冬にみんなで同じプールで温泉に入っても大丈夫でしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: Denovo チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

静かに冬が訪れ、リラックスするために温泉が多くの人の第一選択肢となっています。寒さが去った後は、湯気が立ち上る温泉に浸かって心地よい気分を味わってください。しかし、共用の温泉プールで入浴するのは完全に安全であるかどうか疑問に思ったことはありませんか?

温泉は地中から自然に湧き出る高温の水によって形成されます。確かに高温環境ではほとんどの微生物が死滅しますが、一部の特殊な微生物は高温に適応する能力があり、そのような環境でも生存し、繁殖することができます。

近年、科学者たちは温泉と温泉内の微生物群集について広範な研究を行ってきました。例えば、米国のイエローストーン国立公園の温泉やニュージーランドの地熱地域では、微生物の多様性を明らかにするために徹底的な調査が行われてきました。同様に、我が国でも科学者らが雲南省、チベット、海南省などの地域の温泉について体系的な研究を実施し、温泉の生態をより包括的に理解するための貴重なデータを提供しています。

異なる地理的場所にある温泉には、独特の微生物群集が存在する

温泉の微生物構造と多様性は、温度や pH などの物理的、化学的性質に大きく影響されます。

海口地域の3大温泉、海淀島の栄裕温泉、火口の幸福農場温泉、西海岸の海昌流温泉は、いずれもアルカリ性の温泉環境です。研究により、温度、pH、リン、硝酸性窒素、マグネシウムなどの物理的および化学的要因が、海口温泉の真菌および細菌群集に大きな影響を与えることが明らかになっています。これらの要因のさまざまな組み合わせとレベルが共同して温泉微生物群集の構造と多様性を形成し、温泉生態系を理解するための重要な手がかりを提供します。

海南省海口市海淀島のさまざまな温泉の物理化学的性質

(T: 温度、TP: 全リン、NN: 硝酸性窒素、Ca: カルシウム、Mg: マグネシウム、Se: セレン、Cd: カドミウム、Pb: 鉛)

（画像出典：参考1）

海口地域の3つの異なる温泉における真菌と細菌の集団の数

（画像出典：参考1）

一部の好熱性微生物は、さまざまな地熱地域で生存するために驚くべき適応性を示します。 2021年、ニュージーランドのオークランド大学の研究者らは、タウポ火山地帯の6つの温泉プールの水サンプルを詳細に分析し、アシディチオバチルスと呼ばれる微生物がさまざまな地熱環境に広く分布していることを発見した。この温泉の pH は、極めて酸性の 1.00 から中性の 7.50 までの範囲にあり、温度範囲はさらに驚異的で、17.5°C から 92.9°C まであります。これは、この微生物が極限の環境に対して高い適応性を持っていることを示しています。

6つの地熱環境のpH、温度範囲、水質化学

（画像出典：参考資料2）

なぜ彼らは温泉で生き残ることができるのでしょうか？

研究者らは、アシディチオバチルスのゲノム配列を分析することで、高温環境における一部の好熱性微生物のゲノム適応性を発見した。

1. GC 含有量が高い: すべての生物のゲノムは、アデニン (A)、グアニン (G)、シトシン (C)、チミン (T) などのヌクレオチドで構成されていることがわかっています。プリンとピリミジンは水素結合によってつながっています。 Acidithiobacillus のゲノムは GC 含有量が高い。 GC 塩基対は 3 つの水素結合を持つため、2 つの水素結合を持つ AT 塩基対よりも安定しており、そのため GC を多く含む DNA は高温でもより安定します。

2. プロリン含有量が高い：生物のタンパク質は20種類のアミノ酸で構成されていますが、その中でもプロリンはタンパク質主鎖の構造自由度を低下させることができるため、タンパク質の熱安定性を高めることができるアミノ酸です。簡単に言えば、タンパク質を自由に曲がる鎖に例えると、通常のアミノ酸は柔軟な鎖のリンクのようなもので、プロリンは鎖の特定の方向への曲がりを制限する硬いリンクのようなものです。この制限により、タンパク質は特定の三次元構造を形成することができます。したがって、この特性は、アシディチオバチルスが高温環境においてタンパク質の構造と機能を維持するのに役立つ可能性があります。

3. ゲノムの簡素化：この研究では、台湾の温泉菌株の平均ゲノムサイズはわずか2.1±0.3Mbpであり、アシディチオバチルスの参照ゲノム（3.3±0.4Mbp）よりも大幅に小さいことが判明し、ゲノムの簡素化現象を示しています。高温に適応する原核生物にはゲノム合理化という現象があり、これにより微生物は資源が限られた環境でゲノム複製に必要な資源をより効率的に利用できるようになり、高温環境への適応性が向上します。

4. pH 恒常性機構: アシディチオバチルスには、アミノ酸脱炭酸酵素、Na+/H+ アンチポーター、プロトンポンプ ATPase など、pH 恒常性に関連するさまざまな酵素とタンパク質があります。アミノ酸脱炭酸酵素は、アミノ酸の脱炭酸を触媒して二酸化炭素と対応するアミンを生成します。このプロセスにより細胞内の水素イオンが枯渇し、細胞内の酸性度が低下します。 Na+/H+ アンチポーターは細胞内のナトリウムイオンを細胞外の陽子と交換することで pH を調節します。プロトンポンプ ATPase は、ATP を加水分解してプロトンを細胞内から細胞外に送り出すことでエネルギーを供給し、細胞内の酸性度を直接低下させます。

冬に温泉に入っても大丈夫ですか？

微生物の観点から見ると、現在の研究では好熱菌が人体に直接的な危険をもたらすことは発見されていません。したがって、好熱菌の観点からのみ見ると、温泉入浴は一般的に安全です。好熱菌は主に高温環境に適応した極限微生物の一種です。温泉の水温は通常30～40℃ですが、これは好熱菌の最適生育温度（通常50℃以上）よりもはるかに低いです。したがって、一般的な温泉条件下での好熱菌の活動には一定の制限があります。

しかし、温泉水の衛生状態は安全性を左右する重要な要素です。温泉の水源やプールの水質が汚染されると、大腸菌やレジオネラ菌などの病原菌が繁殖する可能性があります。温泉の通常の水温（30～45℃）は特定の病原菌に対して一定の抑制効果がありますが、高温耐性微生物を完全に殺すには不十分です。これらの病原体は比較的低温でも生存することができ、特に開いた傷がある場合や免疫力が低い場合には、人間の健康に脅威を与える可能性があります。

そのため、温泉を選ぶ際には、水質管理が厳しく、定期的に検査が行われている場所を優先するべきです。それでも、温泉に浸かる際には頭を完全にお湯に浸けることは避け、浸かった後はすぐに体を洗って、感染のリスクを減らすようにしてください。温泉は冬の健康に良いリラックス方法ですが、衛生管理状況を理解し、適切な予防対策を講じれば、より安全に温泉を楽しむことができます。

高温耐性に加えて、他にどのような極端な微生物がありますか?

極限環境微生物とは、他の陸生生物にとって耐え難い、あるいは致命的な環境でも生育できる微生物です。彼らは、極度の暑さ、極度の寒さ、高塩分、強酸、強アルカリ、高圧、放射線など、さまざまな極端な生態学的ニッチで生き残ることができます。一部の微生物は、有毒廃棄物、有機溶剤、重金属など、以前は生命に適さないと考えられていた環境でも増殖することができます。

地球の極限環境の多様性

（画像出典：参考文献3）

1. 温度

地球表面の温度範囲は非常に広く、南極の極寒地域（-98.6°C）から深海の熱水噴出孔（495°C）まで、極端に暑い環境から寒い環境まで広がっています。

現在までに知られている最も耐寒性の高い微生物は、-25℃の環境でも生存できるデイノコッカス・ジオサーマリスDSM11300であり、最も耐熱性の高い微生物は、130℃の環境でも生存できるジオジェンマ・バロッシ株121である。さらに、Methanopyrus kandleri 株 116 など、通常は 80°C を超える高温で増殖する一部の超好熱菌も、高圧条件下で増殖する必要があります。高圧により、高温でも水を液体に保つことができるためです。

2. 酸性度とアルカリ度

極端な pH 値の環境も、微生物の生存にとって大きな課題となります。知られている pH の最低記録は、米国カリフォルニア州シャスタ郡のアイアン マウンテン (pH 3.6) で、最高記録はポーランドのクリザヌフにあるゴルカ湖 (pH 13.3) です。しかし、これらの環境で生育できる微生物は今のところ発見されていません。

現在までに知られている最も耐酸性の強い微生物は、pH 0 の酸性環境でも生存できる Picrophilus oshimae です。pH 0 の環境はどの程度酸性なのでしょうか?言い換えれば、業界で一般的に使用されている 98% 濃硫酸の pH 値は 0 に近いということです。

最もアルカリ耐性が高い微生物、Serpentinomonas sp. B1はpH12.5のアルカリ性環境で安定して増殖することができ、微生物が極限環境に対して驚くべき適応能力を持っていることを示しています。

3. 塩

地球上には、海（塩分濃度約3～4％）、温泉（塩分濃度最大10.5％）、ソーダ湖（塩分濃度最大37.1％）など、低塩分から高塩分まで幅広い範囲の塩環境があります。微生物の成長は、一般的に塩分濃度が 0% ～ 35% の環境に適応します。

その中でも、現在最も高い塩分濃度に耐えることが知られている微生物は、米国カリフォルニア州サールズ湖に生息するハラルセナティバクター・シルバーマニ株 SLAS-1T であり、その最適生育塩分濃度は 35% 塩化ナトリウム (NaCl) です。室温では、食塩（NaCl）の水に対する飽和溶解度は約36%～37%です。 35% NaCl は飽和に近いため、この超耐塩性細菌が生息できる水の塩分濃度を知りたい場合は、飽和塩水を試すことができます。

4. プレッシャー

深海環境では、科学者たちは極めて高い圧力の下で生き残ることができるさまざまな好圧性微生物を発見しました。現在知られている記録保持者は、125 MPa までの圧力に耐えることができる好熱性古細菌である Thermococcus piezophilus です。

125MPaの圧力は1平方センチメートルあたり約1,250kgの重さに相当し、親指大の面積を小型自動車が押すのと同等の圧力となります。

5. 放射線

微生物がさらされる放射線には、紫外線、X 線、ガンマ線などがあります。放射線は直接的または間接的な影響 (活性酸素種の生成など) を通じて微生物細胞にダメージを与え、DNA、タンパク質、脂質、RNA を損傷する可能性があります。放射線耐性好熱性古細菌 Thermococcus gammatolerans EJ3 などの放射線耐性微生物は、最大 30 kGy のガンマ線に耐えることができます。

極限環境微生物の純粋培養によって決定された寿命限界

（画像出典：参考文献3）

要約する

極限微生物は、高温の温泉から深海の高圧まで、極限環境に適応する生命の能力を実証しています。独特なゲノム特性と代謝メカニズムにより、普通の人間には耐えられない環境でも生き残ることができます。

温泉には好熱性微生物が存在します。しかし、一般的な温泉水温では、人間にとって脅威となることはありません。温泉の安全性は主に水質管理に左右されるため、衛生状態の良い温泉地を選ぶことが重要です。適切な保護対策を講じることで、潜在的な健康リスクを大幅に軽減できます。

（注：本文中のラテン語部分は斜体で表記してください）

参考文献:

1. シュー・ウェイ、ティアン・シャオユウ、チャオ・ホンウェイ。 （2020年）。海南省海口市の温泉における真菌および細菌の多様性と環境影響要因の分析。微生物学ジャーナル（09）、262+2000-2011。 doi:10.13343/j.cnki.wsxb.20200145.

2. Sriaporn, C.、Campbell, KA、Van Kranendonk, MJ、Handley, KM (2021)。広範囲の温泉温度と pH にわたる Acidithiobacillus の分布を可能にするゲノム適応。マイクロバイオーム、9(1)、135。

3. Merino, N.、Aronson, HS、Bojanova, DP、Feyhl-Buska, J.、Wong, ML、Zhang, S.、および Giovannelli, D. (2019)。極限環境で生きる：極限環境生物と惑星環境における生命の限界。微生物学の最前線、10、780。