藻類 Jpn.J.P
hyco.
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180，November10，
2006

177内藤佳奈子:海洋微細藻類に果たす微量鉄の役割‑赤潮発生から地球環境問題まで‑
微細藻類と微量鉄
鉄 (Fe) は全ての生物にとって増殖や生存における必須元

および検出に関する分析技術は，ここ 10年で大きく進展し4L 海洋における Feの分布や挙動の解明が期待さており (3，素であり，特に，電子伝達，酸素代謝，窒素(硝酸塩・亜硝れる。ところが，天然海水中の微細諜類が利用する Feのみ酸塩)同化， DNA合成， RNA合成，およびクロロフィルを分けて測定することは出来ず，微細藻類による Fe取り込合成に対して不可欠な役割を果たしている。地殻を構成するみメカニズムに関しては不明である。そこで，種々の微細藻元素の中で， Feは 0，Si，Alについで 4番目に多く存在す類の Fe利用能を解明するためには，水溶液中の Feの化学形るが， pH8付近の環境水中では難溶性の水酸化物を形成す態を把握できる化学組成が明らかな人工海水をベースとしたるため，コロイド態，粒子態の割合が高くなる。そのため，合成培地での無菌培養実験による検討が有力な手段となる。

古くから，土壌，淡水，海洋などの環境では，生物が利用可無菌条件下において微量の Fe濃度を制御しながら藻類を扱能な溶存態の Fe濃度は極めて低く，生物にとっての Fe不足

う難しさ，人工合成培地による培養の困難さから，現在，真が指摘されてきた。しかし， Feは実験環境(周囲の空気や挨)，核微細藻類による Fe取り込み機構に関しては，一端が明らかにされているにすぎない。

試薬，器具などから容易に混入(コンタミネーション)するため，採水された環境水中の Fe濃度の測定値は非常に高く，Fe不足論を支持するものではなかった。水域環境下において， Feが一次生産の制限因子の一つである可能性が見直され，微細藻類の増殖に対する微量 Feの重要性が注目される

形態，濃度の違い，熱および光化学的変化，自然水中におようになったのは，コンタミネーシヨンを最小限にとどめるける様々な化学種との化学反応による変化，そして，生物のクリーン技術や高感度な分析法が開発され，海水中の真の種類による多様な取り込み機構によって極めて複雑なものにFe濃度に近い値を測定できるようになった 1980年代以降なっている。

真核微細藻類による鉄取り込み機構
海洋微細藻類にとっての Feの有用性は，水域による供給のことである。一般に外洋域における微細藻類は，大気中の鉄不足環境下に生息する多くの生物は，様々な Fe取り込黄砂などのエーロゾル(浮遊微粒子)の降下により，微量栄みの機構を発達させてきた。多くの原核生物(細菌類やシ養源として Feを得ている。しかし，栄養塩が高濃度である

アノバクテリア)，真菌類および高等植物は， Feを細胞内に取り込むために大量のシデロホアを生産する (5.6)。シデロにも関わらずクロロフィル量が少ない (HighNutrientLowChlorophyll，HNLC) 海域であるアラスカ湾への大気からのFe供給量が低いことから， Martinらは Fe制限の可能性について，鉄 (FeinHN0
添加培養実験により検討した(1)。
)3
その結果， Fe添加によるクロロフィル量の増加と栄養塩濃度の減少が確認され，高栄養塩海域で Fe不足が微細藻類のホアとは， 3価の Feとの高い錯生成能を持つ有機配位子で増殖を制限していると説いた。また，海洋生物の光合成能を刺激する Feの有用性が，大気中の CO2濃度変化と関連して類に関して， Hutchinsらは珪藻 T
halassiosiraweissflogii，Skeletonemacostatumと藍藻 Synechococcus属 の 2種によおり，地球の気候変動に影響を与えると論じた。これらの説がMartinの鉄仮説である。その後，生態系への影響を考慮合した Feを優先的に利用する Fe還元酵素システム(高等植した HNLC海域(東部赤道太平洋，南極海，西部北太平洋，物の Fe取り込み戦略 Iと類似)に依拠しており，原核生物東部北太平洋)への鉄 (FeS04酸性海水)散布実験が行われ，は六座配位子であるシデロホアを介して，細胞表面に存在すFe供給による微細藻類の増殖と表面海水の CO2分圧の減少が観測された。これらの実験により ，Fe不足が微細藻類のある(図1)。上記の生物群は，この Fe輸送配位子であるシデロホアを用いて，直接利用できない Fe種との結合および配位子交換反応を行うことで， Feシデロホア錯体を生成し，細胞内へと Feを取り込むメカニズムを有する。微細藻る実験から，真核生物は四座配位子であるポルフィリンと結るシデロホアレセプターにより Feシデロホア錯体を取り込増殖に対して制限因子であることは実証されたといえ，最近める(高等植物の Fe取り込み戦略 11と類似)のではないかと指摘している (7Lのアラスカ湾海域における鉄散布実験では，珪藻に加え円石一方， Trickら は 渦 鞭 毛 藻 の P
rorocentrum属 5種，珪藻の増殖が確認され，種組成の変化も追跡されている ω。し藻Thalassiosirapseudonana，緑 藻 Dunaliellatertiolectaから生産された Fe(III)リガンド(Iron‑complexingligands)を検出した(旬。最近の報告では，クリーン技術と合わせかし，人為的 Fe添加による自然サイクルへの影響，

CO2吸収後の固定炭素の行方などは明らかでなく，今後の大きな課題とされている。一方，海水中の Feスペシエーション(化学形態別定量)や， Fe有用性を左右する有機配位子の回収て， ChromeazurolS(CAS)assay法の改良，吸着カソー
ディックストリッピングボルタンメトリー (ACSV) の導178(b)

(a)

otyL
1:γ氏
自5一戸…が3、、‑H3 N 、一、ノ 、;:-N~(C~215 /(CH2)2;:-N~(C~215 / C H2)2

〆NHON‑'0HO0、(C~215 / H 3y‑HO0DesferrioxamineDesferrichromeの(γμx;!
。
弁Rhodotorulicacid(e)

ょ:
ィ:。
;
ぷ:;

Enterobactin

Mugineicacid
図 I 代表的なシデロホアの構造式. (a)Desferrichrome(菌類シデロホア，ヒドロキサメート型)， (b)Desferrioxamine (細菌c)Rhodotorulicacid (菌類シデロホア，ヒドロキサメート型)， (d)Enterobactin(大腸シデロホア，ヒドロキサメート型)， (菌シデロホア，カテコール型)， (e)Mugineicacid(イネ科植物シデロホア).

入により，緑藻Closteriu
maciculare，Oltmannsiellopsis

衝剤および金属キレーターについて改変し(改変 IHN培v
ir
idis，
Scenedesmusi
ncr
assatulus，ラフィド藻 C
hattonellaantiqua，Heterosigmaa加 shiwo， ク リ プ ト 藻 Rhodomonas
milianiahux
leyi，Gephyrocapsaoceanicaov
alis，ハプト藻 Eについても， Fe(III)リガンドを生産することが示唆された
e(III)リガンドについては，構造および Fe併問。これらの F地)， CASassay法を実施したところ， 16種の真核微細譲取り込みに対する機能は明らかにされておらず，シデロホア類(ラフィド藻 6種，渦鞭毛藻 3種，緑藻 l種，クリプト寵1種，珪藻 2種，ユーグレナ藻 1種，ハプト藻 2種)によるFe(III)リガンドの生産が確認できた。海洋微細藻類によるFe要求量は，藻種(特に沿岸種と外洋種)，細胞サイズにより異なるので (14)，Fe取り込み機構を解明するためには，数であるか否かは定かでない。だが，鉄不足条件下における各1ι12)，藻種の増殖とリガンド濃度との関係は示されており (8，長年に渡って広範な海洋微細藻種の培養に適する人工合成培シデロホアである可能性も考えられる。真核微細藻類による地の開発が試みられてきた。しかし，これまでに創案された多くの藻種におけるデータの蓄積が必要である。それゆえに，Fe取り込み機構に関しては，藻類の種レベルあるいは属レ人工合成培地では，海洋微細藻類の多くは増殖不可能であり，ベルで異なる可能性がある。環境水中の Feスペシエーションに影響を及ぼす，これら Fe(III)リガンドの構造解析およ

Fe取り込みに関する報告例は数種(主に珪藻)に限られていた(14)。培地中の化学形態が把握でき，多種の海洋微細藻び特性の解明が望まれる。

類の無菌培養が可能な人工合成培地の登場は画期的であり，7種に対して近年，我々の研究グループは，海産赤潮寝 1
良好な増殖を得られる人工合成培地 (IHN培地)を開発した(13)。この培地を Fe利用能に関して検討できるよう，緩Feをはじめとする栄養要求性の検討に極めて有効であることから，真核微細藻類による Feの取り込み機構および Fe不足環境下における適応戦略に対する研究において，今後の飛179

V/光分解待F酸化的環境﹀一H
e一OF一副存一 該 今Y
溶一働く一 組⁝一 ﹁i官同;
l.
/hv

ν

還元的環境

[Fe+] [Fe+]3

有機態

3[Fe‑L]FeO(OH)

Fe203

堆積物

図 2 海水中の F巴取り込みと赤潮発生メカニズム

2溶解

海底

L，有機配位子 ;R，欽還元酵素 ;X，シデロホアレセプタ ー躍的な進展が期待できる 。

いことから，底層水中もしくは海底堆積物表面に存在する難溶性 F巴が大量増殖 に重大な役割を果たしてい る と推定でき

赤潮発生と鉄との関係

SA)， クエン酸 (CA)る。 また ，有機配位子 (サリチル酸 (赤潮は，微細藻類の増殖に好適な環境， 一般に富栄養化しおよび EDTA) を用いて ，有機 Fe錯体の増殖に対する影響た沿岸水域において発生し，著しく高し 3密度まで増殖 した結を検討した 。 その結果，F巴添加のみ(培地中で Fe(OH)?
+，970年代からの赤潮藻類に対果生じる海の着色現象である 。 1F巴(OH)3'Fe(OH)4 として 溶存)と比較した場合，サ リチ ルii境条件についての研する生理，生態，生活史および、水域の E酸存在下 (F巴(SA)ょ として 溶存)に おいて ，緑謀 O.v
iridis

究成果により ，その発生機構の解明が進んで、いる 。河川￨からおよびハプ ト藻 Cr
icosphaeraroscoflens
isの増殖促進が確認

eのの流入や，雨水，堆積物の溶解などによって 一 時的 な F

Fe?
(OH)?
(CA)?
2 として溶存)におでき， クエン酸存在下 (大宜供給が起 こり，赤潮藻類の大量発生に影響を及ぼす可能.akαshiwo，渦鞭毛諜 H.triquetra，ユー
いては，ラフィ ド藻 H性がある 。最近の報告では， ブルーム(微細務類の大量発生)

グレナ説 Eutreptiellagymnasticα， ハ プ 卜藻 C.roSc̲o
酔 nsis仁￨
二Iの Feスペシ エーションをサイズ日JIにiJlJ定する ことにより，の増殖促進が見られた (18)0 EDTA添加1(主に FeOHE
DTA

e濃度とブルームとの関係が示されている (15)。 しかし，こ各Fと して溶存)では， ラ フ ィ ド 藻 の Ch
attone/laantiqua，C.
marina，C.ov
ata，C.v
erruculosα，Fibrocapsαjaponica，H.
akashiwo，渦 鞭 毛 藻 H.tJ
匂uetra，K.mikimofoi， ユ ー グレ.gymnasticα，ハ プ ト藻 仁 roscoffensisの増殖促進がナ藻 E示された (18)。 さらに，各キレ ー ト培地 中で F巴濃度に対 してれらの供給された F巴の赤潮藻類による取り込みメカ ニズ ムについては不明である 。赤潮が頻繁に発生している沿岸域では，全 Fe濃度および懸濁態(コロイド態 +粒子態 )Fe濃度が高く，また ，海水lt
こ!の溶存態 F
eの 99% 以上が有機配位子と結合 した有機 Fe錯体であることが明らかにされている (3.16)。

2

有機配位子濃度の割合を変化 させた場合(Fe錯体 および他

改変 IHN 培地を用いた 14 種の赤 ì~QJ 原因藻類による Fe 添の金属錨体の占有率が変化 )，赤潮藻の 最大増殖量だけでな

加培養実験では，難溶性の FeSが， ク リプ ト藻 Rhodomonas

く増殖速度の変化 が認められた (18)。 これらの結果から，多terocα:psαcircularisquamα，Kareniaovalis， 渦 鞭 毛 藻 Hemikunot
oiの 増 殖 に 利 用 さ れ た 。 さらに ， 難 溶 性 の FeP04
が，こ れら 3藻種に加えて，ラフィ ド藻 H.akashi
Hノ0，渦縦毛謀 Heterocapsatriquetrα， 珪 藻 Dity/ul11 brightwelliiの僧殖に利用される こと が確認できた(17)。難溶性 F巴を利用 した
これらの赤潮藻は鉛直移動できる生態il攻略を有する種が多くの赤 i
MJF
J!類は有機態 F巴を増殖に 利用し，その増殖は有機配位子の臨類だ けではなく，配位子濃度による金属スペシエー ションの変化か らも影響を受けることが示された 。 これらはいずれも ，沿岸海水中で、 Feと錯生成する有機物の存在が，赤潮￨発生と大きく関与していることを示唆している 。現在までの研究結果と海水中の Feの化 学形態から Feを通し180た赤潮藻の増殖メカニズムは図 2のように考えられる。
赤潮形成には，その大量増殖を支えるだけの栄養塩の供 給 が 必 要 で あ る 。 武 田 は Fe‑EDTA添 加 に よ り ， 珪 藻(C加etocerosspp.が優占種)による栄養塩(珪酸塩/硝酸塩，珪酸塩/リン酸塩)消費比率が変化することを示している(19)。
赤潮藻類の増殖における Feと栄養塩との関係についても興味深いところであり，取り組まなければならない大きな課題である。

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