水素は燃焼時に水しか生成しないこと、再生可能エネルギーを含む多様なエネルギー源からの生産・貯蔵・運搬が可能なこと、電力、運輸、熱・産業プロセスのあらゆる分野に利用することで脱炭素化が可能なことなどから、カーボンニュートラル実現の鍵となります。しかしながら、現行の主要な水素製造技術は化石エネルギーを原料とするため、これに由来するCO₂の排出が大きな課題となっています。

微生物を利用した水素生産（バイオ水素生産）は、常温常圧での反応が可能なことから環境負荷が小さく、また、バイオマスを原料としたCO₂循環によるゼロエミッション型のプロセスを構築できます。そのため、将来の持続可能なCO₂フリー水素製造技術の1つと位置づけられています。これまで多様な微生物水素代謝経路が同定され、これらを利用した水素生産に関する多くの研究がありますが、生産性が低いことが課題であり、経済性ある水素製造技術は未だ確立していません。このような背景の下、世界各国でバイオ水素生産技術の研究開発が進められています。

バイオ水素生産は、活用する微生物代謝経路の違いにより光エネルギー依存型と非依存型に大別されます。前者として、藻類やシアノバクテリアの光合成反応における水の分解、および光合成細菌による有機物の分解（光発酵）に伴う水素生産が挙げられますが、光からのエネルギー変換効率が低く、生産速度が遅いことが課題となります。一方、光エネルギーに依存しない嫌気発酵（暗発酵）による水素生産は有機物を原料とした高速な水素生産が可能ですが、有機酸やアルコールといった他の発酵産物の副生が起こるため、原料あたりの水素収率が低いことが課題となります。暗発酵を利用した経済性ある水素製造技術の確立には、遺伝子工学による水素収率の飛躍的な向上が重要な鍵とされています。また、バイオマス由来糖類からの水素収率を高めるため、暗発酵で副生する有機酸を光発酵の基質として利用する統合型水素生産プロセスの研究が行われています。

当研究グループは、ギ酸を介した暗発酵水素生産経路を利用して圧倒的な水素生産速度を達成しています。この成果を基盤として、光発酵との統合による水素収率の向上に向けた技術開発に取り組んでいます。

＜暗発酵および光発酵水素生産株の代謝工学＞