Microbiological Studies on Shallow Marine Areas - V On the distribution of the sulfate-reducing bacteria and sulfur bacterial groups in oxygen-deficient or anoxic bottom layer of bay in summer

浅 海 域 の 微 生 物 学 的 研 究―V

夏 季 内 湾 底 層 の 貧 ・無 酸 素 域 に お け る 硫 酸 還 元 細 菌 な らび に 硫 黄 細 菌 群 の 分 布 に つ い て

藤 田 雄 二 ・飯 塚 昭 二 ・銭 谷 武 平

Microbiological Studies on Shallow Marine Areas - V On the distribution of the sulfate-reducing bacteria and sulfur bacterial groups in oxygen-deficient or anoxic bottom layer of bay in summer

Yuji FUJITA, Shoji IIZUKA and Buhei ZENITANI

In connection with the formation of oxygen-deficient or anoxic layer, the- distribution of bacterial groups which produce or oxidize the sulfides and some oceanographic factors in their environment were investigated in summer 1968 and 1969 at Omura Bay, west coast of Kyushu.

Phytoplankton blooms which had increased in early summer appeared to sink down from the middle layer to the bottom while consuming dissolved oxygen because of the oxidative decomposition of planktonic matter by heterotrophic bacteria. In general, dissolved oxygen and both Eh and pH values remarkably decr- eased in bottom water below a depth of about 16 m. Sulfate-reducing bacteria and aerobic or anaerobic thiobacilli most of which seemed to be facultative autotrop- hic were commonly found in bottom water, while photosynthetic sulfur- and non- sulfur bacteria were variable in their distribution. It appeared that bacteria were relatively active in bottom and that thiobacilli might participate partly in the consumption of dissolved oxygen due to the biochemical oxidation of reduced sulfur compounds. A schematic diagram on some chemical characters of sea water- and distribution of bacterial groups in the bay was presented.

さ きに 大村 湾 の 中 央 水 域 で,夏 季 底 層 中 に現 わ れ る無 酸 素 化 現 象 に 関 し,硫 酸 還 元 細 菌 の 活 性 増 加 に よ って 生 成 した 硫 化 物 を 酸 化 す るた め 溶 存 酸 素 が 消 費 され,こ れ が 無 酸 素 化 に い た る一 因 で あ る と報 告1)し た.こ の 研究 は,硫 化 水 素 が 単 に 化 学 的 酸 化 の み な らず 微 生 物 に よ る生 化 学 的 酸 化 も うけ る と考 え られ るた め,ま ず 還 元 イ オ ウ化 合 物 酸 化 性 細 菌 群 の存 在 を 立 証 す る こ と と,そ の分 布 状 態 を水 質 環 境 条 件 と関 連 して把 握 し,浅 海 ・内 湾 の 微 生 物 生 態 を よ り明 確 に理 解 す るた め に 企 図 した もの で あ る。

こ の報 告 で は,梅 雨 期 以 後 の プ ラ ン ク トン増 加 期 か ら8月 の底 層 が 無 酸 素 化 す る まで の

1 54 長崎大学水産学部研究報告 第28号（1969）

期間にわたって，主として中層以深の水質変化を追跡するとともに硫化物の生成・酸化消 費に関与する細菌群の分布調査をした結果について述べる．       ．

研 究 方 法

1．観測定点および期間：1968年7月から8月および1969年8月から9月の2年にわたっ て，Fig．1に示した定点4・5において観測を行なった．これら以外の定点でも一部の観 測を実施した．

2．採水および採泥法：細菌数の測定には海水を 無菌的に採取した．他は既報1 ）2）に同じ。

3．海況および水質検査：特記しないかぎり既報 1）2）に同じ。酸化還元電位は携帯用Eh計（東亜 電波製）を用い，投入型電極を垂下測定するか，

あるいは採水晶空気との接触を断ち普通電極を用 いて測定し，いずれも10分後の示度を採った。全 鉄と二価鉄はGJESSINGの方法3）で測定した。

4。プランクトン計数；植物プランクトン数はホ ルマリン固定をしない試料について採取当日中に 一検鏡・計数した．

5。細菌数の測定：細菌数はTable 1に示した方 法で測定した。培養条件は同時に併記した。なお

｝Thiobacillus属細菌測定培地に成育する菌株には 絶対的独立栄養型のもの以外に条件的独立栄養型

一をも含まれる。

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O 5Km

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6

130

Fig． 1． Sampling stations in Omura Bay， wes七〇f Kyushu．

結 果

 1。貧・無酸素層形成への移行過程における環境要因の変化

 1968年7月と8月に5回観測した結果をFig．2に示す．溶存酸素は前半では不規則なが ち深層にかけて減少し，後半では中層から底部にかけて漸減の傾向を示す。8月の環境変 化の経過は例年観察されるものと類似しており，1969年の結果も同じ傾向であった．海水

のpHは17〜18m前後の深さから底部にかけて低下が著しく，また水温も18m付近から底

．部に向って低下の傾向がある。硫化水素は20m層のみで測定されたが，まれに16m層でも

、呈色反応によってコン跡量が検出された．1968年は1967年に比べて硫化水素生成量は少な かったが，1969年の結果もあわせて考えると，中央水域底層では盛時でもおおむね0．2〜

1．5mg／しであろう．また酸化還元電位の変化はFig．3にrH2で示したが底面上1〜3m

．から底部にかけて急激な低下を見せ，最深部では硫化水素を含むため還元状態を示す．全 般的に全炭酸量・溶存酸素量・酸化還元電位・全円量・Fe ●／全鉄量などの推移を見ると 最：深部のr：H2は著しく低いが，夏枯れの盛夏に向かうにしたがって酸化還：元電位の低下

の傾向がわずかながら次第に中層部にかけて波及し，かっこの領域での全炭酸量は多くな っている．

：水質変化のうち，特に7月後半における中層以深の漁民酸素の減少は，主として植物プラ

Tab五e l． Methods of enumera七ion of bacteria．

Constituen七 〇f

medium g／L Na2S，03 ．5H20 Na2S・9且20 NH，Cl KNO，

NaHCO3

Na ，  co3

K，HPO，

KH，PO，

FeC13・6耳．2．O

Na benzoate Yeas七ex七rac七

Agar

750／o aged seawater， ml

pH

Count by

Cul旗1re condi七ion

Sulfa七e

reducing

bac七eria

  Thiobacilli

aerobic anaerobic

Pho七〇syn七hetic sulfur

bacteria

Pllotosynthe七ic nonsulfur bacteria

   A     B

Hat a4）

 MPN

7 days at 220c

10

O．1

O．2

O．OOI

1，000

MPN or MP  3 weeks  at RT

5

O．1 2．O O．5

O．2

O．OOI

 3

1，000  7．8

MPNT

3 weeks at RT

9白l1

2

1

0．OOO5

  3

 1，000  7．5

 3 weeks  a，七RT

Taga 5）

］IY［PN

3 weeks at RT

O．1

2

O．5

   O．5    0．1    3−

1，000

 MPN

3 weeks

a七RT

MPN；A七hree一七ube mos七probable number method．

MP；Millipore fil七er method（HA O．45μ，47mm，1．ら％agar plate）．

RT；Room temperature． l ml of O．2％phenol red wa七er solution was added to the

    media of thiobacilli．

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0   1   2   3   4．．． 5        02 mレL V8  ao  刷2  84  8．6  8．8     pH         ＿＿＿＿＿

20 25

o 100   gO Temp． c 一・一一

gOO Sulfide−Sllg／L n

Fig．2． Ver七ical changes in pH，七emperature， dissolved oxygen        and the sulfides in七he central par七〇f Omura Bay in        summer 1968． 1； 20 July， II； 26 July， III； 3 August， IV；9

       August and V； 23 August．

156 長崎大学水産学部研究報告第28号（1969）

ンクトンの枯死・崩壊に伴う酸化分解による ものと思われる．1968年7・8月の中央水域

（定点4）における植物プランクトンの発生 状況を示すとFig．4のようで，7月中には持 続した大増殖期があり，全数6×106／しにも 達したが，下旬には5×105／：L以下に衰滅し た・この衰滅期には，おそらく中層以深にか けてプランクトンが微生物による酸化分解を

うけ，溶存酸素を消費しつつ次第に沈降し，

また8月にはプランクトンの小発生を見たけ

．れども，有機物分解の大部分は底部の堆積中 で行なわれたものと思われる．

 以上のような環境要因の変化状態から判断 して，おおむね16m以深ではプランクトン遺 がいなど有機物分解，硫化水素発生などの微 生物作用が活発に進行し，貧・無酸素層の形 成に寄与しているものと考えられる．

2．硫化物の生成・酸化消費に関与する細菌   群の分布

︒

5

幽

い

10

邑昌①⇔

15

20 10

Fig． 3．

20 rH2

30

Vertical changes in redox po七en七ia1（rH2）of seawa七er a七s七ations 4（A〜F）and 5（G tvH） 

A； 26 July， B；3 Aug．， C；9 Aug．， and D； 22 Aug．， 1968．

E； 18 Aug．， F； 28 Aug．， G； 23 Aug．， and H； 11 Sept．， 1969．

 中央水域底層における硫化水素生成は，すでに報告1）したように主に硫酸還元細菌の作 用による。海水環境中では発生硫化水素は酸化されてチオ硫酸を生成しやすく6），また低 濃度硫化水素を含む湖水中でも硫黄細菌の作用は硫化水素の酸化によって生成したチオ硫 酸の酸化が主であるとされている7）。この研究において，硫化物を酸化する細菌群の検出

・にはすべてチオ硫酸ナトリウム・無機塩培地を使用した．

〈1）硫酸還：元細−菌の分布（Fig．5）

 1968年底層水についての測定では，20m層で菌数が101−2／mIであったが16m層ではもは や検出されなかった．1966年と1967年の底質中の回数は，底質表層（0〜5cm）でおおむ

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    皿     1

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10 J 20

  July

10

August

20

Figド4． Vertical distribution of dia七〇ms（×104／L）in 七he cen七ral

part of Ornura Bay in summer 1968． 1・vV…same as in Fig． 2．

藤田 他：浅海域の微生物学的研究

¹⁵⁷

0

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J II

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III

IV

11illlililiii1i：iiiirT． Lt一         り       り      1      1

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  ーーー⁝一iーー〜薩ーー

      へ麟      ＼

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ノ＝三≡＝ヨヨヨ﹃へい  il

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O 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2

         Viable Bacterial Counts， Leg／ml or g．

Fig．5． Vertical dis七ribution of sulfa七e−reducillg bac七eria， aerobic and anaerobic

二：ね102−3／9であった1・2）。

 （2）好気性Thiobacillus属細菌の分布

 1968年はもっぱら底層部のみを対象にし，20m層では101−2／m1程度の菌数を検出した．

1969年は上層部までの垂直分布を調べたが，前年の結果とあわせ判断すると16m層付近か ら底部にかけて増加し，硫酸還元細菌の分布域ないしいくらかその上層まで分布するよう に見える（Fig．5）．1968年9月に赤潮発生した定点5では，底面上10m層まで102−3／ml のこの属の細菌が検出された。純離菌株のチオ硫酸塩利用力を各種の培地で比較測定した 結果では，過半数が有機栄養海水培地中で最もよく利用し，すなわちチオ硫酸と有機物を 酸化し条件的独立栄養型の性質を示したが，絶対的独立栄養型菌株は比較的少なかった．

これら菌株の還元イオウ化合物酸化および同酸化に対する有機物の影響については別に報 告の予定である．なお1968年分離株は培地をアルカリ化するのが主体であったのに比べて 1969年分離株は酸性化するのが優占的であった．

 （3）嫌気性Thiobacillus属細菌の分布

 嫌気的に成育するのはT．denitrificansに該当する菌群がおもであるが，海水性 T・

JthioParUS群8）も嫌気的に成育できる．嫌気的に成育したThiobacillus属細菌群はその 分布域において，好気性のものと大きな相違が認められなかった．おそらく嫌気性菌群の

うちには，脱窒性菌種以外に通性嫌気性の本属細菌がかなり含まれていると思われる．

 （4）光合成細菌類の分布

 光合成イオウ細菌類は嫌気条件で成育し，直接溶存酸素を消費しないが硫化物を利用す る．また光合成細菌の多数増殖によっていわゆる赤潮状況9）を呈する場合もあるので，非

・イオウ光合成細菌の菌数もあわせて測定した．Table 2に示すように，1968年定点4にお 廿る分布は，底質と深層海水中にとどまり，出現コ・ニーの呈色はかっ色系が多数を占め

た。1969年には赤潮多発水域に属する定点5で観測したところ，8月23日にかなり上層ま 一で光合成イオウ細菌と光合成非イオウ細菌とが分布する事実を見出した．これら光合成細

158 長崎大学水産学部研究報告 第28号（1969）

Table 2．  Vertical dis七ribution of photosynthetic sulfur・and nonsulfur      bacteria in Omura Bay in summer 1968 and 1969．

Dep七h

 m  1

 5

 10  12  13  14  15  16  17  18  19  20

Mud

    Photosynthetic sulfur bacteria

  S七a七ion 4       Sta七ion 5

20 26July  3  9 22 Aug．  68 23Aug・ll sep七． 69

2      0

4 O  O   O O 10 O  O 0

36 230 230 730 0

910 430 2400 11000  93024000〈

24000〈

Bo七七〇m

00！00  3

91

  750  24000 Bottom 24000〈 43000

Pho七〇syn七hetic nonsulfur bacteria   23Aug． 11 Sept，  69

ove

36 36

 oeeee

91

  36 430   0 430   36 430  430 2400

Bo七七〇m Bo七七〇m

24000〈 4300

0000

o

0000

36

O 160

0 2400

Bo七七〇mBo七七〇m

O 24000 Viable bac七erial coun七per lOO ml of seawater or 100 g of mud． ee Medium A and xx medium B of photosynthetic nonsulfur bacteria in Table 1．

菌類のコロニーは赤かっ色〜かっ色が優占的であったが，紅色あるいは黄緑〜黄色を呈す るものもかなり検出された．しかし9月11日の試料では，底層部からのみこれら細菌類が 検出され1968年の定点4の場合と同じ，傾向であった．定点4・5以外で赤潮発生時の試料 から紅・緑色光合成細菌も分離したが，一般にこれらの光合成細菌の分布は変動が大きか った．底質試料から検出したこれら光合成細菌類も，水深・透明度などの環境条件を考慮 すると，プランクトン遺がいなどとともに沈降・集積したおそれもあり，海水性光合成細

−菌の分布・性状についてはなお検討すべき点が多い．

考 察

 底層が無酸素化に向かう時期的推移をみると7月後半では植物プランクトンおよびそれ に由来する有機物の酸化分解が主として中層罪深から始まり，8月には硫化物生成などを 伴う有機物分解が底質中および深部水層中で進行していることは1966年・1967年の底質，

1）2）1968年・1969年の底水層の変化から十分にうかがわれる．垂直的に変化をみた場合，

底面上i数m以内では溶存酸素の減少・Eh・pH・水温の低下などの変化が認められ，この 領域内が微生物作用の旺盛な圏内であることを示唆し，このことは細菌群の分布状態から

も裏書されている。

 貧・無酸素現象下の環境要因および硫化物の生成・酸化に関与する細菌群の分布を1968 年・1969年の観測結果をもとに模式的に示すとFig．6のようである．すなわち底質および 近接還元水層中では，硫酸還元細菌の作用で硫化水素が発生し，その結果酸化還元電位が 低下する．硫化水素含有海水に接する海水中の溶存酸素は硫化水素を酸化するために逐次 消費されるが，底面上2〜3mの底水層では酸化還元電位の低下は回復している．この硫 化水素酸化域とみなされる底部水層中にThiobacillus属細菌などが分布する事実は，硫 化水素をはじめ還元イオウ化合物の酸化に部分的にこれら細菌類が関与していることを示 すもので，溶存酸素の消費が硫化物の単に化学的酸化のみでないことを意味していると思 われる。硫化水素の酸化域は酸化還元電位の変化状態やThiobacillus属細菌の分布状態

か ら見 て 底 面 上3〜4m層 付 近 まて と想 像 さ

れ る.最 近ADAIR&GuNDERsENiO)は 同 し

よ うな 研 究 を 行 な い,海 水 環 境 に お い て 還 元 イ オ ウ化 合 物 の酸 化 は 既 知 の 陸 棲 型 とは 明 ら か に 異 な る細 菌 に よ って 部 分 的 に 促 進 され る よ うに 見 え る と述 へ,ま た 条 件 的 独 立 栄 養 型 のThiobacillus属 細 菌 な と を 分 離 して い る.

貧 酸 素 域 て 酸 化 陸有 機 物 か 残 留 す る場 合 に は,も ち ろ ん従 属 栄 養 細 菌 の 酸 化 作 用 に よる 溶 存 酸 素 消 費 も介 在 す るか,盛 夏 に お け る湾 中 央 水 域 底 部 の 無 酸 素 状 態 の持 続 に は 底 質 ・ 底 層 水 中 に お け る硫 化 物 の 絶 え さ る生 成 とそ の酸 化 のた め の酸 素 消 費 か 主 役 を な して い る も の と考 え られ る.

Fig 6 Schematic diagram of the distrbuition of some bacterial

groups and the environmental

factors (Data, mean value of 18 and 28 August, 1968)

要 約

夏 季 内 湾 底 層 に 現 わ れ る無 酸 素 化 現 象 に関 連 して,硫 化 物 生 成 ・酸 化 消費 す る細 菌 群 の 分 布 お よひそ れ らの環 境 要 因 の変 化 を 研 究 してつ き の よ うな結 果 を 得 た.

1.梅 雨 期 以後 に増 殖 した植 物 プ ラ ン ク トンは 死後 中層 付 近 か ら以深 に か け て 酸 化 分 解 を しな か ら沈 降 し,8月 に は 中 層 か ら底 水 層 に か け て溶 存 酸 素 か漸 減 す る傾 向 を 認 め た.

2.全 般 的 に約16m層 以深 て は 溶存 酸 素 の減 少,酸 化 還 元 電 位 ・pHな との低 下 か 著 し く,こ の領 域 内て は 微 生 物 作 用 か 活 発 て あ る こ とを 示 した 。

3.上 記 領 域 に は,硫 酸 還 元 細 菌,好 気 性 お よひ嫌 気性Thiobacillus属 細 菌 な とか 一 般 に 分 布 して い た か,光 合成 イ オ ウ細菌 の 分布 に は か な りの変 動 か認 め られ た.

4.夏 季 内湾 水 層 に お け る環 箋 の若 干 の特 陸 と細 菌 分 布 の 関係 を模 式 的 に 図示 し,硫 化 物 の酸 化 に つ い て の考 察 を試 み た.

終 わ りに 実験 に協 力 され た 竹 中 胱 ・中 原 幸 治 両君 に謝 意 を表 します 。 な お この 報 告 の一 部 は昭 和44年2月15日 日本 水 産 学 会 九 川 支 部例 会 に お い て講 演 した.

(

160

文 献

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6．

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