| 研究課題/領域番号 |
16H02968
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| 研究機関 | 静岡大学 |
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研究代表者 |
木村 浩之 静岡大学, グリーン科学技術研究所, 准教授 (30377717)
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| 研究分担者 |
木庭 啓介 京都大学, 生態学研究センター, 教授 (90311745)
光延 聖 愛媛大学, 農学研究科, 准教授 (70537951)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 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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| 研究実績の概要 |
付加体は、海洋プレートが陸側プレートの下に沈み込む際、海底堆積物が陸側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、環太平洋沿岸域、インドネシア、トルコ、ニュージーランドなど全地球規模において分布域を見ることができる。 付加体の堆積層は海底堆積物に由来することから、有機物を多く含んでいる。また、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大量のメタンが蓄えられている。過去の研究において、西南日本の太平洋沿岸の付加体分布域に構築された温泉用掘削井を介して、地下温水（温泉）と付随ガスを採取し、メタン生成メカニズムを明らかにした。一方、付加体の深部帯水層に由来する付随ガスには、メタンと同様に窒素ガスも含まれるが、その生成メカニズムは解明されていない。嫌気環境において、微生物が脱窒によって窒素ガスを生成することはよく知られているが、深部地下圏での微生物脱窒および窒素ガス生成に関する知見はほとんどない。
平成28年度は、付加体の深部帯水層に含まれる窒素ガスの起源を明らかにすることを目的として、付随ガスの化学分析を行った。さらに、地下温水に含まれる溶存態有機窒素、硝酸イオン、亜硝酸イオン、アンモニウムイオンの窒素安定同位体比の測定を試みた。その結果、西南日本の太平洋沿岸の付加体分布域の深部帯水層には海水に匹敵する高い塩分の地下温水が蓄えられており、付随ガスには高濃度のメタン（95-99％）が含まれていることが明らかとなった。一方、太平洋沿岸域から離れた山側の付加体分布域の深部帯水層には淡水に類似する低い塩分の地下温水が蓄えられており、付随ガスにはメタンとともに窒素ガス（30-60％）も含まれていることが見出された。一方、地下温水に含まれる硝酸イオンおよび亜硝酸イオンの濃度は極めて低く、従来法では窒素安定同位比の測定は困難であることが判明した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
平成28年度は、付加体の深部帯水層に含まれる窒素ガスの起源を明らかにすることを目的として、付随ガスの化学分析を行った。さらに、地下温水に含まれる溶存態有機窒素、硝酸イオン、亜硝酸イオン、アンモニウムイオンの窒素安定同位体比の測定を試みた。その結果、海溝に近い西南日本の太平洋沿岸の付加体分布域の深部帯水層には高濃度のメタン（95-99％）が含まれており、窒素ガスがほとんど含まれていないことが明らかとなった。逆に、太平洋沿岸域から離れた山側の付加体の深部帯水層に由来する付随ガスにはメタンとともに、30-60％の窒素ガスが含まれていることが判明した。
一方、付加体の深部帯水層の地下温水に含まれる硝酸イオンおよび亜硝酸イオンの濃度は極めて低く、従来法では窒素安定同位比の測定は困難であることが判明した。よって、平成29年度は地下水に含まれる硝酸イオンおよび亜硝酸イオンを高効率に濃縮する方法を検討し、窒素安定同位比の測定を試みる。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29年度は、西南日本の付加体分布域に構築された温泉用掘削井より地下温水を採取し、硝酸・亜硝酸イオンおよびアンモニウムイオンの濃度を測定する。次に、安定同位体比質量分析計を用いて、硝酸・亜硝酸イオンの窒素・酸素同位体比を測定する。微生物が脱窒を行う際には、14Nおよび16Oを多く含む硝酸・亜硝酸イオンが優先的に使用され、残留する硝酸・亜硝酸イオンの窒素・酸素安定同位体比は非常に高くなる。このような現象を利用して、深部帯水層での微生物脱窒の活性と重要性を評価する。特に、平成29年度は様々な種類のイオン濃縮カラムを用いて、地下水に含まれる硝酸・亜硝酸イオンを十分に濃縮する分析手法を確立する。さらに、地下温水に含まれるアンモニウムイオンの窒素安定同位体比も測定する。そして、アナモックス反応の重要性についても評価する。
加えて、地下温水に含まれる微生物群集の遺伝子解析と蛍光in situ ハイブリダイゼーションによる可視化も試みる。そして、付加体の深部帯水層に生息する微生物群集の地域特性と脱窒細菌群集の重要性を明らかにする。具体的には、地下水サンプルをフィルター濾過し、微生物細胞を濃縮したのち、フィルター上に集められた微生物から全DNAを抽出する。16S rRNA遺伝子をPCR増幅したのち、次世代シーケンサーを用いて1サンプルあたり5万リードを目標に塩基配列を決定する。菌叢解析用パイプラインを用いたPC解析により微生物群集を同定する。さらに、脱窒機能を有する微生物分類群を特定する。また、脱窒機能遺伝子をそれぞれPCR増幅し、クローニングにより塩基配列を決定する。そして、脱窒機能を有する微生物分類群の16S rRNAを特異的に検出する蛍光in situ ハイブリダイゼーションを試み、付加体の深部帯水層にて窒素ガスを生成する脱窒細菌群の現存量、分布域、地域特性を明らかにする。
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