高緯度の沿岸地域は、局所的な活動から、または地球規模の影響の結果として、人間の圧力の影響をますます受けています。人口増加、資源の乱獲、生息地の劣化、陸と海への汚染物質の放出、および気候変動がこれらの環境に急速に影響を与え、予測不可能な影響を及ぼしています。北極および亜南極地域での石油の探査と開発、および南極での観光の増加は、これらの敏感な環境での石油汚染の高いリスクをもたらし、この憂慮すべき状況に追加されます.
堆積物は、沿岸環境の健全性において基本的な役割を果たします。堆積物は、砂や石灰などの不活性な物質であるだけでなく、さまざまな微生物 (主にバクテリアだけでなく、小さな原生生物や藻類、あまり知られていない Archaea も含む) をホストする豊富な有機マトリックスを構成しています。 ）。微生物は、あらゆる種類の分子に対して化学反応を実行できる強力な酵素ツールキットを持っており、それを通じて、炭素と栄養の循環、死んだ物質の代謝回転、汚染物質の生物分解などの重要な生態系機能に関与しています。
底質微生物は、無関係な生物の集まりではなく、進化の結果、高度に多様であり、機能的な集合体として細かく構造化されています。微生物は、環境要因やさまざまな種類の生物的相互作用 (微生物同士の関係) への暴露に独自に対応して協力し、その結果、高度に組織化されたエンティティである 微生物群集 が形成されます。 結果として生じるコミュニティは、自然の生息地の変動性と非常に密接に結びついています。たとえば、通常混合されている海水で起こることとは異なり、堆積物は垂直に成層化されており、酸素が上層にのみ存在する深さの最初のセンチメートルを横切る急な酸化還元勾配に従います。その結果、好気性細菌 (および酸素を介した有機物の呼吸などのそれらの代謝プロセス) は、表層と堆積物と水の界面で優勢になる傾向がありますが、より深い層は通常、無酸素であり、嫌気性細菌とその関連プロセスによって特徴付けられます。硝酸塩、硫酸塩、さらには鉄の還元として。
微生物 DNA の分析
環境微生物は実験室で容易に培養できず、その大部分は従来の方法では培養できず、従来の実験技術による研究を妨げる特性です。それらの生理学的および生態学的役割を分析するために、研究者は DNA などの生体分子の分析に依存しています。これらの生体分子で取得された情報は、(進化の歴史に関する意味のある情報を保持する特定の遺伝子を分析する場合) それらのアイデンティティへの洞察だけでなく、それらの潜在的な代謝特性についての洞察も提供できます。
たとえば、硝化などの特定の機能に関連する酵素をコードする遺伝子を分析する場合、この機能 (好気性アンモニウム酸化) が分析された微生物群集に存在すると推測し、分析された微生物群におけるアンモニウムの可能な運命の手がかりを与えてくれます。エコシステム。遺伝子は微生物のゲノムに含まれているため、微生物群集のメンバーのすべてのゲノムからすべての遺伝子を組み合わせて解析することを「メタゲノミクス」と呼びます。この分析には、スループットが高く、サンプルごとに膨大な量の配列データが生成されるという利点があります。このアプローチは、通常、数百または数千の異なるメンバーで構成されているため、天然の微生物群集の分析に適しています。メタゲノミクスを含む文化に依存しない方法を使用して、微生物群集、その多様性、生態系機能における代謝/生態学的役割のフィンガープリントを再構築できます。
メタゲノミクスにより、北半球と南半球の極域および亜極域の沿岸環境からの堆積物に生息する微生物群集の詳細な分析を行うことができ、さまざまなレベルの人間への影響がありました。これは、アルゼンチン、米国、ノルウェー、スウェーデンのさまざまな研究グループが関与したプロジェクトの結果であり、堆積物サンプルを協調的に回収し、さらに直接 DNA 抽出と特定の遺伝子またはメタゲノム全体の大規模な配列決定 (ショットガン) を行った結果です。シーケンス)。 Joint Genome Institute と国際微生物多様性イニシアチブ Earth Microbiome Project (EMP) は、配列データの生成に貢献しました。
世界の高緯度沿岸地域におけるメタゲノム再構築のための選択されたサンプリング サイト。この研究では、選択した 4 つの地域のそれぞれの 2 つのサイトで得られた 3 通からなる合計 24 のサンプルが得られました。北半球に含まれる地域は、遠く離れたスバールバル諸島のアドベント フィヨルドとバルト海でした。南アメリカの最南端にあるウシュアイア湾と、南極半島に隣接する島にあるポッター コーブは、南半球でサンプリングされました。
この研究の結果は、冷たい沿岸堆積物に生息する微生物群集が地球上で最も多様であり、その多様性は土壌や熱帯林に見られるものに匹敵することを示しました。これらのコミュニティの主な代謝機能は、遺伝子配列をバイオインフォマティクス パイプラインで分析し、公開データベースで既に利用可能なものと比較することにより、マッピングおよび再構築されました。明らかにされた代謝能力の中で、石油由来の汚染物質の分解のための遺伝子の非常に多様な配列が見つかりました。これらの遺伝子は、さまざまな基質 (さまざまな種類の炭化水素) を標的とし、さまざまな条件 (好気性または嫌気性) で機能することができる酵素をコードしており、この脆弱な環境での汚染管理におけるこれらのコミュニティの重要な役割を強調しています。さらに、特定のタイプの硫酸塩還元バクテリアと嫌気性分解遺伝子は、有機汚染と相関することがわかっており (それらは汚染された場所でより豊富でした)、嫌気性炭化水素分解が冷たい堆積物における重要なプロセスであることを示唆しています.
この包括的なメタゲノム データセットは、高緯度環境の沿岸堆積物から生成された最初のものであり、藻類由来の炭素循環に関する微生物の能力の分析など、この研究や他の微生物生態学研究の出発点でした (公開環境微生物学 (doi:10.1111/1462-2920.13433). さらに、これらのメタゲノムで見つかった遺伝子の多くは、グリーンケミストリーなどの興味深いバイオテクノロジーアプリケーションを備えた酵素をコードする可能性があります (ジャーナル Marine Drugs に掲載、doi:10.3390/md15040114)。 .
研究、極地および亜寒帯沿岸環境からの潮下堆積物のメタゲノム解析は、嫌気性炭化水素分解プロセスの関連性を強調 、Journal Microbial Ecology に掲載されました (doi:10.1007/s00248-017-1028-5)。この論文に貢献した研究者は、Fernando Espínola、Mariana Lozada、Hebe M. Dionisi (Centro para el Estudio de Sistemas Marinos、CONICET、アルゼンチン)、Walter P. Mac Cormack (Instituto Antártico Argentino)、Janet K. Jansson、Colin J. Brislawn (パシフィック ノースウェスト国立研究所、米国)、Sharon Borglin (バークレー国立研究所、米国)、JoLynn Carroll (Research Center for Arctic Petroleum Exploration、ノルウェー北極大学、ノルウェー)、Sara Sjöling (School of Natural Sciences and Environmental Studies、 Söddertörn 大学、スウェーデン)。
