【研究分野】環境解析評価およびその関連分野

【研究領域課題番号】17H06294 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋物質循環 / プロリン / コロイド粒子 / アミノ酸 / 海洋微生物 / 微生物群集 / 海洋 / 物質循環 / 細菌 / 微生物 / 有機物 / サブミクロン粒子

【研究成果の概要】

アミノ酸は重要な生体構成成分であり、海洋物質循環において重要な役割を果たしている。これまで海洋環境中のアミノ酸動態については多くの研究がなされてきたが、たんぱく質を構成する２０種類のアミノ酸のうち唯一の環状２級アミンであるプロリンは、分析方法上の制約から、その分布や変動についての知見が限られてきた。本研究では、この方法的な制約を克服し、海洋試料のアミノ酸組成を、プロリンを含めて高感度に分析する手法を確立した。この手法を用い、海洋有機物のプロリン含有量の変動を明らかにするとともに、これまで未知であった、高プロリン含有成分の動態の影響要因の解明を大きく前進させた。

【研究の社会的意義】

従来用いられてきた誘導化法とは異なる原理に基づく分析手法を確立し、これを海洋試料に適用することで、これまで見逃されてきたプロリン動態を解析する為の技術的基盤を提供した。この方法が確立したことで、今後、海洋試料のアミノ酸動態の研究が高度化することが期待される。また、この手法を用い、これまで情報の乏しかったサブミクロンサイズ画分の海洋有機物のプロリン含有量とその変動を明らかにするなど、海洋物質循環の理解の深化に結び付く、重要な新知見を得ることができた。

【研究種目】挑戦的研究(開拓)

【研究期間】2017-06-30 - 2020-03-31

【配分額】25,610千円 (直接経費: 19,700千円、間接経費: 5,910千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】22710004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プロテオロドプシン / 光従属栄養 / Flavobacteria / 物質循環 / 海洋 / 微生物 / 海洋細菌 / 炭素循環 / 光エネルギー

【研究成果の概要】

本研究では、2000年に海洋細菌から見つかった光駆動型プロトンポンプであるプロテオロドプシン(以下PR)の生物機能を、分離培養株を用いて詳細に解析し、PRのプロトン排出速度および利用波長領域を明らかにすることに成功した。従来、PR遺伝子を持つ細菌は難培養性であると考えられてきたが、本研究で多数の分離培養に成功した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010 - 2011

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】20221002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

潮汐鉛直混合 / 長期大気海洋変動 / 海洋物質循環 / 海洋生態系 / 海洋 / 海洋物理 / 気候変動 / 物質循環 / 海洋観測 / 乱流 / 国際共同研究・ロシア / 潮汐 / 海洋物理学 / 鉛直混合 / 海洋長期変動 / 千島列島 / アリューシャン列島 / 海洋大循環

【研究成果の概要】

千島列島やアリューシャン列島海峡域において、中深層に及ぶ通常の数千倍の乱流鉛直混合の存在を、観測によって実証した。この大きな潮汐鉛直混合は、鉄や栄養塩等の物質循環を通じて、親潮など北太平洋亜寒帯海域の海洋生態系に大きな影響を与える。さらにその潮汐混合が18.6年周期で変動することによって生じる海洋変動が、日本東方海面水温とアリューシャン低気圧等の大気海洋相互作用を通じて増幅し、太平洋規模の気候・海洋の約20年変動に影響することが、観測・モデルの両面から明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2008 - 2012

【配分額】212,810千円 (直接経費: 163,700千円、間接経費: 49,110千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】18651007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 物質循環 / 微粒子 / コロイド / 微生物 / フローサイトメトリー / 有機物 / ウィルス

【研究成果の概要】

フローサイトメトリーを用いた微粒子検出における重要な検討課題はノイズの削減である。本年度の研究では、前年度に引き続き、海水中に分布する微粒子のモデルとしてウィルス粒子を考え、そのシグナルを明瞭に分離することを目標として、機器と分析方法の最適化を進めた。なお、ウィルス粒子は直径が20-50nmであり、本研究が目標とする微粒子の粒径とほぼ等しい範囲にある。ノイズは電気的ノイズ、シース溶液に由来するノイズ、光学的ノイズ、各種試薬に由来するノイズに分類することができる。これらのノイズに関する検討を進め、シースや試薬に由来するノイズに関しては、試料の取り扱い方法や試薬の製造元や調整方法を大幅に改良することができた。しかし、DNAの検出に用いられるSYBR GREEN I以外の試薬(ナイルレッド、アクリジンオレンジなど)に関しては、試薬自体のノイズが高く、また、シグナルが十分に強くないことから、本研究がターゲットとする微粒子の検出には適さないことが明らかになった。そこで、SYBR GREEN Iを用いて、外洋域で採取された試料について、微粒子解析を進めたところ、ウィルス様粒子については、これをを2つないしは3つのクラスターに明瞭に分離することができた。この方法を用いて、学術調査船白鳳丸の中部太平洋南北断面観測航海などで採取されたサンプルの解析を進めた。その結果、広範な海域において、ウィルスと同様なサイズの非生物粒子が存在することが確認された。ただし、シグナルの強度が不安定であるため、その粒子数の確定や、出現パターンの解析を行うためには、染色条件や測定条件についてのより詳細な検討が必要であることが明らかになった。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】3,200千円 (直接経費: 3,200千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】18310011 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 微生物 / 炭素循環 / ジメチルサルファイド / 海洋微生物 / 気候関連ガス / rRNA / プロモデオキシウリジン / 16SrRNA遺伝子 / 物質循環 / DMS / ブロモデオキシウリジン

【研究成果の概要】

本研究では、海洋微生物の生態を解析するための新しい手法を開発し、これらを駆使して、海洋における炭酸ガスやジメチルサルファイド(DMS)といった気候関連ガスの動態に強い影響を及ぼす微生物鍵種を特定した。さらに、独自技術に次世代超並列シーケンスを組み合わせた解析では、従来法では不可能であった希少種も含めた増殖群の特定に成功し、微生物多様性と生態系の安定性を議論する上での重要な知見を得ることが出来た。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】17,660千円 (直接経費: 15,800千円、間接経費: 1,860千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】17201004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 粒子状有機物 / 溶存有機物 / 微生物ループ / 物質循環 / 微生物群集構造 / 細胞外加水分解酵素 / 有機物分解

【研究成果の概要】

本研究では海洋における有機物の変質分解にかかわる微生物・地球化学的な過程を、野外調査、実験、モデルの3つのアプローチを複合的に組み合わせて、新たな観点から解明することを試みた。野外調査では、学術調査船白鳳丸KH-05-2次航海(平成17年8月1日〜9月16日)に参加し、西経160度に沿って、南緯10度から北緯55度までの縦断観測を行い、中部北太平洋の表層から深層における微生物諸パラメータの大規模南北断面を明らかにすることに成功した。また、中深層におけるロイシン取り込み速度の鉛直的・水平的な分布パターンの解析を進め、中層の細菌生産が高緯度海域と赤道海域に顕著な極大を示すことを明かにした。これにより、海洋の中層においては、沈降粒子→溶存有機物→浮遊性細菌という経を経て有機物の分解・無機化が進行するという本研究の仮説が、炭素フラックスの観点からみて矛盾なく説明できることが示されたのは大きな成果である。しかし、水深1、000m超の大深度においてみられた、複雑な南北分布パターンに関しては、細菌が消費する炭素のフラックスが、通常のモデルから推定される沈降粒子束を上回ることから、堆積物の巻き上げや移流による有機物の供給が、深層における有機物分布パターンに影響を及ぼしていた可能性が示唆された。実験的な研究としては、大槌湾におけるメソコスム実験を実施し、微生物と有機物の相互作用系の機構論的な解明を進めた。その結果、有機物分解の鍵となる微生物系統群の解明が大きく進展した。また、理論面では、微生物群集の相互作用(多様性)と物質循環を関連づける新たな数理モデルを構築し、それを用いた海洋物質循環機構の検討が進められた。以上の成果を総説や原著論文としてまとめるとともに国際学会などで発表した。また、一般むけのわかりやすい論文も出版した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】34,320千円 (直接経費: 26,400千円、間接経費: 7,920千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】13780413 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

窒素循環 / 海洋 / 炭酸塩堆積物 / 同位体トレーサー / 代謝解析 / アミノ酸光学異性体 / ガスクロマトグラフ質量分析 / 溶存有機態窒素 / 窒素代謝 / 物質循環 / 堆積物 / バクテリア / 底生藻類 / トレーサー / サンゴ礁

【研究成果の概要】

海洋沿岸堆積物における微生物学的窒素循環過程を定量的に解析するための同位体トレーサー実験技術の考案・改良・検討を行なった。本研究期間中には珊瑚礁礁池の炭酸塩堆積物中の微生物群集をモデルとして、特に窒素循環における有機化/無機化のプロセスの特定と定量化のための実験技術の検討を進めた。
1.珊瑚礁堆積物は底生微細珪藻類と従属栄養性細菌の活性が共存し、ともに窒素有機化過程に深く関与しているため、細菌類に特有のペプチドグリカンに着目することによって、窒素有機化過程における両者の寄与を区別することを試みた。このためにアミノ酸光学異性体の質量分析技術を改良して標準化した。また付随的に、珊瑚礁堆積物におけるアミノ酸光学異性体分布の特異性に関する新知見を得た。
2.天然海洋環境に適用可能な無機栄養塩(硝酸・亜硝酸・アンモニア)および溶存態全有機窒素(DON)のトレーサー分析技術を考案・改良し、沿岸堆積物および海水中での窒素無機化過程を精密に定量するプロトコルの確立に努めた。このうち硝酸と亜硝酸の分析技術は実用的水準に達しているが、DONに関しては現在検証中の段階であり、またアンモニアについては検出感度についてなお改善を必要とする段階に留まった。
これらの成果のうち、1.については成果の一部を本年の日本海洋学会春季大会において報告した。2.についてはDONの分析技術については検証が済み次第、すみやかに公表する予定であるが、無機化過程全般の統合的プロトコルについては、なお今後研究を進める必要が残された。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】13308029 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

溶存有機物 / 海洋コロイド / 細菌群集 / 有機物分解 / 海洋生態系 / 生物複雑性 / 微生物 / 物質循環 / 水圏物質循環 / 微生物群集 / コロイド / 地球環境 / 湖沼生態系 / 炭素循環 / 海洋 / 有機物 / 食物連鎖 / 鉛直フラックス / 細菌群集組成

【研究成果の概要】

本研究では、水圏における溶存態およびコロイド態有機物の動態とそれに関わる細菌群集の変動機構の解明を目的とした。以下の成果が得られた。
1.海洋のコロイド有機物の重要な構成成分であるペプチドグリカンの分解過程を放射トレーサー法により解析し、分子内部位(糖鎖およびペプチド鎖)による分解速度定数の違いを初めて明らかにした。
2.沿岸海洋における深度別の微生物分布を解析するモデルを検討した。また、このモデルを用い、太平洋亜寒帯域における、細菌生産速度の分布パターンから、枕降性有機物(コロイドの凝集物)の深度別フラックスを求めた。
3.デラウェア湾の微生物-生物地球化学観測データの解析から、同湾における、溶存・コロイド状有機物の主要消費者である細菌群集の多様性の変動パターンと、各細菌グループの増殖特性を明らかにした。
4.琵琶湖における溶存・コロイド有機物、細菌、ウィルス、鞭毛虫などの季節変化パターンを統計的に解析し、微生物複雑系の変動要因としてのトップダウン支配機構とボトムアップ支配機構の相対的な重要性を明らかにした。
5.フローサイトメトリーを用いた細菌群集解析から、琵琶湖の湖盆スケールにおける細菌群集特性の空間変動パターンを初めて明らかにした。また、コロイド有機物の分解にかかわる細胞外加水分解酵素の時空間変動について解析した結果、リン酸モノエステル分解酵素活性が湖底近傍に極大を示す現象を新たに見いだした。
6.沿岸海域(大槌湾)においてメソコスム実験を実施し、植物プランクトンブルームの生成・消滅にともなう、コロイド・溶存有機物の動態と、その制御機構としての微生物群集の役割についての解析を行った。
7.白鳳丸航海において西部北太平洋外洋域における微生物群集の分布と活性に関する調査を行った。その結果から、微生物活性'(ロイシン取り込み速度)の分布の支配要因を解析した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】50,700千円 (直接経費: 39,000千円、間接経費: 11,700千円)