Diverse microbiome functions, limited temporal variation and substantial genomic conservation within sedimentary and granite rock deep underground research laboratories

天野 由記; Sachdeva, R.*; Gittins, D.*; Anantharaman, K.*; Lei, S.*; Valentin-Alvarado, L. E.*; Diamond, S.*; 別部 光里*; 岩月 輝希; 望月 陽人; et al.

Environmental Microbiome (Internet), 19, p.105_1 - 105_17, 2024/12

https://doi.org/10.1186/s40793-024-00649-3

Underground research laboratories (URLs) provide a window on the deep biosphere and enable investigation of potential microbial impacts on nuclear waste, CO and H stored in the subsurface. We carried out the first multi-year study of groundwater microbiomes sampled from defined intervals between 140 and 400 m below the surface of the Horonobe and Mizunami URLs, Japan. The Horonobe and Mizunami microbiomes are dissimilar, likely because the Mizunami URL is hosted in granitic rock and the Horonobe URL in sedimentary rock. Despite this, hydrogen metabolism, rubisco-based CO fixation, reduction of nitrogen compounds and sulfate reduction are well represented functions in microbiomes from both URLs, although methane metabolism is more prevalent at the organic- and CO-rich Horonobe URL. We detected near-identical genotypes for approximately one third of all genomically defined organisms at multiple depths within the Horonobe URL. This cannot be explained by inactivity, as in situ growth was detected for some bacteria, albeit at slow rates. Given the current low hydraulic conductivity and groundwater compositional heterogeneity, ongoing inter-site strain dispersal seems unlikely. Alternatively, the Horonobe URL microbiome homogeneity may be explained by higher groundwater mobility during the last glacial period. Genotypically-defined species closely related to those detected in the URLs were identified in three other subsurface environments in the USA. Thus, dispersal rates between widely separated underground sites may be fast enough relative to mutation rates to have precluded substantial divergence in species composition. Species overlaps between subsurface locations on different continents constrain expectations regarding the scale of global subsurface biodiversity. Overall, microbiome and geochemical stability over the study period has important implications for underground storage applications.

sp. nov., a mesophilic sulfate-reducing deltaproteobacterium isolated from a deep siliceous mudstone formation

上野 晃生*; 玉澤 聡*; 玉村 修司*; 村上 拓馬*; 木山 保*; 猪股 英紀*; 天野 由記; 宮川 和也; 玉木 秀幸*; 長沼 毅*; et al.

International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 71(2), p.004683_1 - 004683_10, 2021/02

https://doi.org/10.1099/ijsem.0.004683

幌延深地層研究計画における地上からのボーリング調査孔であるHDB-6の深度288.7-303.0m区間から採水された地下水中から、新種の嫌気的硫酸還元菌を単離した。これをHN2株と呼ぶ。採水深度の地質は新第三紀堆積岩の稚内層であり、上位の珪藻質泥岩である声問層から珪質泥岩である稚内層への遷移帯に当たる。単離されたHN2株は、温度5-43C及びpH6.5-7.5の環境において成長が確認された。HN2株は、硫酸塩や亜硫酸塩, Fe, マンガン酸化物等を電子受容体とし、硫黄元素や硝酸塩,亜硝酸塩は電子受容体として使用しない。HN2株は、NaClを必要としないが、最大でNaCl濃度4%(w/v)の高塩濃度環境において生息できた。表現型・分子的遺伝情報から、HN2株を新種と判断し、 sp. nov.と命名する。

超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2018年度)

福田 健二; 渡辺 勇輔; 村上 裕晃; 天野 由記; 青才 大介*; 熊本 義治*; 岩月 輝希

JAEA-Data/Code 2019-019, 74 Pages, 2020/03

JAEA-Data-Code-2019-019.pdf:3.53MB

日本原子力研究開発機構は岐阜県瑞浪市で進めている超深地層研究所計画において、研究坑道の掘削・維持管理が周辺の地下水の地球化学特性に与える影響の把握を目的とした調査研究を行っている。本データ集は、超深地層研究所計画において、2018年度に実施した地下水の採水調査によって得られた地球化学データおよび微生物データを取りまとめたものである。データの追跡性を確保するため、試料採取場所, 試料採取時間, 採取方法および分析方法などを示し、あわせてデータの品質管理方法について示した。

坑道閉鎖試験に基づく坑道掘削・閉鎖時の化学環境変化プロセスの考察

林田 一貴; 加藤 利弘*; 久保田 満*; 村上 裕晃; 天野 由記; 岩月 輝希

地球化学, 52(1), p.55 - 71, 2018/03

https://doi.org/10.14934/chikyukagaku.52.55

坑道の建設・操業により乱された地質環境の坑道閉鎖後の定常化過程の確認を目的として、岐阜県瑞浪市の瑞浪超深地層研究所において深度500mの花崗岩中に模擬実験坑道を建設・閉鎖し、地下水の溶存成分や酸化還元電位、pHの経時変化の観測を行った。その結果、坑道建設時には坑道周囲の割れ目を介した地下水流動状態の変化に伴い坑道周囲の地下水水質が変化した。また坑道から坑道周囲の岩盤中への酸素の侵入により、酸化還元電位が上昇することが確認された。坑道閉鎖後は、微生物の還元作用により坑道内の地下水の酸化還元電位が低下するとともに、坑道周囲では岩盤中から還元的な地下水がもたらされることによって酸化還元電位が回復した。一方で、吹付コンクリートなどセメント材料の影響で坑道内の地下水がアルカリ化することが確認された。このアルカリ化に消費されたセメント材料はわずかであることから、その影響はセメント使用量に応じて長期的に続くと考えられた。

北海道幌延地域における深部地下水調査; 地上からの地球化学調査の妥当性評価と地下施設建設に伴う地球化学特性変化

天野 由記; 南條 功; 村上 裕晃; 藪内 聡; 横田 秀晴; 佐々木 祥人; 岩月 輝希

地下水学会誌, 54(4), p.207 - 228, 2012/11

https://doi.org/10.5917/jagh.54.207

北海道幌延町において、堆積岩を対象とした深地層の研究施設を利用して、地上からの地球化学調査技術の妥当性を検証した。また、地下施設建設が周辺の地球化学状態に及ぼす影響について考察した。地上からのボーリング調査数量と水質の深度分布の推定品質の関係を整理した結果、3本程度の基本ボーリング調査と断層・割れ目帯など高透水性の水理地質構造を対象とした追加ボーリング調査により、数キロメータースケールの調査解析断面の水質分布について不確実性も含めて評価できることが明らかになった。地下施設建設に伴う地下水の塩分濃度,pH,酸化還元状態の擾乱を観察した結果、一部の高透水性地質構造の周辺において、地下坑道への湧水により水圧や塩分濃度の変化が確認された。この変化量は事前の予測解析結果と整合的であった。これらの成果は、他の堆積岩地域における地上からのボーリング調査や地下施設建設時の地球化学調査の計画監理にも参照可能と考えられる。

幌延深地層研究センター東立坑140m調査坑道における地下水の地球化学モニタリングに関する研究開発

南條 功; 天野 由記; 岩月 輝希; 國丸 貴紀; 村上 裕晃; 細谷 真一*; 森川 佳太

JAEA-Research 2011-048, 162 Pages, 2012/03

JAEA-Research-2011-048.pdf:8.53MB
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JAEA-Research-2011-048-appendix(CD-ROM)-6.pdf:0.68MB

北海道幌延地域のような低透水性の堆積岩においては、施設建設に伴う地下水の湧水とその水圧・水質変化の相関及びそれらの経時的な変化の観測例が少なく、その観測技術の開発が課題となっている。本研究では、地下施設の建設が周辺地質環境に与える影響を調査するための技術開発を目的として、施設建設過程及び建設後の地下水の間隙水圧と水質(pH,電気伝導度,溶存酸素,酸化還元電位,水温)の同時連続観測が可能なモニタリング装置を新たに製作・設置し、その適用試験を行った。その結果、低透水性並びに溶存ガスを含有する堆積岩環境において、間隙水圧のモニタリング及び原位置の圧力を維持した状態で物理化学パラメータを測定する技術を確立することができた。また、施設建設過程における間隙水圧/水質の変化について評価を行い、間隙水圧の低下が確認された区間においてもpH及び酸化還元状態はほとんど変化していないことが示された。

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-

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*

JNC TY7400 2003-001, 116 Pages, 2003/05

JNC-TY7400-2003-001.pdf:4.97MB

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。

深部地質環境における微生物群集; 東濃地域を例として

村上 由記*; 長沼 毅*; 岩月 輝希

原子力バックエンド研究, 5(2), p.59 - 66, 1999/03

https://doi.org/10.3327/jnuce.5.59

近年、地下の微生物に関する知見が世界各地で報告されつつある。本件では、岐阜県東濃地域の地下深部の微生物現存量の調査を行った。その結果、花崗岩中の地下水には、105106cell/mlの密度で微生物が存在することが明らかになった。また、微生物の菌数は、鉄の化学種あるいは硫黄の化学種の酸化還元境界と良い相関を示し、深部地質環境の地球化学的状態と微生物の活性には密接な関連があると考えられた。

坑道内地下水モニタリング装置の開発・改良および適用試験

南條 功; 水野 崇; 村上 裕晃; 天野 由記; 細谷 真一*; 若濱 洋*; 山下 理代*

no journal, , 

本研究では、地下施設の建設が周辺の地質環境に与える影響を調査するための技術開発を目的として、幌延深地層研究計画において140m調査坑道に設置したモニタリング装置の観測結果に基づき課題を抽出した。さらに、品質を確保しつつより効率的に地下水の間隙水圧と水質(pH, 酸化還元電位,電気伝導度,溶存酸素,水温)の同時連続観測が可能なモニタリング装置を350m調査坑道に設置し、適用試験を行った。新たなモニタリング装置では、溶存ガスを多く含む幌延の地下水への対応や水質センサーのメンテナンス性の向上、継続したデータの取得、観測データの一元管理を実現した。その結果、主な課題に対応した改良が適切になされ、連続的なモニタリングが実施できることを確認した。

幌延URL地下水を用いたコロイドに関する研究,3; 深部地下水に含まれる懸濁物と希土類元素との相互作用

桐島 陽*; 久野 温*; 雨宮 浩樹; 村上 裕晃; 天野 由記; 岩月 輝希; 水野 崇; 窪田 卓見*; 佐々木 隆之*; 佐藤 修彰*

no journal, , 

幌延URLにて採取した深部地下水に希土類元素(REE)を添加した。これを各種のフィルターで分画し、各フラクションを分析することで地下水中に含まれる懸濁物等とREEがどのように相互作用するかを検討した。