深部地質環境に対する微生物の影響に関する研究 -地下微生物群集の種組成と代謝の多様性に関する研究-

Microbial activity in the subsurface environment of the Tono area and its relation to geochemical conditions -Study of the abundance and diversity of groundwater microorganisms-

長沼 毅*; 岩月 輝希  ; 村上 由記; 濱 克宏 ; 岡本 拓士*; 谷本 大輔*; 藤田 夕佳*; 渡辺 史子*; 足立 奈保美*; 佐藤 誠*

Naganuma, Takeshi*; Iwatsuki, Teruki; Murakami, Yuki; Hama, Katsuhiro; Okamoto, Takuji*; Tanimoto, Daisuke*; Fujita, Yuka*; Watanabe, Fumiko*; Adachi, Nahomi*; Sato, Makoto*

本報告書は、核燃料サイクル開発機構東濃地科学センターと広島大学生物生産学部間で行われた先行基礎工学共同研究「深部地質環境に対する微生物の影響に関する研究-地下微生物群集の種組成と代謝の多様性に関する研究」の成果を取りまとめるものである。概要を以下に示す。岐阜県東濃地域において、地下深部の微生物の存在量と多様性に関する研究を行った。蛍光染色法による全菌数の計測、呼吸活性やエステラーゼ活性等に基づいて、生菌数を調査したところ、全菌数の約0.001%-100%と求められた。これらの微生物の存在量は、環境要因(岩盤中の割れ目本数、地下水の水理・地球化学条件等)に依存していた。ウラン鉱床を含む堆積岩深部においては、地下水中の酸化還元化学種、微生物生息数、硫酸イオンの硫黄同位体比から、硫酸還元菌による硫酸還元反応が主要な酸化還元反応であることが明らかになった。また、硫酸イオンと塩酸イオンが良い相関を示しながら震度とともに増加しており、硫酸イオンの期限は堆積岩上部の海成層であると考えられた。このような地下水-鉱物-微生物システムにおける酸化還元プロセスは、海成層が陸地化してからも、硫酸還元菌が海成層から供給される硫酸イオンを堆積岩下部に豊富に存在する有機物で還元することで長期間続いてきたと推察される。硫酸イオンの供給速度と岩層中の硫酸態硫黄の含有量から、現在の水理条件が続く場合、硫酸還元菌による硫酸還元反応は今後数十万年間以上にわたって継続し、ウランを保持する還元環境が維持されると推察される。一方、花崗岩中の地下水においては、鉄関連細菌が鉄による酸化還元状態の形成に重要な役割を果たしていると考えられる。特に、花崗岩上部では鉄酸化菌が鉄コロイドの沈没に関与していると推察される。

The abundance and diversity of groundwater microorganisms was studied in the Tono area, central Japan. Total cell counts were estimated by epifluorescence microscopy. Cell viability, based on cell membrane integrity, respiration-based metabolism, and esterase activity was estimated to be from 0.001% to approximately 100% of the total counts. The distribution of microbial abundance wad related to a variety of environmental factors, including fracture numbers, hydrological, and geochemical conditions in the groundwater. In the groundwater, profiles of redox sensitive solutes such as sulphate and sulphide ions, abundance and viability of microbes, and sulphur isotope rations of sulphate ions suggest that microbial sulphate redution involving organic matter and subsequent pyrite precipiration are dominant redox reactions at the depths of the uranium ore body. Concentrations of both the sulphate and chloride increase with increasing depth. The dissoloved sulphate is surmised to have originated from dissolution of sulphate and sulphide minerals in a geologic marine formation precipitated in marine environments, in the upper part of the sedimentary rocks. Such a redox process in the water-mineral-microbe system is inferred to have continued from the time when the marine formation underwent uplift above sea-level, because sulphate-reducing bacteria can use sulphate ions dissolved in fresh water that infiltrates from the marine formation and organic matter located in the deeper sedimentary rocks. Calculations by using the sulphate-S contents of the rocks and the sulphate dissolution rate suggest that microbial sulphate redution alone could maintain sufficiently reducing conditions of preserve the uranium ore for several hundred thousand years, in the case where a hydrogeological system continues to exist without much change. On the other hand, iron-oxidizing/reducing bacteria seem to play an important role in iron redox cycling in the granite groundwater.