水は世界で最も重要な天然資源であり、多くの地表水資源は汚染に対して極めて脆弱です。天然の水源は、しばしば都市下水により汚染されます。都市下水には外因性（ゼノバイオティクス）汚染物質が含まれ、場合によってはより毒性の高い分解生成物を含むこともあります。これまでに、凝集、フロック形成、活性炭吸着など、下水処理のためのさまざまな物理・化学的技術が開発されてきました。さらに、逆浸透、ナノろ過、光分解、イオン交換、高度酸化などの先進技術も、実験室レベルでは有効性が示されています。しかし、都市下水処理のコストは過大です。近年、下水処理における生物学的手法が大きな注目を集めています。これらは、比較的低コストかつ簡便な設備で、毒性不純物を含む多くの不純物を完全に酸化できる点で重要です。中でも、主として酸化還元反応を触媒する酸化還元酵素は、広い基質特異性、位置選択性およびエナンチオ選択性を有し、各種廃液、特に染料、フェノールおよび関連化合物の処理に有効です。

多くの化学酸化剤とは異なり、酸化酵素は基質を完全無機化（ミネラリゼーション）するのではなく、フリーラジカルを生成します。これらは変換生成物の一部へ分解されるか、非酵素的過程（酸化的カップリング反応）により他分子と結合して高分子量化合物を形成します。さらに、酵素触媒により生成した変換生成物は毒性が最小限であるか、または親化合物より生分解性が高く、下水に対する生物学的酸化処理の有効性を示しています。下水処理で主に用いられる酸化酵素には、オキシゲナーゼ、ペルオキシダーゼ、ポリフェノールオキシダーゼがあり、いずれも酸化機構を通じてフェノール性、芳香族、または無機汚染物質の分解を引き起こします。

オキシゲナーゼ

オキシゲナーゼは、さまざまな基質に原子状または分子状酸素を導入することで、位置選択性、立体選択性およびエナンチオ選択性を実現し、疎水性化合物をより水溶性で反応性の高い形態へ変換します。オキシゲナーゼは主として細胞内酵素であり、生合成および代謝に関与します。医薬品製造やファインケミカル合成における利用に加え、オキシゲナーゼは炭化水素およびその類縁化合物の生分解にも関与します。これは一般にバイオトランスフォーメーション（生体変換）とみなされます。これらの化合物は、不適切な使用、保管および廃棄により環境汚染物質と見なされています。オキシゲナーゼによるバイオトランスフォーメーションが行われる主な理由は以下の3点です。

• オキシゲナーゼに相当する化学的手段が存在しない、または必要な位置選択性・立体選択性を欠く。
• 分子状酸素は、強力な化学酸化剤と比較して安価かつ環境負荷の低い酸化剤として利用できる。
• 天然物の修飾、医薬中間体およびキラルビルディングブロックの合成に関与する。

ペルオキシダーゼ

ペルオキシダーゼは、ヘム含有タンパク質と呼ばれることもあり、分解者・生産者・消費者を含むあらゆる生物に存在します。植物葉における酸化損傷を防ぎ、リグニン化過程にも関与します。ペルオキシダーゼは、特に過酸化水素（H₂O₂）または任意の有機過酸化物などの過酸化物の還元を媒介し、同時に化学的に多様な化合物の酸化を伴います。ペルオキシダーゼ活性は、厳密には基質への電子移動を含み、その結果、反応により無害な成分へ分解されます。ペルオキシダーゼ反応は主に4種類、すなわち酸化的脱水素、酸化的ハロゲン化、H₂O₂の不均化、および酸素移動反応からなります。これら4反応により、家庭排水または産業排水に含まれる染料、フェノール、芳香族化合物などの難分解性・異種混合汚染物質の処理において、ペルオキシダーゼは中核的役割を果たします。

ポリフェノールオキシダーゼ

ポリフェノールオキシダーゼは、二核銅含有酵素の一種であり、茶・コーヒー・カカオの褐変から、特定の果実・野菜、加工ワインおよび飲料における望ましくない褐変まで、商業食品の適性および不適性に関与します。ポリフェノールオキシダーゼは、風味増強、食品品質の評価、ならびに下水からのフェノール性汚染物質除去など、多様な用途で広く利用されています。これらの用途は、芳香環の水酸化により達成され、その後、モノフェノールまたはジフェノールが酸化されて高反応性のキノンおよびラジカルを形成します。これらはさらに非酵素的に重合するか、他材料と反応して高い不溶性を有する高分子色素を形成します。ポリフェノールオキシダーゼは自然界にほぼ遍在し、その分泌は主に真菌の病原性、ならびに植物におけるストレスおよび機械的損傷に対する生理応答と関連します。酸化するフェノール性化合物の違いにより、主にチロシナーゼとラッカーゼの2つに大別されます。

• チロシナーゼ

チロシナーゼは、タイプ3の二核銅含有メタロタンパク質であり、ペルオキシダーゼに類似した酸化反応を触媒し、動物およびヒトにおけるL-チロシンからのメラニン合成に重要な役割を果たします。チロシナーゼは電子対を引き抜くことで基質を酸化し、その活性は酸素依存性の2反応により特徴づけられます。すなわち、クレゾラーゼ活性によるモノフェノール化合物のオルト位水酸化（o-ジフェノールへの変換）に続き、カテコラーゼ活性によるo-ジフェノールの自発的酸化によりオルトキノンが生成します。生成した反応性中間体は、非酵素的な自己重合、または未置換フェノールとの共凝集により不溶性凝集体を形成し、これは親フェノールより毒性が低く、分離が容易です。これらの機構は、チロシナーゼがフェノール含有廃水または土壌の処理選択肢となり得ることを示唆します。しかし、比較的低い酸化還元電位、流体マトリクス中での失活、ならびに酸化フェノール生成物の混和性により、環境および産業用途での有用性は限定されます。

• ラッカーゼ

ラッカーゼは1883年に日本のウルシ（Rhus vernicifera、現在はToxicodendron vernicifluum）の樹脂から見出されて以来、さまざまな植物、真菌、昆虫および細菌で検出されており、重要な生物学的役割を担っています。細菌では、形態形成、難分解性芳香族基質の生体同化、色素形成、胞子形成、ならびに酸化剤や紫外線に対する防御シールドの形成に関与する可能性があります。さらに、ラッカーゼは多様な基質、特にフェノール性化合物の酸化的開裂も触媒します。ラッカーゼには基質選好性があり、オルト置換フェノール＞パラ置換フェノール＞メタ置換フェノールの順で、さまざまな芳香族化合物へ拡張可能です。これらの特性は、ラッカーゼを下水処理の補助として用いることで、下水中の芳香族汚染物質の生分解を開始し維持できる可能性を示しています。

参考文献

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1. Unuofin J O. Aptitude of oxidative enzymes for treatment of wastewater pollutants: a laccase perspective. [J]. Molecules, 2019, 24(11).