海洋の窒素循環を解明する新たな研究
～アナモックスの酸素同位体分別測定に初めて成功～

　海洋の窒素循環を理解することは、生態系の健全性や地球規模の環境変化を把握するために不可欠です。
窒素循環の定量的評価には長年、窒素安定同位体比（δ¹⁵N）が活用されてきましたが、近年では硝酸（NO₃-）と亜硝酸（NO₂-）の酸素安定同位体比（δ¹⁸O）の測定が可能となり、窒素と酸素の両方の動きを追跡することで、より精密な窒素循環プロセスの推定が可能になってきました。
　個々の生物学的反応の寄与率を推定するには、窒素、酸素同位体分別（¹⁵ε、¹⁸ε）^＊3の情報が不可欠です。
硝化や脱窒に関する研究は進んでいますが、海洋の酸素極小層^＊4で重要な役割を果たす嫌気性アンモニウム酸化（アナモックス）細菌については未解明の部分が多いです。特に、アナモックス細菌は増殖速度が遅く培養が困難であり、報告されているのは淡水性アナモックス細菌の窒素同位体分別（¹⁵ε）のみです（図1）。海洋性アナモックス細菌の窒素、酸素同位体分別、特に酸素同位体分別（¹⁸ε）の詳細は未解明のままとなっています。
　本研究では、未解明の海洋性アナモックス細菌による窒素、酸素同位体分別を測定し、海洋の窒素循環におけるアナモックス反応の寄与を明らかにすることを目的としました。

異なる酸素安定同位体比に調整した重水（H₂¹⁸Oの比率が高い水）を用い、海洋性アナモックス細菌Ca. Scalindua sp.の回分培養実験を行い、NH₄^＋、NO₂-、NO₃-の濃度及び窒素、酸素同位体比の経時変化を測定しました。これらの実験データから窒素、酸素同位体分別（¹⁵ε、¹⁸ε）を導出するために、新たな数値モデルを構築しマルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）アルゴリズムを利用したパラメータ推定を行いました。ベイズ的アプローチにより、実験データにモデルをカーブフィッティングさせることで、アナモックス反応における以下の三つの酸素同位体分別（¹⁸ε）を推定しました： （1）亜硝酸還元反応¹⁸ε_NO2^-_{→ N2}、（2）亜硝酸酸化反応¹⁸ε_NO2^-→NO3^-、及び（3）亜硝酸酸化過程の水の酸素分子の取り込み（¹⁸ε_H2O）。さらに、アナモックス細菌による亜硝酸（NO₂-）と水（H₂O）の間の酸素同位体交換速度定数（k _{eq, AMX}）を定量しました。

　海洋性アナモックス細菌Ca. Scalindua sp.は、非生物学的な酸素同位体交換速度（k _{eq, abio} = 1.13 ×10^-2 h^-1）の約8〜12倍の速度（k _{eq, AMX} = 8.44 ~ 13.56 ×10^-2 h^-1）でNO₂-とH₂Oの間で酸素同位体交換を行うことが明らかとなりました。このアナモックス反応を介した酸素同位体交換の新しい速度を数値計算モデルに導入し、以下の¹⁸εを推定しました： (1)NO₂-からN₂への変換（¹⁸ε_NO2^-_→N2 = 10.6 ~ 16.1‰、千分率で1,000分の１)、(2) NO₂-からNO₃-への酸化(¹⁸ε_NO2^-_→NO3^- = -2.9 ~ -11.0‰、逆同位体分別^＊5)、(3) NO₂-からNO₃-への酸化の際の水からの酸素原子の取り込み(¹⁸ε_H2O = 16.4 ~ 19.2‰)（図２）。
　これまでの研究で、好気性の硝化反応で生成されるNO₃-（NO₃-中の3個の酸素原子のうち2個はH2Oに由来）のδ¹⁸Oは、NO₂-とH₂Oの同位体平衡、及び分子状酸素（O₂）とH₂Oからの酸素原子の取り込み時の同位体分別によって、周囲の水のδ¹⁸Oに収束することが知られていました。本研究ではさらに、アナモックス細菌によるNO₂-からNO₃-への嫌気的酸化（NO₃-中の１個の酸素原子がH₂Oに由来）においても、NO₂-とH₂O間の急速な酸素同位体交換によって、生成されるNO₃-のδ¹⁸Oの値は、周囲の水のδ¹⁸Oの値に限りなく近づくことが明らかとなりました（図３）。したがって、δ¹⁸O_NO3^-とδ¹⁸O_NO2^-を地球化学的指標として使用し、海洋における固定窒素損失へのアナモックスや脱窒反応の潜在的寄与を評価する際には、無酸素条件下でもこれらの反応由来の酸素同位体シグナルが消失する可能性があるため、慎重な分析が求められます。アナモックスを介したNO₂-とH₂Oの間の酸素同位体交換が自然環境においてどの程度進行しているのか、またδ¹⁸O_NO3^- 及びδ¹⁸O_NO2^- にどの程度影響を及ぼしているのかを明確にするためには、さらなる研究が不可欠です。

本研究の成果は、海洋の窒素循環におけるアナモックス反応の役割をより正確に理解するための、欠けていた重要なピースを補う画期的な一歩となりました。今後、この知見を活かし、海洋窒素循環モデルの精密化を進めることで、気候変動予測や生態系保全への貢献が期待されます。窒素循環の正確な理解を深めることで、持続可能な海洋資源の管理や気候変動対策に寄与していきたいと考えています。

Dr. S. D.ワンケルとDr. K. L. カシオティからNO₂-標準物質の校正と実験方法に関して有意義な意見をいただきました。ここに記して感謝いたします。本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金JP18J20742（小林香苗に交付）、科学研究費補助金JP18H04138（小林香苗）、科学研究費補助金JP20K20316（小林香苗）、科学研究費補助金JP19H00776（岡部　聡）、科学研究費補助金JP23H00192（岡部　聡）、京都大学生態学研究センター共同利用・共同研究助成（助成番号：2016jurc- cer24）（木庭啓介）の助成を受けて実施しました。

論文名　Oxygen isotope fractionation during anaerobic ammonium oxidation by the marine representative Candidatus Scalindua sp.（海洋性アナモックス細菌 Candidatus Scalindua sp. による嫌気的アンモニア酸化に伴う酸素同位体分別）
著者名　小林香苗^{1（研究当時）、2}、仁科一哉³、福島慶太郎^{4（研究当時）、6}、大西雄二^{4（研究当時）、7}、眞壁明子²、押木守⁵、木庭啓介⁴、岡部　聡⁵（¹北海道大学大学院工学院、²海洋研究開発機構、³国立環境研究所、⁴京都大学、⁵北海道大学大学院工学研究院、⁶福島大学農学群食農学類、⁷総合地球環境学研究所）
雑誌名　The ISME Journal（Oxford Academic）（微生物生態学の専門誌）
ＤＯＩ　10.1093/ismejo/wraf115
公表日　2025年6月2日（月）（オンライン公開）

*1 アナモックス（嫌気性アンモニウム酸化） … 酸素を必要とせずにアンモニウム（NH₄⁺）を亜硝酸（NO₂^-）と反応させて窒素ガス（N₂）を生成する微生物による代謝プロセス。アナモックスは、海洋の酸素が乏しい環境で、窒素除去の主要なプロセスの一つとして機能している。
*2 酸素安定同位体比（δ¹⁸O） … 酸素には、質量数 16（¹⁶O）、17（¹⁷O）、18（¹⁸O）の同位体があり、測定試料(sample)の酸素同位体の存在比(¹⁸R = [¹⁸O]/[ ¹⁶O])を標準物質(std)の同位体比の存在比のずれとして千分率で表す δ¹⁸O = (¹⁸R_sample/¹⁸R_std – 1)×1000(‰)。特に硝酸（NO₃^-）や亜硝酸（NO₂^-）の酸素同位体比（δ¹⁸O）は、窒素化合物の起源や代謝プロセスを解析するために用いられる。
*3 酸素同位体分別（¹⁸ε） … 生物や化学的反応や物理過程において、異なる酸素同位体（¹⁶O、¹⁷O、¹⁸O）の比率が変化する現象で、平衡同位体分別と動力学的同位体分別がある。
平衡同位体分別は、反応物と生成物の間の化学的平衡によって同位体の分布が決まる。
動力学的同位体分別は、軽い同位体と重い同位体の取り込み速度の違いによって決まる。
ε (‰) = [(k_L / k_H) – 1] ×1000、ここで、k_Lとk_Hはそれぞれ軽い同位と重い同位体の一次反応速度定数である。
*4 酸素極小層 … 栄養塩が豊富な海洋では微生物の呼吸活動が活発になり、酸素が消費されるため、海洋の中層で酸素濃度が極端に低くなる領域。
*5 逆同位体分別 … 一般的な生物学的プロセスでは、軽い同位体が反応しやすく、その結果、生成物には軽い同位体が濃縮される通常の同位体分別となる。しかし、逆同位体分別では重い同位体が優先的に反応し、生成物には重い同位体が濃縮され、反応物には軽い同位体が残る。

北海道大学大学院工学研究院　教授　岡部　聡（おかべさとし）
　ＵＲＬ　https://www.eng.hokudai.ac.jp/labo/water/index.html

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