人工光合成と生分解性：持続可能性を考慮したプラスチック問題への対策

CO2排出と地球上に存在する非生分解性プラスチックは、不可逆的な損害を引き起こす危険です。特に、二酸化炭素は温室効果ガスであり、地球を温暖化させ、最終的に気候変動をもたらします。 

この温暖化効果はNASAの推定によって裏付けられており、人間活動により大気中の二酸化炭素濃度が200年未満で大気中の二酸化炭素濃度が50%上昇したことが明らかになっています。さらに悪化させているのは、発泡スチロール、使い捨てプラスチックバッグ、プラスチック製ウォーターボトルなどの材料から作られる非生分解性プラスチックで、これらは地下水や食物連鎖を汚染し、大気も汚染します。

これらの相互に絡み合った課題に対処するために、大阪府立大学の研究者は、単一のルートで両方の課題に取り組む画期的な手法を考案しました。二酸化炭素排出量を削減しながら、廃棄物を再利用して生分解性プラスチックを製造する、効率的なフマル酸の生産方法を開発しました。このイノベーションが何を意味し、どのように機能するのかを詳しく見ていきましょう。

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フマル酸の持続可能な生産

フマル酸は生分解性プラスチックの成分です。従来は石油、二酸化炭素、バイオマス由来化合物から得られていましたが、研究者は持続可能かつ効率的にフマル酸を製造できる解決策を提示しました。同じ目的に向けた研究は2件行われています。 

最初の研究では、大阪府立大学（OMU）人工光合成研究センターの天尾豊教授率いるチームが、重炭酸塩とバイオマス由来のピルビン酸からフマル酸を合成する方法を示しました。このプロセスで使用されたエネルギーは再生可能な太陽エネルギーでした。 

研究者はまた、ガス相から直接供給される二酸化炭素を原料としてフマル酸を生成することに成功しました。しかし、実験には一つの制限があり、フマル酸の生成量が十分でなく、生産量は低いままでした。 

その後の研究では、研究者はこの課題を克服し、新しい光感受性物質を開発、人工光合成の技術を進展させ、従来法と比較してフマル酸の収率を倍増させました。 

研究者は、トリエタノールアミン、陽イオン性水溶性亜鉛ポルフィリン、亜鉛テトラキス(4‑N,N,N‑トリメチルアミノフェニル)ポルフィリン、ペンタメチルシクロペンチジエニル配位ロジウム(III) 2,2′‑ビピリジル錯体、NAD+、リン酸脱水素酵素（NAD+依存性オキサロ酢酸脱炭酸化酵素）およびフマラーゼからなる系で、可視光駆動型のフマレートを気体CO2とピルビン酸から生成する効果的な方法を開発しました。

「気体CO2とピルビン酸からの可視光駆動型フマレート生成に関する、二価陽イオン性亜鉛ポルフィリン系光触媒と二重バイオ触媒を用いた研究」は大阪発酵研究所の支援を受けて実施されました。 

総じて、本研究は高度な人工光合成触媒を実証的に確立し、二酸化炭素をより効率的に利用して生分解性プラスチックを製造できることを示しました。 

しかし、人工光合成とそれが持続可能かつ効率的に生分解性プラスチックを生産するという点が画期的と見なされる理由をさらに考えると、プラスチックが深刻な脅威であり、持続可能に生産された生分解性プラスチックへの取り組みは評価され奨励されるべきであることが分かります。 

地球上で最も深刻なプラスチック関連の被害の一つはマイクロプラスチックです。 米国海洋大気庁（NOAA）はマイクロプラスチックを、長さ5ミリメートル未満の小さなプラスチック片であり、健康、海洋、そして水生生物に害を及ぼすものと定義しています。このカテゴリには、意図的に小さく設計されたプラスチック（マイクロビーズ）も含まれ、多くのヘルス＆ビューティー製品に使用されています。これらのマイクロプラスチックはさまざまな有害な影響をもたらします。

マイクロプラスチックは飲料水、摂取する食物、使用する食品容器など、さまざまな経路で私たちの体内に入り込みます。また、空気中の吸入や、個人用ケア製品やスマートフォンケースに含まれるマイクロプラスチックも、私たちと接触する機会を提供します。

体内に入ったマイクロプラスチックは、酸化ストレスやDNA損傷を引き起こし、代謝障害や肝臓、腸、脳、気道などの重要な臓器の機能不全をもたらすことが知られています。さらに、マイクロプラスチックの毒性は生殖・発達能力を損ない、人間の健康への深刻な影響を示しています。

マイクロプラスチック問題は人間の健康に留まらず、海洋生物にも害を及ぼします。魚類やその他の水生生物の成長・発達を阻害し、死亡率を上昇させ、炎症を引き起こし、泳ぐ速度や活力、体長を低下させ、腸の損傷をもたらします。この証拠は、マイクロプラスチックによる環境汚染を止める緊急の必要性を強調しています。

このような背景から、最近の水中ダイブ調査は、革新的な廃棄物回収ソリューションの緊急性を浮き彫りにしています。例えば、デザート・リサーチ・インスティテュートの研究者がレイクタホ湖底で実施した画期的な調査では、1キロメートルあたり平均83個のプラスチックごみが確認され、湖底のどの区間もプラスチックごみが全くない場所はありませんでした。主に確認された品目は食品容器、ボトル、プラスチックバッグ、玩具で、最も一般的な6種類のプラスチックはポリ塩化ビニル（PVC）、ポリスチレン、ポリエステル/ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミドでした。

水中プラスチック除去の実用的な代替手段を提供するソリューションプロバイダーは多数存在しますが、研究者は「持続可能性指標」がプラスチック汚染を抑制できる可能性も評価しています。ウッズホール海洋研究所の研究者は、環境中での持続性が低いプラスチック製品のエコデザインのための持続可能性指標を開発し、これが環境的・社会的利益をもたらすと考えました。 

この研究は、プラスチック汚染という脅威に対処する革新的かつ創造的な方法を示しました。そのアプローチは、我々が慣れ親しんでいる社会的インパクト会計の演習にやや似ており、プラスチックとその代替品の環境影響指標を比較し、プラスチックの環境持続性を考慮し、効率的に代替することで、単一の消費財に対して数億ドルの利益が得られる可能性があることを示しました。 

研究の重要性を説明する際、研究の第一著者である材料科学者兼エンジニアのブライアン・ジェームズは次のように述べました:

「重要なのは、機能的で持続可能かつ無害な材料、製品、プロセスを設計し、緑の材料工学のすべての原則を将来の世界に具現化できるかどうかを判断することです。」

全体として、適切に生分解性のプラスチックを作り、適切な代替品を見つけることは、科学技術コミュニティを忙しくさせています。この分野で積極的に取り組んでいる企業は大小問わず多数存在します。  

#1. Mitsubishi Chemical Group

三菱化学グループはこの分野で長らく活動してきました。2012年10月に設立された日本人工光合成化学プロセス研究協会（ARPChem）のメンバーとして、三菱化学株式会社（MCC）は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が実施した人工光合成プロジェクトに参加しました。その以来、三菱はプロセスの効率と最適化を追求し続けています。 

我々の議論の冒頭で取り上げたフマル酸の持続可能な生産は研究のテーマでしたが、三菱化学グループの取り組みはオレフィンの生産に向けられています。 

このプロセスでは、合成触媒が分離された水素と二酸化炭素の反応を可能にする重要な役割を果たします。三菱は適切な触媒の開発と必要なプロセス技術の洗練により、収率を大幅に向上させ、オレフィン生産をより効率的にしています。 

その結果、オレフィンはプラスチック製造のための効果的な原料となり、化学産業における持続可能な製造慣行の進展に三菱の貢献が示されています。

NEDOが実施するグリーンイノベーションプロジェクトは、2022年2月に人工光合成ベースの化学原料生産に関する三菱の商業開発を資金提供対象として選定しました。 

今後の開発段階では、石油由来の原料を転換し、二酸化炭素を活用したプラスチック製造技術を開発するため、石油化学製造技術、触媒開発技術、その他の技術を大学や研究機関と協働しながら活用していく予定です。 

三菱商事は2023年3月31日で終了した会計年度の統合報告書を公表し、同社は1590億米ドル以上の収益を上げました。

#2. EvonikとSiemens

「テクニカルフォトシンセシス」と呼ばれる分野で、EvonikとSiemensの2社は再生可能エネルギーとバクテリアを利用して二酸化炭素を特殊化学品に変換しています。両社はRheticusという共同研究プロジェクトの下でこの課題に取り組んでおり、第一段階ではブタノールやヘキサノールといった特殊プラスチックや食品サプリメントの原料となる化学品の生産に成功しました。 

Evonikの戦略的研究部門Creavisのプロジェクト担当であるThomas Haas博士によれば: 

「Rheticusプラットフォームを通じて、人工光合成が実現可能であることを示したい。」

この主張を実現するため、EvonikとSiemensはそれぞれのコアコンピタンスを提供しています。例えば、Siemensは電気分解技術でプロセスを支援し、第一段階で二酸化炭素と水を電気で水素と一酸化炭素に変換します。 

Evonikの貢献は、炭素一酸化物を含むガスを代謝プロセスで有用な生成物に変換する発酵プロセスの強化に向けられています。 

プラスチックおよび特殊化学品産業への潜在的な貢献について詳述する際、Haas博士は次のように述べました:

「そのモジュラー構造と、設置場所、原料供給源、製造製品に関する柔軟性により、この新しいプラットフォームは特殊化学品産業に特に魅力的です。他社もこのプラットフォームを活用し、自社のモジュールと統合して化学製品を製造できると確信しています。」

最新の利用可能な年間財務報告によると、Evonikグループは2022年に約185億ユーロの売上を記録しました。この売上のうち、特殊添加剤と栄養・ケアがそれぞれ23％を占め、スマートマテリアルが26％、パフォーマンスマテリアルが20％、テクノロジー・インフラ製品・サービスが8％を占めています。 

2023会計年度のSiemensの報告によれば、Siemensは2022年の190億ユーロに対し、2023年は約220億ユーロの年間収益を記録し、著しい増加を示しました。 

プラスチックと私たちの持続可能性への旅路

共同の取り組みによって、再生可能エネルギーからエネルギーを得るバイオプラスチック（生分解性プラスチックまたはバイオベース素材）を将来にわたって確保できるよう、正しいステップを踏む必要があります。これらのバイオプラスチックは耐久性や使い勝手の面で従来のプラスチックに劣らず、従来のプラスチック機械で加工でき、従来の倉庫で保管できるため、資源の冗長性を排除できます。

プラスチック廃棄物という脅威に対する実用的な代替策を見つけられなければ、世界各国にとって深刻な危険が生じます。例えば東南アジアは急速な都市化と中産階級の拡大により、プラスチック汚染の「ホットスポット」となっています。効率的なリサイクルインフラが不足していることが、リサイクルプラスチックの効率低下を招いています。

この廃棄物管理の問題は、COVID時代にマスク、消毒液ボトル、オンライン配達の包装材の消費が増加したことでさらに悪化しました。世界銀行のデータによれば、タイ、フィリピン、マレーシアなどの国々では、リサイクル可能プラスチックの材料価値の75％以上が失われており、これは使い捨てプラスチックが回収・リサイクルされずに廃棄されることで年間約60億米ドルに相当します。

このような廃棄物管理の不備とインフラの不十分さを受けて、バイオプラスチックはそのような問題に左右されない最も効果的な代替策として浮上しています。さらに、バイオプラスチックは従来の化石燃料への依存度が低いため、持続可能性への取り組みを支援します。生分解性プラスチックの使用は、廃棄・リサイクル時の最終シナリオを改善することにもつながります。

しかし、バイオプラスチックのシェアは依然として期待されるほど高くありません。ある推計によれば、世界で年間生産されるプラスチック367億トンのうち、バイオプラスチックの割合は1％未満です。しかし、包装、消費財、建築・建設、自動車・輸送、繊維、農業・園芸、電気・電子、コーティング・接着剤など、さまざまな応用分野で今後数年で大幅な成長が見込まれています。

人工光合成や再生可能エネルギーで駆動されるプラスチック部品の持続可能な生産といった最先端の研究支援技術は、プラスチックへの対処方法に大きな影響を与えるでしょう。これらのプロセスは、環境に優しいプラスチックを実現するだけでなく、ほぼ排出ゼロの持続可能な生産エコシステムを構築します。