2018 Fiscal Year Annual Research Report
Nitrogen cycle by subterranean microbial community; Groundwater flow and microbial denitrification in deep aquifer associated with the accretionary prisms
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16H02968
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
木村 浩之 静岡大学, グリーン科学技術研究所, 教授 (30377717)
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2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 微生物 / 地下圏 / 脱窒 / メタン生成 / 発酵 / 物質循環 / 地下水流動 / 地殻変動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
付加体は、海洋プレートが大陸プレートの下に沈み込む際、海底堆積物が大陸プレートの側面に付加してできた厚い堆積層である。付加体は、日本、台湾、インドネシア、トルコ、ペルー、チリ、ニュージーランド、米国アラスカ州・ワシントン州といった国や地域に広く分布している。また、付加体の堆積層は砂岩と泥岩の互層構造からなり、特に、泥岩には有機物が多く含まれている。一方、付加体の深部帯水層には、地熱によって温められた地下温水とメタンが蓄えられている。これまでの研究において、西南日本の太平洋側の付加体が分布する地域に構築された温泉用掘削井を介して、深部帯水層に由来する地下温水とメタンを採取し、付加体の深部帯水層におけるメタン生成メカニズムを明らかにしてきた。一方、付加体の深部帯水層にはメタンに加えて窒素ガスも含まれるが、窒素ガスの生成メカニズムについては研究例がない。土壌や湖沼の堆積物および海底堆積物といった表層環境の微生物脱窒および窒素ガス生成についての研究は数多く行われてきているが、深部地下圏での脱窒や窒素ガスの生成メカニズムに関する知見はない。
平成30年度は、付加体および海産性堆積層が分布する地域に構築された深度1,000～1,500メートルの温泉用掘削井を介して、嫌気性の地下温水および付随ガスを採取した。さらに、ガスクロマトグラフを用いて付随ガスに含まれる窒素ガス、亜酸化二窒素、メタン、二酸化炭素、アルゴンの定量を試み、そのガス組成を明らかにした。そして、微生物脱窒の指標となる窒素ガス：アルゴン比をもとに、深部帯水層にて微生物脱窒による窒素ガスの生成が起こっていることを見出した。また、温泉用掘削井を介して地下温水を採取し、有機基質および硝酸イオンを添加したのち、地下温水に含まれる微生物群集の嫌気培養を試みた。その結果、脱窒細菌による高い窒素ガス生成ポテンシャルを観察することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
静岡県中西部および宮崎県の付加体が分布する地域に構築された温泉用掘削井を調査し、地下温水と温泉付随ガスを採取した。次に、付加体の地下水流動モデルを構築するために、地下温水の水温、pH、酸化還元電位、電気伝導率、塩濃度といった環境データを測定し、付加体の深部帯水層の地球化学的特性を明らかにした。その結果、付加体の深部地下圏には、古海水の影響を強く受けた帯水層およびマグマ由来の二酸化炭素の影響を強く受けた帯水層が存在することが示された。また、ガスクロマトグラフを用いたガス分析によって、付随ガスに含まれる窒素ガス、亜酸化二窒素、メタン、二酸化炭素、アルゴンの定量を試み、付随ガスの組成を明らかにした。そして、微生物脱窒の指標となる窒素ガス：アルゴン比を決定することにより、付随ガスに含まれる窒素ガスの起源が微生物脱窒である証拠を示した。
今年度は、地下温水に含まれる脱窒細菌を対象とした嫌気培養も実施し、微生物脱窒ポテンシャルの測定も行った。静岡県中西部の付加体が分布する地域に構築された温泉用掘削井を介して地下温水を採取し、有機基質および硝酸イオンを添加した従属栄養脱窒細菌を対象とした嫌気培養を実施した。また、メタンと硝酸イオンを添加した脱窒を伴う嫌気的メタン酸化細菌を対象とした嫌気培養、アンモニウムイオンと亜硝酸イオンを添加したアナモックス細菌を対象とした嫌気培養も試みた。その結果、従属栄養脱窒細菌を対象とした嫌気培養において微生物の顕著な増殖が観察された。さらに、各培養系にて生成されたバイオガスの化学分析により、これらの微生物群集は高い窒素ガス生成ポテンシャルを有することが示された。
一連の研究成果は英語論文にまとめられ、国際学術雑誌に投稿済みであり、現在、査読を受けている。よって、研究は概ね順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
静岡県中西部および宮崎県の付加体が分布する地域に構築された温泉用掘削井にて付随ガスを採取し、温泉付随ガス中の窒素ガス、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、アルゴンの割合を測定する。また、微生物脱窒の指標となる窒素ガス：アルゴン比を算出する。さらに、温泉用掘削井にて嫌気的に地下温水を採取し、有機栄養基質および硝酸イオン（または、亜硝酸イオン）を添加した嫌気培養を引き続き試みる。24時間毎に培養瓶のヘッドスペースからガス試料を採取し、メタン、亜酸化窒素、窒素ガスの生成量を測定する。そして、各種バイオガス成速度を算出するとともに、微生物メタン生成ポテンシャルに関する更なる知見を得る。また、メタン生成速度と窒素ガス生成速度を比較することにより、深部地下圏でのメタン生成菌と脱窒細菌の有機基質の競合について議論する。さらに、高速での窒素ガス生成が観察できた培養系から微生物群集のDNAを抽出し、脱窒機能遺伝子(narG, nirK, nirS, norB, nosZ)の遺伝子解析を進める。そして、深部地下圏での窒素循環における微生物群集の役割についての新たな知見を得る。
平成31年度は本課題研究の最終年であるため、付加体の深部帯水層でのメタン生成および脱窒についての研究成果をとりまとめ、学術論文を国際雑誌に投稿する。また、総説執筆の機会を設けて積極的に研究成果を発表する。さらに、静岡大学グリーン科学研究所が主催するサイエンス・カフェ、静岡生命科学若手フォーラムが主催する第21回静岡ライフサイエンスシンポジウム、日本微生物生態学会第33回大会（山梨大）、国際微生物学会（ドイツ）にて研究成果を発表する予定である。
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Research Products
(11 results)
