研究内容

水界の硫黄循環システムと微生物群集の共進化

 硫黄は生体において乾重当たり約1%(w/w)含まれていますが、その存在状態は多様です。硫黄の酸化還元状態はマイナス2価(例えば、硫化物)からプラス6価(例えば、硫酸塩)まで広いレンジであり、生態系においても様々な状態で存在しています。したがって、硫黄化合物からエネルギーを獲得できる微生物や硫黄化合物を電子受容体として利用できる微生物が自然界には様々存在します。生命が誕生した頃の地球表面は、現在よりずっと温度が高く、80℃を越えていたと考えられています。当時の地球において利用可能なエネルギー源は限られており、水素や還元型硫化物(硫化水素)であり、それらの電子受容体は硫酸塩や硝酸塩であったと推定されています。オーストラリア・ノースポールのバライト岩石中に含まれる硫化物の硫黄安定同位体比解析から、微生物学的硫酸還元(電子供与体として水素を利用し、電子受容体として硫酸塩を硫化物に還元)は34.7億年前の地球ですでに行われていたことが示されています(Shen et al., 2001, Nature)。このことは、高温環境下で硫化物の酸化のための電子受容体(例えば、硝酸塩を利用した硫黄酸化)が存在すれば、嫌気的な硫黄循環システムと微生物群集が成立していたことを示唆します。その後、ゆっくりと地球表面は温度が下がり、原始的な光合成(酸素非発生型)、さらに酸素発生型光合成の出現により、有機物生産が爆発的に生じ、同時に還元的環境から酸化的環境へと移行しました。しかし、現在の水界生態系で観察される、多様な硫黄循環システムとそれを担う微生物群集が太古代からどのようなメカニズムで共進化して来たかは未解明です。
 そこで、当研究分野は水界の硫黄循環システムと微生物群集の共進化を分子生態学的に解明することを目指しています。硫黄代謝にかかわる機能遺伝子の起源を探るのみならず、硫黄循環システムとそれを担う微生物の相互作用が地球の酸化−還元、温度、光条件等の変化でいかに変遷して来たかを明らかにすることが、本研究の特徴です。

<成果等>
  1. Kubo,K., Kojima,H., and Fukui,M. Vertical distribution of major sulfate-reducing bacteria in a eutrophic shallow meromictic lake. Systematic and Applied Microbiology 37:510-519.2014.
  2. Kojima,H., Watanabe,T., Iwata,T. and Fukui,M. Identification of major planktonic sulfur oxidizers in stratified freshwater lake. PLoS ONE : e93877. 2014.
  3. Watanabe,T., Kojima,H., Takano, Y. and Fukui,M. Diversity of sulfur-cycle prokaryotes in freshwater lake sediments investigated using aprA as functional marker gene. Systematic and Applied Microbiology 36: 436-443.2013.
  4. Matsui, T., Kojima,H. and Fukui,M. Effect of temperature on successive anaerobic decomposition of high-molecular organic matter under sulfate-reducing conditions. Estuarine, Coastal and Shelf Science 119: 139-144. 2013.
  5. Watanabe,T., Kojima,H. and Fukui,M. Draft genome sequence of a psychrotolerant sulfur-oxidizing bacterium Sulfuricella denitrificans skB26 and proteomic insights into cold adaptation. Applied and Environmental Microbiology 78: 6545-6549.2012.
  6. Kubo,K., Knittel,K., Amann,R., Fukui,M. and Matsuura,K. Sulfur-metabolizing bacteria populations in microbial mats of the Nakabusa hot spring, Japan. Temperature-dependent differences in community structure of bacteria involved in degradation of petroleum hydrocarbons under sulfate-reducing conditions. Systematic and Applied Microbiology 34: 293-302, 2011.
  7. Tabuchi,K., Kojima,H. and Fukui,M. Seasonal changes in organic matter mineralization in a sublittoral sediment and temperature-driven decoupling of key processes. Microbial Ecology 60: 551-560. 2010.
  8. Thioploca species. Microbial Ecology 52: 756-773. 2006.
  9. Koizumi,Y., Kojima,H. and Fukui, M. Potential sulfur metabolisms and associated bacteria within anoxic surface sediment from saline meromictic Lake Kaiike (Japan). FEMS Microbiology Ecology 52: 297-305.2005
  10. Nakagawa,T., Ishibashi,J., Maruyama,A., Yamanaka,T., Morimoto,Y., Kimura,H., Urabe,T. and Fukui,M. Analysis of dissimilatory sulfite reductase and 16S rRNA gene fragment from deep-sea hydrothermal sites of the Suiyo Seamount, Izu-Bonin Arc, Western Pacific. Applied and Environmental Microbiology 70:393-403.2004
  11. Koizumi,Y., Kojima,H. and Fukui,M. Dominant microbial composition and its vertical distribution in saline meromictic Lake Kaiike (Japan), as revealed by quantitative oligonucleotide probe membrane hybridization. Applied and Environmental Microbiology 70: 4930-4940. 2004
  12. Koizumi, Y., Kojima,H., Oguri,K., Kitazato,H. and Fukui,M. Vertical and temporal shifts of microbial communities in the water column and sediment of saline meromictic Lake Kaiike (Japan), as determined by a 16S rDNA-based analysis, and related to physicochemical gradients. Environmental Microbiology 4: 622-637. 2004.
  13. Nakagawa,T. and Fukui,M. Molecular characterization of community structures and sulfur metabolism within microbial streamers in Japanese hot springs. Applied and Environmental Microbiology 69:7044-7057.2003.
  14. Nakagawa,T., Hanada,S., Maruyama,A., Marumo,K., Urabe,T. and Fukui,M. Distribution and diversity of thermophilic sulfate-reducing bacteria within Cu-Pb-Zn mine (Toyoha, Japan). FEMS Microbiology Ecology 41: 199-209.2002.
  15. Nakagawa,T. and Fukui,M. Phylogenetic characterization of microbial mats and streamers from a Japanese alkaline hot spring with a thermal gradient. Journal of General and Applied Microbiology 48:211-222.2002.