本研究では、低酸素環境における脱窒が窒素酸化物の中間体（亜硝酸や一酸化窒素）の蓄積を増加させ、微生物集団の進化的潜在力に与える影響について調査しました。Paracoccus denitrificansをモデル微生物として実験を行い、実験室内の培養と個別ベースの計算モデルを組み合わせて解析しました。その結果、低酸素環境下では亜硝酸や一酸化窒素の蓄積が増加し、これらの中間体が低pH条件下での細菌の成長に悪影響を与えることが確認されました。 特に、この環境下では細菌がバイオフィルムやコロニーを形成する傾向が見られ、これにより中間体の局所的な蓄積がさらに促進されました。バイオフィルムやコロニー形成によって細菌はより高密度に集まり、これが集団内の細胞間相互作用を活性化し、遺伝的多様性を保持しやすくすることが示されました。結果として、初期集団からの遺伝的多様性が高まり、自然選択の対象となる遺伝的ターゲットが増加し、進化的潜在力が高まることが明らかになりました。 この研究は、低酸素環境における脱窒が微生物のバイオフィルム形成やコロニー形成といった集団行動に影響を与え、窒素酸化物の蓄積が進化的プロセスに与える影響を解明する重要な知見を提供します。これにより、自然および人工環境における窒素循環の制御や微生物集団の管理に有用な情報が得られます。

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本研究では、好気性アンモニア酸化細菌であるNitrosomonas europaeaの細胞がバイオフィルムおよび浮遊状態で増殖した際の、細胞外高分子物質（EPS）の産生とトランスクリプトーム応答について評価しました。N. europaeaは、窒素循環においてアンモニアを亜硝酸に酸化する役割を担い、特に下水処理において生物学的窒素除去の重要なステップとなります。本研究では、無機培地と有機培地（NR培地）を用い、細胞がそれぞれ浮遊およびバイオフィルムの形態で増殖することを確認しました。バイオフィルムモードでの増殖では、EPSの産生量が増加し、EPSの組成は赤外分光法（FT-IR）や核磁気共鳴（NMR）を用いて詳細に解析されました。

RNA-Seq解析により、バイオフィルムモードでは、アンモニアモノオキシゲナーゼ（amo）、ヒドロキシルアミンデヒドロゲナーゼ（hao）、銅含有亜硝酸還元酵素（nirK）など、窒素代謝に関与する遺伝子の転写量が増加していることが示されました。また、細菌の凝集形成に関与するpepAやEPSの移動を助けるwza遺伝子も、バイオフィルムモードで高い転写量が観察されました。これらの結果は、N. europaeaが環境条件に応じてEPS産生を調整し、効率的な窒素酸化活性を維持するための適応戦略を持っていることを示しています。この研究は、N. europaeaのバイオフィルム形成メカニズムを解明し、高密度細胞維持による窒素除去プロセスの効率化に貢献する重要な知見を提供します。

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