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論文

Ecological and genomic profiling of anaerobic methane-oxidizing archaea in a deep granitic environment

伊能 康平*; Hernsdorf, A. W.*; 今野 勇太*; 幸塚 麻里子*; 柳川 克則*; 加藤 信吾*; 砂村 道成*; 広田 秋成*; 東郷 陽子*; 伊藤 一誠*; et al.

ISME Journal, 12(1), p.31 - 47, 2018/01

岐阜県瑞浪市の超深地層研究所において、深度300メートルの地下水を地下坑道から採取し、地下微生物の生態系を調査した。その結果、花崗岩深部でマグマ由来のメタンに依存した微生物生態系が存在することを明らかにした。

論文

The Role of low-temperature organic matter diagenesis in carbonate precipitation within a marine deposit

宮川 和也; 石井 英一; 廣田 明成*; 小松 大祐*; 池谷 康祐*; 角皆 潤*

Applied Geochemistry, 76, p.218 - 231, 2017/01

 被引用回数:7 パーセンタイル:19.24(Geochemistry & Geophysics)

炭酸塩はその形成時に、地下水水質の変遷履歴などの古水理地質情報を記録している可能性があり、地下に形成された炭酸塩脈は、過去の環境の変遷を知る手掛かりになる。本研究では、北海道北部の新第三系海成堆積岩である声問層と稚内層中に見られる炭酸塩脈の産状のコントラストについて、炭酸の供給源の観点からその成因を検討した。炭酸塩脈は、珪藻質泥岩の声問層中にはほとんど見られないが、珪質泥岩の稚内層中には見られる。地下水中に溶存している多量のメタンは微生物活動による二酸化炭素還元反応によって形成されていることが、同位体比分析の結果から分かった。岩盤中の全有機物量は、声問層では深度の増加とともに小さくなるが、稚内層では深度によらず一定であることが分かった。これはこれらの地層境界が、有機物の続成作用区分としてダイアジェネシス期からカタジェネシス期への変化点に相当することを示唆しており、ガスや炭酸塩の炭素同位体比もまた、稚内層中では深度とともに急に重くなっていることが分かった。以上のことから、次のような炭酸塩脈の形成プロセスが考えられる。有機物の続成作用があまり進んでいない声問層では、微生物により有機物が分解され、二酸化炭素が地下水中に供給される。一方で、声問層と比較した時に、稚内層では続成作用が進んでおり、有機物が比較的分解されにくい。このため、メタン生成反応に伴う炭酸の消費が補われることがないため、同時に炭酸塩脈が形成されやすい環境であったことが推察された。

論文

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

伊能 康平*; 今野 祐大*; 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

 被引用回数:8 パーセンタイル:36.5(Environmental Sciences)

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。

論文

Biogeochemical signals from deep microbial life in terrestrial crust

鈴木 庸平*; 今野 祐大*; 福田 朱里*; 小松 大介*; 廣田 明成*; 渡邊 勝明*; 東郷 洋子*; 森川 徳敏*; 萩原 大樹; 青才 大介*; et al.

PLoS ONE (Internet), 9(12), p.e113063_1 - e113063_20, 2014/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:63.38(Multidisciplinary Sciences)

土岐花崗岩が対象として掘削された深層ボーリング孔において、深部地下水中の微生物特性の調査を行った。その結果、低硫酸濃度環境下において、微生物的硫酸還元に伴う硫黄同位体分別が認められた。また、硫黄同位体分別の大きな同位体比および炭素同位体比は、メタン生成菌の活性が低いことを示唆した。これらの特徴は、低栄養環境である深部火成岩中の微生物生態系の特徴と考えられた。

論文

Occurrence and potential activity of denitrifiers and methanogens in groundwater at 140 m depth in Pliocene diatomaceous mudstone of northern Japan

勝山 千恵*; 梨本 裕晃*; 永翁 一代*; 石橋 朋剛*; 古田 一期*; 木下 剛*; 吉川 英樹; 青木 和弘; 浅野 貴博*; 佐々木 祥人; et al.

FEMS Microbiology Ecology, 86(3), p.532 - 543, 2013/12

 被引用回数:8 パーセンタイル:64.02(Microbiology)

嫌気性微生物活性は地下環境に影響を与える。本研究では140mの深度の2つのボアホールから低酸素濃度の地下水を採取し脱窒菌とメタン生成菌の活性について調査した。脱窒菌活性は$$^{15}$$Nをトレーサとしてボアホール環境にて測定し、メタン生成菌については16S rRNAの遺伝子解析により存在を確認した。メタンの安定同位体の分析値から溶存メタンは微生物活用由来であることが分かったが、本メタン生成菌の培養中には発生が確認できなかった。地下140m深の地下水中には酸素が含まれておらず、Ehが-144から6.8mVを示し、脱窒菌の活性が有意な環境であることが分かった。

論文

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

 被引用回数:18 パーセンタイル:37.47(Ecology)

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${it Thauera}$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3$$sim$$5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${it Brevundimonas}$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${it Thauera}$属が優占する環境が保持されていると考えられる。

口頭

瑞浪超深地層研究所における地球化学分野でのJAEA/AIST共同研究,2; 生物地球化学特性に関する研究

福田 朱里*; 萩原 大樹; 石村 豊穂*; 幸塚 麻理子*; 伊藤 一誠*; 角皆 潤*; 鈴木 庸平*; 水野 崇

no journal, , 

地下水の酸化還元電位(Eh)を測定については、安定した測定値を得るまでに長期間要することや、地下水採取時の脱ガス等の化学的な変化によるEhの変化が指摘されている。他方、地下水中の微生物は、地下水中に供給される還元剤・酸化剤を用いた酸化還元反応を利用して生息しているため、代謝活性様式から酸化還元環境を推定できる可能性がある。そのため、Ehの測定に関する不確実性を低減することを目的として、生物化学的な観点から酸化還元環境を測定する研究を日本原子力研究開発機構と産業技術総合研究所が共同で行った。本研究では、採取した地下水試料のEhを従来の電極法で測定するとともに、微生物の代謝活性様式から酸化還元環境を推定した。その結果、電極法による測定結果と微生物の代謝活性様式から推定される酸化還元環境は整合的な結果を示しており、本研究で用いた生物化学的手法により、Ehの測定結果に対する不確実性を低減させることが可能であると考えられる。今後は、生物化学的な擾乱を避けるための試料採取方法等を含めて、本手法の体系化を進める予定である。

口頭

Unveil the depth of microbial methane production in a sedimentary rock subsurface system

加藤 憲二*; 永翁 一代*; 角皆 潤*; 浅野 貴博; 佐々木 祥人; 吉川 英樹

no journal, , 

深地層においては、酸化還元電位が低い状態が保たれておりそこではメタン生成菌がおもに活動していると考えられる。本研究では、幌延深地層(500m)におけるメタン生成菌の特性について室内試験を行い調査した。メタン生成菌によるメタン生成の基質を加え、20-55$$^{circ}$$Cで培養し温度依存性を調査した。30$$^{circ}$$C, 40$$^{circ}$$Cでの培養でメタン生成菌の活性が最大となり、原位置温度(31$$^{circ}$$C)に近い温度がメタン生成の最適温度であることが明らかになった。メタン生成阻害剤(BES)を加えた場合には、培地中にメタノールの蓄積が見られた。この結果は、原位置のメタン生成菌がメタノールを利用していることを示唆するものである。また、クローニング解析からメタノールを利用するメタン生成菌の存在が示されており、これらも上記試験を支持する結果となった。また、同位体分析から溶存メタンガスは微生物由来であることが示唆された。これらの結果は、幌延深地層において、メタン生成菌が高い活性をもって存在している可能性を示唆するものである。

口頭

地下深部環境のBIO-NANO-GEO Science; 瑞浪超深地層研究所における試み

鈴木 庸平*; 福田 朱里*; 幸塚 麻理子*; 石村 豊穂*; 角皆 潤*; 萩原 大樹; 水野 崇

no journal, , 

微生物の代謝活動はナノスケールの産物を媒体として、物質循環に影響を及ぼすと幅広く認識されるが、地下深部での実態は明らかでない。本研究では、地上から掘削されたボーリング孔(MIZ-1号孔:掘削長約1300m)を対象に、深度約1150メートルの花崗岩体から採取された地下水試料を調査した。結果の概要として、(1)塩化物イオン濃度が海水の10分の1程度の深層地下水は、電子供与体として約1mMの生成起源不明のメタン($$delta$$$$^{13}$$C=-25.9‰)と溶存有機物を1.2ppm含み、二酸化炭素以外の主要な電子受容体に乏しいこと、(2)全菌数は5$$times$$10$$^{4}$$細胞・ml$$^{-1}$$でDNAに基づく群集構造解析の結果、難分解性の芳香族炭化水素をエネルギー源にするThauera属の微生物が優占すること、(3)ナノスケールの鉄・シリカを含有する粒子に微生物細胞が共存していることが明らかになった。

口頭

Hydrogen and carbon isotope geochemistry of freshwater aquifers at the Mizunami Underground Research Laboratory; Implications for ongoing biogeochemical processes in granitic rocks

今野 祐多*; 福田 朱里; 幸塚 麻理子*; 小松 大祐*; 角皆 潤*; 青才 大介; 水野 崇; 鈴木 庸平*

no journal, , 

本報告では、結晶質岩中の淡水系地下水における水-岩石-微生物相互作用において、微生物により行われている生物化学的な反応を明確にするため、瑞浪超深地層研究所より採取された深度200mから1150mまでの地下水を対象として、酸素及び炭素安定同位体組成を指標とした検討を行った。その結果、地下水中のメタンにおける酸素,水素安定同位体比からは、メタンが二酸化炭素や酢酸を起源とした微生物起源のメタンでないことを示す一方、C1/C2+C3の値は微生物起源であることを示した。また、深度300mより深部で採取された地下水では、メタン及び酢酸が浅部より高濃度で含まれており、硫酸イオンは減少する傾向を示すなど、酢酸形成の特徴を示した。これらの結果から、還元的な地下深部における結晶質岩中の淡水系地下水では、メタン生成よりも酢酸生成が主要な生物化学反応であることがわかった。

口頭

深部地下堆積層におけるメタン生成深度

梨本 裕晃*; 永翁 一代*; 勝山 千恵*; 角皆 潤*; 吉川 英樹; 浅野 貴博; 佐々木 祥人; 青木 和弘; 加藤 憲二*

no journal, , 

地下深部における原核生物群集の現存量や多様性,活性に関する知見を得ることは、地下圏の物質変換における原核生物の役割の解明や、放射性廃棄物の地層処分に対する安全評価において重要である。本研究では、地下圏におけるメタン生成菌の分布と活性を明らかにし、メタン生成が実際に起こる深度を推定することを目的とした。幌延地域では、先行研究により、幌延深地層研究センターの試錐孔より採取した深度500mの地下水中から、${it Methanobacterium subterranuem}$に近縁な塩基配列が検出され、現場温度である30$$^{circ}$$Cにおいて、メタン生成活性が確認された。そこで、本研究では、深度140mより採水した地下水を対象とした。原核生物群集の構成は16s-rRNA塩基配列を解析した。地下水中の溶存メタンの安定同位体比分析を進めた。基質を加えた嫌気培養により、メタン生成活性を推定した。地下水中の${it Archaea}$の16s-rRNA塩基配列の分析によりメタノールを用いてメタン生成を行う、${it Methermicoccus shengliensis}$に近縁な塩基配列が検出された。加えて、安定同位体比分析より、地下水中の溶存メタンは生物起源が示唆されたにもかかわらず、現場の温度(16$$^{circ}$$C)と35$$^{circ}$$Cの培養において、168日間培養を行ったがメタン生成活性は確認されなかった。

口頭

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。

口頭

瑞浪超深地層研究所深部地下水中での微生物活動による硫酸還元反応と硫黄同位体分別

廣田 明成*; 東郷 洋子*; 伊藤 一誠*; 鈴木 庸平*; 福田 朱里*; 今野 祐多*; 角皆 潤*; 小松 大祐*; 長尾 誠也*; 岩月 輝希

no journal, , 

瑞浪超深地層研究所において、地下の微生物活動の影響を評価するため地下水中の各種溶存化学成分の濃度と硫酸イオン、硫化物イオンの硫黄安定同位体比の測定を行った。その結果、硫酸イオンと硫化物イオンの同位体分別係数は20-60‰であることが明らかとなり、地下深部の環境条件下において、硫酸イオン濃度が低い場合でも大きな硫黄同位体分別がおきる場合があることが示された。

口頭

嫌気高圧培養実験を用いた深部花崗岩地下水中微生物の硫酸還元活性と炭酸還元活性の評価

廣田 明成*; 東郷 洋子*; 福田 朱里*; 伊藤 一誠*; 鈴木 庸平*; 角皆 潤*; 小松 大祐*; 岩月 輝希

no journal, , 

瑞浪超深地層研究所の研究坑道において花崗岩中の深部地下水を採取し、各種化学分析を行うと共に、深部地下環境を維持または再現した条件下で地下水中の微生物活動を観察し、同位体比を指標として原位置での代謝活性の評価を行った。その結果、微生物の硫酸還元活性があることを確認できた。また、高い水素濃度条件よりも原位置環境に近い低い水素濃度条件でより活性が高いことを確認できた。

口頭

幌延地域の地下深部環境におけるメタンおよび二酸化炭素の生成過程について

宮川 和也; 水野 崇; 廣田 明成*; 小松 大祐*; 角皆 潤*

no journal, , 

炭化水素ガスは堆積岩を対象とした放射性廃棄物の地層処分の検討において、処分場閉鎖後の長期にわたる地層中の放射性物質の移動に対するガスの影響評価などの観点から、重要な検討課題である。そのため、堆積岩の地質特性とその変遷に関するこれまでの知見を整理した上で、溶存ガスの情報に基づき、その生成, 移動, 集積プロセスについて考察を行い、地球化学環境形成モデルの構築へ反映させることが重要である。しかしながら、地上調査で得られていた溶存ガスに関する情報は大きなばらつきを示し、明確な解釈を得ることが難しかったため、地下施設を利用した信頼できるデータを取得する必要があった。そこで本研究では、地下施設を用いて高精度のデータを取得し、そのデータをもとにCO$$_{2}$$の生成過程について考察を行った。その結果、メタンの主要な起源については、微生物活動による二酸化炭素の還元反応であるというこれまでの報告と同様の結果が確認された。一方で、これまで考えられていた炭酸の供給の無いような閉鎖的な空間という仮定は、必ずしも成り立たないことが分かった。また、地下施設から得られたデータは、地上調査と比較してばらつきの非常に小さい結果が得られ、試料の採取方法や分析方法についてもまた、再検討の余地があることが明らかになった。

口頭

Relative burial-depth-profiles of carbon isotope ratios of methane and carbon dioxide preserved for up to 1 million years

宮川 和也; 水野 崇; 石井 英一; 廣田 明成*; 小松 大祐*; 池谷 康祐*; 角皆 潤*

no journal, , 

近年、高レベル放射性廃棄物の地層処分などの観点から、地下深部での地下水やガスなどの流体のゆっくりとした流れのプロセスの理解を進展させることが重要視されている。これまでに、水理地質学や地球化学、年代測定学といった複数の観点から、地下水の流動速度が遅いことの検証がなされてきた。1つの手法をもって過去の地下環境の変遷を断定することはできず、異なる複数の視点から検証を行うことは重要であることから、本研究では溶存ガスの観点から検証を行った。幌延深地層研究センターの地下施設を利用して得られた地下水中の溶存ガスに関する分析結果と、地上からのボーリング孔(HDB)による調査で得られた結果とを合わせて、地下のガスの分布の形成プロセスについて考察を行った。幌延地域の地下深部には、多量のメタンと二酸化炭素が溶存ガスとして賦存しており、これまでの研究結果によって、これらは強い還元的な環境の下での、有機物の分解や長期間の微生物活動による水素を基質とした二酸化炭素ガスの還元反応によって生成されたことが分かっている。本発表では、ガスの炭素同位体比の深度プロファイルが、現在の深度ではなく、過去の地層の最大埋没時の深度情報によって規定されていると考えられることを報告する。ガスを用いた観点からも、このように、地下深部の流体は非常にゆっくりとした動きである可能性を支持する結果が得られた。

口頭

Microbial CO$$_{2}$$ reduction continuing for millions years in Neogene mudstone resulting in extreme $$^{13}$$C-enrichment

宮川 和也; 石井 英一; 水野 崇; 廣田 明成*; 小松 大祐*; 池谷 康祐*; 角皆 潤*

no journal, , 

近年、高レベル放射性廃棄物の地層処分などの観点から、地下深部での地下水やガスなどの流体のゆっくりとした流れのプロセスの理解を進展させることが重要視されている。これまでに、水理地質学や地球化学、年代測定学といった複数の観点から、地下水の流動速度が遅いことの検証がなされてきた。1つの手法をもって過去の地下環境の変遷を断定することはできず、異なる複数の視点から検証を行うことは重要であることから、本研究では溶存ガスの観点から検証を行った。幌延深地層研究センターの地下施設を利用して得られた地下水中の溶存ガスに関する分析結果と、地上からのボーリング孔(HDB)による調査で得られた結果とを合わせて、地下のガスの分布の形成プロセスについて考察を行った。幌延地域の地下深部には、多量のメタンと二酸化炭素が溶存ガスとして賦存しており、これまでの研究結果によって、メタンは微生物活動による二酸化炭素ガスの還元反応によって生成されたことが分かっている。本発表では、ガスの同位体組成から、地層中への天水の浸透が、数万年前程度の比較的最近に生じた可能性があることが分かったことを報告する。また、稚内層は岩盤中の有機物が分解されず、閉鎖的な環境であったために、炭酸塩脈が多く見られることが分かった。

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