細菌の全球的なヨウ素生物地球化学循環における重要な多様な役割
ヨウ素（Iodine, I）は、人間の健康と環境にとって重要な微量元素です。それは人体の甲状腺ホルモン（例えば甲状腺ホルモンT4とトリヨードチロニンT3）の主要な成分であり、甲状腺機能に直接影響を与えます。しかし、世界では約19億人がヨウ素欠乏症（Iodine Deficiency Disorder, IDD）の影響を受けており、症状には甲状腺腫（Goiter）やクレチン病（Cretinism）が含まれます。塩のヨウ素添加や食品強化によってIDDを効果的に予防できますが、過剰なヨウ素摂取は甲状腺機能亢進症や低下症を引き起こす可能性があります。さらに、放射性ヨウ素同位体（例えば131Iと129I）は人間の健康に深刻な脅威をもたらし、特に核事故や核兵器生産過程で放出される放射性ヨウ素は甲状腺癌などの疾患を引き起こす可能性があります。
自然界では、ヨウ素は主にヨウ素酸塩（Iodate, IO3-）、ヨウ化物（Iodide, I-）、および有機ヨウ素（Organic Iodine, Org-I）の形で存在します。海洋は地球上のヨウ素の主要な貯蔵庫であり、地表のヨウ素の約70％が海洋に存在します。細菌はヨウ素の生物地球化学的循環において重要な役割を果たしており、ヨウ素酸塩の還元、ヨウ化物の酸化と蓄積、および有機ヨウ素の形成を含みます。しかし、細菌がこれらのプロセスで果たす具体的な分子メカニズムや、全球的なヨウ素循環における生態学的な重要性についてはまだ多くの未知の部分があります。したがって、本稿では、細菌がヨウ素の生物地球化学的循環において果たす重要な役割、特に近年の細菌が媒介するヨウ素変換の分子メカニズムに関する研究の進展を概説します。
論文の出典
本稿は、Zhou Jiang、Yongguang Jiang、Yidan Hu、Yiran Dong、およびLiang Shiによって共同執筆されました。彼らは中国地質大学（武漢）環境学院、生物地質と環境地質国家重点実験室、生態環境部水源汚染源特定と制御重点実験室、および長江流域環境水科学湖北省重点実験室に所属しています。論文は2024年8月30日に「Geo-Bio Interfaces」誌に掲載され、タイトルは「The Crucial and Versatile Roles of Bacteria in Global Biogeochemical Cycling of Iodine」です。
論文の主な内容
1. 細菌のヨウ素酸塩還元における役割
ヨウ素酸塩（IO3-）は環境中でヨウ化物（I-）よりも安定しており、細菌はヨウ素酸塩を還元することで環境中でヨウ化物を生成します。このプロセスは主に2つの経路で実現されます：直接還元と間接還元です。
直接還元：一部の細菌（例えばPseudomonas sp. SCTとDenitromonas sp. IR-12）は、ヨウ素酸塩還元酵素（例えばIdrABP1P2）を介して嫌気条件下でヨウ素酸塩をヨウ化物に還元します。IdrABはジメチルスルホキシド（DMSO）還元酵素スーパーファミリーに属し、モリブデンを補因子として必要とし、IdrP1P2はc型シトクロム（c-Cyts）です。還元プロセスでは、ヨウ素酸塩はまず次亜ヨウ素酸（Hypoiodous Acid, HIO）と過酸化水素（H2O2）に還元され、その後H2O2は水に還元され、HIOは非生物的な不均化反応によってヨウ化物とヨウ素酸塩に変換されます。
間接還元：鉄還元細菌（例えばShewanella oneidensis MR-1）と硫酸塩還元細菌（例えばDesulfovibrio sp. B304）は、その還元生成物であるFe(II)と硫化物を介して間接的にヨウ素酸塩を還元します。Fe(II)と硫化物は非生物的条件下でヨウ素酸塩をヨウ化物に還元します。このプロセスは、鉄と硫酸塩が豊富な環境、特に地下水中で重要です。
2. 細菌のヨウ化物酸化における役割
細菌は好気的条件下で多銅ヨウ素酸化酵素（Multicopper Iodide Oxidase, IoxAC）を介してヨウ化物を分子ヨウ素（I2）に酸化します。さらに、アンモニア酸化細菌（例えばNitrosomonas sp. NM51とNitrosococcus oceani NC10）は、アンモニア酸化酵素を介してヨウ化物をヨウ素酸塩に酸化します。細菌が生成する活性酸素種（例えばスーパーオキシドとH2O2）も、非生物的条件下でヨウ化物を三ヨウ化物（I3-）に酸化することができます。
3. 細菌のヨウ化物蓄積における役割
一部の細菌（例えばArenibacter sp. Strain C-21）は、細胞外バナジウムヨウ素ペルオキシダーゼ（Vanadium Iodoperoxidase）を介してヨウ化物を次亜ヨウ素酸（HIO）に酸化し、その後HIOを細胞内に蓄積します。このプロセスは、人間の甲状腺細胞がヨウ素を蓄積するプロセスに似ており、細菌が微生物病原体に対する防御メカニズムとして機能する可能性があります。
4. 細菌の有機ヨウ素形成における役割
細菌はメチルトランスフェラーゼ（Methyltransferase）を介してヨウ化物を有機ヨウ素（例えばCH3I）にメチル化します。さらに、細菌はヨウ化物酸化プロセス中にさまざまな有機ヨウ素化合物を生成します。これらの有機ヨウ素化合物は海洋と陸地環境に広く存在し、全球的なヨウ素循環に重要な影響を与えます。
論文の意義と価値
本稿は、細菌がヨウ素の生物地球化学的循環において果たす重要な役割、特に近年の細菌が媒介するヨウ素変換の分子メカニズムに関する研究の進展を体系的に概説しています。細菌がヨウ素酸塩還元、ヨウ化物酸化と蓄積、および有機ヨウ素形成において果たす具体的なメカニズムを明らかにすることで、全球的なヨウ素循環の理解に新たな視点を提供します。さらに、本稿は現在の研究における重要な知識のギャップ、例えばヨウ素酸塩還元細菌、鉄還元細菌、および硫酸塩還元細菌のヨウ素循環における生態学的な重要性、およびヨウ化物酸化細菌が化学独立栄養成長を通じてエネルギーを獲得できるかどうかなどを指摘しています。今後の研究では、これらの問題をさらに探求し、全球的なヨウ素循環の理解を深め、汚染地における129Iの生物地球化学的運命と輸送を予測するためのモデルを提供する必要があります。
研究のハイライト
- 分子メカニズムの解明：本稿は、細菌がヨウ素酸塩還元、ヨウ化物酸化と蓄積、および有機ヨウ素形成において果たす分子メカニズム、特にIdrABP1P2とDmsEFAB/MtrCABがヨウ素酸塩還元において果たす具体的な役割を詳細に説明しています。
- 生態学的な重要性の探求：本稿は、細菌が全球的なヨウ素循環において果たす生態学的な重要性、特に海洋と地下水システムにおける重要な役割を強調しています。
- 知識のギャップの指摘：本稿は、現在の研究における重要な知識のギャップを指摘し、今後の研究の方向性を提供しています。
結論
細菌は全球的なヨウ素の生物地球化学的循環において重要な役割を果たしており、ヨウ素酸塩還元、ヨウ化物酸化と蓄積、および有機ヨウ素形成などの多様な経路を通じてヨウ素の循環に影響を与えます。本稿は、近年の細菌が媒介するヨウ素変換の分子メカニズムに関する研究の進展を概説し、現在の研究における重要な知識のギャップを指摘しています。今後の研究では、これらの問題をさらに探求し、全球的なヨウ素循環の理解を深め、汚染地における129Iの生物地球化学的運命と輸送を予測するためのモデルを提供する必要があります。