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プレスリリース

2021年 1月 13日
国立研究開発法人海洋研究開発機構
関東天然瓦斯開発株式会社
国立大学法人信州大学
国立大学法人東京大学

茂原市周辺の地下深部ではアーキアがメタン生成を続けていることが明らかに

1. 発表のポイント

メタン生成アーキアに特有な補酵素F430を分子レベルで分析した結果、南関東一帯に広く分布する深部地下帯水層に棲息するアーキア(古細菌)が、今もメタンを生成し続けていることを明らかにした。
アーキア群集の中では、メタン生成アーキアに加え、多種多様な微生物が深部地下帯水層に存在していた
深部地下帯水層は雨水や海水による表層からの炭素供給がほぼ無く、独立した地下生命圏を形成していることがわかった。

2. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構(理事長 松永 是)海洋利用機能部門 生物地球化学センターの高野 淑識センター長代理と国立大学法人信州大学(学長 濱田 州博)大学院総合医理工学研究科の浦井 暖史研究生は、関東天然瓦斯開発株式会社(代表取締役社長 森 武)および国立大学法人東京大学 大気海洋研究所と共同で、南関東一帯に広く分布する南関東ガス田(図12)から採取された試料を分析し、深部流体に棲息するアーキアが今もメタンを生成し続けていることを明らかにしました。また、深部流体には多様性に富んだ微生物群集が存在していることも判明しました。

近年の研究によって、海底下での地下生命圏の限界(2015年 7月 24日既報)や微生物が関与するメタンサイクル(2018年 9月 24日既報)は急速に明らかになってきました。しかし、メタンやヨウ素を産出する関東地下深部におけるアーキアの存在量やその活性など、基本的な知見はほとんど不明なままでした。

そこで本研究では、メタン生成アーキアに特有な補酵素であるF430分子(※1)を分析するなどした結果、アーキアは現在も地下深部でメタン生成をし続けていること、また地表からの炭素供給はほぼ無く、独立した環境で地下生命圏を形成していることが明らかになりました(図34)。

本成果は、多様性に富んだアーキア群集に関するさらなる生態の解明や深部地下帯水層におけるメタン生成プロセスの解明につながるものと期待されます。

本研究は、海洋研究開発機構と関東天然瓦斯開発株式会社で締結している共同研究の成果の一部です。

本成果は、アメリカ化学会が発行する専門学術誌「ACS Earth and Space Chemistry」に1月8日付けで掲載されました。

タイトル:
Origin of Deep Methane Associated with a Unique Community of Microorganisms in an Organic- and Iodine-Rich Aquifer
著者:
浦井 暖史1,2、高野 淑識1、井町 寛之1、石井 俊一1、松井 洋平1,3、小河原 美幸1、田角 栄二1、宮入 陽介3、小川 奈々子1、吉村 寿紘1、稲垣 史生1、横山 祐典1,3、河野 憲二郎4、村井 大助4、Park Ho-Dong2、大河内 直彦1
所属:
1. 海洋研究開発機構、2. 信州大学、3. 東京大学 大気海洋研究所、
4. 関東天然瓦斯開発株式会社

3. 背景

南関東ガス田は、日本最大の水溶性天然ガスおよびヨウ素の産出量を誇るガス田です。関東の地下深部には約300~40万年前の海底堆積物でできた地層が分布しており、地層中の地下水には水溶性の天然ガスや高濃度のヨウ素が含まれています。産出される天然ガスは、地中に埋もれた有機物が微生物によって分解されたものと推定されており、事実、過去の研究により千葉県茂原市周辺の地下水からはMethanobacteriales目やMethanosarcinales目などのメタン生成アーキアの遺伝子が検出されています。しかし、地下深部に棲息するメタン生成アーキアの存在量やその活性を正確に評価することは困難でした。

そこで本研究では、メタン生成アーキアだけが持つ機能性分子の補酵素F430の定量的な有機分析と遺伝子解析を行うことで、深部流体の中に棲息するメタン生成アーキアの存在量を評価しました。また、ヨウ素等のハロゲン成分の無機分析のほか、メタンやその前駆物質になる溶存無機炭素の放射性炭素同位体比(図4)(※2)を測定することで、地下深部の炭素循環について明らかにしました。

4. 成果

本研究では、千葉県茂原市周辺にある2か所の調査地点(図1)において、深部地下帯水層から自噴しているガスおよび地下水試料を採取しました(図2)。まず、この試料から補酵素F430を抽出して測定した結果、調査地点の深部地下帯水層には、高濃度のF430が含まれていることが明らかになりました(図3)。F430は非常に不安定な化合物のため、メタン生成アーキアの細胞外に放出されると、速やかに異性化(エピマー化)(※3)または分解することが知られています。しかし、本研究で用いた試料からはF430のエピマーは検出されませんでした(図3)。このことから、深部地下帯水層のメタン生成アーキアは、高いメタン生成活性を有すると考えられます。

また、同試料を用いてリボソームRNA遺伝子(※4)の解析を行った結果、Methanomicrobiales目などに属するメタン生成アーキアの存在を明らかにするとともに、多種多様な微生物が存在することも確認されました。

さらに、地下深部のメタンおよび無機炭素に含まれる放射性炭素同位体比を測定し、メタン生成が行われている地下環境の炭素の起源について検証しました。その結果、放射性炭素がほとんど含まれていませんでした(図4)。このことから、調査場所の深部地下帯水層は、雨水や周辺海水といった表層由来の炭素の供給が限りなく少ないことが明らかになりました。

5. 今後の展望

補酵素F430を用いたメタン生成アーキアを解析する手法により、環境中のメタン生成ポテンシャルを高感度に評価することができ、遺伝子解析による評価と相互補完的な検証が可能になりました。今後は、補酵素F430に関する分子指標性と遺伝子指標性の有用性を、幅広い環境試料に適用することで、応用研究に活かして行きます。

本研究の調査地点は、メタンやヨウ素を豊富に含む特殊な環境であるにも関わらず、多様性に富んだ微生物群集が検出されました。今回の発見により、地下圏の原核生物の生態に関する解明や深部地下帯水層におけるメタン生成プロセスの解明につながるものと期待されます。

【補足説明】

※1
補酵素F430:メタン生成アーキアと嫌気的メタン酸化アーキア(ANME)のみが持つ化合物。メタン生成アーキアは、種ごとにメタンを生成するために利用する基質(前駆物質)が異なるが、F430はすべてのメタン生成経路に最終触媒反応として関与するため、すべてのメタン生成アーキアが共通して保有する化合物である。このため、環境中のF430の濃度を測定することで、全メタン生成アーキアの存在量を推定することが可能となる。F430の存在はメタン生成が行われていることを示唆している。
※2
放射性炭素同位体比:質量数の異なる2種類の炭素同位体の比率(14C/12C)。炭素は主に質量数が12,13,14の同位体(12C,13C,14C)が存在する。このうち、14Cは放射性同位体と呼ばれる原子であり、半減期は5730年である。14Cは大気中の窒素と宇宙線が反応することで生成されるため、大気中には一定の14Cが存在するが、大気と交換が行われない地中では、14Cの供給がないために半減期に従って減少する。そのため、地中に含まれる14Cの測定することで、地下環境が大気と交換が起きているのか、あるいは大気から隔離された環境であるのかを判定することが可能となる。
※3
異性化(エピマー化):同じ分子式でも、構造が異なる分子同士の関係を異性体と呼ぶ。その中でも、分子が鏡合わせの関係にあり、立体的に重なることができない分子は、立体異性体に分類される。F430の異性化(エピマー化)は、立体異性体に分類される分子に変化する反応である。
※4
リボソームRNA遺伝子:遺伝子の翻訳の場であるリボソームを構成するRNAの1種をコードしている遺伝子。リボソームとそこに含まれるRNAは全ての生物に存在しており、その遺伝子配列は進化学的な系統分類の指標として広く用いられている。
図1

図1 千葉県茂原市と南関東ガス田(オレンジ色)の位置関係

図2

図2 (左)深部地下帯水層の噴き出し部:研究対象としたガス坑井は、地下の圧力によって自噴している。猛噴直後の噴き出し口には、写真のような泡が水面を覆うように現れる。この泡は地下深部の微生物組成に由来することが明らかになった。ゆえに、ここは深部帯水層に広がる「地下生命圏の窓」とも表現できる。
 (右)水上置換法によるガス採取後の様子:採取したガスを分析した結果、99%以上がメタンで構成されていた。また、メタンガスと共に地下から湧出する深部地下帯水層は、高濃度のヨウ素と溶存有機物を含んでいるため、黄褐色を呈している。気相と液相の間には多量の泡が確認できる。

図3

図3 補酵素F430の構造式と深部地下帯水層から検出したF430のクロマトグラム。本研究では、ガス坑井から採取した試料から高濃度のF430を検出することに成功した。F430は細胞外に放出されると速やかに異性化(エピマー化)することが知られているが、調査地点の深部地下帯水層からはF430のエピマーは検出されなかった。

図4

図4 メタンおよび溶存無機炭素の放射性炭素同位体比(Δ14C)と炭素安定同位体比(δ13C)による2次元プロット:メタンおよび深部地下帯水層に含まれる溶存無機炭素には、放射性炭素はほとんど含まれておらず、大気由来の炭素(青色のエリア)と独立した炭素循環であることが明らかになった。

(本研究について)
国立研究開発法人海洋研究開発機構
海洋機能利用部門 生物地球化学センター
センター長代理 高野 淑識
(報道担当)
国立研究開発法人海洋研究開発機構
海洋科学技術戦略部 広報課
関東天然瓦斯開発株式会社
管理部総務グループ
国立大学法人信州大学
総務部総務課広報室
国立大学法人東京大学 大気海洋研究所
広報室
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