微生物：私たちは土壌物質循環の原動力です！

制作：中国科学普及協会

著者: 王清奎、趙雪超 (中国科学院応用生態研究所、瀋陽)

プロデューサー: 中国科学博覧会

微生物は自然界のいたるところに存在し、土壌は微生物の拠点であり、微生物の成長と繁殖のための自然の「培地」です。土壌微生物とは、主に細菌、真菌、放線菌、藻類など、肉眼では確認が難しい土壌中のあらゆる微小生物の総称です。

これらは土壌の重要な構成要素ですが、その大きさは非常に小さく、通常はマイクロメートルまたはミリメートル単位で測定されます。土壌中の微生物の数と種類は驚くべきものです。土壌1グラムには数億から数百億の細菌が存在し、その種類は数千から数万に及ぶこともあります。最も数が多いのは細菌で、次いで放線菌と真菌が続き、藻類は比較的少ないです。土壌中のその量や種類は土壌環境によって異なります。

図1 顕微鏡下の微生物

（写真提供：Veer Gallery）

土壌微生物のレシピ

土壌微生物は土壌の形成と発達、物質循環、植物の成長にとって非常に重要です。これらは土壌が産物を生産し、水を浄化し、最も効果的な二酸化炭素貯蔵場所となるための基盤であると言えます。

私たち人間と同様に、微生物も生き延びて健康な体を維持するために、外部環境から絶えず栄養を得る必要があります。私たち人間の食べ物は、米、トマト、牛肉など、食べ物の名前で分類されていますが、微生物の食べ物は、炭素源、窒素源、成長因子、水など、体内での生理作用によって主に分類されています。

微生物が主に消費する炭素源としては糖類、有機酸、二酸化炭素、タンパク質などが挙げられ、微生物が利用できる窒素源としては主にタンパク質とその分解物、アンモニウム塩、硝酸塩、分子状窒素、尿素、アミン、アミドなどが挙げられる。

さらに、微生物は自身の成長ニーズを満たすために、ビタミン、アミノ酸、プリン、ピリミジンも摂取する必要があります。無機塩も微生物の成長に必要な物質であり、一般的にはリン酸塩、硫酸塩、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄などの元素を含む化合物が含まれます。水は微生物の成長においても重要な役割を果たし、主に溶媒や輸送媒体として機能します。それだけでなく、水は細胞内の一連の化学反応にも関与します。

土壌微生物残渣：森林土壌炭素プールの重要な構成要素

森林土壌炭素プールとは、森林内に存在する炭素を含む有機物を指し、陸上生態系の中で最も重要な炭素プールです。木は光合成によって大気中の二酸化炭素を吸収し、自ら成長を続け、枯れた枝や葉、枯れた根を生み出します。私たちの日常生活で目にする枯れ枝や葉、枯れ木、切り株、枯れ木の根はすべて、森林土壌の炭素プールの源です。土壌微生物はこれらの有機物を食物として利用し、自らの成長と繁殖を促します。

土壌微生物の寿命は非常に短く、通常は数十分から数時間または数日です。繁殖力が強く、短期間で複数回、あるいは数十回も繁殖することができます。微生物が死ぬと、その体内の物質の一部は他の微生物に吸収され利用されますが、分解しにくい残りの物質は土壌に残ります。土壌に残留するこれらの物質を土壌微生物残留物と呼びます。通常の状況下では、それらは長期間土壌に留まることができ、森林土壌の有機炭素プールの重要な構成要素となります。

図2 森林生態系によく見られる微生物

（画像出典：参考1）

細菌残留物と真菌残留物の違いは何ですか?

土壌微生物残渣には主に細菌残渣と真菌残渣が含まれており、どちらも森林土壌炭素プールの重要な構成要素ですが、互いに異なります。まず、細菌と真菌が食べる「食べ物」は全く同じではなく、食べ物を吸収する能力にも違いがあります。細菌は酵素系が弱いため、これらの食物を「消化」するために多くのエネルギーを消費し、呼吸の形でより多くの炭素が排出される一方で、バイオマスの合成に使用される炭素は比較的少なくなります。逆に、菌類は「消化力が強く、吸収力も良く、食物利用率も高い」ため、より多くのバイオマスを生産することができます。

また、土壌微生物が死んだ後、細胞質は他の微生物によって再利用され、細胞壁はターンオーバーを経て徐々に微生物残渣を形成します。しかし、細菌と真菌の細胞壁組成の違いは、土壌炭素プールへの微生物残留物の寄与にも影響を与えます。細菌の細胞壁はペプチドグリカンなどの比較的分解しやすい物質が主成分であるのに対し、真菌の細胞壁はキチンやメラニンなどの分解しにくい物質が主成分です。

したがって、細菌残留物と比較すると、真菌残留物は食べられにくく、ほとんどの微生物はそれを食べたがりません。時間が経つにつれて、森林土壌の有機炭素プールには、細菌残留物よりも真菌残留物が多く貢献するようになります。

微生物：寒すぎて仕事したくない！

我が国は広大な領土を有し、北と南の気候は大きく異なり、森林の種類も豊富です。寒冷地域の森林は、成長期が比較的短い針葉樹が主流です。枯れた枝や葉には、微生物が食べたくない分解困難な物質が多く含まれており、土壌微生物の「食欲」を満たすことができません。

同時に、私たち人間と同様に、微生物も非常に「繊細」であり、暑すぎたり寒すぎたりすることは、微生物の活動に良くありません。寒冷な気候のため、長い冬の間、土壌微生物は「冬眠」状態に入り、微生物によって十分に利用されない有機物は土壌に残り、最終的には、寒冷な森林における土壌微生物残留物の土壌有機炭素プールへの寄与は温暖な森林よりも低くなります。

図3 森林土壌微生物残渣の動的変化の模式図

（画像出典：参考資料2）

森林は陸上生態系における最大の炭素プールであり、土壌の肥沃度を維持し、食糧安全保障を確保し、気候変動を調整する上で重要な役割を果たしています。土壌微生物残留物は、森林の有機炭素プールのほぼ 50% を占めています。

したがって、土壌微生物残渣の形成を促進することは、森林の炭素隔離能力を向上させ、森林生態系の炭素吸収機能を強化するのに有益です。したがって、年々蓄積される土壌微生物残渣の森林有機炭素プールへの貢献は無視できないものとなります。これらの小さなやつらを侮らないでください!

編集者：孫晨宇

参考文献:

1.Peay, KG, Kennedy, PG, Talbot, JM, 2016.地球の菌類バイオームにおける生物多様性の次元。ネイチャーレビュー微生物学14、434-447。

2.趙、