地球上の淡水の 99 パーセントは地下、つまり地下水にあります。今回の研究により、これらの地下水資源の微生物は驚くほど生産性が高いことが明らかになりました。微生物は常に暗闇の中で生きており、硫黄や有機残留物の化学的利用からエネルギーを得なければなりませんが、細胞あたりの主な生産量は浮遊性藻類の生産量と同様です。研究者らが判断したように、海の中です。炭酸塩岩の地下水に含まれる生物だけでも、合計で約 1 億 1,000 万トンの炭素を結合します。花崗岩の帯水層を加えると、その数は 2 億 6,000 万トンになります。これは、推定される世界の純一次生産量の 0.25 パーセントに相当します。
私たちの地球の生物圏は生産性が非常に高いです。とりわけ、海の上層水層の微細藻類と陸上地域の植生は、光合成によって大量の有機物質を生成し、炭素を結合します。対照的に、地下生息地の住民、つまり地下水、洞窟、深層生物圏の岩石の中の生物は、エネルギーの生産と成長にとって最適な条件がはるかに劣っています。光合成のための光が不足していることが多く、十分な酸素と栄養素が不足していることがよくあります。したがって、これらの生息地の生物は積極的に増殖してバイオマスを生産するのではなく、単に受動的に生き残っているだけであると長い間考えられていました。
地下水の住民はどれくらい生産的ですか?
しかし、科学は現在、地下生息地の住民についてより多くのことを知っています。地下水中の微生物の遺伝子分析により、地下水で見つかった微生物の多くは一次生産が可能であり、無機出発物質を有機物質に変換することもできることが示されています。光がない場合、周囲の岩石中の還元硫黄などの無機化合物の酸化からエネルギーを獲得しなければなりません。しかし、地球の浅部および深部の地下ゾーンにおける一次生産の範囲は、これまで部分的にしか知られていませんでした。そこでイエナ大学のウィル・オーヴァーホルト氏らは、地下水生態系の一種である主な生産物である炭酸塩岩の帯水層を調査した。そこには約 226 万立方キロメートルの地下水が含まれており、これは地球上の地下水総量の約 10 パーセントに相当します。
研究のため、科学者らはチューリンゲン州の深さ5～90メートルのいくつかの深井戸から水のサンプルを採取した。彼らは、これらのサンプルの一部に微量の放射性標識二酸化炭素を添加し、水に含まれる微生物を一定期間活動させました。その後、研究者らは高感度加速器質量分析を使用して、CO2 に含まれる炭素が有機化合物に取り込まれたかどうか、またその量がどの程度であるかを調べることができました。同時に、微生物の窒素固定を調査し、地下水サンプルに含まれる微生物を特定するための遺伝子分析も実施しました。
一次生産量が予想を上回った
測定の結果、地下水に含まれる微生物（ほとんどがバクテリア）が、1日あたり平均して1細胞当たり約0.3～10.8京分の炭素を吸収し、有機化合物の形で貯蔵していることが示された。これは、地下水のこれらの住民が、海の最上層の最も生産性の高い水層のバクテリアと同量のバイオマスを生成することを意味します。 「私たちが測定した量は、予想よりはるかに多かったです」とオーバーホルト氏は言います。 「これらの数値は、栄養分の乏しい海洋表層水で測定された炭素固定率に相当し、光合成に必要な光が十分にある太陽に照らされた外洋の下部領域で観察された炭素固定率よりも最大6倍高い。」しかし、地下水では海よりも利用できる栄養素が少なく、生物の密度が低いため、帯水層における全体的な一次生産量は海洋よりも大幅に低くなります。
オーバーホルト氏と彼のチームは、炭酸塩岩の帯水層だけで年間合計約 1 億 1,000 万トンの炭素を隔離していると判断しました。結晶性ケイ酸塩岩の帯水層における炭素隔離を考慮すると、世界の地下水貯留層の 3 分の 2 の純一次生産量は、年間約 2 億 6,000 万トンの炭素になる可能性があります。科学者らの報告によると、これは海洋システムの純一次生産量の約0.5％、世界全体の純一次生産量の0.25％に相当するという。 「大したことではないように聞こえるかもしれませんが、これらの測定値は真の地球規模の価値の最初の推定値にすぎません」とイエナ大学の上級著者キルステン・キュセル氏は言う。 「これらの栄養に乏しく、常に暗い生息地では利用できるエネルギーがほとんどないため、世界の一次生産量に占める割合がわずかであっても驚くべきことです。」
主役はまだ未知の微生物
地下水サンプルの遺伝子分析により、地下水におけるこの一次生産の大部分が化学独立栄養生物、つまり岩石からの原材料の化学変換からエネルギーを得る微生物によって行われていることが示されました。酸素を含む地下水では、炭素は主にアンモニアの硝化によって固定されますが、酸素の少ない帯水層では、微生物は硫黄と水素の処理を通じてエネルギーの大部分を獲得します。まだ正確に同定されていないニトロスピリア目の微生物のグループが、明らかに特に重要な役割を果たしています。研究チームは、それらが海の微細藻類と同様に、地下水生態系における食物網の基礎を形成しているのではないかと考えている。 「私たちの研究結果は、これらの地下生態系がどのように機能するかについての新たな洞察を提供し、地下水源をどのように監視または修復できるかについての手がかりを提供します」とキュセル氏は言います。
出典: Will Overholt (フリードリヒ・シラー大学イエナ校) 他、Nature Geoscience、 doi: 10.1038/s41561-022-00968-5
