静岡大学理学部/グリーン科学技術研究所
〒422-8529 静岡市駿河区大谷836
電話 054-238-4784 / Fax 054-238-0491
Home   Kimura   Member   Research   Publication   Lecture   Direction   News

研究内容
付加体の深部帯水層におけるメタン生成メカニズムの解明と新エネルギーの社会実装

静岡県中西部から愛知県南部、紀伊半島南部、四国南部、九州南部、沖縄地方にかけての太平洋側の地域は、付加体と呼ばれる厚い堆積層からできています。付加体は、海洋プレートが大陸プレートの下に沈み込む際に海洋プレート上の海底堆積物が大陸プレートの縁辺部にくっつき、その後、隆起してできた地層です。付加体は海底堆積物に由来しており、その堆積層にはケロジェンなどの有機化合物が多く含まれています。また、付加体の深部帯水層には地熱によって温められた地下水と大量の天然ガス(メタン)が蓄えられています。

我々は、付加体が分布する地域に構築された温泉用掘削井(深度150〜2,000mの大深度掘削井)を調査し、地下水(非火山性温泉)および付随ガスを採取しています。そして、地下水の環境データ測定、各種イオン分析、酸素・水素安定同位体比分析、付随ガスの組成分析、メタンの炭素安定同位体比分析を行っています。さらに、地下水に含まれる微生物群集を対象とした嫌気培養、16S rRNA遺伝子の解析、各種機能遺伝子の解析、補酵素の検出・定量も行っています。そして、付加体の深部帯水層におけるメタン生成メカニズの解明を目的とした研究を進めています。その結果、付加体の深部帯水層にて有機物を分解して水素ガスと二酸化炭素を生成する水素発生型発酵細菌と水素ガスと二酸化炭素からメタンを生成する水素資化性メタン生成菌が共生することにより、堆積層中の有機物からメタンが生成されることを明らかにしてきました。

  
 

また、我々は地元自治体や総合設備会社、発電機メーカーと連携して、メタンを湧出する温泉用掘削井とガスセパレーター、ガスホルダー、ガスエンジン発電機(コージェネレーション)を結合させた“温泉メタンガス発電システム”の創成を進めています。2017年4月には、静岡県島田市の川根温泉にて温泉メタンガス発電施設の社会実装を実現させました。そして、年間71万kWhの発電と年間69万kWhの熱供給を行っています。現在、静岡県内の温泉施設にメタンガス発電システムを構築するための活動を行っています。

我々が創成を目指す温泉メタンガス発電システムは、水・ガス・電気・熱を自家的に供給することができます。一方、付加体の分布域は、東海・東南海・南海地震の被害想定区域にも指定されています。そこで、巨大地震の発生時や大型台風・ゲリラ豪雨による大規模洪水や土砂災害が発生した時にライフラインを自家供給する“防災ステーション”として機能させることも目指しています。

  
 

[学術論文]
・Microbes and Environments 35: ME19103 (Abstract)
・Microbes and Environments 33: 205-213 (Abstract)
・Microbes and Environments 31: 328-338 (Abstract)
・Microbial Biotechnology 8: 837-845 (Abstract)
・Analytical Chemistry 86: 3633-3638 (Abstract)
・ISME Journal 4: 531-541 (Abstract)

[講演動画]
・静岡大学・読売新聞連続市民講座
  基礎研究編(45分)、社会実装編(43分)
・グリーンサイエンスカフェ in 浜松
  静大TV(3分)
・静岡大学・中日新聞連携講座
  静大TV(75分)

[関連サイト]
川根温泉メタンガス発電(島田市役所ホームページ)
月刊エネルギーフォーラム2月号(エネルギーフォーラム)
コージェネ大賞2017受賞(コージェネ財団)
新聞報道(本HP内)

 
原核生物の16S rRNAのG+C含量と生育温度の関係に着目した微生物生態学および応用研究

リボソームRNA(rRNA)遺伝子は、原核生物をはじめ全生物の系統解析に広く用いられています。一方、原核生物の16S rRNA遺伝子のグアニン(G)とシトシン(C)の割合(G+C含量)は、原核生物の生育温度と非常に高い相関を示します。つまり、高温環境に生息する好熱菌や超好熱菌は高いG+C含量の16S rRNA遺伝子を有しており、低温および中温環境に生息する好冷菌や中温菌は低いG+C含量の16S rRNA遺伝子を有します。

我々は、原核生物の16S rRNA遺伝子の塩基配列を決定したのち、そのG+C含量をもとに原核生物の生育温度を推定するための新たな研究手法“微生物分子温度計”を開発しました。微生物分子温度計は、16S rRNA遺伝子のG+C含量から環境微生物や難培養性微生物の最低生育温度、至適生育温度、最高生育温度を推定するためのツールです。さらに、培養法に依存せずに微生物を好冷菌、中温菌、好熱菌、超好熱菌に分類することも可能です。現在、地下圏微生物の16S rRNA及び16S rRNA遺伝子の塩基配列から地下の温度を測定する手法の開発に取り組んでいます。将来的には、地下圏微生物の16S rRNAのG+C含量から深部地下圏の温度環境および地下生物圏の限界深度を明らかにしたいと考えています。また、地質学、地震学、地球化学などの分野において重要となる地下の温度データの収集に貢献したいと考えています。

一方、砂漠の塩湖に生息する好塩性アーキア(特に、Haloarcula)は、ゲノム上に2〜3コピーの16S rRNA遺伝子を有しています。これらの16S rRNA遺伝子の塩基配列は異なり、また、これらのG+C含量は1-3%異なります。これまで、ゲノム上にG+C含量の異なる複数種の16S rRNA遺伝子を有することの重要性については明らかにされてきませんでした。そこで、原核生物の生育温度と16S rRNA遺伝子のG+C含量の関係に着目し“これらの好塩性アーキアは高温時にG+C含量の高い16S rRNAを含むリボソームを機能させて増殖する”という仮説を立て、検証しました。その結果、最高生育温度に近い高温での培養において、高いG+C含量の16S rRNAを多く発現することが示されました。昼間に50℃を超えることもある砂漠の塩湖や塩田から単離されたこれらの好塩性アーキアは、G+C含量の高い16S rRNAを利用して高温環境に適応している可能性があります。

学術文献
・Antonie van Leeuwenhoek 112: 112-201 (Abstract)
・Frontiers in Microbiology 8: 482 (Abstract)
・Environmental Microbiology Reports 5: 468-474 (Abstract)
・Applied and Environmental Microbiology 73: 2110-2117 (Abstract)

 
   
 

研究設備
嫌気培養装置
ガス分析装置
好気培養装置
DNA・RNA解析装置
 
落射型蛍光顕微鏡・撮影装置