バイオフィルムにおける新しい研究：自然との闘い

キラ・コリー • 14 7月 2018

金属表面に生物付着生物を巻き込む。クレジット：Maria Salta

プラスチック表面上の生物付着生物（イガイ、藻類およびコケモモ）。クレジット：Maria Saltaプラスチックの表面（マッシュルーム、藻類およびコケモモ）の生物付着生物。クレジット：Maria Saltaプラスチックの表面（マッシュルーム、藻類およびコケモモ）の生物付着生物。クレジット：Maria Saltaプラスチックの表面（マッシュルーム、藻類およびコケモモ）の生物付着生物。クレジット：Maria Salta

プラスチック表面上の生物付着生物（イガイ、藻類およびコケモモ）。クレジット：Maria Salta

輝くパッチワークの下で、青と緑のパッチワークは、ユニークな動物コミュニティ、多様な風景、そして変化する条件の複雑な世界を潜んでいます。海洋は地球上で最も驚異的で魅力的な生態系の一つでもあります。これは問題の原因と解決策の両方を宿すことができる場所です。海上部門では、米国海軍だけで年間約5600万ドルがバイオファーリングと関連しています。

防汚塗料は、毎年何百万トンもの温室効果ガスを削減する可能性がありますが、環境にやさしい効果的な方法を見つけることはまだありません。英国のポーツマス大学の環境微生物学者、マリア・サルタ博士は、自然の自己清浄能力が、我々が動かないようにするために必要な秘密や、静的な構造物を自由にする方法を模索しています。成功すれば、船舶業界は何百万もの船舶を救うだけでなく、海洋コミュニティが今もなお影響を受けている有害物質へのさらされ方から惑星を保護するのに役立ちます。

防汚コーティングは、毎年384百万トンの二酸化炭素と360万トンの二酸化硫黄を削減します。国際海事機関は、是正措置や新たな防汚技術の導入がなければ、温室効果ガスの排出量は2020年までに約38％から72％増加する可能性があると推定している。

30年以上にわたり、トリブチルスズ（TBT）は、海洋分野で広く使用されている防汚塗料の活性剤でした。 1980年代まで海洋環境に故意に導入された最も有害な物質の1つであることが実感されました。 TBTは、甲殻類および軟体動物群落の変形、藻類の成長および若い魚類の毒性作用など、より広い海洋環境において、非標的動物に重大な損傷を引き起こしていた。

マリア・サルタ博士は、環境にやさしい防汚塗料の研究に興味を持っている海洋バイオフィルムの専門家です。「2003年まで、海運業界はTBTを使用していましたが、成功しましたが非常に有毒な物質でした。それは非標的動物に対して作用しており、他の多くの副作用とともに、彼らの性別を変えていました。 TBTからの毒素は、60年代半ばに業界で最初に使用されて以来、水と底質に蓄積しています。それを完全に禁止するには30年以上かかりましたが、それまでには不可逆的なダメージを多く受けました」

サルタの研究では、船体の海洋成長を止めるための自然界のシステムを模倣した解決策を模索しています。科学者たちは、長期間にわたり海に残った人工構造に付着するフジツボ、マッスル、および藻類を阻止することができるクジラ、サメ、および他の海洋生物の皮膚を微視的に詳細に研究した。コロニー形成の最初の層（バイオフィルム）は非常に重要ですが、研究ではしばしば無視されます。

サルタは、「バイオフィルム（別名スライム）は、主に珪藻と細菌からなるコロニー形成の最初の層です。多くの人々は、この層が表面上で初めて形成されると考えていますが、胞子や幼虫などのより大きな生物の食物源としても機能し、結局はしっかりと付着します。バイオフィルム単独では、1ミリメートル未満の厚さで燃料ペナルティの最大18パーセントを引き起こす可能性がある。したがって、食料源だけでなく、船舶の流体力学、海洋パイプラインの腐食、生物腐食、水産養殖などに影響を及ぼす表面粗さを含む膨大な問題を独自に作り出しています。

生物付着は、水生環境におけるすべての人工物に影響します。サルタにとって、解決策を見つけることは、まずバイオフィルムを除去する方法を見つけなければならないことを意味しました。海洋産業には、この問題に対処するためのいくつかの方法がありますが、それは非常に多くの異なる生物を持つようなダイナミックなミクロコミュニティであるため、魅力的です。彼らは、私たちのフライパンにある非粘着性の表面に非常によく似たシリコンベースのコーティングを使用しています。生物は付着しますが、船が動き始めると落ちます。これは優れた戦術ですが、その上に、バイオフィルムは依然として混乱の原因となっています。

彼女の研究を通じて、サルタは、自然条件をシミュレートする様々な防汚塗料、材料および汚れの挙動を実験室で試験する革新的な技術を開発しました。このような技術には、これまでずっと隙間がありました。多くの点で、人々は基本的な方法を使用し続けています。たとえば、防汚材料をテストする場合、科学者は静的な環境で行うことがよくあります。バイオフィルムが常に流れているため、実際の環境を表しています。船が動かなくても潮があるので、決して真に静的ではありません。私は流体力学を組み込んだ新しい方法を開発したので、自然環境を代表するバイオフィルムが流れているときに何が起きるかを見ることができます。また、バイオフィルムが実験的および商業的コーティングに直接どのように形成されるかを評価するハイスループット手法を開発しました。サルタは言った。

バイオフィルムは、他のものよりもいくつかの表面に付着しやすいことも知っています。問題は、しばしばバクテリアが適応することです - 表面特性を改変すれば、細菌はバリアを克服する可能性があります。なぜ、どの程度まで微生物が表面に応じて適応するのか、私の研究の一環として、生物種間の関連性を見ているのですが、最近新しい結果が出てきています。なぜこれらの微生物が付着しているのか、どのように付着しているのか、その研究と並行して解決策を見つけることになるだろう」

サルタの研究では、バイオミメティックスや次世代シークエンシングなど、さまざまな角度をカバーしています。「筋肉が非常に若い場合、蛋白質が汚れないように役立つかもしれませんが、化学と生物の両方が関与しているため、海藻に他の生物付着生物が存在しないようにするために細菌が役割を果たすのでしょうか？これがそうであることが示された時があります。

大型の海洋動物も、その比較的汚れのない存在のために検討されている。新しい技術は、表面の形や、サメなどの海洋生物に見られるパターンからインスピレーションを引き出します。例えば、サメの表面は流体力学的に作用し、「スケール」は理論上、バクテリアの付着、コロニー化、バイオフィルムの形成を阻止する働きがほとんどない渦を作り出すのに役立ちます。サルタは、これらのタイプの技術はある程度成功していると説明しました。しかし、バイオフィルムは最終的に表面上に層を形成することができるので、しばしば短命である。