【研究分野】層位・古生物学

【研究領域課題番号】17K14412 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

炭素同位体 / 硫黄同位体 / 微生物 / 代謝 / 炭素同位体比 / 硫黄同位体比 / 炭素循環 / 硫黄循環 / 微生物代謝 / 培養実験 / 環境試料 / 成層湖 / 温泉 / 湖 / 光合成細菌 / 安定同位体 / 古生態

【研究成果の概要】

本研究ではまず化学合成細菌・光合成細菌の純粋培養を行い、脂肪酸の炭素・水素同位体比分析を行った。硫黄同位体比に関しては硫酸還元と硫黄不均化に注目し、それぞれの四種硫黄同位体的特徴付けに取り組んだ。。
フィールド研究に関しては、コスタリカの温泉水及び堆積物分析による炭素循環解析、成層湖涌池における微生物相と炭素循環解析、モンゴルの永久凍土帯湖底堆積物試料中硫黄同位体分析による気候変動解析に携わった。

【研究の社会的意義】

化学合成・光合成細菌バイオマス中脂肪酸の炭素・水素同位体比はそれぞれ炭素固定回路とエネルギー代謝を反映した分別範囲を示した。また、異なる環境下における硫黄代謝の硫黄同位体分別係数を明らかにした。それらの純粋培養結果で得られた分別範囲は堆積物試料中の炭化水素化合物や硫黄化合物がどのような微生物代謝で供給されたかを解析するために重要な基礎データとなる。
実際にフィールド調査にて堆積物の炭素・硫黄同位体比解析により、新たに微生物の寄与を含んだ炭素循環モデルの提案や永久凍土が気候変化によって融解した影響による硫黄同位体的特徴を明らかにした。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【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】15H01725 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 微生物 / 凝集体 / 炭素循環 / 沈降フラックス / 中・深層 / ウィルス / 微生物群集 / 細菌 / 珪藻類 / 海洋炭素循環 / 微生物ゲノム / 細菌群集 / 有機物

【研究成果の概要】

海洋表層の基礎生産で生成された有機物（凝集体）の沈降によって媒介される炭素鉛直輸送（生物ポンプ）は、海洋内部での炭素貯留を促進するプロセスとして重要であるが、その変動や制御には不明の点が多い。本研究では、凝集体の形成・沈降過程を、凝集体と海洋細菌群集の相互作用という新たな切り口から追及した。実験的解析の結果、海洋細菌群集には、大型凝集体の形成を顕著に促進する作用があることが示された。また、凝集体形成促進能を持つ細菌グループとしてシュードアルテロモナス属を特定した。海洋観測研究では、凝集体の大深度分布や、炭素の鉛直・水平輸送において果たす役割についての解明を進め、成果を論文として公表した。

【研究の社会的意義】

今後、海水温の上昇や気候変動による海流の変化が起きたときに、生物ポンプの機能がどのように変化するのかを予測することは人類にとっての重大な関心事である。本研究の成果は、気候変動に対する海洋炭素循環システムの応答とそれが気候に及ぼすフィードバックを考えるうえで重要な基礎的知見である。また、凝集体は、海洋における汚染物質（放射性物質やマイクロプラスチックなど）の分布や動態にも強い影響を及ぼすことから、本研究の成果は、新しい海洋環境浄化手法の開発といった応用的な分野にも重要なヒントを与える可能性がある。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円)

【研究分野】生態・環境

【研究領域課題番号】25291098 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海草藻場 / 食物網構造 / 炭素循環 / 海洋酸性化 / デトリタス / 底生動物 / 環境DNA / 微生物群集 / 生態系 / 海洋酸性化応答 / アマモ場 / 同位体標識実験 / 底生動物群集 / メソコズム / 微生物 / 無脊椎動物

【研究成果の概要】

大気中の二酸化炭素濃度の上昇によって引き起こされる海洋酸性化が海草藻場生態系の群集構造、特にデトリタス食物網に及ぼす影響を評価するために、基礎的な研究技術の開発と飼育培養実験による検証を２本の柱として研究を進めた。主要な成果として、①海草由来のデトリタスの生成・集積・分解過程を実証的に追跡する方法としての環境DNA法の確立と有効性の検証、②食物連鎖系の動的構造を定量的に解明するための重水素パルスチェイス実験法を開発、③海草藻場根圏の微生物群集クローンライブラリの確立と分類学的特徴の抽出と比較、④酸性化メソコズムを用いた生食・腐食連鎖系の酸性化応答の違いの直接的証明等が挙げられる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)

【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】20310010 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 微生物 / 有機物 / 炭素循環 / 中深層 / 安定同位体 / 生物地球化学 / 原核生物 / ウィルス / 海洋生態系 / 太平洋亜寒帯域 / 太平洋亜熱帯域

【研究成果の概要】

海洋炭素循環の理解の上で鍵になる、中深層での有機物の変質・分解過程とそれに関わる微生物群集の動態を新たな切り口から追及した。北極海において、微生物諸量の全深度分布を世界で初めて解明するとともに、西部北太平洋での時系列観測を先駆的に展開し、微生物活性の分布構造の海域間での違いと季節変動を明らかにした。また、懸濁態有機物のアミノ酸窒素安定同位体比から、有機物の変質過程を解析する新たな手法を開発した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)

【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】生態・環境

【研究領域課題番号】15405012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高緯度北極 / 生態系炭素循環 / コンパートメントモデル / 遷移 / 光合成 / 微生物 / 土壌呼吸 / メタン / 炭素循環 / 氷河後退域 / 植生分布 / 反射スペクトル / NDVI / 生態系純生産量 / 微生物バイオマス / リン脂質脂肪酸 / 光合成生産 / コケ類 / 地衣類 / 維管束植物 / 土壌微生物バイオマス

【研究成果の概要】

本研究は、高緯度北極スバールバールの陸上生態系を主な調査地とし、遷移段階ごとに炭素吸収系と放出系に対する環境要因の影響を調べ、それをもとに炭素循環モデルを構築し、炭素循環に与える環境変動の影響を予測することを目的とした。主な成果は以下のとおりである
(1)氷河末端から海岸まで2.6kmの3本のラインに沿って植生、バイオマス、土壌炭素の分布を調査し、植生と土壌要因との関係を明らかにした。
(2)遷移後期における秋期の生態系純生産量(NEP)を測定し、環境要因との関係を検討した。
(3)地衣類1種の光合成・呼吸活性と環境要因との関係を調べ、それをもとにモデルを作成し、過去9年間にわたる生産量の変動と温暖化の影響について検討した。
(4)遷移段階ごとの光合成生産を調べる目的で、調査地を代表する3種の維管束植物の光合成、呼吸特性を光合成・蒸散測定装置を用いて調べた。
(5)調査地におけるメタンの発生状況とそれに与える環境要因の影響を調査し、その空間的変動要因について検討した。
(6)スバールバールおよびカナダの高緯度北極で採取された土壌について、微生物群集構造の指標となるリン脂質脂肪酸の分析を行い、遷移と微生物群集との関連について検討した。
(7)冬期の土壌呼吸活性を把握するために、雪面からのCO_2放出速度を推定した。また、積雪下から採取したリターの低温域(-13℃〜+5℃)におけるCO_2放出速度を測定した。
(8)土壌微生物のバイオマスと呼吸活性の制限要因を検討するため、現地で採取した土壌に炭素源、窒素源を添加し、その影響を検討した。
(9)土壌深層の炭素動態における微生物の役割を調べる目的で、土壌深層中のATP量を測定し、深層土壌においても微生物が存在することを確認した。
(10)これまでに得られたデータをもとに、高緯度北極陸上生態系の炭素循環モデルを構築し、その有効性について検討した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2003 - 2006

【配分額】14,300千円 (直接経費: 14,300千円)

【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)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】11694197 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

細菌 / 海洋 / 溶存有機物 / ペプチドグリカン / ポリマー / 細胞外加水分解酵素 / 放射トレーサー法 / 北部北太平洋 / 溶存有機炭素 / 炭素循環 / 微生物 / 分解

【研究成果の概要】

1.海洋に蓄積している有機ポリマーである細菌細胞壁主成分(ペプチドグリカン)の分離、精製、定量法を検討した。
2.海洋細菌を用いてペプチドグリカンの放射標識標品を調製する方法を検討した。
3.上記の検討に基づき、海洋における高分子有機ポリマーの循環速度を高感度に測定するアッセイ法を新規構築することに成功した。
4.沿岸、外洋海域における培養実験を行い、高分子有機ポリマーの分解速度と、分解過程を詳細に解析した。その結果、海洋環境における複合ポリマーの加水分解と取り込みが脱共役していることを明らかにした。
5.有機ポリマーおよび溶存有機物の分解に関わる微生物量と活性の広域分布データ(北部北太平洋)の解析から、高分子分解活性の鉛直プロファイルに顕著な東西差が存在することをはじめて明らかにした。その要因の解析から、たんぱく質加水分解酵素の活性触媒である亜鉛の供給量が、有機ポリマー分解の地理的パターンの決定要因のひとつであるという新しい仮説を提案した。
6.太平洋の広範な海域における細菌活性の分布データから、海洋中深層では、沈降有機粒子から溶出する溶存有機物を細菌が消費する経路を通しての有機物酸化が、炭素フラックスの中で大きな役割を果たしていることを示唆した。この知見は、海洋の有機物循環をモデル化するうえできわめて重要である。
7.有機ポリマーを含む、溶存有機物の生成過程をモデル化し、細菌群集およびその捕食者(特に原生生物)を介在する有機物の変質過程が、海水中での有機ポリマー蓄積に重要な役割を果たしていることを示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】4,900千円 (直接経費: 4,900千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】10480125 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 溶存有機物 / 炭素循環 / 食物網 / 微生物 / 生態モデル / アミノ酸 / 外洋生態系

【研究成果の概要】

1.海洋の炭素循環に大きな影響を及ぼす微生物群集と溶存有機物の空間分布を北部北太平洋亜寒帯海域において解析した。高感度溶存有機物分析装置を駆使し、表層から深層にいたるアミノ酸の鉛直分布を解析するとともに、これと、微生物群集の現存量、生産活性との関連を詳細に調べた。その結果、太平洋の東西での、細菌活性の勾配が検出され、生態炭素循環システムの構造が顕著な空間変動を示していることが明らかにされた。変動要因として、プランクトン群集構造の変化や微量金属元素の供給量が重要である可能性が示唆された。
2.海水中に多量に存在する炭水化物の高感度定量法の検討を行うとともに、糖の重合体であるペプチドグリカンの分解過程を調べた。その結果、海洋における微生物ー有機系の主要サイクルを律速する要因のひとつとして、有機重合体の複合化が大きな役割を果たしている可能性が示唆された。この結果は、外洋域の炭素循環を理解するうえで鍵になる、溶存有機物プールの蓄積メカニズムの解明にむけて、大きく寄与するものである。
3.上記の観測・実験データおよび、JGOFSデータの解析から、海洋における有機物ー微生物連鎖系の駆動機構に関するモデルを作成した。主要反応系のパラメータ化を行った結果、外洋域生態系においては、溶存有機物ー微生物連鎖系を通しての有機物リサイクルが活発に生じており、そのため、ネットワーク仮想増幅現象が普遍的にみられることが明らかにされた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】10,500千円 (直接経費: 10,500千円)

【研究分野】環境動態解析

【研究領域課題番号】08458142 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海洋 / 溶存有機物 / 細菌 / タンパク質 / 炭素低環 / 加水分解酵素 / 温室効果 / 分解 / 炭素循環 / 微生物 / アミノ酸 / 細胞外酵素

【研究成果の概要】

海洋中の溶存有機物は、陸上植生、土壌有機物と並んで、地球上の3大有機炭素リザバ-のひとつの数えられている。その変動は、グローバルな炭素フラックス、さらには、大気中最大の温室効果気体である二酸化炭素の年-100年スケールでの変動にも影響を及ぼしうる.本研究の目的は、海洋における溶存有機物の蓄積メカニズムを、微生物生態学と地球化学を融合させた学際的なアプローチを用いて実験的に解明することである。生体ポリマーとして最も重要な成分である、タンパク質を材料とし、海水中における、膜、可溶性タンパク質の分解過程に関する実験的な解析を行った。新たに開発した2重標識トレーサー法を用いて、微生物分解速度定数の違いを求めたけった、膜タンパク質の分解速度定数を溶存タンパク質のそれに比した著しく低いことが始めて実験的に証明された。また、膜の除去により、タンパク質の分解速度定数が高まることも示された。これらの結果は、膜・壁成分による立体障壁が、海水中のタンパク質の保存機構として重要であることを強く示唆している。また、近年、地球化学的な観測により見出された。海水中に膜たん白質が多量に蓄積しているという現象もよく説明できると考えられる。さらに、分解の時間変化の解析から、膜一タンパク複合体を破壊するために、海洋細菌が多様な加水分解酵素を合成することも示された。以上の知見は、海洋における溶存有機物の変動をモデル化するうえで重要な意義を有する。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】6,800千円 (直接経費: 6,800千円)