渓流水100mLでの森林窒素代謝評価：新安定同位体水質指標の開発と展開

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26252020
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 木庭 啓介 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (90311745)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 戸田 浩人 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (00237091) ; 大手 信人 京都大学, 情報学研究科, 教授 (10233199) ; 五味 高志 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (30378921) ; 勝山 正則 京都大学, 学内共同利用施設等, 准教授 (40425426) ; 徳地 直子 京都大学, 学内共同利用施設等, 教授 (60237071) ; 柴田 英昭 北海道大学, 学内共同利用施設等, 教授 (70281798)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 窒素循環 / 脱窒 / 窒素沈着 / 窒素飽和 / 硝化 / 集水域

Outline of Annual Research Achievements

森林集水域の窒素代謝を簡便な手法で明らかにするために，降水から渓流水まで様々な水に含まれる硝酸態窒素の同位体比を測定し，特に硝化と脱窒速度についての検討を行っている。これまで，コアサイトである農工大FM大谷山，東大千葉演習林，京大桐生研究林，北大雨龍試験地での観測態勢を整え，現在硝酸態窒素の同位体比測定を進めている。本研究と前研究（最先端・次世代研究開発プログラム）で得られたデータを解析し，硝酸態窒素の窒素酸素同位体比並びに酸素同位体比異常を用いた新たな脱窒速度推定法をPNAS誌上で発表した。この手法はこれまでの集水域全体での総硝化速度推定をさらに一歩進めたもので，これまで測定することが不可能であった集水域全体の脱窒速度を推定することを可能にするものである（プレスリリース：　http://www.tuat.ac.jp/disclosure/pressrelease/2014/20150107195447/index.html）。本研究では，この硝酸態窒素を対象とした脱窒速度推定法と，総溶存態窒素の窒素安定同位体比を用いた脱窒速度推定法の2つを比較することを予定していたが，本論文において，硝酸態窒素を対象とした手法の方がより精度が高いということも明らかとなった。今後は総溶存態窒素ではなく，硝酸性窒素について研究を推進してゆく。またアメリカの共同研究者と硝酸態窒素の同位体比による森林からの硝酸態窒素流出パターンについて議論を行い，議論をまとめたものを総説として発表した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究での大きな目標であった硝酸態窒素の同位体比を用いた新たな脱窒測定法が確立でき，この手法の有効性，他の手法に対する優位性も明らかとなった。これは投稿論文の査読に対応しながら共同研究者と密な議論をしてゆくうちに明らかとなったことで，本研究を提案していた時期にはここまで議論が深まるとは予想していなかった。今後は硝酸態窒素を用いた手法に集中し，この手法のより細かな点を精査してゆくこととなるが，手法をすでに絞ることができたという点と，PNAS誌に研究成果を発表できたという点で，「おおむね順調」というよりもさらに少し良い状態で研究が進んでいると考えている。

Strategy for Future Research Activity

新解析手法の問題点として，ガス態窒素放出の際の同位体分別係数に大きな不確実性があることが上げられている。今回，ガス態窒素の1つであり，これまでまだ信頼性の高い測定手法がなかった一酸化窒素の窒素同位体比測定についても測定手法の開発のめどが立ったので，この手法についての方法論的論文を執筆しながら，コアサイトであるFM大谷山と雨龍試験地を皮切りに，国内外のいくつかの森林で一酸化窒素についての同位体比測定を行うことで，ガス態窒素放出の際の同位体分別係数をより正確なものとし，硝酸態窒素を用いた脱窒速度測定手法の有効性を高めてゆく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Drivers of Atmospheric Nitrate Processing and Export in Forested Catchments (2015)
  • Author(s): L. A. Rose, S. D. Sebestyen, E. M. Elliott, K. Koba.
  • Journal Title: Water Resources Research Volume: 51 Pages: 1333-1352
  • DOI: 10.1002/2014WR015716
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Convergence of soil nitrogen isotopes across global climate gradients (2015)
  • Author(s): J. M. Craine, A. J. Elmore, L. Wang, L. Augusto, W. T. Baisden, E. N. J. Brookshire, M. D. Cramer, N. J. Hasselquist, E. A. Hobbie, A. Kahmen, K. Koba, et al.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5 Pages: 8280
  • DOI: 10.1038/srep08280
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Higher diversity and abundance of denitrifying microorganisms in environments than considered previously (2015)
  • Author(s): Wei Wei, Kazuo Isobe, Tomoyasu Nishizawa, Lin Zhu, Yutaka Shiratori, Nobuhito Ohte, Keisuke Koba, Shigeto Otsuka and Keishi Senoo
  • Journal Title: The ISME Journal Volume: 10 March 2015 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1038/ismej.2015.9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hadal biosphere: Insight into the microbial ecosystem in the deepest ocean on Earth. (2015)
  • Author(s): T. Nunoura, Y. Takaki, M. Hirai, S. Shimamura, A. Makabe, O. Koide, T. Kikuchi, J. Miyazaki, K. Koba, N. Yoshida, M.Sunamura, K. Takai.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: vol. 112 no. 11 Pages: E1230-E1236
  • DOI: 10.1073/pnas.1421816112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Microbial denitrification dominates nitrate losses from forest ecosystems. (2015)
  • Author(s): Y. Fang, K. Koba, A. Makabe, C. Takahashi, W. Zhu, T. Hayashi, A. A. Hokari, R. Urakawa, E. Bai, B. Z. Houlton, D. Xi, S. Zhang, K. Matsushita, Y. Tu, D. Liu, F. Zhu, Z. Wang, G. Zhou, D. Chen, T. Makita, H. Toda, X. Liu, Q. Chen, D. Zhang, Y. Li, M. Yoh.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: vol. 112 no. 5 Pages: 1470-1474
  • DOI: 10.1073/pnas.1416776112
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A novel pyrroloquinoline quinone-dependent 2-keto-D-glucose dehydrogenase from Pseudomonas aureofaciens (2015)
  • Author(s): K. Umezawa, K. Takeda, T. Ishida, N. Sunagawa, A. Makabe, K. Isobe, K. Koba, H. Ohno, M. Samejima, N. Nakamura, K. Igarashi, M. Yoshida.
  • Journal Title: Journal of Bacteriology Volume: April 2015 vol. 197 no. 8 Pages: 1322-1329
  • DOI: 10.1128/JB.02376-14
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isotopomeric characterization of nitrous oxide produced by reaction of enzymes extracted from nitrifying and denitrifying bacteria, (2014)
  • Author(s): Yamazaki, T., Hozuki, T., Arai, K., Toyoda, S., Koba, K., Fujiwara, T., and Yoshida, N
  • Journal Title: Biogeosciences Volume: 11 Pages: 2679-2689
  • DOI: 10.5194/bg-11-2679-2014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] NOxの窒素安定同位体比測定技術の開発 (2015)
  • Author(s): 村田 恵理子，木庭啓介，ほか
  • Organizer: 地球惑星科学連合合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ
  • Year and Date: 2015-05-27 – 2015-05-27
• [Presentation] 窒素安定同位体比を用いた植物の窒素利用様式の把握 (2015)
  • Author(s): 木庭 亜弥美，木庭啓介，ほか
  • Organizer: 地球惑星科学連合合同大会
  • Place of Presentation: 幕張メッセ
  • Year and Date: 2015-05-27 – 2015-05-27
• [Remarks] 東京農工大学木庭研究室
  • URL: http://ecosystems.lab.tuat.ac.jp/index.html
• [Remarks] 超深海・海溝生命圏を発見 ―マリアナ海溝の超深海水塊に独自の微生物生態系―
  • URL: http://www.jamstec.go.jp/j/about/press_release/20150224/
• [Remarks] 新たな窒素循環解析法の構築で森林の窒素除去能力を解明
  • URL: http://www.tuat.ac.jp/disclosure/pressrelease/2014/20150107195447/index.html