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发表刊登日期: 2024/05/13
“微生物村”如何形成
-材料的“地形”“地质”左右微生物群落的成员-
概要
理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心环境代谢分析研究小组的菊地淳组长、产业技术综合研究所(产综研)催化化学融合研究中心的吉田胜研究中心长等共同研究小组，阐明了在塑料表面微生物像“村”一样形成集团时的决定因素。
本研究成果将有助于实现海洋塑料利用的“适材适居”，同时有望通过控制海洋微生物群落为恢复生物多样性和增加蓝碳[1]做出贡献。
此次，共同研究小组利用鹤见川河口水中的微生物群落构建了生物降解性评价体系，对37种生物降解性低聚物[2]进行了降解试验。 从化学结构来看，低聚物含有己二酸[3]越多，分子运动性·亲水性越高，分解得越快，与此相对，含有大量芳香族化合物的显示出相反的倾向。 另一方面，在分子运动性和亲水性高的低聚物表面，发现了可以将该低聚物同化[4]的微生物较多的倾向。 因此，为了评价这样的低聚物和微生物种类的关系是必然的还是偶然的，用定量群集形成评价法iCAMP法[5]对生物分解试验中得到的大数据进行了分析。 结果表明，喜欢这些表面的微生物必然会在分子运动性和亲水性高的低聚物表面附着，而在分子运动性和亲水性中等的低聚物表面附着的微生物的种类是由偶然决定的。
应用该成果，通过控制塑料的表面物性，可以完成适合塑料用途的微生物群落，有望为海洋中使用的绳子和块等材料的设计做出贡献。
本研究刊登在科学杂志《Science of the Total Environment》在线版( 4月25日)上。 [2]低聚物 塑料等高分子是同种或不同种的单体(结构单元)聚合而成的。 聚合数比较少的叫做低聚物。 [3]己二酸 一种物质，主要用于合成尼龙，也用于合成香料等。 烃链有4个碳，具有很高的运动性。 [4]资化 利用有微生物的化合物作为营养源。 [5] iCAMP法 将微生物群落结构形成的主要因素分为五个，通过大数据计算得出微生物群落结构形成是偶然的还是必然的。 由俄克拉荷马大学土木工程系的赵教授等人于2020年开发。 [6]时域核磁共振法( TD-NMR ) 核磁共振是主要根据将试样放置在磁场中并照射脉冲状无线电波时得到的信号来分析试样分子结构的方法，也可以根据信号的时间变化得到分子的运动性和试样中水的存在状态相关的信息。 将其称为时域核磁共振法( TD-NMR )，一般多为使用永久磁铁的小型可搬运装置。 TD-NMR是time domain nuclear magnetic resonance的缩写。 [7]主成分分析、贝叶斯优化 主成分分析是通过减少变量来容易提取数据分布特征的统计分析方法。 贝叶斯优化是基于概率论，在众多选择中快速到达最优解的方法。 [8]非计量多维标度法( nMDS ) 一种统计分析方法，将多维表示的多个点重新配置到尽可能低的维度(二维平面等)，使彼此相似的点彼此接近，不相似的点彼此远离。 因为将对象定位在多维空间内，表现隐藏在数据背后的关系，所以可以在视觉上表现对象间的关系，容易理解对象间的关系。 [9]生物膜 附着在与水接触的物质表面上而形成的膜，由各种微生物及其分泌物组成。 [10]可持续发展目标( SDGs ) 成员国在2015年9月联合国峰会上一致通过的《可持续发展2030议程》所载2016-2030年15年实现的国际目标。 由实现可持续世界的17个终点、169个目标构成，不仅是发展中国家，发达国家自身也在努力实现通用(普遍)，日本也在积极地努力(从外务省主页进行了一部分变更后转载)。 SDGs是辅助开发工具的缩写。 联合研究小组 理化研究所环境资源科学研究中心 环境代谢分析研究小组 队长菊地淳 特别研究员(研究当时，现客座研究员)·横山大稀 (技术人员ⅰ(研究当时，现场客座技师)·坪井裕理 生物塑料研究小组 团队领导阿部英喜 产业技术综合研究所催化化学融合研究中心 研究中心主任吉田胜 主任研究员今野英雄 化学过程研究部门 主任研究员长畑律子 |
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可视化合成低聚物组成和生物降解性非晶性亲水性、微生物群落的"村"等
背景
2022年联合国生物多样性公约第十五次缔约国会议( CBDCOP15 )设定了到2030年实现所谓“自然积极”的国际目标。 “自然积极”是阻止和逆转生物多样性的损失，使之进入恢复轨道。 其中，与陆地生态系统相比容易受到温度影响的海洋生态系统，也受到全球变暖的影响，破坏正在加剧，为了恢复其破坏，要求采取各种各样的对策。
共同研究小组着眼于在海洋中可用于多种用途的塑料材料和海洋微生物的关系，从生物分解性的观点出发，认为“适材适所”地使用材料对实现自然积极做出贡献。 因为容易被生物分解的材料有可能成为营养源和生长的立足点，丰富生态系统。 但是，要判断“适材适所”，就必须弄清楚各种各样的海洋微生物中哪一种是着眼于什么样的材料来分解的。
菊地淳小组组长们迄今为止，分析了动物肠内注1 )、土壤注2 )、底泥注3 )、海洋注4 )等多种环境中微生物群落的动态，表明温度、厌氧度、营养等可用于群落形成预测，并且也报告了因果分析。 利用这种积累，这次决定分析材料表面的特性如何影响微生物群落的形成。 具体而言，使用鹤见川河口的微生物群落的生物降解性评价体系，将含有己二酸和芳香族化合物作为单体(聚合单位)的分子量1万以下的低聚物的物理化学特性、生物降解速度以及与附着微生物群落的关系可视化。
注1 ) 2018年2月22日新闻发布会《天然鱼类与环境底泥生态信息学》
https://www./press/2018/2018 02 22 _3/ index.html
注2 ) 2016年6月17日新闻发布会《使用半碳化生物质改良土壤的综合评价法》
https://www./press/2016/2016 06 17 _3/ index.html
注3 ) 2023年1月12日新闻发布会《为蓝碳预测海草底泥共生环境》
https://www./press/2023/2023 01 12 _3/ index.html
注4 ) 2018年5月2日新闻发布会“启动海洋微生物生态组成的'环境预测科学’”
https://www./press/2018/2018 05 02 _1/ index.html
研究方法和成果
共同研究小组首先合成了37种供生物降解性试验用的低聚物。 一般来说，塑料材料具有结晶性和疏水性高的一方不易受到生物分解，非晶质且亲水性高的一方容易受到生物分解的倾向。 就像在人类社会中，在平地上容易耕种的水和养分丰富的土地上形成“村”一样，在微生物社会中，相当于土地的“地形”和“地质”的材料的物理化学特性也是影响其容易接近该材料的重要因素。 因此，在合成时，为了系统地改变低聚物的物理化学特性，选择了单体(图1 )，也改变了其组合和含量。
图1研究中使用的单体的结构(与以后的图2、图3的化合物缩写相对应)
合成了二元醇和二羧酸交替连接的低聚物。 对于二醇单元(左)和二羧酸单元(右)，分别准备了分子长度不同的物质(左)和芳香族化合物(右)。 通过将它们以各种比率聚合，产生了物理化学特性不同的低聚物。
在合成的低聚物的物理化学特性的评价中，应用了菊地团队领导等人构筑的针对高分子材料的核磁共振法( NMR )方法。 特别是通过时域核磁共振法( TD-NMR ) [6]这种方法，评价了低聚物的分子运动性(非晶性的高度)、低聚物中水分子的量和存在状态(是亲水性还是疏水性)。
另外，低聚物的生物降解性试验使用了用鹤见川河口水构筑的塑料降解性评价体系。 将低聚物投入评价体系后，按时间顺序进行采样，调查低聚物的生物分解速度和表在微生物群落的结构(含有多少微生物)。
利用得到的大数据，共同研究小组进行了三种解析。
第一个是低聚物的组成和物理化学特性(分子运动性、亲水性、生物降解速度)的关系的分析(图2 )。 通过主成分分析[7]进行分析的结果显示，如果低聚物中的己二酸单元或琥珀酸单元的比例增加，则分子运动性、亲水性和生物分解速度都变高，与之相对，如果芳香族化合物(对苯二甲酸和间苯二甲酸)单元的比例增加，则分子运动性、亲水性和生物分解速度都有降低的倾向 这可能是因为前者的分子结构灵活，具有与水相互作用的部分。
图2低聚物组成与物理化学特性的关系
( a )在主成分分析中，将各低聚物绘制为一个点。 发现含有己二酸单元和琥珀酸单元的(黄绿的●和○、粉红色的▲)倾向于聚集在右侧，含有对苯二甲酸和间苯二甲酸的(蓝色的■和□、紫色的◆)倾向于聚集在左侧。 另外，PC1在第1主要成分方面的贡献度高( 54.8% )。
( b )单体分数与生物降解速度分子运动性高的部分的比率亲水性高的部分的比率的关系。 己二酸单元分数增加时均增加，芳香族化合物单元的分数增加时均减少(分立0%的曲线也记载在图中)。
然后，通过非计量多维尺度法( nMDS ) [8]分析了低聚物组成与微生物群体成员构成的关系(图3 )。 结果表明，微生物中既有喜欢己二酸单位的群体，也有喜欢芳香族化合物单位的群体。 如果用人类社会来比喻的话，就会给人一种农耕民族在水多、容易耕种的土地上扎根，而在岩盘难耕的土地上则会有游牧民族到来的印象。
图3寡聚物组成与微生物群落成员构成的关系
用非计量多维尺度法( nMDS )，将居住在各寡聚物中的微生物成员构成绘制成一个点。 有喜欢己二酸单位的微生物(图的左方向)和喜欢芳香族化合物单位的微生物(图的右方向)。
共同研究小组进行了第三个分析，即低聚物组成和微生物群落的关系是必然决定的，还是偶然决定的。 在这个分析中，我们使用了定量的群集形成评价法iCAMP法这一方法。 决定材料表面微生物群落成员构成的因素有很多，很复杂。 iCAMP法计算同种类型聚集、同种类型聚集、微生物是否发生领土扩张等五个指标，并综合这些指标来判定材料表面与微生物群落的关系是必然的还是偶然的(图4 )。
分析结果表明，含有己二酸单元的低聚物必然决定微生物群体的成员构成，而含有芳香族化合物单元的低聚物则是偶然决定的。
总结以上解析结果可知，含有己二酸单元的低聚物的非晶性和亲水性高，因此微生物容易附着，且其成员必然决定，而含有芳香族化合物单元的低聚物的结晶性和亲水性低，因此各种各样的微生物偶然附着
图4根据4 iCAMP法的分析结果
iCAMP法用HeS (异质选择)、HoS (均质选择)、DL (扩散限制)、HD (均质化扩散)、DR (漂流)五个要素评价微生物群体的构成是必然决定的还是偶然决定的。 用一个曲线表示被分类为这6种的微生物瓶。 HeS和HoS合计为必然性指标，其余三者合计为偶然性指标。 该图表显示了所有低聚物的分析结果。 通过对每个低聚物进行同样的分析，可以明确各低聚物上的微生物群体的结构决定是必然的( Deterministic )还是偶发的( Stochastic )。
