digestion and Metabolism in Ruminants"(T.Tsuda, Y. Sasaki and R.Kawashima, eds.). pp.626-p.654. Academic Press. San Diego.
  • (6)K.Ushida and J.P. Jouany(1996) Methane production from ciliated rumen protozoa and its effect on protozoal activity. Letters in Applied Microbiology, 23, 129-132.
  • (7)TOKURA M; USHIDA K; MIYAZAKI K; KOJIMA Y(1997)METHANOGENS ASSOCIATED WITH RUMEN CILIATES．FEMS MICROBIOLOGY ECOLOGY 22, N2, P137-143.
  • (8)TOKURA M, TAJIMA, K. AND USHIDA K(1999)　Isolation of Methanobrevibacter sp. as a Ciliate-associated ruminal methanogen.　Journal of General and Applied Microbiology 45, N1, 43-47.
  • (9)NEWBOLD CJ; USHIDA K; MORVAN B; FONTY G; JOUANY JP(1996)THE ROLE OF CILIATE PROTOZOA IN THE LYSIS OF METHANOGENIC ARCHAEA IN RUMEN FLUID. Letters in Applied Microbiology,23, N6, P421-425.
  • (10)Ushida, K., Newbold, C.J. and Jouany, J.P. (1997) Interspecies hydrogen transfer between rumen ciliate Polyplastron multivesiculatum and Methanosarcina barkeri. Journal of General and Applied Microbiology, 43, 129-131.
  • (11)TOKURA M;CHAGAN I; USHIDA K; KOJIMA Y(1999) Phylogenetic Study of Methanogens Associated with Rumen Ciliates. Current Microbiology 39：123-128.
  • (12)CHAGAN I;TOKURA M; JOUANY JP; USHIDA K(1999) Detection of Methanogenic Archaea Associated with Rumen Ciliate Protozoa. Journal of General and Applied Microbiology 45, 305-308.
  • (13) Chagan Irbis and Kazunari Ushida (2004) Detection of methanogens and proteobacteria from a single cell of rumen ciliate protozoa. Journal of General and Applied Microbiology 50(4), 203-212.
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