微生物マット（ストロマトライト）とは｜起源・構造・生態・応用

微生物マット（ストロマトライト）の起源・構造・生態・応用をわかりやすく解説。地球最古の生命から環境浄化・バイオテク応用まで最新知見を紹介。

微生物マットとは、主に細菌と古細菌を中心とした微生物の多層シートのことである。これらはパラケルスス（～1519年）によって最初に記述されましたが、その生態的・地球化学的な重要性が広く理解されるようになったのは主に20世紀後半以降である。微生物マットは、単なる「汚れ」や「ぬめり」ではなく、複数種の微生物が役割分担をして形成する複雑な生態系であり、物質循環や堆積作用に強い影響を与える。

生育環境と耐性

微生物マットは、主に水没または湿った表面で成長するが、いくつかは砂漠で生き残る。彼らは-40 °Cから+120 °Cまでの温度範囲で環境を植民地化します。少数は動物の内共生体である。一般に塩分やpH、金属濃度、乾燥などのストレスに対して高い耐性を示す種が多く、極端環境（高温湧水域、塩性潟湖、乾燥地表面）にも定着する。

構造と内部分布

通常、厚さは数ミリから数センチ程度であるが、場所によってはそれ以上にもなる。微生物マットは垂直方向に酸化還元勾配や栄養塩勾配を作り出し、その結果として物理化学的に異なる層に異なる微生物群集が棲み分ける。表層では光合成性のシアノバクテリアや藻類が優勢になり、その下では嫌気性硫酸還元細菌やメタン生成菌などが活動する。

湿った状態では、微生物が分泌するヌルヌルした物質（多糖類）によってマットは一緒に保持され、堅固なマトリックス（EPS: extracellular polymeric substances）を形成する。^{118; 1671-7 微生物の}一部は、マットをより丈夫にするフィラメントのもつれた網を形成することで、砂粒や炭酸カルシウムの粒子を捕捉・結合し、堆積構造を安定化させる。最もよく知られている物理的な形態は、ストロマトライトと呼ばれる平らなマットと柱状の堆積構造であり、これらは微生物の活動による堆積物のトラッピングや生体誘起沈殿によって成長する。球状やドーム状、パステル状の形態も存在する。

起源と化石記録

微生物マットは地球上で最も古い生態系形態の一つであり、化石記録は約35億年前（約35億年前の岩石に保存されたストロマトライト等）にまでさかのぼることができる。これらの堆積物は初期の生命活動の痕跡を残し、地球表層の酸素化や炭素循環に対する初期の影響を示している。

進化と地球環境への影響

初期の微生物コミュニティは、エネルギーや化学的な「食料」を得るために熱水噴出孔に依存していた可能性がある。しかし、光合成生物の出現と拡散に伴い、太陽光というより広く利用可能なエネルギー源が利用可能となり、微生物群集は熱水域の「ゲットー」から徐々に解放されていった。特に、の発展により、光合成が紫外線やその他の制限を乗り越えて普及し、最終的に酸素を産生する光合成（酸素発生型光合成）の進化が地球大気組成を大きく変えた。

この酸素発生は、地球化学や生物進化に決定的な影響を与え、酸素呼吸を行う新たな生態ニッチや真核生物の進化を促した可能性がある。ある時期には、すでにより複雑な多細胞構造や真核生物の基礎的な細胞構造が発展していたと考えられている。浅海底では、カンブリア紀以降に生物の掘削活動が活発になったこと（「基質革命」）で、浅瀬の安定したマットは破壊され、酸素を含む水が深層に流れ込み、酸素不耐性の微生物の生息域を狭めた。しかし、岩礁性の海底や海岸、塩分濃度の高いラグーンや汽水域、および深海底など、穴を掘ることが制限される環境では、現在でも豊富なマット生態系が維持されている。さらに、深海の海底に存在する化学合成生態系と連動するマットも報告されている。

生態機能と物質循環

微生物マットは炭素、窒素、硫黄、鉄などの元素循環において中心的役割を果たす。表層の光合成は一次生産を担い、有機物を供給する一方、下層では嫌気的過程（硫酸還元、メタン生成、脱窒など）が進行して有機物や栄養塩の再生を行う。こうした垂直分業により、マットは周辺環境の化学組成を局所的に大きく変化させる。

現存例と保全

現在、現生のストロマトライトや大規模な微生物マットは、オーストラリアのシャーク湾などの高塩分環境や、いくつかの汽水・塩湖、熱水泉の周辺で見られる。これらは学術的にも観光資源としても価値が高く、開発や観光、人為的な汚染からの保全が課題となっている。

応用と利用可能性

微生物マットは、ほとんど何でも栄養素として利用できるため、特に水処理や汚染の浄化などの工業的利用に大きな関心が寄せられている。具体的な応用例は以下のとおりである。

• 廃水処理・バイオフィルムを利用した有機物除去や窒素・リンの処理
• 重金属や有害物質のバイオレメディエーション（微生物による固定・分解）
• バイオ誘起沈殿を利用した炭酸カルシウムの生産や有用な鉱物の形成
• 地球環境史や古環境復元のための指標（ストロマトライト等の化石解析）
• 宇宙生命探査のモデル：極限環境での生命の指標としての利用

研究の最前線と今後の課題

近年はメタゲノム解析、メタボローム解析、微細構造観察技術の進展により、微生物マットの構成種、代謝ネットワーク、マイクロスケールの化学ダイナミクスが急速に明らかになっている。一方で、野外での長期モニタリングや人為的影響の評価、マットを用いたスケールアップ可能な技術の実現など、基礎と応用の両面で解決すべき課題が残る。

まとめると、微生物マット（ストロマトライトを含む）は、地球史的にも現代環境でも極めて重要な生態系であり、その理解は生物学・地球化学・環境工学・惑星科学など多分野にわたる貢献をもたらす。

質問と回答

Q:微生物カーペットとは何ですか?

Q:微生物マットを最初に説明したのは誰ですか?

Q:微生物マットはどのように形成されるのですか?

Q:微生物ワームはどのような物理的形態をとるのでしょうか?

Q: 地球上に微生物マットが出現したのはいつ頃ですか?

Q:現在、どこで見ることができますか?

Q:その工業用途は?

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