【持続可能な社会】魚の生育データまとめ【アクアポニックス】
本日も、りけいのりがお届けします。
アクアポニックスは、アクアカルチャー(魚の陸上養殖)とハイドロポニックス(野菜の水耕栽培)を組み合わせたシステムです。アクアカルチャーとハイドロポニックスは、見えざる微生物の代謝によって繋がれています。ここでの微生物とは、ニトロソモナス属菌やニトロバクター属菌などの硝酸細菌です。
魚から放出される糞便に含まれるアンモニア態窒素が、ニトロソモナス属菌により亜硝酸態窒素へ、亜硝酸態窒素がニトロバクター属菌により硝酸態窒素に酸化されます。硝酸態窒素を植物が栄養として吸収することで、水が浄化され、循環利用されるのです。
ここで、魚は窒素循環の源、化学エネルギーの源といえます。なぜなら、魚の糞便に含まれる窒素、リン酸、カリウムなどの栄養が、微生物や植物の代謝、増殖に必要不可欠だから。そこで、魚の健全な生育は、アクアポニックスにおいて重要なポイントと成るのです。
そこで、今回は、アクアポニックスにおいて重要な、魚の生育データについてまとめます。
pH
以上の文献から、淡水性の魚類を育てる際に必要な水のpHは、7-9程度が適当であり、6-9.5程度が許容であることが分かります。したがって、富栄養化による植物性プランクトンの異常増殖と、それに伴う湖沼水のアルカリ化は、魚の生長に有害です。pHのバッファリングは、ある程度は炭酸イオンの溶存イオンにより達成されますが、緩衝剤の投入なども一考の価値ありです。
本節の最後に、日本各地に点在する湖沼のpHをまとめた、鈴木静夫の報告を引用します(日本各地の湖沼: 鈴木静夫, 湖泥のpHとその生態学的意義について, 陸水学雑誌, 1962, 23 巻, 1 号, p. 15-21, 公開日 2009/10/16, Online ISSN 1882-4897, Print ISSN 0021-5104, https://doi.org/10.3739/rikusui.23.15、富栄養湖、中栄養湖、腐食栄養湖の湖沼名、所在地、pHの抜粋)。
| 湖沼名 | 所在地 | pH | |
| 富栄養湖 | 手賀沼 | 千葉 | 6.5-6.7 |
| 阿左美沼 | 群馬 | 6.5 | |
| 石神井沼 | 東京 | 6.6 | |
| 震生沼 | 神奈川 | 4.9-5.0 | |
| 白児沼 | 長野 | 4.4-4.8 | |
| 鶉取池 | 長野 | 3.8-4.7 | |
| 長湖 | 長野 | 4.4-5.2 | |
| 蓼の湖 | 栃木 | 4.8-5.0 | |
| 鏡池 | 鹿児島 | 4.8 | |
| 柳沼 | 福島 | 5.0-6.6 | |
| 事務所沼 | 福島 | 7.6 | |
| 西柳沼 | 福島 | 5.1 | |
| 中栄養湖 | 猪名湖 | 長野 | 4.3-4.6 |
| 棒名湖 | 群馬 | 4.4-4.78 | |
| 大沼 | 群馬 | 4.9-5.1 | |
| 湯の湖 | 栃木 | 4.2-4.8 | |
| 刈込湖 | 栃木 | 3.6 | |
| 切込湖 | 栃木 | 5.0-6.0 | |
| 鰻池 | 鹿児島 | 5 | |
| 山中湖 | 山梨 | 7.0-7.1 | |
| 木崎湖 | 長野 | 6.6 | |
| 木戸池 | 長野 | 5.2-5.4 | |
| 丸池 | 長野 | 5.4 | |
| 腐植栄養湖 | 三角池 | 長野 | 5.1-5.3 |
| 上の小池 | 長野 | 5.0-5.2 | |
| 下の小池 | 長野 | 5.2-5.6 | |
| 長池 | 長野 | 5.1-5.3 | |
| 蓮池 | 長野 | 5.2 | |
| 一沼 | 長野 | 5.1 |
この表を見ると、pH 4-7であることが分かります。pHがアルカリ性に傾くことは、自然界では稀であることを示しています。
温度
続いて、魚の養殖における水温を示します。といっても、大まかな指標しか調査はできませんでした。ここでは、アクアポニックスのシステム構築に関連するグッズを販売するECサイト、Go Green Aquaponicsより引用します。硝酸細菌の適温も示されていたので、併せて示します。
- 熱帯魚：22℃-32℃
- 冷水魚：10℃-18℃
- 硝酸細菌：17-34℃
水温の参考：*1
ここで、魚の生育と水温についてデータが出てこなかったのは、次の原因にあると考えられます。すなわち、水温が低くなっても生存は可能であるが、生育の至適温度は20-30℃の間であることが多いということです。
水温については、熱帯魚・冷水魚にくくられず、比較的広い範囲を許容な魚類も存在します。野菜の生育温度と照らし合わせて魚を決めることも１つの手です。
アクアポニックスにて養殖する魚については、国内最大手のアクアポニックス会社、株式会社アクポニがまとめております。併せてご参考にしてください。
アクアポニックス養殖魚の種類【完全版】メダカからチョウザメまで | AQUAPONICS（アクアポニックス） - さかな畑 -
おわりに
アクアポニックスの概要、アクアポニックスにおける水耕栽培で重要な生育データについては、以下の記事でまとめております。併せてご覧ください。
以上、りけいのりがお届けしました。
参考文献
*1:The Effects of Water Temperature in Aquaponics, by Pivot Advising August 02, 2021, Go Green Aquaponics, Accessed: 20211003,
The Effects of Water Temperature in Aquaponics - Go Green Aquaponics
【持続可能な社会】野菜の生育データまとめ【アクアポニックス】
本日も、りけいのりがお届けします。
本記事では、アクアポニックスを立ち上げる際に、生育をする野菜のデータをまとめました。水耕栽培における変数は、水温、照度、pH、培養液中栄養濃度です。ここで、培養液中栄養濃度やpHは、微生物の生育密度、収穫野菜の栽培密度にも影響を受けます。
生育する野菜の特徴を理解した上で、素敵なアクアポニックスライフを贈りましょう！
水温
| 種類 | 最低の土壌温度[℃] | 発芽適温[℃] |
| インゲンマメ | 9 | 10 |
| ビーツ(甜菜の仲間) | 4 | 5 |
| ブロッコリー | 13 | 24 |
| 芽キャベツ | 13 | 24 |
| キャベツ | 3 | 4 |
| ニンジン | 4 | 5 |
| カリフラワー | 18 | 24 |
| セロリ | 16 | 21 |
| トウモロコシ | 8 | 10 |
| キュウリ | 18 | 21 |
| レタス | 4 | 24 |
| メロン | 13 | 16 |
| タマネギ | 1 | 2 |
| パースニップ(セリ科、ニンジンに似ている) | 13 | 21 |
| グリーンピース | 1 | 2 |
| ピーマン | 21 | 27 |
| ジャガイモ | 13 | 21 |
| カボチャ | 13 | 16 |
| ラディッシュ | 4 | 5 |
| ホウレンソウ | 13 | 18 |
| トマト | 10 | 13 |
参考:Translated from*1
さらによくまとまっているものに、アタリヤ農園のデータシートがあります。
また、長野県が公表しているpdfファイルも便利です。
pH
続いて、生育環境のpHです。pH(水素イオン指数)は、系内に存在する水素イオン濃度に表され、栄養分の存在形態に深く関与しています。有機化合物の存在形態におけるpH依存性は、こちらの記事を御覧ください。
【万能指示薬】pH試験紙の科学③【ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式】 - りけいのり
| 種類 | 至適pH[-] | 種類 | 至適pH[-] |
| チョウセンアザミ | 6.5 - 7.5 | レンズマメ | 5.5 - 7.0 |
| ルッコラ | 6.0 - 6.8 | レタス | 6.0 - 7.0 |
| アスパラガス | 6.0 - 8.0 | マッシュルーム | 6.5 - 7.5 |
| インゲンマメ | 6.0 - 7.5 | マスタード | 6.0 - 7.5 |
| ビーツ | 6.0 - 7.5 | タマネギ | 6.0 - 7.0 |
| ブロッコリ | 6.0 - 7.0 | パセリ | 6.0 - 7.0 |
| 芽キャベツ | 6.0 - 7.5 | パースニップ | 5.5 - 7.5 |
| キャベツ | 6.0 - 7.5 | グリーンピース | 6.0 - 7.5 |
| ニンジン | 5.5 - 7.0 | ピーナッツ | 5.0 - 6.5 |
| カリフラワー | 5.5 - 7.5 | ピーマン | 5.5 - 7.0 |
| セロリ | 6.0 - 7.0 | ジャガイモ | 4.5 - 6.0 |
| ヒヨコマメ | 5.3 - 7.0 | カボチャ | 5.5 - 7.5 |
| チコリー(キク科多年草) | 5.0 - 6.5 | ラディッシュ | 6.0 - 7.0 |
| ハクサイ | 6.0 - 7.5 | ルハーブ | 5.5 - 7.0 |
| とうもろこし | 5.5 - 7.0 | コメ | 5.5 - 6.5 |
| クレソン | 6.0 - 7.0 | エシャロット | 5.5 - 7.0 |
| キュウリ | 5.5 - 7.5 | ダイズ | 5.5 - 6.5 |
| ナス | 6.0 - 7.0 | ホウレンソウ | 6.0 - 7.5 |
| ニンニク | 5.5 - 7.5 | トマト | 5.5 - 7.5 |
| セイヨウワサビ | 6.0 - 7.0 | カブ | 5.5 - 7.0 |
| ケール | 6.0 - 7.5 | クレソン | 5.0 - 8.0 |
| キュウケイカンラン | 6.0 - 7.5 | スイカ | 5.5 - 6.5 |
| リーキ | 6.0 - 8.0 |
参考: Translated from*2
野菜のみならず、果物や牧草など、幅広い植物のデータシートは、こちらが参考になります(はたけの倉庫、便利表pH)。野菜の生育とpHの関係のみならず、栄養塩のバイオアベイラビリティに関しての情報がこちらには記載されています。生育可能なpHが視覚的に分かりやすいページは、こちらです。タキイ種苗株式会社様が公開している画像も参考になります。
栄養塩(窒素)
栄養塩とは一般的にリン酸塩や硝酸塩などの、植物や植物プランクトンの生育に必要な塩が挙げられます。ここでは、窒素の循環に着目して、①アンモニア態窒素と②硝酸態窒素に迫ります。
通常、アンモニア態窒素はアンモニウムイオン、硝酸態窒素は硝酸イオンとして存在します。つまり、静電気的には正反対の存在となります。化合物の電荷に応じて、細胞内へ取り込まれる機構は異なります。ここから、アンモニウム態窒素を利用しやすい植物、反対に硝酸態窒素を利用しやすい植物が存在することが推測されます。硝酸態窒素およびアンモニア態窒素の代謝経路をまとめた、王子(1989)の図を引用します。
また、アンモニアには毒性があります。人体内でアンモニアが発生すると、尿素回路という代謝経路が肝臓で機能し、尿素に変換されることで無毒化されます。
したがって、アンモニア態窒素の存在に強い野菜、硝酸態窒素を取り込みやすい野菜に分類することができます。アクアポニックスにおいては、これらの野菜の配置や割合が重要となります。それでは、好アンモニア性の野菜と、好硝酸性の野菜を確認してみましょう。
まずは、Nawarathna et al.の報告(2021)から引用します。
この報告では、アンモニア態窒素と硝酸態窒素の供給比率を変化させたときの収量を比較しています。全体の傾向としては、硝酸態窒素が多い場合(0:100)の場合と比較して、アンモニア態窒素が多い場合(100:0)に収量は低くなっています。 ここで、Nは総量200 ppmとなるように調整されています。
ここで注目したいのが、野菜に応じて窒素存在形態の比率を変化させたときの、収量の推移が異なることです。ピーマン(Capsicum)、ニンジン、レタスはアンモニア態窒素の比率増大に応じて、収量は大きく変化していません。一方、キャベツ、コールラビ(knol khol)、トマトは、アンモニア態窒素の比率増大に影響を受け、収量が下がっています。また、収量水準としては、キャベツが最も大きく、他の作物に関しては比率におおじて大小関係が変化しています。(本論文では、温度を29±2℃、液体養液のpHを7.0としていました)
続いて、Frerichs et al.の報告(2020)から引用します。
ここで、各数字は窒素肥料濃度 (mg N (L substrate)-1)を、AAFはアミノ酸肥料をそれぞれ示しています。pHが1増大するだけで、収量が大きく変化していることが分かります。これは、アンモニア態窒素の存在形態が関係しています。
However, as a result of this ammonification process substrate pH may also increase. Under neutral to alkaline conditions NH4+ is converted to ammonia (NH3), which is known to be phytotoxic even at low concentrations.
しかし、アンモニア化過程の結果、基質のpHもまた増大することもあります。中性からアルカリ性条件下におけるアンモニウムイオンはアンモニアに変換され、アンモニアは低濃度でさえも植物に毒性を示します。
Refered from Abstract;*3
ここから、栄養塩の存在形態とpHが密接に関係しており、それが収量にも大きく影響を与えることが分かると思います。
本日は、野菜を生育する温度、pH、栄養塩としての窒素に着目して情報をまとめました。以上、りけいのりがお届けしました。
参考文献
*1:Catherine Boeckmann(2021), How to Grow Vegetables, Vegetable Growing Guide, Accessed: 2021/09/28,
Vegetable Gardening Growing Guide | The Old Farmer's Almanac
*2:Ideal Soil pH Levels for Vegetables, The Gardener's network, Accessed: 20210928, URL:
Soil pH Levels for Growing Vegetables. By The Gardener's Network.
*3:Frerichs C et al (2020), Front. Plant Sci, 10:1696. https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01696
【腸内細菌】急性虫垂炎と腸内細菌叢の関係
本日も、りけいのりがお届けします。
今回のテーマは、急性虫垂炎と腸内細菌叢の関係です。急性虫垂炎より、盲腸という俗称の方が馴染み深いかもしれません。発症すると、腹部に強い痛みを伴い、投薬により"散らす"か、あるいは手術することで対応します。
実は、虫垂はリンパ組織として知られており、近年その意義が注目されています。腸管における免疫といえば、腸内細菌叢。りけいのりではお馴染みですね。今回は、急性虫垂炎と腸内細菌叢の関係に迫り、虫垂の組織としての存在意義にも迫ります。
腸内細菌叢や腸内細菌叢と疾患の関係については、以下の記事が参考になります。
それでは、早速本編に移ります。
急性虫垂炎とはどんな病気か
虫垂って何？盲腸って？
急性虫垂炎の正体に迫るには、虫垂について知る必要があります。虫垂とは、解剖学的には以下の部位(Appendix)を指します。
ここで、Caecumが盲腸、Appendixが虫垂です。盲腸と虫垂は解剖学的いに区別されています。炎症が起こるのは、虫垂です。従って、盲腸という言葉は、実際に即して考えると適切な名前ではありません。また、虫垂の英語Appendixから、急性虫垂炎はアッペとも呼ばれたりします。Appendixとは付録を意味し、なんだかその存在がぞんざいに扱われています。
それもそのはず。定説は、この盲腸という部位は人間にとっては必要ではないとしています。草食動物のような、消化に多くの酵素と時間を投資する生物にとっては、盲腸が重要な役割を果たします。一方で、人間は雑食であり、植物の細胞壁などに由来するセルロースを分解する必要は無いのです。しかし、近年の研究では、盲腸および虫垂には重要な役割があるのでは無いか、という説が提唱されています。この後詳しく解説します。
虫垂は、盲腸の端に位置する紐状の組織です。外径平均8 mm、長さ平均85 mmの虫垂は、消化管内で最もリンパ組織が発達しています*1。炎症の中心になるのも納得です。
急性虫垂炎の概要
それでは、急性虫垂炎の正体に迫ります。急性虫垂炎の概要は次の通りです。
好発：10-20歳代
発症の経緯：①食物残渣の詰まりやリンパ組織の増大により虫垂内腔が閉塞、②虫垂にて二次的な感染が加わることで発症
症状：心窩部痛(みぞおち辺りの痛み)、臍部痛(せいぶつう: 臍のあたりの痛み)、内臓痛、食欲不振、悪心・嘔吐、軽度の発熱など
診断：触診、血液検査、腹部CT
参考*2
発症年齢の分布を確認します(N=598)。
10代未満から80代にかけて、分布はブロードです。確かに、極大値は10代から30代の若年層であることが読み取れます。しかし、他の年齢層にも、急性虫垂炎の発症は珍しくはないことをこの分布は示しています。
炎症なので、血液検査では白血球濃度、CRP(C反応性タンパク質：感染症や組織壊死により増大が認められる肝臓由来のタンパク質)の増大が認められます。
急性虫垂炎は、治療が遅れることで進行します。次節では、虫垂炎の進行とその治療について言及します。
急性虫垂炎の進行と治療
急性虫垂炎は、3段階の進行を経ることが知られます。以下、千葉市医師会の公開している虫垂炎のステージを確認します。数字が大きくなることが、症状の進行に対応します。
- カタル性虫垂炎：炎症の程度が一番軽い状態。この段階では、抗生物質による治療も可能になります。ただし、薬物療法の場合、10～20％の割合で再発します。
- 蜂窩織炎性（ほうかしきえんせい）虫垂炎：虫垂の中に膿がたまっている状態。放置すると虫垂の壁に孔があき、病状は悪化します。この段階では、投薬による治療は行えず、虫垂を切除する手術を行います。
- 壊疽性（えそせい）虫垂炎：虫垂の中に膿がたまっている状態。放置すると虫垂の壁に孔があき、病状は悪化します。この段階では、投薬による治療は行えず、虫垂を切除する手術を行います。
引用*3
りけいのり筆者も、急性虫垂炎の経験者です。クリスマスイブの深夜、激しい臍部痛により眠れず、救急外来にて病院へ。血液検査や腹部CTの結果から、急性虫垂炎の診断を受けました。発症からまもなく治療をしたため、抗生物質により"散らす"ことで対処できました。しかし、数年後再発し、このときは虫垂が一般人の2倍ほどに膨れ上がっており、緊急で手術する運びとなりました。虫垂君には、なかなか振分まされましたが、おかげでベッドの上で安静にする切ないクリスマスと、K-Popの流れる手術室での全身麻酔を体験できました。ありがとう()。
余談で先走りましたが、治療には抗生物質の投与と絶食、症状がひどい場合・再発を防ぐ場合には外科的手術が施されます。現在では、外科的手術の技術が進歩し、単孔式腹腔鏡下手術という、臍部に穴をあけるのみの手術が存在します。これは、おへその部分を切り、そこから手術を行うので、術後の痕が目立たない方法です。筆者もこの手術を受けました。直接私と合う場合、お望みであればおへそ見せますよ。
急性虫垂炎と腸内細菌叢の関係
続いて、急性虫垂炎と腸内細菌叢の関係に迫ります。虫垂はリンパ組織であることを前述しました。つまり、腸管内の免疫応答になんらかの役割を担っていることが想定されます。
ここで、腸管内の免疫応答に重要な役割を果たす、もう１つの存在があります。それが、腸内細菌です。マウスを用いたある実験では、腸内細菌を保有するマウス(対照群)と比較して、腸内細菌を保有しないマウス(Germ-free マウス)の免疫系の発達が未熟でした。腸内細菌といえど、非自己。免疫応答の対象になります。そこで、腸管壁の外粘膜層という(腸だけに)超ご近所に存在する非自己が、免疫系の発達に一役買っているわけです。まずは、虫垂と腸内細菌叢の関係についてです。
大阪大学：竹田潔教授らのグループより(2014)
以下、報告の概要です。
- 虫垂は粘膜免疫で重要なIgA(細菌の運動性を弱める)の産生に重要な組織
- 腸内細菌叢の組成制御に関与している
- 腸内細菌叢のバランス異常(Disbiosis)にも虫垂の影響が考えられるため、炎症性腸疾患(IBD)にも重要な組織か
- 虫垂を標的としたIBDの新規治療法開発に期待
参考:*4
無用の長物と考えられていた虫垂が、実は腸管外粘膜層に存在する腸内細菌の制御に重要な役割を果たしているとする研究。Appendixという名を関するには、存在感が大きすぎるのでは無いか、という気がします。
腸内細菌叢のバランス異常は、抗生物質の投与などにより引き起こされます。急性虫垂炎から抗生物質を投与し、さらに虫垂を切除するとなると、腸内細菌の観点からは最悪の対処なのかもしれません。
しかし、虫垂炎も進行すると腹膜炎などを発症しますから、難しいものです。無闇矢鱈に虫垂を取り除くのは、良くないようです。
日本小児外科学会雑誌：安藤・伊勢らの報告(2019)
続いて、虫垂炎の進行と腸内細菌叢の変化について論じた報告です。虫垂はリンパ組織であり、 炎症に伴ってIgA生産などにも影響がおよぶと考えられます。従って、腸内細菌叢も変化すると考えられるでしょう。本研究では、平均年齢10歳2ヶ月の小児を対象に、N=40の後ろ向き研究を行っています。後ろ向き研究(Retrospective Study)とは、ある症状や性質を持つ発症群と、持たない対照群にサンプルを分類し、両者の生活習慣や薬の投与歴などをさかのぼって比較することで、症状の原因を特定するような研究手法です。
以下、日本小児外科学会雑誌：安藤・伊勢らの報告の概要です。
- 平均年齢10歳2ヶ月の症例
- 発症からの日数および炎症の程度による2群比較
- 虫垂内容ぬぐい液もしくは腹腔内の膿汁中の細菌を培養
- 全例でβラクタム系の抗菌薬投与
- 40例中70%にEscherichia coli、38%に Bacteroides fragilis、35%にEntrerococcus sp.、28%にBacillus sp.が観察された。
- 発症からの経過日数、炎症の進行に伴い、Enterococcus sp. 、Pseudomonas aeruginosaの検出率が有意に増大した(p<0.05)。
- Enterococcus sp. は通性嫌気性、Pseudomonas aeruginosaは偏性好気性の細菌であるが、この理由として絶食により偏性嫌気性細菌の栄養となる有機酸、短鎖脂肪酸が減少することが原因として考えられる
- 発症が進行した壊疽性虫垂炎などでは、
- Enterococcus sp. 、Pseudomonas aeruginosaをカバーした抗菌薬の使用が適正であると考えられる
参考:*5
虫垂炎においては、大腸菌やBacteroides fragilisなどの腸内細菌に対して、抗菌薬の投与がなされます。一方で、本研究では、①食事への介入等により虫垂炎の治療時に虫垂中の腸内細菌叢が変化すること、②それに応じて適正な抗菌薬が変化することが示されました。
おわりに
いかがでしたか？この記事では、虫垂や盲腸の解説から始まり、急性虫垂炎、急性虫垂炎と腸内細菌叢の関係についてご紹介しました。
腸内では存在感の薄い虫垂ですが、じつは腸管内の免疫機能に重要な役割を果たしていること、虫垂炎発症時における適切な抗菌薬が変化することを学びました。
今後も、虫垂に着目した治験は集積されるでしょう。それは、急性腹症の中で最も発症率が高いのが急性虫垂炎であり、また炎症性腸疾患の治療に活かせると期待されているのが虫垂だからです。
以上、りけいのりがお届けしました。
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りけいのりの中の人が、YouTubeチャンネルを開設しました！
りけい大学院生の日常や考えていることを共有していきます！！
記事の内容も動画にて再度取り上げる予定ですので、ぜひお立ち寄りください！！！
参考文献
*1:太田西ノ内病院 消化器センター、虫垂炎を疑う時、医学小知識、一般財団法人大田綜合病院、Accessed:20210923、URL:虫垂炎を疑う時/医学小知識
*2: 医療情報科学研究所 (2020)、病気がみえる vol.1 消化器 第6版 第2刷、急性虫垂炎, 192-197.
*3:虫垂炎(2016)、一般社団法人 千葉市医師会、Accessed: 20210923、URL:
「虫垂炎」 ｜ 今月の健康コラム ｜ 一般社団法人 千葉市医師会
*4:大阪大学、科学技術振興機構の共同発表(2014)、無用の長物と考えられていた虫垂の免疫学的意義を解明～炎症性腸疾患の制御に繋がる新たな分子機構～、Accessed: 20210923、URL:
無用の長物と考えられていた虫垂の免疫学的意義を解明～炎症性腸疾患の制御に繋がる新たな分子機構～
*5:安藤亮、伊勢一哉(2019)、小児急性虫垂炎の進行に伴う虫垂内細菌叢の検討、日本小児科学会雑誌、55(2)、231-235.
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjsps/55/2/55_231/_article/-char/ja/
【持続可能な社会】アクアポニックスって何？
本日も、りけいのりがお届けします。
今回は、循環型社会のミニチュアであるアクアポニックスについて解説します。アクアポニックスとは、魚の養殖と野菜の水耕栽培を１つの場所で実現した生産システムです。アクアポニックスはAquacultureと(Hydro)Ponicsの造語です(下図参照)。
ここでは、魚、野菜、微生物について言及がされています。これらの生物がどのように交わり、アクアポニックスを形成しているのか。仕組みから応用まで迫ります。
アクアポニックスって何？
まずは、アクアポニックスに関する基礎を抑えます。アクアポニックスは、陸上養殖と水耕栽培を連結したシステムです。このシステムは、大きく分けて３つのプロセスによりなります。
- 魚への給餌(養殖)
- 魚の排泄物の微生物、作物による分解
- 作物の生育(栽培)
ここで、以下のエネルギーは外部から供給する必要があります。
- 力学的エネルギー：水流の形成
- 光エネルギー：作物の栽培
- 化学エネルギー：魚への給餌
ここで(熱力学的には)、外部からエネルギーを供給する以上、孤立系とは呼べません。給餌による物質の供給も伴うので、閉鎖系でもありません。あくまでも、人間が必要最小限の手を加えるだけで、物質循環と生物の生育が進行する系を目指します。この点、アメリカで建設されたバイオスフィア2のような閉鎖空間での生態系形成とは設計思想が異なります。
力学的エネルギー、光エネルギーの供給は、アクアポニックスにおけるハードウェアの部分なので、設計がしやすいです。一方、化学エネルギーの供給は生命の生育に直接的に関与する他、化学反応に依存する点で結果の予測が難しいです。実際、物質循環が、アクアポニックスにおける課題となります。
アクアポニックスの物質循環
ここで、物質循環について考えるために、問題を切り分けます。物質循環には、2つの側面が存在します。
- 栄養循環：ここでは、生物の生育に必要な化合物の循環とします。
- 固体としての物質循環：魚への給餌には固形肥料を用いることが一般的です。そこで、固体を利用すると詰まり(ファウリング)を生じ、循環をストップします。したがって、循環する物質の物理的性状を考慮する必要があるのです。
ここでは、栄養循環について考えます。以下、日本産業技術教育学会誌掲載の、"技術科教育におけるアクアポニックス教材の提案"、2.アクアポニックスの基礎概念を主に参考としています*1。より詳しい情報に興味のある方は、参考文献のリンクより御覧ください。
アクアポニックスで第一に重要視されるのは、窒素です。窒素は①アンモニア態と②硝酸態に分けられます。アンモニア態窒素は、生育に有害なので、①から②への化学変化が重要となります。
窒素の化学変化は、以下のとおりです。
尿素態の窒素(1→アンモニア態窒素(2→亜硝酸態窒素(3→硝酸態窒素(4の順に代謝が進行します。アンモニアの酸化に伴い、無毒化されるイメージです。ここで、(2→(3の過程、(3→(4の過程では、ニトロソモナス属やニトロバクター属の細菌による代謝が関与しています。
植物が栄養として好む存在形態は、アンモニア態や硝酸態など様々であり、水流の上流や下流に配置する植物の順番は検討する必要があります。また、魚類の選択も重要です。つまり、pHや汚れ、温度に対しての許容範囲を知ることが、適切な魚の選別をすることにつながるのです。また、細菌の代謝も重要な要因です。水温が大幅に変化する場合や、化合物の濃度が極端に変化する場合、細菌の代謝活性も変化します。すると、アクアポニックスの根幹をなす(2→(3の過程、(3→(4の過程が大きく影響を受け、栄養循環が成立しなくなるのです。
ここでは、窒素の循環について注目しました。しかし、生物の生育には、リン、カリウム、鉄、モリブデンなど、その他の栄養についても制御する必要があります。持続可能な系の構築に際して、考えるべきことは多くあり、これこそがアクアポニックスの醍醐味でもあります。
アクアポニックスの応用例
ここまで、アクアポニックスの仕組みについて簡単な説明をしました。それでは、この技術がどのように応用されているのでしょうか。まずは、Clarivate社の提供する研究検索・調査ツール"Web of Science"にて、アクアポニックスと関連深いキーワードを調べます(2021年9月現在)。
Aquaponicsのキーワードに対して617件の研究がヒットしました。漁業・水産業(Fisgeries)、環境科学(Environmental Sciences)、園芸(horticulture)、持続可能な環境技術(Green Sustainable Science Technology)が上位にランクインしています。
続いて、年代別の論文発刊数を調査しました(2021年9月現在) 。
2010年では僅か1件の研究でしたが、近年は100件を超える研究が報告されています。異常気象や温暖化、森林火災の多発から、私達の与える環境への影響に注目が集まる昨今。持続可能性というキーワードはあらゆるフィールドに散見されます。アクアポニックスへの注目が集まるのは自然な流れかもしれませんね。
続いて、海外でのアクアポニックスの事例を3件紹介します。
INAPRO
INAPRO(Innovative Aquaponics for Professional Application)は、水、エネルギー、栄養の節約を目的とした技術の統合と、アクアポニックスの新たなモデル構築を図るプロジェクトです。INAPROは、EUによる助成(grant agreement no 619137)を受けています。以下、INAPROのスキームです。
INAPROでは、モデル構築と最適化の過程を経て、アクアポニックスの商業化を目的としています。①スケーラビリティ(拡大可能性)、②アダプタビリティ(適応可能性)を重視し、田舎から都市部まで場所を選ばないアクアポニックスを目指しています。
このプロジェクトには、The Leibniz Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries (IGB) をはじめとした多くの企業が参画しています。
Aquponi
Aquponiは神奈川県に構える企業で、"さかな畑"という言葉を提案しています。
さかな畑：野菜と魚を一緒に育てる地球に優しい循環型農業*2
事業内容は以下のとおりです。
引用: アクポニ会社概要*3
- 農場設置: -アクアポニックス農場のデザイン、施工、栽培指導-
- 農場管理: -栽培管理ITシステムの開発-
- 資機材: -農場に関わる資機材、消耗品の開発-
- AQUAPONICS ACADEMYの運営: -アクアポニックスの学校-
- 書籍の出版: -実践マニュアル本-
- 家庭用栽培キット: -家庭用栽培キットの開発-
前半３つの事業がTo B、後半3つの事業がTo C(アウトリーチ)といったところでしょうか。神奈川県の湘南には、展示試験場が建てられており、LEDライトによる閉鎖環境でのアクアポニックス、太陽光を取り入れた半閉鎖環境でのアクアポニックス、両者を取り入れたハイブリッドのアクアポニックスが備え付けられています。今後、日本各地への展開が期待されます。
Aquaponics treatment system inspired by sewage plants
こちらは、2021年6月に発行された最新の論文からの引用です。
本論文では、アクアポニックスに重要な栄養循環において問題となる、魚の給餌形態と水耕栽培における栄養の方法を検討しています。
魚の給餌方法には、固形の餌を散布することが一般的ですが、この餌が流路の詰まりを引き起こします。つまり、大量の給餌をすることができないという問題につながるのです。そこで、固形物を処理するユニットをシステム中に取り入れることで、水中の固形物総懸濁量を87%カットし、詰まりの問題を改善することに成功しています。
また、水中での栄養の存在形態についても言及されています。一般的に、生物が栄養を吸収するためには細胞内に栄養が取り込まれる必要があります。これは、①分子レベルではリン脂質二重膜(細胞膜)を栄養素が通過し、②体内の酵素による代謝を受ける、というプロセスが必要です。従って、上記のステップを経ることができない分子は、水中に存在していたとしても栄養として機能しないのです。本研究では、栄養を過剰に供給した場合についても、①水耕栽培で育てたレタスの栄養が高くなることはなく、また②今回試験した系においてはBやPが慢性的に不足することが示されました。
おわりに
人の手をできるだけ加えずにアクアポニックスを実現することは、物質循環をいかに制するかという問題に直結しています。実際に、地球では多くの生物が人間の手を離れて生活しています。地球という閉鎖系を、小規模で再現すること。これはアクアポニックスにおける究極の課題といえるでしょう。
いかがでしたか？アクアポニックスを考えることは、実は地球に存在する限られた資源をいかに有効に利用するか、という問題と似ている気がします。今後、アクアポニックスの研究・開発が進み、都市でも田舎でも、場所を選ばずに農業と漁業ができる未来が来ることを期待しています。
以上、りけいのりがお届けしました。
参考文献
*1:室伏 春樹, 原田 耕作, 白井 貴大, 松下 直輝, 鄭 基治, 藤井 道彦, 技術科教育におけるアクアポニックス教材の提案, 日本産業技術教育学会誌, 2019, 61 巻, 4 号, p. 253-260, 公開日 2020/12/28, Online ISSN 2434-6101, https://doi.org/10.32309/jjste.61.4_253
*2:アクポニ、
https://aquaponics.co.jp/wp-content/uploads/2020/09/%E3%83%81%E3%83%A9%E3%82%B7_0916_DL%E7%94%A8.pdf
*3:https://aquaponics.co.jp/wp-content/uploads/2020/09/%E3%83%81%E3%83%A9%E3%82%B7_0916_DL%E7%94%A8.pdf
【腸内細菌】偽膜性大腸炎と腸内細菌叢の関係
本日も、りけいのりがお届けします。
突然ですが、読者の皆様は"偽膜性腸炎"あるいは"偽膜性大腸炎"という疾患をご存知でしょうか。もしかすると、腸の疾患を患ったり、近しい人が罹患しなければ、このような病気についてあまり知らないかもしれません。
病気については、一生触れずに生涯を終えることが理想です。しかし、今日の日本においては、病気に罹患することを前提とした人生を考えることが現実的です。厚生労働省および国立がんセンターの発表によると、
- 日本人の2人に1人はがんに罹る
- 日本人の3人に1人はがんで亡くなる
とのことです。小学校40人で1クラスだとすると、自分か隣の友達のどちらかはがんに、自分か左右の友達の誰かはがんで亡くなる計算です。医療や公衆衛生が発達し、栄養失調や感染症で命を落とすことが減った人類の宿命かもしれません。
では、病気になる人とならない人は、何によって決まるのでしょうか。もちろん、決定的な要因はありません。複数の要因が干渉しあって病気は発症します。しかし、以下の要因は、人の寿命を大きく左右します。
- 喫煙：喫煙は良くない
- 食生活：暴飲暴食や偏食は良くない
- 運動習慣：適度な運動が良い
- 睡眠：睡眠時間が寿命に影響を与える
かなり一般的な事柄を羅列しました。そして、りけいのりで協調したいもう１つの要因こそが"ヒト常在細菌叢"です。細菌叢とは、多様な細菌の集まりを示す言葉です。したがって、ヒト常在菌細菌叢は、ヒトの体外に存在するあらゆる細菌のことを指します。これらの細菌の数は、40兆個ともそれ以上とも言われています。人体を構成する細胞の数に匹敵するか、凌駕する細胞数です。
彼らは、人にはできない代謝(生体内で起こる化学反応)が可能です。我々には消化できない食物を分解して栄養にしてくれます。彼らは、病原菌から我々を守ってくれます。常在菌が体外に繁茂することで、外来の病原菌が定着する隙きを与えないのです。
前置きが長くなりました。人の健康を維持する上で、もはや人に共存する彼らを無視することはできません。彼らと上手く付き合うことが、健康を維持する上で重要なポイントです。
今回のテーマである"偽膜性大腸炎"は、彼らと上手な関係を築けなくなった時に発症する炎症疾患です。この記事では、偽膜性腸炎の解説を行い、ついで偽膜性腸炎に関する研究をご紹介します。
偽膜性大腸炎ってどんな疾患？
偽膜性大腸炎(Pseudomembranous colitis)とは、薬剤性大腸炎に分類される疾患です。抗生物質の投与などにより腸内細菌叢のバランスが乱される状態(Disbyosis: ディスバイオシス)に陥ることで、毒素を産生する細菌のClostridioides difficile(旧名: Clostridium difficile)が腸管に定着することで炎症が惹起されます。
抗生物質は、人に常在する細菌も、外来の病原菌も無差別に攻撃します。抗生物質投与により、多様性の損なわれた腸内細菌叢に対しては、外来の病原菌が定着しやすくなるのです。Clostridioides difficile(クロストリディオイデス ディフィシル)の他にも、腸炎を惹起する細菌が知られています。
以下、本田と飯田らの記述を引用します。
薬剤性大腸炎
治療目的で投与された薬剤により惹起される急性の大腸炎である。広義には医原性疾患に含まれ、薬剤の副作用に対する社会的関心の増加から日常診療においても常に念頭に置くべき疾患である
本記述では、薬の投与に対する社会の期待について警鐘を鳴らしています。むやみやたらに薬剤を投与すると、Disbyosisを引き起こし兼ねないのです。
薬剤性大腸炎は、抗菌薬(抗生物質)や非ステロイド性抗炎症薬(Non-Steroidal Anti-Inflammatory Drugs: NSAIDs: エヌセイズ)、抗がん薬、胃切除術後などに投与される酸分泌抑制薬の投与により発症します。下痢や下血を引き起こすのが特徴で、偽膜性大腸炎や出血性大腸炎、MRSA腸炎が含まれます*2。
ここで、抗菌薬の投与により、以下のプロセスが伴うことで発症する疾患を偽膜性大腸炎と呼びます。
- 抗菌薬を投与する
- 抗菌薬により、腸内に棲息する細菌の多くが死滅する
- 多様性、存在量ともに減少した腸内に、Clostridioides difficileが定着する
- Clostridioides difficileがトキシンAやトキシンB、Binary Toxinなどの毒素を産生する
- 毒素の影響により、腸管上皮細胞が壊死するなどして、炎症反応が起こる
- 偽膜と呼ばれる黄白色の膜状構造が生じる
症状、好発部位、治療法は以下の通りです。止痢剤や鎮痙剤の投与は、体外へのトキシン排出を遅らせるため、禁忌となっております。
症状：高熱(白血球増多)，腹痛，下痢，血便
好発部位：大腸に好発し，とくにS状結腸・直腸に多い→小腸に及ぶ場合もある(偽膜性全腸炎)
治療：抗菌薬の投与中止、メトロニダゾールやバンコマイシンの経口投与
高齢者や腎不全、がん、白血病などの疾患を有する方に罹患が多く、院内感染が最も頻繁な疾患であると言われています*4
偽膜性腸炎と腸内細菌
続いて、Clostridioides difficileの生態に迫ります。ヤクルト中央研究所の菌の図鑑を参考、Clostridioides difficileの生態を示します。
- グラム陰性細菌
- 偏性嫌気性細菌: 酸素存在条件下で生存・増殖できない
- 1935年に乳児の便から分離
- 偏性嫌気性であり分離が難しく、difficile(ラテン語: 困難な)と命名
- 桿菌・周毛性鞭毛、芽胞形成菌
- ヒト、ウマなどの腸内、土壌
- 健康な乳幼児の大便には15-70%の頻度で、健康な成人の大便からは2-15%の頻度で検出
C. difficileは、ヒトに頻繁に検出される細菌と言えます。院内感染が頻発するのも納得です。C. difficileは様々な薬剤耐性株が知られていて、フルオロキノロン、クリンダマイシンへの耐性菌が存在します。このような状況を受けて、アメリカやイギリスではC. difficileの感染に対してトップレベルの警戒、感染対策を施しています。一方、国立感染症研究所が示すとおり、日本国内においての危機意識は低いのが現状です。
日本でのCDI感染対策における, 最も大きな問題点は, CDIに関する認識・理解の低さにある。医療機関だけではなく, 高齢者施設や自治体等の保健衛生に携わる関係機関での正しい情報の共有が必要である。
炎症の直接の原因となるのは、C. difficileの産生する以下2つの毒素です。
ToxinAとToxinB以外にも、Binary Toxinと呼ばれる毒素を産生するC. difficile菌株が存在することも知られています。
おわりに
今回の記事では、抗菌薬の投与とC. difficileによる腸内細菌叢の菌交代現象に伴う、偽膜性大腸炎についてまとめました。高齢化の進む日本においては、年齢が好発の要因となる偽膜性大腸炎の院内感染症が、今後大きな問題となると思います。仮に抗菌薬投与の必要が生じた場合、抗菌薬の摂取をするか否かは、一度かかりつけのお医者さんと相談すると良いでしょう。
最後に、便微生物移植について取り上げます。偽膜性大腸炎が、健常者の便を移植することで完治する例が報告されています。以下に、腸内細菌叢研究の大御所、ロブナイツの文章を引用します。
(前略) 初期のクロストリジウム・ディフィシル腸炎の患者の糞便の中に、健康な人には見られない細菌コミュニティがあり、表皮や膣にあるコミュニティと似ていることがわかりました。しかし、糞便移植をしてから数字で患者たちの腸内細菌は健康な人と似た状態になり、症状は消え去りました。
疾患の根本原因に対して有効なアプローチをすることで、低リスクで高い効果が得られる好例でしょう。
りけいのりでは、腸内細菌叢と疾患の関係をまとめています。今までに、潰瘍性大腸炎、クローン病、過敏性腸症候群について取り扱ったので、併せてご覧ください。
www.rek2u.com以上、りけいのりがお届けしました。
参考文献
*1:本多啓介, 飯田三雄(2001), 特集 主題Ⅱ: 最近話題になっている腸の炎症性疾患(IBDを除く) 2.薬剤性大腸炎, 日本大腸肛門病会誌, 54, 932-938. はじめに, より引用
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jcoloproctology1967/54/10/54_10_932/_pdf
*2:参考: 医療情報科学研究所 (2020)、病気がみえる vol.1 消化器 第6版 第2刷、薬剤性腸炎, 187-189.
*3:参考: 医学用語解説集 偽膜性大腸炎, 日本救急医学会, Accessed: 2021/09/02, URL:
*4:重篤副作用疾患別対応マニュアル 偽膜性大腸炎, 厚生労働省, 平成20年3月, Accessed: 2021/09/02, URL:
https://www.mhlw.go.jp/topics/2006/11/dl/tp1122-1g05.pdf
*5:菌の図鑑 クロストリジウム ディフィシル （クロストリディオイデス ディフィシル）, ヤクルト中央研究所, Accessed: 2021/09/02, ULR:
クロストリジウム ディフィシル （クロストリディオイデス ディフィシル） | 菌の図鑑 | ヤクルト中央研究所
*6:日本のClostridioides difficile感染症、国立感染症研究所、2020年3月31日、Accessed: 2021/09/02, URL:
IASR 41(3), 2020【特集】日本のClostridioides difficile感染症
*7:ロブ・ナイト、ブレンダン・ビューラー、訳)山田拓司 (2018)、TEDブックス 細菌が人をつくる 第一刷、株式会社朝日出版社、第5章 細菌群集をハックする、126-127.
【腸内細菌】潰瘍性大腸炎と腸内細菌叢の関わり
本日も、りけいのりがお届けします。
今回のテーマは、潰瘍性大腸炎と腸内細菌叢の関わりについて。潰瘍性大腸炎は、安倍晋三元首相の持病としても知られる疾患であり、日本においては約22万人が罹患しています(2020年8月時点)*1。潰瘍性大腸炎は、指定難病とされており、原因は現在も明確に定まっておりません。
以前、りけいのりでは、潰瘍性大腸炎と同じ炎症性腸疾患の１つとされる、クローン病について扱いました。クローン病の原因として、腸内細菌叢の構成異常(Disbiosis)に着目しました。今回の記事でも、Disbiosis(ディスバイオシス)の観点から潰瘍性大腸炎に迫ります。腸内で炎症が起こる仕組みについては、以下の記事を御覧ください。
それでは早速、潰瘍性大腸炎の概観をご紹介します。
潰瘍性大腸炎ってどんな病気？
潰瘍性大腸炎(ulcerative colitis)とは、主に大腸粘膜にびらん、潰瘍などの病変が確認できる、原因不明の慢性炎症腸疾患です*2。統計によって推定値にばらつきはありますが、人口10万人に対して100人(1000人に１人)が悩むとされています。
発症に性差はなく、①喫煙者は非喫煙者と比較して発症リスクの高いこと、②発症のピークは男女共に20代に見られることが知られています(下図参照)。
症状としては、貧血、体重減少、発熱や腹痛、血便、粘血便が知られています。これらの症状を主訴(患者が訴える主な症状)とする場合に、消化管造影検査、内視鏡検査が行われ、腸の正常構造の喪失や潰瘍の確認により、潰瘍性大腸炎が疑われます。
潰瘍性大腸炎の治療には、内科的治療として抗炎症薬メサラジン(商品名：ペンタサ)やステロイドの薬物投与、炎症に伴い発生する白血球の除去療法を、外科的治療としては手術を行います*3。ただし、外科治療は、大出血や癌化などの急を要する場合や、内科的治療が上手く行かない場合に限ります(手術は患者にとって大きな肉体的、精神的ストレスです)。
潰瘍性大腸炎の病理については、ミルメディカルさんの動画が参考になります。
炎症性腸疾患の見分け方
続いて、混同しやすい炎症性腸疾患として、クローン病、潰瘍性大腸炎が挙げられるので、以下に相違点を列挙します。
クローン病と潰瘍性大腸炎を比較すると、好発年齢は類似しているものの、好発部位には若干の違いがあります。症状に限ると、クローン病では肛門部への病変が認められるのに対して、潰瘍性大腸炎では直腸病変や粘血便が認められます。いずれにしても、炎症性腸疾患では症状が共通していることも多いため、症状の記録、消化管造影、内視鏡検査などを利用して多角的に鑑別する必要があります。
血便、慢性的な便通異常が見られたら、まずは病院に行くことを強くお勧めします。
潰瘍性大腸炎と腸内細菌叢の関わり
まずは、大阪大学、日本医療研究開発機構(AMED)、科学技術振興機構(JST)の共同発表を概観します。
- 炎症性腸疾患の原因に、腸管粘膜バリアの破綻が考えられている
- 腸管粘膜バリアは糖タンパク質のムチンが体液に溶け込んだ粘液により、組織への腸内細菌の侵入を防いでいる
- 大腸上皮細胞に特異的に高く発言するLypd8遺伝子のノックアウトマウスを作成したところ、通常無菌に近い内粘液層への腸内細菌の侵入が確認された
- Lypd8遺伝子の発現は、糖鎖で修飾されたグリコシルホスファジチルイノシトール(GPI)により細胞膜に繋ぎ止められたタンパク質(GPIアンカー型タンパク質)の産生を促す。このタンパク質の一部は酵素の働きにより特に鞭毛を有する腸内細菌に結合し、運動性を抑えることがあきらかとなった
- Lypd8遺伝子が欠損することで、腸内細菌が腸管壁に到達し、免疫応答の結果炎症反応が惹起されていることが示唆された
参考文献: *4
以上より、①通常の腸管内では腸内細菌が腸管壁に到達しないようにする仕組みが働いていること、②腸内細菌は炎症反応を誘発すること、が分かります。炎症性腸疾患の一種である潰瘍性大腸炎の発症に関して、Lypd8遺伝子が関係している可能性が考えられます。
大阪大学、日本医療研究開発機構(AMED)、科学技術振興機構(JST)の共同発表の末尾では、以下のように締めくくられています。
近年、潰瘍性大腸炎などの炎症性腸疾患の患者数は増加の一途をたどっています。今後、Lypd8蛋白質の補充療法などの粘膜バリア増強による潰瘍性大腸炎への新たな治療法の開発が期待されます。
続いて、前回も紹介したクレブシエラ・ニューモニエに関する報告です。
最後に、2021年1月25日発刊の論文をご紹介します(執筆現在: 2021年8月16日)。
- ポーランドにおける潰瘍性大腸炎患者の腸内細菌組成を調査
- 手法：16S rRNAの解析
- 対象：20人のグループ（UC患者10人、対照者10人）
- 結果①：潰瘍性大腸炎患者において腸内細菌の多様性が大幅に低下(p<0.05)
- 結果②：潰瘍性大腸炎患者において、Proteobacteria(門)、Actinobacteria(門:放線細菌)、Candidate Division TM7(糸状性細菌、サッカリバクテリア)が多く含まれていた
- 結果③：潰瘍性大腸炎患者において、Bacteroidetes(属)、Verrucomicrobia(門:ウェルコミクロビア)は、健常者に比べて少なかった
- 結論：腸内細菌の多様性が低下し、抗炎症作用を持つ分類群が減少し、病原性を持つ可能性のある細菌が増加していることが確認された
おわりに
いかがでしたか？今回の記事では、難病指定を受ける潰瘍性大腸炎と腸内細菌の関係に迫りました。リアルタイムで1000人に1人が悩む疾患。治療法がわからないからこその難病です。
近年、系統組成や遺伝子機能発現予測など、腸内細菌にまつわる新たな知見が急速に蓄積されています。情報技術の急速な進歩に加えて、薬学者、分子生物学者、世界中のバイオインフォマティシャン※、医療関係者、医療技師と、様々な賢人によって、見えない世界が見えるようになってきました。
(※生命情報学者のこと: 計算機上での実験や解析により、生物のビックデータから知見を集積・発見する研究者)
現在では、腸内細菌の構成異常状態から正常状態にすることを目的として、様々な介入試験がなされています。例えば、健常者の糞便を患者に移す、便微生物移植(Fecal Microbiota Transplantation: FMT)が、一部の疾患では応用されています。
今後、腸のみならず、常在菌構成異常が確認された疾患に対しては、微生物による介入を経て、治療がなされる時代に成ることを期待しています。以上、りけいのりがお届けしました。
*1:安倍首相の持病、潰瘍性大腸炎とは 国内患者22万人、日本経済新聞、2020年8月28日 14:37 (2020年8月29日 4:40更新)、Accessed: 2021/08/16、URL:
*2:病気が見える Vol.1 消化器 第3版 第２刷(平成20年)、医療情報科学研究所、株式会社メディックメディア、90-93
*3:*2参照
*4:腸内細菌の大腸組織侵入を防ぐメカニズムを解明～潰瘍性大腸炎の新たな治療薬開発に期待～、大阪大学、日本医療研究開発機構、科学技術振興機構 、平成28年3月31日、Accessed: 2021/08/11、URL:
*5:2017年度 研究事業成果集 口腔常在菌が炎症性の腸疾患の発症に関与している可能性を発見、国立研究開発法人 日本医療研究開発機構、平成30年11月15日、Accessed: 2021/08/11、URL:
*6:Zakerska-Banaszak, O., Tomczak, H., Gabryel, M. et al. Dysbiosis of gut microbiota in Polish patients with ulcerative colitis: a pilot study. Sci Rep 11, 2166 (2021).
【腸内細菌】クローン病と腸内細菌の関係 (Part 2)
本日も、りけいのりがお届けします。
今回の記事は、炎症性腸疾患の一種であるクローン病と、腸内細菌の関連について迫ります。前回の記事では、腸内細菌は腸内のどの辺りに棲息するのか、腸内細菌は宿主の免疫系とどのように関連しているのか紹介しました。腸内細菌は、宿主にとっては異物でありながら、免疫系の発達には不可欠な存在です。しかし、腸内細菌叢(別名：腸内フローラ)のバランスが崩れると、宿主の健康は害されることになります。
今回の記事では、はじめにクローン病の概観を述べ、ついでクローン病と腸内細菌の関係について迫ります。
クローン病ってどんな病気？
クローン(Crohn)病は、患者の中では20歳代に多く、回腸末端部に好発する慢性非特異性肉芽腫性炎症であり、根本治療法が存在しない疾患です*1。肉芽腫性の炎症は、回腸のみならず消化管内全域に渡って確認されていて、痔瘻などを伴うことがあります。
(※回腸とは、小腸の中でも大腸と接続される側を指します)
クローン病は、炎症性腸疾患の一種です。炎症性腸疾患としては、他にも安倍元首相が患う潰瘍性大腸炎や腸結核も含まれます。これらの症状は鑑別が難しいことから、確診(疾患の確定を行う診断)には注意を要します。
原因は現在までのところ不明で、宿主の遺伝的要因、腸内細菌叢や細菌感染などの環境要因が相互に関与することで、免疫系に異常が生じていると考えられています*2。
症状としては、以下のようなものが挙げられます。
- 腹痛
- 下痢
- 発熱
- 体重減少
- 裂肛(れっこう)：排便時に皮膚が裂けるような痛み、きれ痔
- 肛門周囲膿瘍：肛門・直腸周囲の化膿とその結果起こる腫れや発熱
- 痔瘻(じろう)：膿が出た後の管やしこり
以上より、難病指定を受けているものの、命に直接の影響は無い病気です。しかし、合併症などのリスクがあるので、注意が必要です。難病は、原因が明らかとなっておらず、今後治療法の確立が求められる、疾患の分類と捉えると分かりやすいかもしれません。
直接の原因が明らかとなってはいないクローン病ですが、今回の記事では腸内細菌叢の構成異常(Disbiosis)がクローン病の発症や進行に影響を与えることを示唆する証拠を見ていきます。
クローン病と腸内細菌叢の関わり
まずは、北海道大学大学院、先端生命科学研究院の中村准教授、綾部教授らが率いる研究グループの報告です。
ここから、宿主側の細胞内小器官へ一定のストレスがかかることで、Disbiosisが誘発され、これに起因してクローン病様の腸管内炎症が引き起こされていることが示唆されました。文末では、以下のように締めくくられています。
本研究成果は，抗菌ペプチドの腸管自然免疫における重要性を明らかにし，炎症性腸疾患であるクローン病だけでなく，腸内細菌叢の異常を伴うことが知られている生活習慣病，難治性免疫疾患をはじめとする多くの疾患の新たな治療法開発に貢献することが期待されます。
本研究結果は、小胞体へのストレスを除去することで、結果として炎症を防げる可能性を示唆しています。
続いては、慶應義塾大学の本田賢也教授の研究グループからの報告です。
ここからも、腸内細菌叢の構成異常(Disbiosis)により通常は生育しない腸内細菌が免疫系に影響を与えることで、炎症が惹起されることが分かります。腸内細菌は、免疫系の発達に重要なばかりか、免疫系が発達後も腸内環境保全の観点から重要であることを示唆しています。
最後に、炎症性腸疾患と腸内細菌叢の因果関係に迫る、以下の論文のKey Pointsを引用します。
Animal studies have elucidated key immunological pathways in the pathogenesis of IBD, established both pro-inflammatory and anti-inflammatory roles of the gut microbiota, and shown that the gut microbiota is indispensable for pathogenesis in most colitis models.
動物実験は、炎症性腸疾患の発病における免疫学的な経路を解明し、腸内細菌の抗炎症作用、炎症惹起作用を説明した。また、腸内細菌はほとんどの大腸炎発症モデルに欠かせない。
もはや、腸内細菌は炎症性腸疾患の主たる要因と考えて良いようです。
おわりに
今回の記事では、①クローン病、②腸内細菌とクローン病(炎症性腸疾患)の関わりについてそれぞれ概説しました。クローン病の語源は、1932年にニューヨークのブリル・バーナード・クローン医師らによって初めて報告されたことによるのですが*7、クローン病も腸内細菌の構成異常が悪さをしているとは夢にも思わなかったことでしょう。
今後も、腸内細菌叢にまつわる新たな知見が得られることで、病気に対する私達の見方が変化し、より効果的な治療法が確立することを願っています。
以上、りけいのりがお届けしました。
*1:病気が見える Vol.1 消化器 第3版 第２刷(平成20年)、医療情報科学研究所、株式会社メディックメディア、86-89.
*2:クローン病（指定難病９６）、難病情報センター、令和2年9月、Accessed: 2021/08/11、URL:
*3:”CD(クローン病)の症状って?”より一部引用、武田薬品工業株式会社、Accessed: 2021/08/11、URL:
*4:参考文献: 抗菌ペプチドの異常による腸炎発症メカニズムを解明～クローン病など腸内細菌の異常を伴う疾患の新たな治療法開発に期待～（先端生命科学研 究院 教授 綾部時芳）, 北海道大学, 2020年4月30日, Accessed: 2021/08/16, URL:
*5:
2017年度 研究事業成果集 口腔常在菌が炎症性の腸疾患の発症に関与している可能性を発見、国立研究開発法人 日本医療研究開発機構、平成30年11月15日、Accessed: 2021/08/11、URL:
*6:Ni, J., Wu, G., Albenberg, L. et al. Gut microbiota and IBD: causation or correlation?. Nat Rev Gastroenterol Hepatol 14, 573–584 (2017).
【腸内細菌】クローン病と腸内細菌の関係 (Part 1)
本日も、りけいのりがお届けします。
今回の記事では、クローン病と腸内細菌の関係に迫ります。クローン病とは、小腸や大腸に見られる炎症性の病気で、難病にも指定されています。そんな難病のクローン病が、実は我々に棲まう微生物の影響を少なからず受けていることが明らかとなってきました。
近年、微生物と人体の関わりには、様々な発見があります。その背景には、次世代シーケンサーと呼ばれる、超並列化されたDNAシーケンシング技術の開発が関連しています。この話は別の記事に譲るとして、今回は腸内細菌、クローン病、腸内細菌の与えるクローン病への影響にフォーカスしてお話します。
りけいのりでは、以前に過敏性腸症候群(IBS)と腸内細菌の関係について取り上げました。過敏性腸症候群は、現代の日本人の約15%が抱えるとされる病気です。緊急の治療は必要ないものの、お腹周りの慢性的な不快感から、私達のQOLを損ねる病気のため、多くのヒトが悩んでいるといえます。こちらの記事を読むと、今回の記事への理解もぐっと深まります。
それでは早速、腸内細菌がどこに棲んでいるのか、ということから解説します。
腸内細菌はどこに住む？
腸内細菌は、ヒトの腸管内に棲息する細菌です。例としては、ラクトバチルスなどの乳酸菌、フラジリスなどのバクテロイデス属菌、お馴染みの大腸菌が挙げられます。腸内は、腸内細菌にとってのオアシスで、生存に必要な餌となる食物繊維や水分は絶えず供給されます。また、代謝産物の排出プロセスもあるため、持続的に生存が可能な環境なのです。
ヒト腸管内には、約1 kgほどの腸内細菌が生存しています。その数は、ヒトの世界総人口を優に超え、数十兆個と言われています。現代の微生物学では、これらの微生物1つ1つを扱うのではなく、１つの集合体として腸内細菌を捉えるのが普通です。
そこで、腸内フローラや腸内細菌叢という言葉が利用されます。腸内フローラとは、お花を意味するフローラから、腸内に存在する多種多様な細菌を花畑として表現した語です。腸内細菌叢とは、雑多なものの寄せ集めを意味する叢(くさむら)より、やはり多種多様な腸内細菌の集合体を表しています。
ここで、腸内細菌は、腸内の中でもどの部分に存在しているのでしょうか。
腸管壁は、以上の図のようになっています。我々の摂取した食物などが通る腸管内から、体の内部に向けて垂直に説明します。
- 外粘液層：ムチンと呼ばれる糖タンパク質が体液に溶けることで形成される層。粘膜の保護や保湿、抗菌作用などを担う。ここに、腸内細菌のほとんどが存在している。
- 内粘液層：粘膜上皮細胞の中でも杯(さかずき、ゴブレット)細胞から分泌されたムチンが高濃度に存在する領域。ほぼ無菌の状態。一部の腸内細菌はムチンを代謝することで、粘液層のバリア機能を低下させ、病原性細菌の腸内細胞への侵入が促進される報告がある*1
- 粘膜上皮：陰窩と呼ばれる凹んだ部位に存在する腸管上皮幹細胞がTA（Transit Amplifying）細胞へ分化後、さらに分化した吸収上皮細胞，杯細胞，Paneth細胞，腸内分泌細胞，タフト細胞，M細胞により構成される*2。ここから抗菌ペプチドが分泌されることで、化学的バリア機能を果たす。
- 粘膜固有層：マクロファージ、樹状細胞、T細胞サブセットや自然リンパ球など、免疫系を司る細胞群が多く存在しており*3、組織内への異物の侵入を防いでいる。
腸内細菌は、基本的に外粘液層に存在しています。しかし、後で示すように、腸内細菌のバランス異常(Disbiosis)時には、腸内細菌が内粘液層、組織へと侵入する場合もあります。
私達と微生物。自己と非自己。
腸内フローラと聞くと、何だか体に良いように聞こえます。しかし、もとを正せば腸内細菌は非自己・異物であり、免疫応答の対象です。そこには、粘液層や互いに接続された細胞という物理的バリア、抗菌ペプチドや免疫細胞などの化学的・生物学的バリアが存在します。ここで、ディフェンシンなどの抗菌ペプチドはパネート(Paneth)細胞から分泌されます。ペプチドとは、複数のアミノ酸が結合した化合物の一種で、様々な生理活性を示します。抗菌作用のあるペプチドとしては、バンコマイシンが有名です。
一方、一部の細菌は、難消化性食物繊維の消化を助けてくれたり、ビタミンや短鎖脂肪酸など、私達にとって有益な代謝産物を与えてくれます。したがって、腸内では自己・非自己のせめぎあいの中で、腸内細菌と絶妙な免疫のバランスを保っているのです。
腸内細菌が、免疫系の成熟に重要な役割を果たすとする研究もあります。
細菌と触れ合うことは、ヒトの正常な免疫系発達にも重要なことが伺えます。一方で、前述の通り、例えばムチンを好んで分解する細菌の存在は、腸管壁バリア機能を低下させ、炎症反応を惹起させます。今回取り上げるクローン病にも、実はこの点が大きく関連しています。次回は、クローン病、クローン病と腸内細菌の関係について迫ります。
おわりに
今回の記事では、①腸内細菌は腸内のどこに棲息するのか、②腸内細菌と免疫系の関係について迫りました。腸内とくくっても、そこには複雑な生態系が存在しており、ヒトと腸内細菌の間で様々なやりとりがされていること、腸内細菌がマウスの免疫発達には重要であることを覚えて頂けたら嬉しいです。
私達の健康は、腸内細菌とのやりとりによって成り立ちます。したがって、抗生物質投与などにより腸内細菌叢を駆逐することは、長期的にみて人体に悪影響であるといえます。いずれかは、腸内細菌のバランスを整えることで疾患が改善される、非侵襲な医療の時代に突入するかもしれません。科学の進歩がヒトの幸福に貢献する、最たる例示になることを願います。
お腹の中の多様性に目を向け、上手に付き合う。そんなことが、健康への近道なのかもしれませんね。以上、りけいのりがお届けしました。
*1:生体バリア3 ～粘液層の役割～、昭和堂薬局、2017年7月19日更新、Accessed: 2021/08/11、URL: 生体バリア3 ～粘液層の役割～ | 『昭和堂薬局』
*2:奥村 龍・竹田 潔、腸管上皮細胞と腸内細菌との相互作用、ライフサイエンス領域融合レビュー、2016/08/31、Accessed:2021/08/11、URL:
*3:長谷耕二(2017)、シリーズ 腸内細菌叢7 腸内細菌による免疫制御、モダンメディア、63(2)、36-41.
https://www.eiken.co.jp/uploads/modern_media/literature/2017_02/005.pdf
*4:*3 長谷(2017)を参照
*5:Y. Obata, Y. Furusawa, K. Hase (2015), Epigenetic modfications of the immune system in health and disease, Immunol. cell biol., 93, 226-232.
【腸内細菌】過敏性腸症候群(IBS)と腸内細菌叢の関わり
本日も、りけいのりがお届けします。
今回の記事は、近年の健康ブームに伴い、急速に知られるようになった"腸内フローラ"のお話。腸内フローラとは何か、という定義がされぬままに、健康との関わりが議論されることが多いです。
一方、腸内フローラが、我々ヒトの人生に、とっても大きな影響を与えていることは事実です。かくいう"りけいのり"は、エムラン・メイヤー(Emeran Mayer)先生著述の、"脳と腸 -体内の会話はいかにあなたの気分や選択や健康を左右するか-"の内容に衝撃を受け、現在は腸内細菌の研究をしています。
本書では、腸内に棲息する腸内細菌と、腸管神経系、迷走神経、脳の間に成り立つ情報伝達系(脳腸相関)を皮切りに、腸内細菌がいかに重要なのかが説かれています。
話が脱線しました。今回は腸内細菌について簡単に説明した上で、過敏性腸症候群(IBS)の説明を行い、最後に腸内細菌と過敏性腸症候群の関わりについてご紹介します。
腸内フローラとは
腸内フローラは、別名腸内細菌叢と呼ばえる。フローラ(flora)は、英語で"花"を意味し、フラワーと同語源です。様々な腸内細菌が、お花畑のごとく集まっているイメージです。叢(くさむら)という言葉は、多くのものが雑多に集まっている様子を指しています。腸内細菌のまとまり、集合体のことを、腸内フローラ、あるいは腸内細菌叢と呼びます。
腸内細菌とは、人間と共存関係にある細菌の中でも、腸内に棲息している細菌を指します。ヒトには、約100兆個とも言われる数の細菌が存在しています。そして、約100兆個の細菌の多くは、腸内細菌叢に由来します。腸内は、微生物の生存にとって、非常に都合の良い環境です。
以下、細菌叢研究の世界的権威、ロブ・ナイツ(Rob Knight)先生と、科学ライターであるブレンダン・ビューラー(Brendan Buhler)さんの著書、"細菌が人をつくる"より一部引用です。
細菌にとって腸内は住み心地の良い場所です。温暖で食べ物と飲み物が豊富にあり、便利な下水道システムもあります。巨大な細菌群集が豊富なエネルギーを謳歌していて、私たちの腸はさながら、にぎやかなニューヨークと石油が豊富なサウジアラビアを合わせた都市のようです。*1
まさに、人種の坩堝(るつぼ) としてのニューヨークと、潤沢な資源産出国のサウジアラビアは、腸内環境の形容にはピッタリです。
腸内細菌の研究は、約10年前から急激な進歩を遂げ、昔には想像もおよばなかった事実が明らかとなってきました。ヒト以外の生物を他者・非自己の存在であるとすると、ヒトは非自己と常に共存していることになります。ヒトの体は37兆個の細胞により構成されることから、ヒトの細胞1つあたりに2-3の非自己が共存する計算ですね。
実は、私達が考えている私達って、ほとんどが私達以外でできているんですね。私達と共存する、彼ら/彼女らが過敏性腸症候群と関係するメカニズムについては、後の節に譲ります。
過敏性腸症候群(IBS)とは
過敏性腸症候群(Irritable Bowel Syndrome: IBS)とは、機能消化管障害(Functional Gastrointestinal Disorder: FGID)の一種で、腹痛や腹部不快感を伴い、便通に慢性的・再発的な異常が見られる状態です*2
日本においては、国民の約15%にみられる、頻度の高い疾患であることが知られています。
過敏性腸症候群の原因は、現在も定かでは有りません。有力な要因としては、ストレスや腸内細菌が挙げられ、またこれらの相互作用によって発症していることも考えられます。
過敏性腸症候群は、便の形状によって細分化されます。便の形状は、便秘、正常範囲、下痢などの様態によって分類されます。我々が汚物と認識する便に、実にたくさんの情報が詰め込まれているのです。
便の形状と硬さを腸疾患の診断に利用したのは、1997年、英国Bristol大学のHeaton博士です。以下、7段階によって便を分類します。これを、Bristol便形状尺度といいます。
1：硬くてコロコロした木の実のような便
2：いくつかの塊が集まって形作られたソーセージ状の便
3：表面にヒビ割れがあるソーセージ状（バナナ状）の便 (正常)
4：滑らかで軟らかなソーセージ状（バナナ状）の便 (正常)
5：軟らかな半固形状の便 (正常)
6：境界がはっきりしない不定形の便
7：水様便。
Bristol便形状尺度は、便の形状を数値で表現したものです。便の形状は、下部消化管の運動機能を反映するために、重要であると考えられています*4。便の形状によって、IBSを便秘型や下痢型、混合型、分類不能型へと分類し、それぞれに対して適切な薬物療法が適用されます。
腸内フローラと過敏性腸症候群の関わり
最後に、腸内細菌叢(フローラ)と過敏性腸症候群の関わりに関する、2021年8月現在の知見を紹介します。基本的に、腸内細菌が多様に存在する腸が、健康であると考えられています。ここでの多様性をどのように定義するか、については生命情報学に譲るとします。健康が損なわれた状態を病気とするのであれば、腸内細菌の多様性が失われた状態が病気に繋がると考えられます。
実際に、腸内細菌叢組成のバランス異常(disbiosis)が、過敏性腸症候群の患者にも確認されていることから*5、腸内細菌と過敏性腸症候群には何らかの関係が存在すると考えられています。
ここで、重要な議論に、腸内細菌と過敏性腸症候群の因果関係があります。腸内細菌と過敏性腸症候群の発症に何らかの関係があることは、観察研究として明らかになっています。しかし、この状態で腸内細菌が過敏性腸症候群の原因であるとするのは時期尚早です。以下のケースが考えられるからです。
ここでは、正岡と金井らの総説を参考に、腸内細菌が過敏性腸症候群に対してどのような影響を与えているか、与えうるかを示します*6。
著者らの実験
その他の報告
以上の知見はいずれも、過敏性腸症候群の原因として、腸内細菌を裏付けるエヴィデンスとなります。一方で、腸内細菌が、どのような働きをして過敏性腸症候群を誘発するかに関しては明らかとなっていません。分子生物学、生理学、生命情報学の観点から、さらなる研究が求められます。
おわりに
今回は、腸内細菌の簡単な説明と棲息環境、過敏性腸症候群の概要、腸内細菌と過敏性腸症候群の関連についてまとめました。ヒトに棲まう他人について、少しでも想いを馳せて頂けたら嬉しいです。
我々の腸内では、地球上でもっとも高密度に微生物がひしめき合っています。数え切れない非自己と、私達人間は奇跡的に共存しています。
ヒトの生物としての恒常性維持機能(ホメオスタシス)は、実はお腹の中の彼ら/彼女らに担うところも大きいです。でも、ヒトと腸内細菌の関係は明らかになっていない点が多いです。ヒトの疾患と腸内細菌の関わりもその一つです。
今後も、りけいのりでは腸内細菌に関する最新の知見を紹介して行きます！以上、りけいのりがお届けしました。
*1:ロブ・ナイト、ブレンダン・ビューラー、訳)山田拓司 (2018)、TEDブックス 細菌が人をつくる 第一刷、株式会社朝日出版社、第1章 細菌としての肉体、38.
*2:医療情報科学研究所 (2020)、病気がみえる vol.1 消化器 第6版 第2刷、過敏性腸症候群(IBS), 148-151.
*3:ブリストル便性状スケール（ＢＳスコア）、ヤクルト中央研究所、Access: 2021/08/03、
*4:*2参照
*5:福田真嗣他(2019)、もっとよくわかる！腸内細菌叢 健康と疾患を司る"もう１つの臓器" 第一刷、株式会社羊土社、第Ⅱ部 腸内細菌叢とヒトの疾患、その制御、6章 腸内細菌叢のバランス異常(dysbiosis)と疾患, 66.
*6:正岡建洋, 金井隆典, 過敏性腸症候群の最新知見―治療―, 日本消化器病学会雑誌, 2019, 116 巻, 7 号, p. 570-575.
【万能指示薬】pH試験紙の科学④【スペシエーション分析】
本日も、りけいのりがお届けします。
突然ですが、皆さんは理科の実験で用いた"リトマス試験紙"や"万能指示薬"を覚えていますか? もしかすると、現役で理科の実験に使っているかもしれませんね。
化学反応により試料(サンプル)の性質を明らかにする試薬を指示薬と呼びます。ここで、指示薬を利用することはあっても、フラスコの中では何が起こっているのか意識しない人がほとんどでは無いでしょうか。かくいう"りけいのり"も、小中学生の頃に、フラスコの中での出来事をフシギに思うことはありませんでした。
それもそのはず、小中学校にて学習する理科の内容では、詳細な化学反応を扱えません。ですから、学校では教えてくれないのです。
しかし、"かいつまんでお伝えするのであれば"、色に関する科学を短時間で理解することも可能です。そこで、テーマを"指示薬"に絞ることで(かいつまむことで)、次のことを目指します。
pHの重要性を理解し、pHの簡便な測定指示薬である万能指示薬に詳しくなる。
ここまでに、次のような内容を学んできました。未だご覧になってない方は、併せてご確認すると理解が深まります。
本記事は、万能指示薬シリーズの最終回。万能指示薬に用いられる指示薬を概観し、スペシエーション分析を通して万能指示薬の仕組みに迫ります。
万能指示薬の概観
万能指示薬は、指示薬の混合物に紙を浸漬、乾燥させることで得られる試験紙です。今では、Amazonでも売ってるくらい、一般にも普及しています。
万能指示薬のルーツは、何と日本にあります。農学博士の山田忍先生が開発された、"山田式指示薬"が基礎となり、様々なpH試験紙に派生していきました。*1
農学博士ということで、山田先生の主著を覗いてみましょう。
- 『肥料不足対策の実際』（柏葉書院、1948年）
- 『肥料の知識』（北農会、1950年）
- 『耕土改良の知識』（北方出版社、1954年）
- 『作物の育つ土と肥料』（農林図書出版社、1962年）
流石は農学博士と言ったところでしょうか。農作物の育つ基盤である土壌への施肥に大きな関心を寄せていたことが伺えます。きっと、土壌のpHを測定する際に、"もっと簡単に土壌pHを測定できないか"と考えたのでしょう。
万能指示薬は、大きく以下の4つの指示薬により構成されます
万能指示薬は、チモールブルー、メチルレッド、ブロモチモールブルー、フェノールフタレインにより構成される。
前回までの記事で、プロトンとの結合・解離が、分子の共役長を変化させることで、吸光特性が変化することをお話しました。
次節では、プロトン解離を記述する上で重要な酸解離定数(pKa)と併せて、各試薬の構造を見ていきましょう。
万能指示薬の中身とスペシエーション分析
まずは、チモールブルー(Thymol Blue)です*3。
続いて、メチルレッド(Methyl Red)です*4。
続いて、ブロモチモールブルー(Bromothymol Blue)です*5。
最期に、フェノールフタレイン(Phenolphthalein)です*6。
続いて、上記試薬の酸解離定数です。
ここから、ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を基に、プロトン解離の計算をすると、次のようになります。
ここで、Protonated→プロトン付加体、Deprotonated→プロトン解離体をそれぞれ示しています。酸解離曲線が、pH1-12まで満遍なく横たわることで、各pHにて独自の発色をしていることが分かります。それにしても、酸解離曲線って美しいですね。
おわりに
本記事で、万能指示薬を軸とした、pH試験紙の科学に関する記事連載は完結です。いかがでしたか? 小学生や中学生の頃には想像もできなかった、ミクロでダイナミックな世界がそこには広がっています。
この連載を通して、①化学平衡、②色の正体、③指示薬について、皆さまの中で少しでも理解が深まっていたら幸甚です。
りけいのりでは、身近な科学に関する疑問、質問を募集しております。ページ上部の問い合わせフォームにて、お待ちしております。
それでは、長旅お疲れ様でした。
○2022年のお知らせ
りけいのりの中の人が、YouTubeチャンネルを開設しました！
りけい大学院生の日常や考えていることを共有していきます！！
記事の内容も動画にて再度取り上げる予定ですので、ぜひお立ち寄りください！！！
参考文献
*1:日本国特許第99,664号、1933年2月21日
*2:山田忍, フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』, URL:
Accessed: 20210331.
*3:National Center for Biotechnology Information (2020). PubChem Compound Summary for CID 65565, Thymol blue. Retrieved March 31, 2021 from https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Thymol-blue
*4:National Center for Biotechnology Information (2020). PubChem Compound Summary for CID 10303, Methyl red. Retrieved March 31, 2021 from https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Methyl-red
*5:National Center for Biotechnology Information (2020). PubChem Compound Summary for CID 6450, Bromothymol blue. Retrieved March 31, 2021 from https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Bromothymol-blue
*6:National Center for Biotechnology Information (2020). PubChem Compound Summary for CID 4764, Phenolphthalein. Retrieved March 31, 2021 from https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Phenolphthalein
*9:
【第1弾】りけいTシャツ販売開始! 【バイアス】
本日も、りけいのりがお届けします。今回は、商品紹介の記事となります。
りけいのりでは、"科学"にまつわるあれこれを、様々な角度から発信しております。教科書に倣った順序で知識を発信することもあれば、科学に関する"ウソ"を発信することでリテラシーを養ってみたりします。様々な角度から、科学を見つめるのには理由があります。
人とバイアス
それは、ヒトの認知機能には欠陥があるからです。文系にせよ、理系にせよ、ヒトはみな自分の見たい世界を見ています。文化的背景や環境要因に依存する考え方の偏りをバイアスと呼びますが、ヒトは皆バイアスの中で生活しています。そんな偏り、思考の癖は、時としてヒトを不幸にするでしょう。
思考の偏りにより、ヒトが不幸になる例は、こんな場面が想定されます。
- 偏見により、肌色の異なる人とは関わらない。
- 水素水は美容に良いと思い込む。
- "次の賭けこそ必ず勝てる"とギャンブルに身を投じる。
- 自分は安全であると思い込み、緊急時への備えや災害時の避難を怠る。
これらは、科学の観点から次のように説明されます。
- 肌色は、色素の違いでしかない。つまり、皮下数ミリの違いで人を判断していることになる。代謝など、ヒトとしての本質的な違いは、肌色に依らない。
- 水素水は何故美容に良いのか。水素はどのような性質の物質なのか(常温常圧では気体で、水に難溶)。科学的に疑問を投げかけると、疑似科学は瞬く間に崩れ去る。
- ギャンブルが成り立つのは、多くのヒトが負けるから。そして、ギャンブル事業を続けるだけの企業へのメリットがあるから。数学的に、期待値を求めると、ギャンブルに身を投じれば投じるほどに損をする。ギャンブルの必勝法は、賭けないこと。
- 心理学的には、自分のことを棚上げにする"正常性バイアス"が働いている。自分は特別ではない。
以上のように、科学的な思考は様々な場面で、我々のバイアスを取り除いてくれます。
それでは、もう一歩踏み込んで科学について考えてみましょう。
科学と娯楽
前節にて、科学はヒトの思考の偏りを解消する、いわば"レンズ"の役割を果たすことをお伝えしました。本節では、"科学が娯楽である"ということを考えてみます。
生物には、記憶する能力があります。現在の経験を蓄積し、未来に起こりうる危険を避け、あるいは喜びを享受する蓋然性を高めます。
ヒトには、論理的に物事を考える、高度な情報処理プロセスが備わっています。あなたの眉間の数センチ内側に存在する大脳新皮質が、情報処理の中枢です。
脳は、電気的な刺激と化学的な情報伝達による並列的な回路を備えています。脳が新たな物事に直面すると、ドーパミンなどのホルモンが分泌され、一時的な覚醒を経験します。
ヒトは考える葦である。
考えることが、ヒトをヒトたらしめる所以なのです。
ヒトは、遊び、笑う生き物です。ヒト-ヒト間での高度なコミュニケーションの上に社会は成り立ち、結果として人類は自然界という不確実な世界の中で安定的な繁栄をしてきました。そんな中、遊びは"偶然の産物"ともいえる思考の外側の可能性を与え、笑いはヒトとして生きる我々の結束を強め、そして充実感をもたらしてくれます。
以上までに、何の脈絡もない話をしてきました。しかし、そこには共通点があります。それは、"想像上の産物"であるということです。身の回りで起こる出来事すべては、ヒトの脳がもたらした一種のイメージに過ぎず、いわば想像上の産物です。もちろん、バイアスだって想像上の産物です。
もちろん、科学だって我々人間の想像上の産物です。今、目の前に成り立っている現象をもっとも確からしく説明しているのが科学であるというだけです。それ以上でもそれ以下でもないのです。
我々の空想の上に繰り広げられる論理的思考という運動が、科学を生み出し、そして人類を豊かにする。ヒトは考え、考えが科学を生み出し、科学が人を笑わせるのです。科学は手段です。
それと同時に、科学は目的にもなります。ヒトは新しい何かを知ることで覚醒することを前述しましたが、それは人類にとっての新しいことである必要はありません。あなたにとっての新しいことであれば、それはあなたの脳を活性化させるのです。科学の学びが目的化しても、ヒトを幸せにするのです。
科学は、コスパ最強のエンターテインメントです。
オリジナルTシャツ発売
ってことで、そんな思いを凝縮したTシャツを発売します。
Tシャツのデザインはこんな感じです。印字として、こんな文章を盛り込んでみました。
Science is Entertainment Hidden in Nature
科学とは、自然に隠された娯楽である。
ちょっとカッコつけすぎましたかね。手に持つ三角フラスコの中には、色とりどりの溶液が描かれています。そして、液面はヒトの手の形をしています。
サイエンスが、幅広い分野の科学者の手によって発展してきたことを表現しました。
サイズ展開は、S、M、Lの三種類。数量はなんと各サイズ2枚ずつで、価格は2052円です。試し打ち的に販売を開始します。
おわりに
今回は、ヒトとバイアスの関係、科学は娯楽であるということ、そして、オリジナルTシャツの販売開始の告知をお届けしました。
"りけいのり"のメンバーは、科学の中に芸術性、デザイン性を感じています。淘汰というふるいにかけられた結果、魚、両生類、爬虫類、鳥類、そして哺乳類はこのような形に落ち着いています。分子はいずれも、量子力学により完全に制御され、精彩を放ちます。ヒトは、科学に立脚する、海を、山を、宇宙を、自然を美しいと感じます。
今後も、サイエンスをアートに昇華する活動を、少しずつでも展開していけたらと考えています。リクエストやご意見がございましたら、お気軽にお問い合わせください。
以上、りけいのりがお届けしました。
【万能指示薬】pH試験紙の科学③【ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式】
本日も、りけいのりがお届けします。
皆さんは、身の回りにある"色"と"物質"の関係について、どの程度知っていますか?
- 染料と顔料は水への溶解性が異なる
- 物質の色は、光源からの光の一部が吸収されることで生じる
- 物質による光の吸収は、化学構造に依存する
- あまり意識したことがない
"色の成り立ち"を理解することは、物理学・化学に対するかなりの教養が求められるんです。ですから、"空は何故青いのか"とか、"虹は何故七色なのか"という疑問に真摯に答えようとすると、大学レベルの物理、化学理論が登場します。
しかし、"かいつまんでお伝えするのであれば"、色に関する科学を短時間で理解することも可能です。そこで、テーマを"指示薬"に絞ることで(かいつまむことで)、次のことを目指します。
pHの重要性を理解し、pHの簡便な測定指示薬である万能指示薬に詳しくなる。
目的達成のため、今までに以下のような道のりを歩んできました。
- pHのざっくりとした概念をつかみ、酸解離平衡を理解する
- pHの厳密な定義を理解し、ルシャトリエの原理を知る。
- ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式の概略を知る。(本記事)
- pH試験紙に使われる指示薬を知り、試験紙とは何か、分かるようになる。
前回は、化学平衡とルシャトリエの原理について学びました。
今回は、さらに進んで、pHの変化による物質の組成変化を示すヘンダーソン・ハッセルバルヒの式についてお話します。
それでは、水素イオン濃度の与える化合物のダイナミズムを紹介します。
ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式
ヘンダーソンとハッセルバルヒ
ヘンダーソン・ハッセルバルヒ。初めて聞く人にとっては馴染みの無い名前ですね。
ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式 (Henderson-Hasselbalch Equation)
The Henderson–Hasselbalch equation was developed independently by the American biological chemist L. J. Henderson and the Swedish physiologist K. A. Hasselbalch, for relating the pH to the bicarbonate buffer system of the blood (see below).
引用: *1
ヘンデルセン・発せるバッハの式は、アメリカの生化学者である L. J. Henderson とスウェーデンの生理学者であるK. A. Hasselbalchが独立に提案した方程式で、血液における重炭酸緩衝液に対するpHの影響を考える際に役立ちます。独立に提案されたので、長い名前の方程式になっているのです。
ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を導出する
ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を導出します。導出のスタートは、酸解離定数の式(I)からです。(※対数関数の演算ができることを前提としています)
酸解離定数の式(I)の両辺に対して、10を底とする常用対数を取ります。続いて、両辺に×-1を行います。
ここで、pHと類似して、Kaの10を底とする常用対数値に×-1した値をpKaと定義します(IV)。対数の性質を活用することで式を整理します(V)。最後に、pHの定義式を代入することで、ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を得ました(VI)。
ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式を応用する
次のフェーズとして、pKaの持つ意味を考えてみましょう。対数の性質より、次の式が成り立ちます。
単純なプロトン解離平衡においては、プロトン解離型の分子とプロトン結合型の分子が1:1の割合で存在するようなpHがpKaということになります。酸解離平衡のpH依存性を考える上で、pKaは重要な指標であると言えます。以上のような、化学種の組成を明らかにするプロセスを"スペシエーション解析"といいます。
特に、プロトン解離によって分子の性質が変化するような場合、スペシエーション解析は重要になります。スペシエーション解析が重要な例として、次の分野が考えられます。
- 有機化学: 化学種の帯電状態をpHにより制御する。
- 環境毒性学: スペシエーションに応じて環境汚染物質の毒性は変化する。
- 分析化学: 化学種の色がpHに応じて変化する。
言わずもがな、最後に示した分析化学の例こそが、万能指示薬を理解する上で重要なポイントとなります。
色と共役長
最後に、天下り式ではありますが、色と構造の関係についてお話します。一般的に、我々が感知できる色は、特定の化学構造に起因しています。その一つが、共役系です。共役系に関しては、以下の記事にて解説しています。
ここで、有色の化合物において、"共役系の長さが変化すると、化合物の色が変化する"ということが大切です。
通常、水素イオンが解離することで、共役系を有する分子の共役長は変化します。
このように、プロトン解離やプロトン結合が、指示薬の変色に関係するのです。
おわりに
いかがでしたか? 酸解離定数から導かれるヘンダーソン・ハッセルバルヒの式と、pKaの持つ意味について少しでも理解が深まれば幸いです。最後には、分子の構造が色と密接に関係していることをお話しました。特に、水素イオンの授受によって化合物の色が変化することは、pH試験紙において特に重要なポイントとなります。
次回は、万能指示薬に用いられる指示薬を概観し、スペシエーション解析を通して万能指示薬の仕組みに迫ります。以上、りけいのりがお届けしました。
参考文献
*1:
N.V. BHAGAVAN, CHAPTER 1 - Water, Acids, Bases, and Buffers, Editor(s): N.V. BHAGAVAN, Medical Biochemistry (Fourth Edition), Academic Press,
2002, Pages 1-16.
【万能指示薬】pH試験紙の科学②【化学平衡】
本日も、りけいのりがお届けします。
皆さんは、身の回りにある"色"について、どの程度意識したことがありますか?
- 色は色素に由来する
- 色は光源の種類により変化する
- 色により対象物への印象が変化する
文字通り、色々な考えがあるかと思います。我々の世界の一側面は、色によって形作られていると言えます。以上のような、身近な色を用いてサンプルから情報を引き出す試薬を"指示薬"といいます。
指示薬の原理を理解することは、化学的な世界観を共有することに等しいです。そこで、本連載では次のことを目指します。
pHの重要性を理解し、pHの簡便な測定指示薬である万能指示薬に詳しくなる。
pHとは対象物に含まれる水素イオン濃度の指標であり、感覚としては"酸っぱさ"の程度に対応します。また、pHは工業や生命現象など、ありとあらゆるところで重要になる指標でもあります。そこで、pHを簡便に知ることが出来る"万能指示薬"は、大発明だといえるでしょう。
万能指示薬の作用原理を理解するための道しるべは次の通りです。
- pHのざっくりとした概念をつかみ、酸解離平衡を理解する
- pHの厳密な定義を理解し、ルシャトリエの原理を知る。(本記事)
- ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式の概略を知る。
- pH試験紙に使われる指示薬を知り、試験紙とは何か、分かるようになる。
前回は、pHの概念や酸解離平衡について学びました。
今回は、一歩進んで、pHの厳密な定義を理解し、ルシャトリエの原理という化学における基礎知識も学びます。
それでは、普遍的な化学の美しい世界にご案内しましょう。
pHの厳密な定義
前回の記事では、極めて曖昧なpHの説明を致しました。定性的な説明は、直観的な理解を助ける一方で、数学的に扱うことを難しくしてしまいます。そこで、pHの厳密な定義について確認してみましょう。
ここで登場するのが、高校数学にて登場する、対数関数 (特に10を底とする常用対数)、あるいは指数関数です。pHの直接的な表現としては対数表示の方が分かりやすいですが、慣れていない方にとっては指数関数表示の方が分かりやすいかと思います。
ニュースや会社、はたまた日常会話にて"指数関数的な増大"など使うことが多いであろうこの関数。比ゆ的には、"鼠算に増大する"などと言われたりもします。実際に数字を入れてみると、指数関数のイメージがつかめます。
- pH 1: [H+]=10^-1=0.1
- pH 2: [H+]=10^-2=0.01
- pH 5: [H+]=10^-5=0.00001
- pH 14: [H+]=10^-14=0.00000000000001
このように、pHが"1"増えるに伴って、10^-1(=0.1)がかかるので、急激に水素イオン濃度は小さくなります。普通、自然界におけるpHは1~14に収まります。これを我々が普段扱う数で表そうとすると、14桁も異なる数字を扱うことになるので、扱いが大変です。そこで、対数関数の力を借りることで、系の水素イオン濃度を示す指標、すなわちpHの導入を行うのです。
(ここでは、対数関数の説明は行いませんので、他のテキスト等をご覧ください)
化学平衡とルシャトリエの原理
pHの厳密な定義を導入したところで、次の話題に移ります。化学平衡とルシャトリエの原理についてです。前回の記事では、酸から水素イオンが解離するような酸解離平衡について学びました。一般に、化学種の状態や組成変化を伴う動的平衡状態を化学平衡(Chemical Equilibrium)といいます。酸解離平衡の他にも、次のような化学平衡が存在します。
- 気液平衡：気体と液体の間で生ずる平衡
- 固液平衡：固体と液体の間で生ずる平衡
- 溶解平衡：溶質の析出と溶解過程で生ずる平衡
この世の中の至る所で平衡状態が生じては崩れています。ここで、平衡状態には次のような性質があります。
ルシャトリエの原理(文献によっては法則)
平衡系に平衡を乱すような妨害が生じたとき、その影響を減少させる方向に反応は進行する。
引用: *1
非常に直観的な原理です。前回も例に出た酸解離平衡を例に考えてみましょう。
例えば、酸解離平衡の成り立つ系に水素イオン(酸)を添加したとします。すると、水素イオン濃度増大の効果をかき消すような変化が起こるので(ルシャトリエの原理)、HAの生成を伴います。一方、HAを添加するとHA濃度の効果をかき消すような変化が起こるので(ルシャトリエの原理)、H+およびA-の生成を伴います。
このように、化学平衡の成り立つ系に対して変化が生じた場合に、系がどの様に変化するのか指標を与えてくれるのがルシャトリエの原理となります。ルシャトリエの原理は、非常に奥深い理論、特に化学熱力学に裏打ちされていて、信頼に足るものです。
変化というのは、物質の組成のみならず加熱・吸熱、加圧・減圧など様々な変化を指します。電磁気におけるレンツの法則のようなツンデレさを感じさせてくれます。
おわりに
ミクロな世界で成り立つ、ダイナミックな変化。マクロな視点で分かる、平衡の性質。相反するスケールにおいて、化学平衡は様々な顔を見せてくれることを学びました。今回、厳密なpHの定義を学び、酸解離平衡が"ルシャトリエの原理"に従うことを学んだ今、pH試験紙の本質に迫る準備が出来ました。
次回、"pH試験紙の科学"最終回をお届けします。以上、りけいのりがお届けしました。
参考文献
【万能指示薬】pH試験紙の科学①【pHと酸解離定数】
本日も、りけいのりがお届けします。
皆さんは、中学理科で登場する"pH"について、どれくらいのことを知っていますか?
学んできたことや原体験によって、pHに対する考えは様々です。
本記事では、次のことを目指します。
pHの重要性を理解し、pHの簡便な測定指示薬である万能指示薬に詳しくなる。
一方で、万能指示薬の原理をしっかりと理解するためには、一定程度の化学に関する素養を必要とすることも事実です。ここでは、水分子は"H2Oの化学式で表せる"ということを知っている方であれば、万能指示薬の原理を理解できるようにコンテンツを組み立てました。ご安心ください。
化学初心者から万能指示薬までの道しるべは次の通りです。
- pHのざっくりとした概念をつかみ、酸解離平衡を理解する(本記事)
- pHの厳密な定義を理解し、ルシャトリエの原理を知る。
- ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式の概略を知る。
- pH試験紙に使われる指示薬を知り、試験紙とは何か、分かるようになる。
実は身近で、そしてダイナミックな化学の世界にご案内しましょう。
- pHって何だろう。水素イオンで何だろう。
- 水素イオンをプロトンと呼ぶわけ。
- 酸解離平衡の定常性
- おわりに
- 参考文献
pHって何だろう。水素イオンで何だろう。
まずはじめに、pHとは何か、確認しましょう。
pH: 水素イオン指数: potential of hydrogen
溶液中の水素イオン濃度を示す指標。値が小さいほど酸性、値が大きいほど塩基性になる。
読み方: ピーエイチ、ペーハー (ドイツ読み)
非常にざっくりと言ってしまえば、pHは酸っぱさの程度ということになります。酸っぱさの鍵を握るのは"水素イオン"であり、水素 (Hydrogen)イオンがどの程度含まれているか示す (潜在: Potential) ので、pHです。
余談ですが、水素イオンは通常プロトン(Proton)といいます。原子核物理学などでは、プロトンは陽子を意味します。なぜ水素イオンは"Hydrogen Ion"ではなく、プロトンと呼称するのでしょうか。これには、水の電離が関係しています。
水素イオンをプロトンと呼ぶわけ。
上図に、水分子の模式的な表現を示しました。我々の地球を覆っている水は、水素と酸素という元素で構成される分子です。 水分子は2つの水素と1つの酸素により構成された折れ線型の分子(H2O)で、水素結合という特殊な結合を分子間で形成しているのが特徴です。
通常、水分子のほとんどはH2Oとして存在します。しかし、ごく一部の水分子は、水酸化物イオンと呼ばれる陰イオン、水素イオンと呼ばれる陽イオンに解離する挙動を示します。また、水酸化物イオンと水素イオンが出会うことで、水分子になるという反応も起こります。全水分子に対して一定数の水分子は、以上のような解離と結合を絶え間なく繰り返します。特に、温度一定の条件では、水分子と水素イオン(あるいは水酸化物イオン)の割合が定まります。このような状態を解離平衡といいます。化学で扱う平衡状態とは、静的ではなく動的です。
ここで、水素イオンに着目してみましょう。
水の解離における水素原子に着目しましょう。水素原子は、水分子中を構成する場合には電気的に中性でした。一方、解離が起こることで、正に帯電した水素イオン(陽イオン)が発生します。
この時、(古典力学的に)原子を捉えると上図のように陽子と電子が一対で存在している状態をとります。一方、水の解離に伴い水酸化物イオンが生じることで水素原子に帰属される電子は陽子を離れます。結果、解離により残る水素イオンは、陽子(英: プロトン)と同等の構造を持つのです。これが、水素イオンをプロトンと呼称する由来です。
しかし、実際問題、陽子として水素イオンが存在することはまずありません。何故ならば、水中では水分子がひしめき合っており、互いに相互作用を繰り返すからです。特に、電荷が+の陽子が存在することは(電荷の局在により)極めて不安定です。よって、水分子による電気的な中和を受けることで、ヒドロニウムイオン(陽イオン)を形成するなどして安定化されます。
脇道に逸れまくりましたが、以上のお話で重要なキーワードが出てきました。解離平衡です。解離平衡の基本について、次節でお話します。
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