細菌をマイクロ電源とした高効率リチウム回収を実現 ～「電気化学方式に匹敵する効率と速度」と「細菌と材料の自己組織化」で大スケール化を可能に ～

細菌をマイクロ電源とした高効率リチウム回収を実現～「電気化学方式に匹敵する効率と速度」と「細菌と材料の自己組織化」で大スケール化を可能に～

2026年6月29日 18:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇学际科学フロンティア研究所　助教　下川航平

【概要】

■従来の课题：电気化学的リチウム回収を阻む「电极の壁」

リチウムは电気自动车や蓄电装置に不可欠な资源で、需要が急速に拡大しています。しかし、リチウム回収法として现在主流の「塩湖蒸発法」は大量の水を消费し、环境负荷が深刻な课题となっています。そこでいま注目されているのが「直接リチウム抽出法（顿尝贰）」、特に、リチウムイオン电池の正极材料を応用した「电気化学的リチウム回収法」です。材料の结晶构造内にリチウムのみを选択的に取り込む高い选択性と速度という利点がある一方、反応は电极の表面で生じるため、実用规模の処理には膨大な电极面积とそこへの电源供给を必要とするといった制约に直面します。そのため、电极という构造体に依存しない、全く新しい反応原理の确立が求められていました。

■成果のポイント：电池材料と微生物が叁次元反応场を自己形成

研究チームは、リチウムイオン電池正極材料 λ-MnO2（ラムダ型二酸化マンガン）のナノ粒子と、自然界に広く存在する細菌 Shewanella oneidensis MR-1（シャワネラ?オネイデンシス MR-1）を組み合わせると、両者が自発的にミリメートル規模の凝集体を形成し、微生物が正極材料へ電子を供給する三次元的な「反応場」として機能することを発見しました。これにより、配線も電源供給もなしにリチウムイオンを正極材料の結晶構造内に取り込むことに成功しました（図1）。
　微生物が电源（电子供给源）の役割を担うことで、「电源が不要」「低浓度リチウムも回収可能」「広面积电极が不要で省スペース」という利点が生まれます。従来の电気化学的システムに匹敌する速度で、电源を使わない蒸発法やイオン交换法などよりも、処理时间で桁违い（数时间対数日?数週间）に优れた性能を示します。さらに既存技术と同等の経済性を保ちつつ、水资源消费に伴う环境负荷を低减できる点が本成果の特徴です。

■将来展望：他金属资源?机能性材料合成への展开

本研究は、二次元的な构造の电极を用いた従来の反応とは异なり、材料と微生物が自ら作る叁次元の凝集体を反応场として利用するため、原理的に大规模化が可能です。塩湖蒸発法に伴う水资源?环境への大きな负荷を回避しつつ、増大するリチウム需要に応える持続可能な资源确保の选択肢として、本技术の発展が期待されます。
　さらに、本原理はリチウム回収だけにとどまりません。异なる电池系のインターカレーション材料はナトリウムやマグネシウムなど他の金属イオンも结晶构造内に取り込むことができるため、本手法を応用することで多様な金属资源の选択的回収や、机能性材料の合成?処理などの材料科学における幅広い応用展开が期待されます。

■その他

本研究は、NIMS高分子?バイオ材料研究センター（筑波大学理工情報生命学術院　生命地球科学研究群　教授）岡本章玄グループリーダー、東北大学学際科学フロンティア研究所／金属材料研究所下川航平助教、東京大学未来ビジョン研究センター（「プラチナ社会」総括寄付講座兼担）菊池康紀教授らの共同研究チームによって行われました。
本研究は、JST戦略的創造研究推進事業さきがけ（JPMJPR19H1）、JSPS科研費（22H02265、20K22460）、NIMS連携拠点制度などの支援を受けて実施されました。
本論文の出版にあたっては、東北大学「オープンアクセス推進のための APC 支援事業」からの支援を受けました。
本研究成果は、2026年6月29日18時（日本時間）に Nature Communications オンライン版に掲載されました。

図1：左：細菌 MR-1 の細胞内で乳酸が酸化されて発生した電子が、細胞外のλ-MnO2 ナノ粒子へ受け渡され（細胞外電子伝達：EET）リチウムが取り込まれる。中央：続いて、細菌と材料粒子が自発的に集合し、ナノワイヤーで電気的に接続された導電性ネットワークを形成し、さらにリチウムを取り込む反応が活発化する。右：マクロスケールでは、ミリメートルサイズの凝集体が反応容器の底に沈降し、均一なリチウム回収が進行する。

【论文情报】

タイトル： Electrode-Free Bioelectrochemical Intercalation for Scalable Lithium Recovery
著者： Kohei Shimokawa,?* Duyen Minh Pham,? Heng Yi Teah, Xizi Long, Yasunori Kikuchi,* and Akihiro Okamoto*
（ ? 共同第一著者， * 共同責任著者）
掲載誌：Nature Communications
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