Isotopic signals in fracture-filling calcite showing anaerobic oxidation of methane in a granitic basement

水野 崇; 鈴木 庸平*; Milodowski, A. E.*; 岩月 輝希

Applied Geochemistry, 150, p.105571_1 - 105571_11, 2023/03

https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2023.105571

地下水中における嫌気的メタン酸化(AOM)は、地下水の酸化還元条件と炭素循環の両方に影響を及ぼすものの、地層処分の母岩となりうる結晶質岩を対象とした研究例は少ない。そのため、本研究では、日本の中央部に分布する土岐花崗岩の割れ目に産出する二次鉱物である方解石を対象に、炭素と酸素の安定同位体組成に着目した古水理地質学的研究を実施した。その結果、酸素同位体組成(O: -32.7‰ -0.59‰)から、方解石を析出させた地下水は熱水由来の地下水、地表から浸透した淡水、海進時に侵入した海水であることが明らかとなった。一方、炭素同位体組成C: -56.6‰ +6.0‰)は、熱水,淡水,海水由来のDICの炭素同位体組成の範囲(-25‰ +2‰)より広い範囲に分布していた。-25‰より軽いCを持つ方解石はAOMから供給されたDICを起源として沈殿したと考えられ、+2‰より重いCを持つ方解石はメタン生成時にCが濃縮したDICを起源として沈殿したと考えられる。北欧における先行研究とは異なり、瑞浪のAOM方解石は淡水環境で沈殿したものであり、結晶質岩の深部では様々なプロセスによりAOMが生じる可能性があることが示された。このような幅広い環境下での炭素循環を理解することは、地層処分システムの長期的な安全性を評価する上で重要な知見を提供できると考えられる。

Potential for microbial H and metal transformations associated with novel bacteria and archaea in deep terrestrial subsurface sediments

Hernsdorf, A. W.*; 天野 由記; 宮川 和也; 伊勢 孝太郎; 鈴木 庸平*; Anantharaman, K.*; Probst, A. J.*; Burstein, D.*; Thomas, B. C.*; Banfield, J. F.*

ISME Journal, 11, p.1915 - 1929, 2017/03

AA2016-0002.pdf:2.21MB

https://doi.org/10.1038/ismej.2017.39

地層処分システムにおける微生物影響の可能性を評価するために、北海道の幌延深地層研究センター地下施設を利用して、堆積岩地下の生態系における微生物群集構造と代謝機能について調査を行った。全体として、微生物生態系は多様な系統群からなる微生物種で構成されており、その多くはこれまで培養されていない生物門に属していることが示された。大部分の微生物種は、酸化型[NiFe]ヒドロゲナーゼあるいはフェレドキシンをベースとする代謝経路を可能にする電子分岐型[FeFe]ヒドロゲナーゼを介して水素代謝をおこなうことが明らかになった。水素代謝と関連して、多くの微生物が炭素,窒素,鉄および硫黄を代謝することが推定された。特に、ANME-2dというメタン酸化を行う古細菌として知られている未培養微生物が、鉄関連の代謝反応を行う可能性が示唆された。得られた結果から、幌延堆積岩環境における微生物群集の生態学的概念モデルを推定した。

A New view of the tree of life

Hug, L. A.*; Baker, B. J.*; Anantharaman, K.*; Brown, C. T.*; Probst, A. J.*; Castelle, C. J.*; Butterfield, C. N.*; Hernsdorf, A. W.*; 天野 由記; 伊勢 孝太郎; et al.

Nature Microbiology (Internet), 1(5), p.16048_1 - 16048_6, 2016/05

https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2016.48

生命の系統樹は生物学において最も重要な中心テーマの一つである。遺伝子調査によると、莫大な数のブランチの存在が示唆されているが、フルスケールに近い系統樹でさえわかりにくいのが現状である。本研究では、これまでに報告されてきた配列情報に加えて、新たに取得した未培養生物のゲノム情報を用いて、バクテリア,アーキア,真核生物を含む系統樹を更新した。系統樹の描写は、全体的な概容とそれぞれの主要な系統における多様性のスナップショットの両方について行った。その結果、バクテリアの多様化の優勢性が示され、培養されていない生物種の重要性とともに主要な放射構造においてそれらの生物種の重要な進化が集中している現象が強調された。

Formation and geological sequestration of uranium nanoparticles in deep granitic aquifer

鈴木 庸平*; 向井 浩樹*; 石村 豊穂*; 横山 高富*; 坂田 修平*; 平田 孝文*; 岩月 輝希; 水野 崇

Scientific Reports (Internet), 6, p.22701_1 - 22701_6, 2016/03

https://doi.org/10.1038/srep22701

微生物による6価ウランの4価ウランへの還元固定法は、汚染水の安価な浄化方法として知られている。その反応は一般的に5ナノメーター以下のウラン粒子で起こる。本研究では、花崗岩中の割れ目を充填する炭酸塩鉱物において、4価のウランからなるコフィナイト粒子の観察を行った。その結果、普遍的な現象として微生物による炭酸塩鉱物の形成時に、炭酸塩鉱物と4価ウランナノ粒子の共沈が起こっている可能性が考えられた。このような現象は、放射性廃棄物の地層処分に関連して汚染水中の放射性核種やウランの長期隔離に寄与すると考えられる。

Size and elemental analyses of nano colloids in deep granitic groundwater; Implications for transport of trace elements

斉藤 拓巳*; 鈴木 庸平*; 水野 崇

Colloids and Surfaces A; Physicochemical and Engineering Aspects, 435(Sp.IAP2012), p.48 - 55, 2013/10

https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2012.11.031

瑞浪超深地層研究所の深度300mから採取した地下水中のコロイドのサイズ分布を把握するため、流体流動場分画法を用いた研究を行った。比較的低濃度に分布するコロイドを分析するため、限外ろ過、大規模なインジェクションループ及びスロットフローにより濃縮し、分析を行った。無機もしくは有機コロイドはUV/Vis及び蛍光検出器、さらには誘導結合プラズマ質量分析装置を流体流動場分画装置と接続し分析した。その結果、ランタニド(La, Ce, Eu, Lu)やアクチニド(U, Th)、重金属元素(Cu, Zn, W)といった元素がサイズ依存性を持って分布していることがわかった。

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。

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。

瑞浪超深地層研究所における深部花崗岩中地下水の生物地球化学的調査

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

no journal, , 

微生物は、地下の化学環境形成や維持において重要な役割を担っていることが知られている。そこで、微生物生態系の観点から地下水の化学環境を理解することを目的とし、瑞浪超深地層研究所において採取された花崗岩中の地下水試料を用いて、地球化学分析,微生物群集構造解析及び代謝活性の評価を行い、生物地球化学的特性の把握とそのための調査手法の開発を行った。採取した地下水試料の優占微生物は、既知の微生物との相同性から生理学的特性を推察することは難しかったが、本研究で行った代謝活性測定手法により、機能未知の微生物やボーリング孔掘削後に繁殖した好気性微生物を含む微生物群集の地下環境の形成・維持への影響の定量的評価が可能となった。本研究により、微生物が還元的な環境の形成・擾乱後の回復過程において重要な役割をもち、地球化学的特性と微生物学的特性の統合的調査の有用性が示された。

産業技術総合研究所と原子力機構の共同研究; 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; 岩月 輝希; 新宮 信也; 大森 一秋; 萩原 大樹; 伊藤 一誠*; 東郷 洋子*; 鈴木 庸平*

no journal, , 

微生物活動が地下深部の地球化学環境や物質移動特性に与える影響にかかわる調査技術の構築のため、微生物学特性と地球化学特性の調査を行った。微生物群集の空間分布及び経時変化の解析のためDNA配列の解析を行った結果、深度に伴う地球化学環境の違いよりも、ボーリング孔掘削による酸素の混入等の擾乱が地下微生物群集に与える影響が大きいことがわかった。また、ボーリング孔掘削による擾乱から回復した環境に卓越する微生物種は、新規性の高い微生物であることが明らかとなった。地下微生物は代謝活性が低く、新規微生物の培養条件の検討は困難なため、培養に依存せずFISH法等の顕微鏡観察により、原位置の微生物活動を細胞単位で確認した。並びに、無機炭素・硫酸濃度の化学分析により、深度300m研究アクセス坑道からの水平ボーリング孔では立坑掘削による擾乱が少なく、最も還元的な微生物活動である二酸化炭素の還元が起こっていることが推測された。

Sulfur and hydrogen metabolism linked to CO fixation by abundant Nitrospirae in the deep subsurface

天野 由記; Anantharaman, K.*; Tomas, B. C.*; Olm, M.*; Burstein, D.*; Castelle, C. J.*; 別部 光里*; 宮川 和也; 岩月 輝希; 鈴木 庸平*; et al.

no journal, , 

The bacterial phylum Nitrospirae is phylogenetically diverse. There are relatively few isolated representatives available for laboratory study and the physiology, functions and distributions of these bacteria across environments remain largely unknown. To understand the ecological role of Nitrospirae in the deep subsurface, we analyzed metagenomically-derived near complete genomes from groundwaters associated with granite and sedimentary rock where Nitrospirae are very abundant. The bacteria are autotrophs that fix CO via the Wood-Ljungdahl pathway and reductive TCA cycles. The genomes encode versatile energy-generating pathways that involve sulfate reduction, hydrogen oxidation and nitrite reduction. Phylogenetic analyses indicate that the organisms are most similar to the isolated magnetotactic bacterium, Candidatus Magnetobacterium bavaricum, with only 89-91% 16S rRNA gene sequence identity. These Nitrospirae bacteria appear to play critical ecosystem roles as primary producers and they are likely central to sulfur cycling in the deep subsurface.