海洋の窒素循環を解明する新たな研究~アナモックスの酸素同位体分別測定に初めて成功~

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2025-06-20 北海道大学,海洋研究開発機構,総合地球環境学研究所,国立環境研究所,京都大学,福島大学

北海道大学らの研究チームは、海洋窒素循環の鍵であるアナモックス反応において、酸素同位体分別(¹⁸ε)の測定に世界で初めて成功しました。海洋性アナモックス細菌Scalinduaを用いた実験で、NO₂⁻とH₂Oの間で酸素同位体が非生物的交換の8~12倍の速度で交換され、NO₂⁻からNO₃⁻への酸化で逆同位体分別が起こることを確認。これによりNO₃⁻の同位体比が周囲の水の値に急速に近づくことが判明し、アナモックス由来の地球化学的指標が消失する可能性が示されました。

海洋の窒素循環を解明する新たな研究~アナモックスの酸素同位体分別測定に初めて成功~
図 1.海洋の窒素循環における窒素(15ε)、酸素(18ε)同位体分別。「?」は最後の欠けているピース(アナモックス反応の 18ε)を示す

<関連情報>

海洋性アナモックス細菌 Candidatus Scalindua sp. による嫌気的アンモニア酸化に伴う酸素同位体分別 Oxygen isotope fractionation during anaerobic ammonium oxidation by the marine representative Candidatus Scalindua sp.

Kanae Kobayashi , Kazuya Nishina , Keitaro Fukushima , Yuji Onishi , Akiko Makabe , Mamoru Oshiki , Keisuke Koba , Satoshi Okabe
The ISME Journal  Published:02 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1093/ismejo/wraf115

Abstract

Analyzing the nitrogen (15ε) and oxygen (18ε) isotope effects of anaerobic ammonium oxidation (anammox) is essential for accurately assessing its potential contribution to fixed-N losses in the ocean, yet the 18ε of anammox remains unexplored. Here, we determined the previously unexplored 18ε of anammox using a highly enriched culture of the marine anammox species “Ca. Scalindua sp”. Because Scalindua significantly accelerated oxygen isotope exchange between NO2 and H2O, we introduced a new rate constant for anammox-mediated oxygen isotope exchange (keq, AMX = 8.44 ~ 13.56 ×10-2 h-1), which is substantially faster than abiotic oxygen isotope exchange (keq, abio = 1.13 ×10-2 h-1), into a numerical model to estimate the 18ε during anammox. Based on our experimental results, we successfully determined the 18ε associated with: (1) conversion of NO2 to N2 (18εNO2-→N2 = 10.6 ~ 16.1‰), (2) NO2 oxidation to NO3 (18εNO2-→NO3- = -2.9 ~ -11.0‰, inverse fractionation), (3) incorporation of oxygen from water during NO2 oxidation to NO3 (18εH2O = 16.4 ~ 19.2‰). Our study underscores the possibility that unique anammox oxygen isotope signals may be masked due to substantial anammox-mediated oxygen isotope exchange between NO2 and H2O. Therefore, careful consideration is required when utilizing δ18ONO3- and δ18ONO2- as geochemical markers to assess the potential contribution of anammox to fixed-N losses in the ocean.

1702地球物理及び地球化学
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