RSMベースのモデリングと最適化を用いた微生物コンソーシアムによる汽水環境でのウラン生物浸出の改善

なぜ塩分を含む水と小さな助っ人が重要か

高品位のウラン鉱石が見つけにくくなり、淡水が不足するなか、鉱業は原子力の燃料となるウランをよりクリーンかつ低コストで回収する方法を模索しています。有望な手法の一つが微生物に作業を任せることです：特定の細菌は、生物浸出と呼ばれる過程で岩石から金属をゆっくり溶出させることができます。しかし問題があります—こうした微生物は通常、乾燥地域の鉱山で唯一利用可能なことの多い塩分を含む汽水を嫌います。本研究は巧妙な回避策を探ります：塩耐性の細菌と酵母を組ませ、汽水条件下で低品位鉱石から共同でウランを引き出すというものです。

微生物に岩石を採掘させる

高温や強力な薬剤を使う代わりに、生物浸出は鉱石中の鉄や硫黄を変換してエネルギーを得る微生物に依存します。その過程で酸性で酸化的な環境が生じ、固体のウラン鉱物が溶解して溶液から回収できる形になります。研究者らはイラン中部の低品位ウラン鉱石を用い、塩分、粉砕鉱石、空気を管理した培地で塩耐性の細菌である Acidithiobacillus ferrooxidans 株THA4 を培養しました。異なる条件下で液体中にどれだけウランが移行するかを慎重に測定することで、微生物がどれだけ“鉱石を採掘”したかを評価しました。

塩分と鉱石負荷の試験

重要な疑問は、細菌がどれだけの塩分や固形物を扱えるか、どの時点で性能が低下するかでした。応答曲面法と呼ばれる統計的手法を用いて、研究チームは塩分濃度、鉱石濃度（パルプ密度）、接触時間、初期の細胞量を数十の実験で変化させました。その結果、塩分増加と鉱石量の増加はいずれもウラン回収率を低下させることが分かりました：塩分は微生物に浸透圧ストレスを与え、濃厚なスラリーは酸素を制限し細胞が鉱物表面に到達しにくくします。浸出時間を延ばすと、細菌が増殖して酸化剤を産生する時間が確保されるため約10日間までは効果がありましたが、それを超えると栄養素の枯渇や代謝産物の蓄積により性能が落ちました。

過酷な条件に対するパートナーの追加

汽水での回収を向上させるため、研究者らは第二の微生物として酸と塩分に耐性のある酵母 Rhodotorula toruloides 株IR-1395 を導入しました。競合するのではなく、両者は異なる役割を果たします。細菌は無機の鉄や硫黄を摂取し二酸化炭素に依存する一方、酵母は有機物を利用して二酸化炭素を液中に放出します。適切な割合で両者を共存させると、システムはより強靭になりました。細菌単独と同等の塩分条件下で、最適化された細菌と酵母の組合せはウラン回収率を約24％向上させ、溶液はより酸化的かつ酸性になりました。いずれもウランの溶解に有利な変化です。

微生物が採鉱コミュニティを作る様子を観察

研究チームは走査型電子顕微鏡と元素分析も用いて、生物が鉱石にどのように入植するかを直接観察しました。数日以内に個々の細菌細胞が鉱物粒子に付着する様子が確認されました。16日後には、細菌と酵母の両方が存在する試料で岩石を覆う密な微生物層（バイオフィルム）や、表面にジャロサイトなどの鉱物皮膜が見られました。これらのバイオフィルムは細胞を鉱石に密着させ、鉱物を攻撃する化学物質を持続的に産生してウランを溶液へ移行させ続けるのに寄与します。視覚的な証拠は測定結果を補強し、コンソーシアムが汽水環境で生き残るだけでなく岩石表面を積極的に変化させたことを示しました。

今後のウラン回収にとっての意義

総じて、本研究は異なる微生物の慎重に設計された協力関係が生物浸出の主要な障害の一つである塩分感受性を克服できることを示しています。塩耐性細菌と相性の良い酵母を組み合わせ、塩分レベル、鉱石負荷、微生物量、時間を統計的手法で最適化することで、汽水と低品位鉱石でも機能する効率的なウラン浸出システムが構築されました。一般読者への要点は、小さな微生物が環境にやさしい採掘者として働けること、そして適切に組み合わせれば清浄な水や豊富な鉱石がもはや利用できない場所でも貴重な金属を回収する助けになるということです。

引用: Shoja, M., Mohammadi, P., Tajer-Mohammad-Ghazvini, P. et al. Improved uranium bioleaching in brackish environments via microbial consortium using RSM based modelling and optimization. Sci Rep 16, 9697 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39700-3

キーワード: 生物浸出, ウラン回収, 塩分環境, 微生物コンソーシアム, バイオマイニング