広報活動

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2014年5月15日

理化学研究所

河口底泥の環境分析データの統合的評価と“見える化”

-微生物・有機・無機物群集のネットワーク化から未利用資源探索への期待-

河口底泥試料の有機・無機・微生物群の統合ネットワーク解析

図 河口底泥試料の有機・無機・微生物群の統合ネットワーク解析

ナイル、チグリス・ユーフラテス、インダス、黄河と、古代文明が生れた地域は大きな川の河口流域だったという共通点があります。ギリシャの歴史学者ヘロドトスが“エジプトはナイルの賜物“と語ったように、定期的に起こる洪水は水害を引き起こす一方で、上流から流れ込む堆積物が肥沃な耕作地(ナイルデルタ)をもたらしました。河口に近いデルタ地帯では、陸上から流れこむ有機物・無機物や、海から潮流によって運び込まれる物質によって、微生物から植物、動物までの豊かな生物多様性が維持されています。こうした環境からの恵みは「生態系サービス」と呼ばれています。この生態系サービスの維持や、災害からの修復プロセスは、“水環境”や“川底環境”などの複雑な関係性から成り立っています。例えば、有機物や無機物を栄養源として微生物群が触媒する「化学反応場」は水環境の生態系サービス維持に重要ですが、従来技術による単一の成分分析データではその評価を行うことは容易ではありませんでした。

理研の研究チームは、2011年から東北・関東の5つの一級河川の河口に堆積する河口底泥や水などを採取し続けています。今回、これらの試料から、有機物の構造情報や、無機物、微生物の分析データを解析しやすいように規格化し、河川の特徴付けや地域特性などについて統合的な評価をしようと試みました。有機物群については、核磁気共鳴法や全自動元素分析装置を用いました。

さまざまな地域の複雑な成分を網羅的に解析したところ、関東地域では、タンパク質が蓄積し、微生物の分解作用で放出される無機窒素も増え、富栄養化していることが分かりました。また、無機物群の分析には誘導結合プラズマ発光分光法などの分光分析法を用い、微生物群については次世代シーケンサーを使った解析を行いました。その結果、関東の底泥には鉄やアルミニウム、硫黄など元素の蓄積や、嫌気性の硫酸塩還元菌などの微生物群が多く見られました。

こうして得られた異なる分析データを使って、地域の違いをもとに計測データ間の相関係数を色分けして表示する「相関ヒートマップ」や「統合ネットワーク解析」を行いました。これによって有機成分の変化と微生物群の関係性などを“見える化”し、統合的な評価を可能とする手法を構築しました。この解析手法を使うことによって、ヒトの五感に頼る「暗黙知」で捉えていた河口環境の維持や修復状態などの生態系サービスの特徴は、各種計測データに裏付けられた「形式知」として得られるようになります。また、河口の底泥には、バイオマス分解・代謝機能やミネラル蓄積機能を持つ微生物が埋もれている可能性があります。今回、構築した手法は、これらの有用微生物を探索する技術としても期待されます。

理化学研究所
環境資源科学研究センター 統合メタボロミクス研究グループ 環境代謝分析研究チーム
チームリーダー 菊地 淳 (きくち じゅん)