アナモックス細菌の窒素・酸素同位体分別の解析：海洋窒素循環への寄与の推定

厌氧氨氧化细菌的氮和氧同位素分馏分析：估计对海洋氮循环的贡献

• 批准号: 18J20742
• 负责人: 小林 香苗
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-18J20742/
• 关键词: アナモックス細菌; 窒素循環; 窒素・酸素同位体分別; 安定同位体比; 窒素同位体分別; 酸素同位体分別; アナモックス細菌; 窒素循環; 窒素・酸素同位体分別; 安定同位体比; 窒素同位体分別; 酸素同位体分別

今年度の研究実績としては、未だ世界で報告例のない海洋性アナモックス細菌 “Ca. Scalindua sp.”の酸素同位体分別を求めた。アナモックス反応の酸素同位体分別を求めることは，窒素同位体分別を求めるよりもさらに複雑であり，アナモックス反応の個々の酸素同位体分別の報告はない。複雑な理由は，アナモックス反応では以下の4つの反応：(1) 亜硝酸還元反応，(2) 亜硝酸酸化反応，(3) 亜硝酸酸化時の水の酸素分子の取り込み，(4) 非生物学的な亜硝酸と水の酸素同位体の交換が同時に進行するからである。これら4つの同位体分別を個々に求めることは，基質や培地組成を変化させることが難しく，経時的な基質の消費を観察できない連続培養系では不可能であった。そこで，本研究では，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) を用いた回分培養実験系と，非生物学的な亜硝酸と水の平衡同位体分別を求めるための実験を組み合わせることにより，アナモックス細菌の酸素同位体分別を求めた。アナモックス反応の基質の亜硝酸と，生成物の硝酸は複数のプロセスの酸素同位体分別の影響を受ける。そのため，他の反応（硝化，脱窒）のように基質と生成物の酸素安定同位体比の変化量から単純に各酸素同位体分別を計算することは不可能であった。そこで回分培養実験の実測データに基づき，各反応の時間，濃度，安定同位体比の変化について微分方程式を立て，統計解析ソフトRを用いた数値計算モデルを開発し，各酸素同位体分別を求めることに世界で初めて成功した。本結果は現在、論文投稿準備中である。また，非生物学的な亜硝酸と水の平衡同位体分別に関しては、実験結果を論文にまとめ今年１月にRapid Communications in Mass Spectrometryに論文が受理された。

今年的研究结果用于确定海洋阿诺克斯细菌“ Ca.scalindua sp。”的氧同位素分馏，这在世界上尚待报道。与找到氮同位素分馏相比，找到阿纳莫克斯反应的氧同位素分馏甚至更为复杂，并且没有关于单独的氧同位素分馏以进行厌氧反应。复杂的原因是Anamox反应涉及四个反应：（1）亚硝酸盐还原反应，（2）亚硝酸盐氧化反应，（3）亚硝酸盐氧化过程中水中氧分子的吸收，（4）（4）（4）非生物学交换水和水和水中的氧同位素。在连续的培养系统中，很难单独确定这四个同位素分馏，该系统无法观察到底物随着时间的流逝而消耗，因为很难改变底物和中等成分。因此，在这项研究中，通过使用重水（与H218O的高比例的H218O）结合批处理培养实验来确定Anamox细菌的氧同位素分馏，该实验与不同的氧气稳定的同位素比与实验相结合，以确定非生物一氮和水的非平衡同位素分离。亚硝酸盐，Anamox反应的底物和产物硝酸受多个过程的氧同位素分馏的影响。因此，与其他反应（硝化，反硝化）一样，不可能简单地计算每个氧同位素与底物和产物的氧稳定同位素比的变化量的分馏。因此，根据批处理培养实验的实际数据，我们为每种反应的时间，浓度和稳定的同位素比的变化制定了微分方程，并使用统计分析软件R开发了一个数值模型，并成功获得了世界上首次将每个氧同位素分离。结果目前正在准备提交论文。此外，关于亚硝酸盐和水的非生物平衡同位素分馏，将实验结果汇编成纸张，并在今年1月的质谱中快速通信中接受了论文。