重金属汚染に対する土壌およびミミズの腸内細菌群集の反応☆彡

哉百名

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環境汚染

第265巻 第2部, 2020年10月, 114921

重金属汚染に対する土壌およびミミズの腸内細菌群集の反応☆彡

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https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.114921権利と内容を取得する

ハイライト

  • -ミミズ腸内細菌群集は重金属汚染の影響を受けやすい。

  • -α多様性の低下とネットワークの安定性の低下が、この感受性の一因と考えられる。

  • -重金属の蓄積はミミズ腸内のPGPBの増殖を刺激した。

概要

製鉄所周辺の土壌における重金属の大量蓄積は、深刻な環境問題となっている。しかし、ミミズの腸内細菌叢が土壌中の重金属にどのように反応するかに焦点を当てた研究はほとんどない。本研究では、中国・南京の製鉄工場の調査現場を用いて、16S rRNA遺伝子をターゲットとしたイルミナのハイスループットシーケンスを用いて、土壌とミミズの腸内細菌叢が重金属汚染に対してどのように異なる反応を示すかを調べた。ミミズの腸内細菌群集は、土壌のそれと比較して明瞭な構造を示し、プロテオバクテリア（Proteobacteria）の相対存在率が高く（45.7％）、ミミズの腸内細菌群集の相対存在率が低かった。

グラフ抄録

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はじめに

重金属は天然に存在する元素であり、原子量が大きく、密度は水の少なくとも5倍以上である。重金属には、コバルト（Co）、銅（Cu）、クロム（Cr）、マンガン（Mn）、亜鉛（Zn）などの生物学的に必須な元素と、カドミウム（Cd）、鉛（Pb）、水銀（Hg）などの非必須元素の両方が含まれる。土壌に含まれる重金属の中には、動植物にとって生理的に必須なものもあり、そのため農産物や人間の健康に直接的・間接的に影響を及ぼす。重金属による土壌汚染は、中国でますます懸念されている。中国政府が2005年から2013年にかけて実施した調査によると、中国の土壌の16.1％が汚染されており、その82.8％がCd、Hg、Asなどの無機元素によるものであった（http://www.gov.cn/foot/2014-04/17/content_2661768.htm ）。

ほとんどの場合、重金属による土壌汚染は、金属製造、貯蔵、廃棄、輸送を含む鉱業活動などの人間活動の後に発生する（）。例えば、鉄鋼業が鉄濃度を増加させ、Cu、Pb、Zn、Cd（Al-Khashman and Shawabkeh, 2009; Yang et al., 2012; Yang et al., 2018）といった他の重金属、あるいは毒性の高い金属元素であるタリウム（Liu et al. 土壌中の重金属の過剰蓄積は、植物（Chen and Hu, 2019）、動物（Dedeke et al., 2016）、微生物（Schneider et al., 2017; Wu et al., 2017）、およびそれらの相互作用（Wang et al., 2019）を含む土壌生物相に悪影響を及ぼす可能性がある。

土壌中で最も重要な大型動物であるミミズは、栄養循環と有機物分解において重要な役割を果たしている。ミミズは、その穴掘り、摂食、鋳造活動により、生態系の土壌エンジニアとして認識されてきた（Edwards, 2004; Frouz et al., 2014; Andriuzzi et al.） 彼らは、重金属、農薬、使用済みエンジンオイル、その他の有機汚染が存在するにもかかわらず、生存、繁殖し、土壌バイオレメディエーションを改善する（Spurgeonら、1994；Adeyiら、2018；Luoら、2018；Wangら、2018；Maja Šrutaら、2019）。さらに、金属汚染土壌の修復のためにミミズの接種が提案されている（Dickinson, 2000; Frouz et al., 2007）。ミミズは、後腸管を取り囲む葉緑体組織で有機金属錯体を形成して金属を蓄積する（Morgan and Morris, 1982; Anitha Kunhikrishnan et al.） これにより、消化の進行中に金属の移動性と利用可能性が変化する（Goswamiら、2014年）。ミミズ腸内のマイクロバイオームに対する理解が深まるにつれ、腸内細菌群集も周辺土壌の金属汚染に反応することが研究者らによって分かってきた（Pass et al.）

CdやPbなどの重金属の閾値レベルを超えると、金属汚染土壌の微生物叢の量と質（機能と多様性）に悪影響を及ぼす可能性がある（Munees and Mohammad Saghir, 2012; Gołębiewski et al., 2014; Singh et al.） 特に、重金属の高蓄積は細菌群集の多様性を低下させ、環境ストレスに対する抵抗力や回復力を低下させる可能性がある（Degensら、2001；Gansら、2005）。

ミミズの消化管は豊富な腸内常在微生物を宿主としており、中性pH、嫌気性条件、一定水分、高レベルの有機炭素といった独自の生態的ニッチにより、周囲の土壌条件とは大きく異なっている（Drake and Horn, 2007; Nechitaylo et al.） 腸内細菌叢は宿主と複雑な相互依存関係にあり、健康で安定した腸内細菌叢は宿主のストレスを軽減し、宿主の健康に役立つ可能性がある（Passら、2015）。金属への曝露は、マウス、魚、ブロイラーなどの脊椎動物の腸内細菌叢を変化させることが示されている（Bretonら、2013；Zhaiら、2017）。Maja Šrutaら（2019）は、カドミウム曝露がミミズ腸内の微生物叢バランスを乱すことを確認し、ミミズ腸内では重金属耐性菌がより豊富であることを明らかにした。

ミミズ腸内と周辺土壌の細菌群集組成の違いはよく特徴付けられている。しかし、腸内細菌叢と土壌微生物叢の重金属汚染に対する反応の違いに焦点を当てた研究はほとんどない。また、これらの研究のほとんどは、マイクロコズムを用いた実験室でのもので、期間も数ヶ月に過ぎない（Cao et al., 2017; De Menezes et al.） 長期的な金属汚染下でのミミズの腸内細菌叢に対する金属の影響については、より多くの情報が必要である。

上記の知識ギャップを解決するために、土壌とミミズ腸内の微生物集団の違いを説明するために、重金属汚染が深刻な調査地点を選定し、細菌16S rRNA遺伝子配列決定を行った。その目的は、長期的な金属汚染下における土壌とミミズのそれぞれの反応を明らかにし、植物の成長促進などの生態学的機能を予測することである。

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セクションの抜粋

調査地とサンプル採取

調査は中国江蘇省南京市の5ヵ所のサンプリング地点で実施された（表S1）。サンプリング地点S1は、長江の川沿いにある製鉄所の中にあった。サンプリング地点S2とS3は、製鉄所からそれぞれ約1.5kmと5.0km離れた農地にあった。さらに2地点が参考地点として選ばれた。サンプリング地点S4は、製鉄所から約8km離れた長江の八卦島に位置した。S4の農地は

土壌の物理化学的性質

サンプリング地点の金属汚染を評価するため、18種類の金属元素の濃度を測定した。これらの元素は、Goldschmidt分類（Goldschmidt, 1937）を用いて3つのグループに分類できる：岩石親和性元素（Al、Ba、Be、Ca、Cr、K、Mg、Na、Sr、Ti、V）、鉄鉱石親和性元素（Co、Fe、Mn、Ni）、カルコ親和性元素（Cu、Pb、Zn）。さらに、大気親和性元素のCとNも測定された。表1から、ほとんどの金属元素、特に重金属

考察

ミミズは世界的に分布しており、土壌中の無脊椎動物バイオマスの 90% を占めている（Thakuria et al.） 土壌食物網の「基幹種」として、また「生態系エンジニア」として、ミミズは有機物の分断、炭素・窒素循環の調節、土壌微生物組成の調節において重要な役割を果たしている（Pass et al.） ミミズは、有機残渣とミネラルを摂取、変化、混合することで、生態系の構造と機能に直接影響を与える。

結論

結論として、ミミズの腸内細菌群集は土壌とは異なる構造を示し、プロテオバクテリア（45.7%）とバクテロイデーテス（18.8%）の相対的な存在量が高いことが特徴であった。ミミズの腸内細菌群集は土壌のそれと比較して、α多様性が比較的低く、ネットワークの安定性が低下しているため、重金属汚染の影響を受けやすかった。さらに、重金属の蓄積は、潜在的な植物生長因子であるミミズの増殖も刺激した。

CRediT著者貢献声明

Peng Liu：構想、方法論、調査、執筆（原案）。ヤン・ヤン 方法論、形式分析、ソフトウェア、執筆-レビューと編集。Mei Li：概念化、方法論、調査、検証、監修、資金獲得、プロジェクト管理、執筆-校閲・編集。

利益相反宣言

著者らは、本論文で報告された研究に影響を及ぼすと思われる競合する金銭的利益や個人的関係がないことを宣言する。

謝辞

本研究は、中国国家自然科学基金（第41571468号、第41773115号）、江蘇省科学技術支援プログラム（BE2016736号）、中国科学技術部国家重点プロジェクト（2017ZX07204004号）の支援を受けた。

本論文の研究データ

データはありません / データはリクエストに応じて提供されます

研究データに関する詳細情報

参考文献 (78)

引用文献 (57)

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☆

この論文はフィリップ・スミス氏の推薦により受理されました。

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