地球の生物圏では、環境と生物（動物、植物、微生物）の相互作用によって水、炭素、窒素など生物の生命維持と活動に重要な物質が循環しています。人間の活動は地球規模での生態系の物質循環に影響を与え、環境問題を引き起こすこともあります。また、物質循環に関わる土壌に生息する微生物（細菌、古細菌、菌類）は生態系に欠かせない存在であり、食糧となる植物への栄養供給にも深く関わっています。
本研究室では、微生物を利用した土壌、火山灰堆積物、水圏における生態系の環境問題の解決を目指し、マクロからミクロまで生態系に関わる機能解明に向けた研究に取り組んでいます。
茨城大学付属国際フィールド農学センター圃場における研究
・バイオ炭施用農耕地における土壌微生物生態系解析
バイオ炭（肥料）を農耕地にすき込むと土の粒度や密度、通気性などが変化し、有機物分解や土壌物質循環機能に影響を及ぼします。バイオ炭は近年注目されている肥料です。通常なら有機物分解を経て温室効果ガスに変化する物質を炭化し埋めることで大気中の二酸化炭素を地中に固定することができ、土壌改善や温室効果ガスの削減にもつながります。このバイオ炭を農耕地に施用した土壌中において、微生物が有機物分解する過程で生成する温室効果ガスの発生機構を明らかにする研究を行っています。・バイオ炭施用農耕地土壌の微生物群集構造解析
バイオ炭は土壌に炭素を蓄えることができ、大気中の二酸化炭素を削減する方法の一つとして注目されています。また、土壌pHの上昇や水はけや水の保持能力の向上など土壌の質を改良する効果があることが知られています。本研究では、バイオ炭が農耕地土壌の土壌粒子や微生物群集にどのような影響を及ぼすのか調査します。・バイオ炭投入初期土壌における亜酸化窒素ガス（N₂O）消費微生物の分離培養
温室効果ガスの１つであり、オゾン層破壊物質でもあるN₂Oは、二酸化炭素の約273倍の地球温暖化係数であり、大気での半減期が109年であるため、大気中の₂O濃度の上昇は気候変動に強く影響を及ぼします。人為的N₂O排出のうち農業生産が82％を占めており、特に畑地に施用した窒素肥料は微生物反応で窒素形態が変換され、主に硝化と脱窒のプロセスでN₂Oが生成されます。本研究では、農耕地土壌へのバイオ炭投入が土壌微生物群集構造や土壌の物質循環に及ぼす影響および土壌微生物によるN₂O消費のメカニズムを明らかにすることを目的としています。そのためにバイオ炭施用土壌からミクロコズムを作製し、N₂O還元細菌の分離、培養を目指しています。
霞ヶ浦流域における研究
・富栄養湖霞ヶ浦（北浦）における窒素循環を駆動する微生物の群集構造解析
全国第２位の面積を誇る霞ヶ浦には上流河川や大気中から多くの無機窒素が入り込んでいることが明らかになっています。これらの無機態窒素が湖沼に蓄積すると富栄養化などの環境問題を引き起こします。霞ヶ浦に入り込んだ窒素は微生物の代謝によって形を変えながら循環しその一部は大気中へ放出されます。本研究は霞ヶ浦の窒素循環系とそれを駆動する微生物を明らかにすることを目的としています。
火山島の初成土壌形成に関わる微生物生態系の解析
・西之島火山灰堆積物における微生物群集構造解析
2020年に巨大噴火を起こした西之島では、噴火の影響で島の生態系はリセットされてしまいました。土壌中の微生物たちは生態系の再構築に重要な役割を果たしています。現在も活動的な西之島において微生物たちが土壌形成や一次遷移にどのような働き、役割を持ち、相互作用しているのかについて研究を行っています。
・三宅島火山灰堆積物上に繁茂するハチジョウススキの根域圏微生物群集解析
三宅島雄山山頂では2000年に巨大噴火が起き、多量の火山灰が堆積しました。三宅島の火山灰堆積物は生物の生存に不可欠な窒素の含有量が少ないという特徴がありますが、噴火から約20年が経過した現在はハチジョウススキの生育が確認されています。本研究では、窒素循環に関わる細菌を分離培養してその活性を調べることで、火山灰堆積物中およびハチジョウススキ根域圏の窒素循環プロセスを明らかにすることを目的としています。
文化財表面に着生する微生物群集の分子生物学的解析
文化財は、観光資材として利用に伴う人為的な環境の変化によって、本来発生することのない微生物が発生してしまいます。近年では、微生物が文化財表面で生育することにより、文化財の劣化や崩壊が問題となっています。貧栄養な環境においてなぜ微生物の生育可能かを明らかにし、文化財のあるべき姿を保ち、持続可能的な活用に向けて取り組んでいます。