Biofilm formation on excavation damaged zone fractures in deep neogene sedimentary rock

深部新第三紀堆積岩の掘削損傷領域割れ目におけるバイオフィルム形成

廣田 明成*; 幸塚 麻里子*; 福田 朱里*; 宮川 和也   ; 佐久間 圭佑 ; 尾崎 裕介  ; 石井 英一   ; 鈴木 庸平*

Hirota, Akinari*; Kozuka, Mariko*; Fukuda, Akari*; Miyakawa, Kazuya; Sakuma, Keisuke; Ozaki, Yusuke; Ishii, Eiichi; Suzuki, Yohei*

深部の地下坑道は、鉱山や放射性廃棄物の地層処分のような工学的利用に加え、地下生命圏へのアクセスにおいても有用である。掘削損傷領域(EDZ)に人工的に形成した割れ目のネットワークは、物質の移行経路となると共に、空間と栄養を微生物に提供する場となる可能性がある。本研究では、幌延深地層研究所の深度350m坑道において掘削されたボーリング孔と検層結果を用いて、EDZ割れ目上の微生物バイオフィルムを調査した。顕微鏡観察と赤外分光分析により、EDZの高透水性割れ目表面に微生物が密集してバイオフィルムを形成していることを確認した。16S rRNA遺伝子配列分析の結果、微生物はGammaproteobacteria綱の好気性メタン資化細菌が優占した。好気性メタン資化細菌と同一種のゲノム配列は、幌延深地層研究所での先行研究で取得されており、活性酸素種からOを生成するcatalaseやsuperoxide dismutase、およびNOからNとOを発生する可能性のあるnitric oxide reductaseの遺伝子を有することがゲノム解析により明らかとなった。これらの結果から、EDZ割れ目における微生物のO生成が示唆され、地下微生物の生息に有利な環境であると結論される。

Deep underground galleries are used to access the deep biosphere in addition to mining and other engineering applications such as geological disposal of radioactive wastes. Fracture networks developed in the excavation damaged zone (EDZ) are concerned to accelerate mass transport, where microbial colonization might be possible due to the availability of space and nutrients. In this study, microbial biofilms at EDZ fractures were investigated by drilling from a 350-m deep gallery and subsequent borehole logging at the Horonobe underground research laboratory (URL). By using microscopic and spectroscopic techniques, the dense colonization of microbial cells was demonstrated at the surfaces of the EDZ fractures with high hydraulic conductivities. 16S rRNA gene sequence analysis revealed the dominance of gammaproteobacterial lineages, the cultivated members of which are aerobic methanotrophs. Near-complete Horonobe groundwater genomes affiliated within the methanotrophic lineages were fully equipped with genes involved in aerobic methanotrophy. Although the mediation of aerobic methanotrophy remains to be demonstrated, microbial O production was supported by the presence of genes in the near-complete genomes, such as catalase and superoxide dismutase that produce O from reactive oxygen species and a nitric oxide reductase gene with the substitutions of amino acids in motifs. It is concluded that the EDZ fractures provide energetically favorable subsurface habitats to microorganisms.