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～（工学研究院　教授　岡部　聡）

2025年6月20日

北海道大学
海洋研究開発機構
総合地球環境学研究所
国立環境研究所
京都大学
福島大学

ポイント

●アナモックス細菌は非生物学的な酸素同位体交換速度の約8〜12倍の速度で酸素同位体交換を行う。
●急速な酸素同位体交換がδ¹⁸O_NO₃⁻を書き換え、アナモックス由来の酸素同位体シグナルが消失する。
●NO₂^-→NO₃^-の反応では、重い¹⁸Oが先に反応する逆同位体分別（¹⁸ε_{NO₂⁻→NO₃⁻}＜0）を示した。

概要

北海道大学大学院工学研究院の岡部　聡教授、海洋研究開発機構（JAMSTEC）の小林香苗特任研究員らの研究グループは、嫌気性アンモニア酸化（アナモックス）反応における酸素同位体分別（¹⁸ε）を求めることに世界で初めて成功しました。

海洋の窒素循環は、地球環境の維持に不可なサイクルであり、その仕組みを正確に理解することにより、気候変動対策や生態系の保全に大きく寄与することができます。しかし、その中で重要な役割を果たす嫌気性アンモニア酸化（アナモックス）による窒素除去のプロセスについては、まだ未解明な点が多く残されています。特に、アナモックスの酸素同位体分別（¹⁸ε）は、反応が複雑であるためこれまで全く研究が行われていませんでした。本研究では、海洋性アナモックス細菌Ca. Scalindua sp. （以下Scalindua）の高度に集積した培養液を用いて、アナモックス反応の酸素同位体分別（¹⁸ε）；(1) NO₂⁻からN₂への変換（¹⁸ε_{NO₂⁻→N₂}）、(2) NO₂⁻からNO₃⁻への酸化（¹⁸ε_{NO₂⁻→NO₃⁻}）、(3) NO₂⁻酸化時の水由来の酸素（O）の取り込み（¹⁸ε_H₂O）、の測定に世界で初めて成功しました。さらに、Scalindua は、亜硝酸（NO₂⁻）と水（H₂O）の間での酸素同位体交換を、従来の非生物的な交換速度の約8〜12倍の速さで促進することが確認されました。その結果、NO₂^-中のO原子の約34％が、硝酸（NO₃^-）へ酸化される前にH₂Oと交換され、さらに、NO₃^-への酸化過程で1個のO原子がH₂OからNO₂^-に取り込まれることが確認されました。この反応により、亜硝酸酸化によって生成されるNO₃⁻の酸素同位体比(δ¹⁸O _NO₃⁻)が、周囲の水の酸素同位体比（δ¹⁸O_H₂O）に急速に近づく現象が明らかになりました。

既往の研究では、好気的な硝化反応（酸素存在下でアンモニアが硝酸に酸化される反応）によって生成される硝酸（NO₃⁻）の酸素同位体比（δ¹⁸O _NO₃⁻）は、亜硝酸（NO₂⁻）と水（H₂O）の間の酸素同位体交換や、分子状酸素（O₂）や水からの酸素の取り込みによる同位体効果により、周囲の水の酸素同位体比に近づくことが知られていました。今回の研究成果では、これに加えて、無酸素（嫌気）環境下において、アナモックス細菌により亜硝酸が硝酸へ酸化される際も、同様の現象が起こることが確認されました。この結果は、海洋の窒素の損失量を評価するための地球化学的指標である δ¹⁸O_NO₃⁻ や δ¹⁸O_NO₂⁻ が水の酸素同位体比によって書き換えられ、アナモックスや脱窒の酸素同位体シグナルが消失する可能性があることを示しています。そのため、海洋の窒素循環を評価する際には、これらの指標の変動を慎重に分析する必要があります。

なお、本研究成果は、2025年6月2日（月）公開のThe ISME Journal誌にオンライン掲載されました。

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）URL：https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf115

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