Anaerobic methane-oxidizing activity in a deep underground borehole dominantly colonized by Methanoperedenaceae

西村 大樹*; 幸塚 麻里子*; 福田 朱里*; 石村 豊穂*; 天野 由記; 別部 光里*; 宮川 和也; 鈴木 庸平*

Environmental Microbiology Reports (Internet), 15(3), p.197 - 205, 2023/06

https://doi.org/10.1111/1758-2229.13146

地下深部の地下水は、微生物活動などにより酸素が消費され、一般に還元性になっている。幌延の深部地下水では、微生物活動による二酸化炭素還元反応により強還元雰囲気が維持されている。一方で、幌延深地層研究センター地下研究施設の一部のボーリング孔では、嫌気的環境にも関わらずメタン酸化機能を持つ微生物の存在が明らかにされている。局所的ではあるものの、地下深部の強還元雰囲気において進行する酸化反応機構の解明を目的として、本研究では、原位置の水質・水圧を模擬し、この嫌気的メタン酸化微生物の培養を行った。その結果、地下水中の懸濁物に含まれる非晶質鉄あるいは2八面体型スメクタイトに含まれる3価鉄が酸化剤として機能していることが分かった。このような酸化剤が地下深部に存在する要因の一つとして、ボーリングの掘削泥水などの掘削に伴う人為的影響が挙げられる。高レベル放射性廃棄物の地層処分において閉鎖後の処分場坑道周辺の酸化性環境は、周辺母岩中の鉱物との反応等により本来の還元性に戻ると考えられている。本研究で得られた知見は、この処分場閉鎖後の回復過程についてより正確な理解に繋がる成果である。

Deep microbial life in high-quality granitic groundwater from geochemically and geographically distinct underground boreholes

伊能 康平*; 今野 祐多*; 幸塚 麻里子*; 廣田 明成*; 東郷 洋子*; 福田 朱里*; 小松 大介*; 角皆 潤*; 田辺 章文*; 山本 智*; et al.

Environmental Microbiology Reports (Internet), 8(2), p.285 - 294, 2016/04

https://doi.org/10.1111/1758-2229.12379

瑞浪超深地層研究所の深度300mの花崗岩中の地下水を対象として、ボーリング孔を利用した微生物特性の調査を行った。ボーリング孔から得られた地下水は、当初、好気性の水素酸化に関わるHydrogenophaga spp.が優勢種であったが、3年後にはNitrospirae門の微生物が優勢種となった。後者の微生物種は系統学的に深部地下水や陸域の温泉水において観察される種であり、この地域の土着の微生物種と考えられた。

超深地層研究所計画 年度報告書(2011年度)

國丸 貴紀; 見掛 信一郎; 西尾 和久; 鶴田 忠彦; 松岡 稔幸; 石橋 正祐紀; 笹尾 英嗣; 引間 亮一; 丹野 剛男; 真田 祐幸; et al.

JAEA-Review 2013-018, 169 Pages, 2013/09

JAEA-Review-2013-018.pdf:15.71MB

日本原子力研究開発機構東濃地科学センターでは、「地層処分技術に関する研究開発」のうち深地層の科学的研究(地層科学研究)の一環として、結晶質岩(花崗岩)を対象とした超深地層研究所計画を進めている。本計画は、「第1段階; 地表からの調査予測研究段階」、「第2段階; 研究坑道の掘削を伴う研究段階」、「第3段階; 研究坑道を利用した研究段階」の3段階からなり、2011年度は、第2段階及び第3段階の調査研究を進めた。本報告書は、2010年度に改訂した「超深地層研究所地層科学研究基本計画」に基づいた、超深地層研究所計画の第2段階及び第3段階の調査研究のうち2011年度に実施した(1)調査研究、(2)施設建設、(3)共同研究等の成果を取りまとめたものである。

Geomicrobiological properties of ultra-deep granitic groundwater from the Mizunami Underground Research Laboratory (MIU), Central Japan

福田 朱里*; 萩原 大樹; 石村 豊穂*; 幸塚 麻理子*; 井岡 聖一郎*; 天野 由記; 角皆 潤*; 鈴木 庸平*; 水野 崇

Microbial Ecology, 60(1), p.214 - 225, 2010/05

https://doi.org/10.1007/s00248-010-9683-9

花崗岩深部においても微生物の生態系がみられることが知られているが、そのバイオマスや生物多様性,代謝活性を制限する地球化学的要因は明らかになっていない。今回、筆者らは地球化学特性と微生物学特性の関連性を明らかにするため、2005年及び2008年に瑞浪超深地層研究所(MIU)用地内に掘削されたMIZ-1号孔より深度1,169m地点において採取された地下水試料の生物地球化学的特性の調査を行った。化学分析の結果、いずれの試料においても酸素や硝酸,硫酸等の電子受容体は乏しいものの、有機酸を含まない有機炭素に富むことがわかった。いずれの地下水においても、優占する微生物種は、芳香族や脂肪族炭化水素のような利用されにくい電子供与体を利用可能な属に属する微生物であることがわかった。複数のエネルギー源や電子受容体を添加した35週間の培養試験では、培養試験の条件にかかわらず、優占種が属へと変化した。これらの生物地球化学調査の結果から、MIU深部では、酸素や硝酸の電子受容体と有機酸が乏しいことから属が優占する環境が保持されていると考えられる。

産業技術総合研究所との共同研究; 地球化学環境変動要因としての地下微生物の影響評価手法の技術開発と高度化

福田 朱里; 水野 崇; 青才 大介; 萩原 大樹; 山本 祐平; 新宮 信也; 伊藤 一誠*; 鈴木 庸平*; 幸塚 麻理子*; 今野 祐多*

no journal, , 

地層処分の安全評価に必要な深部化学環境とその形成プロセス及び長期的変遷の調査技術開発のため、原位置における微生物学的特性を明らかにし、化学環境形成や擾乱からの回復過程における微生物の役割を評価することを目的とし、地球化学分析,微生物群集構造解析,微生物代謝活性の評価を行った。これまでの研究により、土岐花崗岩から採取した地下水中の微生物の活性は低いことがわかっており、より短期で高感度な代謝活性測定方法の開発及び深度に伴う微生物学的特性の変化の解析を重点的に行った。地球化学分析の結果、酸素,硝酸・亜硝酸イオンは全深度で検出限界未満だったため、硫酸イオン以外の主な電子受容体は乏しいと推測された。微生物群集構造解析から深度に伴う優占微生物種の遷移がみられた。微生物代謝活性の評価により、花崗岩とそれを被覆している堆積岩の境界近傍の深度99mの微生物代謝活性が高く、それ以深は深度とともに低くなる傾向がみられた。本研究により、花崗岩深部において原位置の代謝活動は低いが、地下施設建設等による擾乱で酸素や硝酸が供給された場合、微生物による消費が期待されることが示された。

地下水を対象とした溶存酸素濃度測定

青才 大介; 萩原 大樹; 新宮 信也; 山本 祐平; 福田 朱里; 鈴木 庸平*; 水野 崇

no journal, , 

高レベル放射性廃棄物の地層処分の安全評価において、地下水の化学環境を把握することは重要である。地下水を対象とした調査研究は、一般的にボーリング孔から採取した地下水試料を対象として行われる。ボーリング孔掘削の過程では、地下水への掘削水の混入は避けられないため、掘削水へトレーサーを添加することにより、掘削水が地下水に混入した場合においても、地下水の主要化学組成や同位体組成を外挿により求めている。ただし、微量元素,微生物,有機物及びコロイド等への適用性は十分に検討されていない。そのため本研究では、おもに溶存酸素(DO)濃度に着目し、ボーリング調査が地下水の化学環境へ与える影響の把握を目的とした検討を行った。その結果、(1)湧水環境下でのボーリング孔掘削においても地下水に酸素が供給されている、(2)ボーリング孔閉塞後にDO濃度を測定することにより、その影響を把握できる、(3)DO濃度の測定では、電極法に加え、Winkler法などの手法も併用することにより信頼性の高い値が得られる、ということがわかった。

Metabolic rates of subsurface microorganisms in a hydrogeochemically characterized granitic aquifer system at the Mizunami Underground Research Laboratory (MIU) in Japan

福田 朱里; 幸塚 麻理子*; 今野 祐多*; 青才 大介; 萩原 大樹; 水野 崇; 鈴木 庸平*

no journal, , 

深部地下環境には微生物が生息しており、その地下微生物の生理学的・系統学的多様性は地下水の地球化学環境に依存して変化する。瑞浪超深地層研究所における深度99mから1169mの深部花崗岩中の地下水の地球化学的特性に微生物が与える影響を定量的に評価するため、さまざまな好気及び嫌気的代謝活動を高感度に測定する手法を開発した。地下水のろ過により微生物細胞を約30倍に濃縮し、電子受容体とともに培養を行ったところ、好気呼吸活性は深度99mと175mにおいて400umol/L/year以上で、深くなるにつれ減少し、深度1169mで36umol/L/yearだった。硝酸還元活性は深度99mから308mにおいて増加した(4.3から37umol/L/year)が、それより深くなるにつれ減少し、深度1169mで0.20umol/L/yearだった。硫酸還元活性は1.4から3.2umol/L/yearの値で、深度200m以浅でしか検出されなかった。地下水系において酸素と硝酸が欠乏し、深度に伴い硫酸が緩やかに減少する理由として、本研究で求めた活性速度で行われている微生物代謝活動の影響が考えられる。本研究の予算の一部は、原子力安全・保安院の受託研究費を用いた。

花崗岩深部の地下水流動特性に依存した硫酸から二酸化炭素還元への微生物呼吸様式のシフト

今野 祐多*; 小松 大祐*; 西村 周作*; 福田 朱里; 青才 大介; 水野 崇; 長尾 誠也*; 角皆 潤*; 鈴木 庸平*

no journal, , 

水理・地球化学環境と地下微生物の代謝活動を担うエネルギー源の関係性を把握するため、花崗岩中の地下水試料を用いて、微生物のエネルギー源となり得る物質の分析により、微生物の代謝様式の推定を行った。瑞浪超深地層研究所の地上及び研究坑道内から掘削したボーリング孔より採取した地下水中の腐植物質様有機物の定量・定性,水素ガスの定量,硫酸・硫化物イオン,溶存無機炭素の定量及び安定同位体組成の分析を行った。その結果、腐植様物質は深度100から300mに向けて濃度が減少した。透水性の低い断層の両側に位置し、透水係数が異なる深度300mの2つのボーリング孔の酸化還元状態は、硫酸還元環境と二酸化炭素還元環境で異なることが示唆された。地下水流動が遅い場合、水-岩石-微生物反応にとって十分な反応時間が得られ、酸化剤の消費が進み、より還元的な化学環境が形成されると考えられる。したがってこれらの結果は、花崗岩中の地下水流動特性に従い、有機物に依存する硫酸還元(従属栄養)から地下由来のエネルギー源に依存する二酸化炭素還元(独立栄養)へのシフトを示唆し、地下深部において光合成由来物質が影響する限界に近付いていることを意味する。

産業技術総合研究所との共同研究; 地球化学環境変動要因としての地下微生物の影響評価手法の技術開発と高度化

福田 朱里; 水野 崇; 青才 大介; 萩原 大樹; 山本 祐平; 新宮 信也; 竹野 直人*; 鈴木 庸平*; 今野 祐多*; 幸塚 麻理子*

no journal, , 

地層処分の安全評価に必要な深部化学環境及びその変動要因である微生物活動の調査技術開発のため、原位置における微生物代謝活性を空間的に把握し、酸化還元状態及び微生物活動の指標となる溶存ガスを定量的に評価することを目的とし、地球化学的特性と微生物学的特性の調査を行った。これまでの研究により、瑞浪超深地層研究所用地内及び周辺の土岐花崗岩から採取した地下水中の微生物の活性は低いこと、DNAの配列情報では代謝様式が未確定な微生物が優占していること、地下水中の溶存ガスは脱ガスにより定量的な評価が困難であることがわかってきている。そこで、さまざまな代謝様式を同時に評価可能な手法と溶存ガスの定量的な評価のためのサンプリング手法の確立を行った。全菌数測定の結果、全菌数は深度による有意な違いはみられなかった。微生物代謝活性の評価により、地質構造・水理・地球化学要因だけでなくボーリング孔の掘削条件なども大きな影響を与える因子であることが示唆された。また、サンプリング手法の改良により溶存ガスの定量分析が可能となり、溶存ガスの濃度や同位体比を酸化還元状態や微生物活動の指標に用いることが可能となった。

Unveiling key players in the geological disposal environment

鈴木 庸平*; 福田 朱里; 今野 祐多*; 幸塚 麻理子*; 萩原 大樹; 青才 大介; 竹野 直人*; 水野 崇

no journal, , 

This study is aimed to understand the microbiological properties in deep granitic fresh water aquifer. As the result of investigation at two URLs, Mizunami Underground Research Laboratory and Grimsel Test Site, it is suggested that some microbes are cosmopolitan in the granitic freshwater aquifer and radionuclide interactions should be clarified to provide general and reliable information for the safety of geological disposal in granitic subsurface.