理化学研究所环境资源科学研究中心

环境代谢分析研究小组理学博士

守屋繁春

说到白蚁，人们通常只会想到它是一种能够高效降解木质纤维素的昆虫，但目前，白蚁所特有的消化系统在向植物寻求新能源资源的生物质研究领域备受关注；白蚁在将来可能会成为一种生物资源。本文中，对白蚁和生物质有着丰富研究经验的守屋繁春先生将为大家展开介绍。

索引

1. 树木难以转化为能源的理由

2. 只有白蚁能分解树木的理由

3. 名字虽为“低等白蚁”，却拥有强大的消化系统

1. 树木难以转化为能源的理由？

生物质能从动植物资源中获得液体燃料和树脂材料，而不是化石燃料。

目前，正在研发各种方法来利用生物质。

一般，已知甘蔗、玉米等谷物类、以及微藻类等可作为生物质，而本次探讨的对象是以树木为材料的“木质生物质”。本项技术可以提取树木中的碳水化合物（多糖类），并利用提取物制作生物乙醇，从而制成燃料和树脂材料。

由于本技术所用原料均为间伐材和木材加工残余料等被废弃的材料，因此具有“与谷物不同，不必牺牲原本能生产粮食作物的农田”、“经济效益高”、“即使不重新生产也已经具有大量资源”、“可有效利用森林”等众多优点。

但是，要分解木质并从中获取能源，实际上是非常困难的。树木在光合作用下利用太阳光和二氧化碳产生糖（能源），但是本技术所利用的木质纤维素这一聚合物混合物具有非常牢固的晶体结构，难以分解。这一点与使用原本就容易分解的谷类淀粉不同。

守屋先生对白蚁已经进行了20多年的研究，对生物质也已经进行了十几年的研究；最开始是对白蚁的基因进行了分析，现在已经进展到利用酶的木质生物质研究。（图片均来自网络）

守屋先生表示，“植物细胞的主要成分纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，但其分子的结合方法与淀粉完全不同，而且具有分解酶不易进入的结构。另外，木质细胞的木素纤维素中，木质素这一化合物会与纤维素和半纤维素相结合，因此如果不先将其剥离，就无法接近糖。”

上图为木质纤维素结构的示意图。内部的纤维素本身难以分解，并且周围还围绕着与半纤维素牢固结合的木质素。

木质纤维素由用于纤维和纸浆等的纤维素、可从中获得各种糖原的半纤维素以及木质成分的木质素构成，是所有植物的主要成分，是地球上最丰富的生物资源。

尽管如此，由于木质纤维素难以分解，因此自然界中几乎没有以树木作为营养来源的生物。在现有的木质生物质中，为了除去这种木质素，主要采用稀硫酸和碱性蒸煮等方法进行化学预处理，但也存在“预处理本身会消耗能量”、“需要进行有害废弃物和废液的处理”等难题，因此目前为止还未得到普及。

下面将对白蚁进行介绍。

“白蚁是非常稀有的生物，它可以很容易地分解并消化其他动物无法食用的木质，并将从树木中获得的营养成分用于自身活动，而且，在被其他动物吃掉后，会给整个环境带来能量，是自然界中不可缺少的一部分”

守屋先生多年来一直从事白蚁相关研究工作，以阐明白蚁分解并消化木质的机制，并将其作为生物质加以利用，并提出“白蚁型串联糖化反应器”的想法。

2.只有白蚁能分解树木的理由

在讨论反应器（进行生化反应的装置）之前，必须了解一下白蚁消化木质的机制。

“白蚁首先用强有力的下颚把树木咬碎，然后用咽部和前肠之间像研钵那样，被称为“研磨器”的器官将木片研磨成十几微米（1mm的1000分之一）的大小”

白蚁利用咽部、研磨器、前肠、中肠、压缩机、后肠这一系列的消化器官，将作为食物的木质生物质几乎全部消化，并将其转换成能量。

身体中具有“研钵”的结构是非常独特的，但在白蚁利用生物质过程中，我们需要关注的是中肠之后的消化过程。

“磨碎的木质进入中肠。中肠具有非常不可思议的结构，就像是双重的管子一样。在中肠中，首先由白蚁自身的酶分解木质，制作糖。糖通过内侧的半透明膜，并从外侧的膜被吸收。而且，在中肠和后肠之间有像压缩机那样的器官，只有残渣会流向后肠，液体会回到中肠。白蚁自身的酶不会从肠内排出，而是被循环使用”，在最大体长不到10mm的白蚁（仅限家白蚁和工蚁）的小小体内，居然隐藏着如此复杂的机制。

3.名字虽为“低等白蚁”，却拥有强大的消化系统

守屋先生强调“白蚁自身具有的酶”是有理由的。

据说有一种“低等白蚁”，在后肠中具有原生动物，而这些原生动物也会产生酶。

“白蚁吃掉的食物在中肠也会被分解，但大部分会流向后肠。在低等白蚁的后肠中，原生动物将木质生物质吸收进体内进行分解，最终只剩下木质素。其分解效率（能量转换效率）取决于白蚁的种类，据说最大可达99%，可以说这是一种非常高效的结构。”

在白蚁的消化器官中，中肠到后肠起着非常重要的作用。在中肠，白蚁自身的酶会分解木质纤维素，而在后肠，原生动物产生的酶会分解木质纤维素。

这种白蚁之所以被称为“低等白蚁”，是因为在进化过程中，最初认为它是从蟑螂类中分支出来的系统，并不是因为某种机能差。另外还有一种“高等白蚁”，其是一种可适应各种植物生物质的系统”，与“低等白蚁”的区别特征是肠中没有原生动物，他们的消化机制还未得到阐明。

顺便说一下，人们认为，低等白蚁诞生于地球上的木质资源并不像现在这么丰富的时代，之后被高等白蚁驱赶到了现在的栖息地。现在，只有高等白蚁生活在拥有大量木质资源的热带丛林中，低等白蚁只生活在包括日本在内的温带至亚热带地区。

低等白蚁有效利用少量资源的生存方法应该应用于人类目前面临的能源问题和粮食问题上。

经显微镜放大后的白蚁肠内的原生动物。原生生物一开始很活跃，但是随后便逐渐停止活动。据说这是一种只能在白蚁肠内生存的生物。

“低等白蚁肚子里的原生动物自身也具有优秀的机能。首先将吸收的纤维素分解并生成糖，然后将糖分解成乙酸、二氧化碳、氢和水。但是，二氧化碳和氢对动物来说是有害的，浓度变高的话原生动物自身就会死亡。因此，原生动物体内存在以二氧化碳和氢为材料生成乙酸的细菌。这种细菌利用二氧化碳和氢生成乙酸，然后乙酸也被消耗掉，剩下的只有水。白蚁通过与原生动物共生，获得了必要的能源，这是一种共赢的关系”，也正是一种可以感受到生命奥秘的共生系统。

在后篇中，将介绍使用白蚁优异消化系统的木质生物质利用技术，敬请关注。

利用白蚁产生燃料？揭开白蚁奇妙机制的奥秘【前篇】