(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
海洋生態系を構成する動物プランクトンの増殖速度を考慮して、栄養塩を海水中に添加することにより該海洋生態系に意図的な変化を発現させる海洋生態系の制御方法であって、
前記動物プランクトンが糧を欲する時期に、消費されるであろう量の植物プランクトンが増殖するような添加時期のパターンを設定し、該添加時期のパターンに従い前記栄養塩を海水中に添加することを特徴とする海洋生態系の制御方法。
【請求項２】
前記動物プランクトンの増殖速度を考慮して、前記栄養塩の１回当たりの添加量および添加の周期を設定することを特徴とする請求項１に記載の海洋生態系の制御方法。
【請求項３】
前記栄養塩に、少なくとも窒素が含まれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の海洋生態系の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ほとんど手付かずの状態にある遠洋を活用して水産資源のリサイクルを実現し、さらにその過程で地球環境を悪化させる諸要因の改善、ならびに水産資源の増産による食料問題の解決を図る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大量生産と大量消費に明け暮れた２０世紀型の社会構造が今、大きな問題を抱えて転換期を迎えている。２４時間休むことなく生産を続ける工場からは膨大な量の産業廃棄物や二酸化炭素が排出され、増え続ける大気中の二酸化炭素が地球温暖化の大きな要因となっていることはいまや疑いのない事実となっている。
【０００３】
生産された製品を消費する都市部からは消費の過程で大量の生活廃棄物や二酸化炭素が排出されている。生活廃棄物は焼却処分される過程でさらに二酸化炭素を排出している。また、都市部からは生活排水や人間の排泄物が排出され、処理施設を経て河川や沿岸海域に投棄されている。これらは、浄化処理を受けた後であっても当該水域の水質を著しく汚染している。
【０００４】
さらに、２０世紀型の社会構造は先進国と発展途上国との間に生活水準の格差を生み、一方では過剰な食料が消費されることなく廃棄され、他方では飢えと貧困が蔓延するといった状況が改善されることなく続いている。
【０００５】
上記のような諸問題を解決するには、従来の一方通行型の社会構造を改め、地球規模で循環型の社会構造を構築する他なく、実際にあらゆる分野においてその取り組みがなされている。
【０００６】
このような諸問題を解決するべく、本発明者らはその可能性を遠洋に求めた。ここでいう遠洋とは、陸地の周縁にある大陸棚の外側に位置し、その水深は大陸棚よりも深く、典型的には水深２００ｍ以上の海域を指す。
【０００７】
いうまでもなく、地球はその表面積の約２／３を海で占められているが、海の約９０％にあたる遠洋の利用はまったくといってよいほどなされていない。一例を挙げると、遠洋における水産資源の生産量は海全体から得られる生産量の約０．８％にしかすぎないのである。
【０００８】
遠洋において水産資源の生産量が乏しい理由は、海洋生態系における食物連鎖と水深とに密接に関係している。海洋生態系における食物連鎖は、まず、植物プランクトンが窒素やリン、ケイ素、さらには鉄やビタミン等を栄養塩として取り込みながら光合成することによってなされる一次生産から始まる。この一次生産者を食植動物プランクトンが捕食し、この食植動物プランクトンを肉食動物プランクトンが捕食する。この肉食動物プランクトンを小型の肉食動物が捕食し、さらにこの小型の肉食動物を大型の肉食動物が捕食する。そして、これら肉食動物の命が絶えるとその体は微小な水生生物によって分解され、植物プランクトンにその糧となる栄養塩を供給することとなる。
【０００９】
ここでポイントとなるのは、一次生産の過程で植物プランクトンが上記各種の栄養塩と日光とを必要とする点である。こういった栄養塩は海底の土壌や大小海洋生物の死骸から供給されるので、海底に豊富に存在している。また、太陽光線は水の透明度にもよるが水深２００ｍ程度まで、つまり大陸棚の端あたりまでは届くとされている。そのため、大陸棚よりも手前の比較的浅い近海では一次生産が活発に行われ、海洋生態系が健全に維持されている。
【００１０】
しかしながら、大陸棚よりも水深の深い遠洋は、比較的浅い近海とは異なり、栄養塩の豊富に存在する深層域と日光の届く表層域とが遠く離れて存在するので、そのいずれにおいても一次生産がほとんどなされない。そのため、上記のような海洋生態系が確立されず、水産資源が枯渇するのである。
【００１１】
本発明者らはこのような遠洋の状況を知見したうえで、次のような提案を既に行っている。その提案とは、焼却されるかあるいは廃棄されるがままの生活廃棄物や生活排水、排泄物等の排出物を原料として栄養塩を生産し、該栄養塩と大気中に排出された二酸化炭素とを元に、いまだ手つかずの状態にある遠洋において海洋生態系を確立し、該海洋生態系の循環の過程で生産される水産資源を収穫し、該水産資源を消費した後に出る排出物を回収し、該排出物を原料として再び栄養塩を生産するというものである。
【００１２】
この提案によれば、社会から出される排出物を再利用してそれらの一方的な廃棄量を低減するとともに二酸化炭素の排出量を低減して、地球環境を悪化させる諸要因の改善を図り、さらにこれらを元に遠洋において生産される水産資源によって地球規模での食料問題の解決を図ることができる。
【００１３】
上記のような水産資源のリサイクルを実現するためには、遠洋における海洋生態系を制御することが非常に重要となる。海洋生態系とは、遠洋という未利用の空間に構築され、排出物（から生産された栄養塩）や二酸化炭素を原料として食料となる水産資源を生産する自然の工場と位置づけられるが、その働きを意図的に操り、生産性を向上させられるようになれば、より多くの排出物や二酸化炭素を低減するとともに、より多くの水産資源を生産することができるからである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ひとくちに海洋生態系の生産性を向上させるといっても、その実現は簡単なものではない。海洋生態系は、数多くの影響因子が複雑に絡み合って構成されているため、このいわば複雑系である海洋生態系において、いずれの影響因子がその制御を可能にするのかを特定するのは非常に難しいのである。しかしながら、影響因子として有力な候補がないわけではない。そのひとつが、先にも述べた栄養塩である。ただし、海洋生態系にむやみに栄養塩を投入しても、それが植物プランクトンの糧とはならないまま散逸してしまったり、海洋生態系の調和を乱して崩壊を引き起こしたりする可能性がある。
【００１５】
本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、海洋生態系の制御を可能にする影響因子として、海洋生態系の一次生産者である植物プランクトンの盛衰のキーとなる栄養塩に着目し、栄養塩による海洋生態系の制御の仕方を確立することによって海洋生態系のさまざまな生産性を高め、これによって水産資源のリサイクルを可能にすることを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、海洋生態系を構成する動物プランクトンの増殖速度を考慮して、栄養塩を海水中に添加することにより該海洋生態系に意図的な変化を発現させる海洋生態系の制御方法であって、前記動物プランクトンが糧を欲する時期に、消費されるであろう量の植物プランクトンが増殖するような添加時期のパターンを設定し、該添加時期のパターンに従い前記栄養塩を海水中に添加することを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の海洋生態系の制御方法であって、前記動物プランクトンの増殖速度を考慮して、前記栄養塩の１回当たりの添加量および添加の周期を設定することを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２記載の海洋生態系の制御方法であって、前記栄養塩に、少なくとも窒素が含まれることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
まず、本発明者らが実現を目論む水産資源のリサイクルについて図１を参照して説明する。まず、陸上に都市部等の消費地から排出される排出物を原料として栄養塩を生産する栄養塩生産プラント１を構築し、遠洋には自然の海底を模した海中構造物２や栄養塩撒布装置３を中心とする水産資源の生産基地を構築する。そして、両者間に栄養塩や水産資源の輸送機器として輸送船４，５を運行する。
【００１９】
栄養塩生産プラントには、都市部等の消費地から様々な種類の排出物が集積される。ここでいう排出物には２種類あり、ひとつは生ゴミ、流通の過程で価値を失った生鮮品、商品としての価値を得られなかった農林水産の各作物、生活排水、人間の排泄物等のように有機物を多く含むもの、もうひとつは鉱工業の生産の現場から排出される余剰の物質（ケイ素、鉄等）である。
【００２０】
栄養塩生産プラント１では、これらの排出物を原料として窒素やリン、ケイ素、鉄やビタミンといった原子レベルの栄養塩が生産される。また、栄養塩生産の過程でいくつかの副産物が得られるので、そのなかで有用なもの（例えばメタンガス）はプラント内の動力やその他のエネルギー源として利用される。
【００２１】
生産された栄養塩は、液状、ゲル状、スラリー状に加工されるか、カプセルに詰められるかして輸送し易い形態とされ、輸送船に積み込まれて遠洋の生産基地に向け輸送される。なお、栄養塩をカプセルに詰めるのには蒔かれた後の拡散の仕方をコントロールする意味も込められている。
【００２２】
海中構造物２は、太陽光線が届く表層域に人工の海底を形成するように構築される。具体的には、海水に浮かぶ浮力を備える巨大な構造体６を、本来の海底に固定したアンカーケーブル７で係留して海中に浮遊させたり、本来の海底から表層域に向けて立設した長大な基礎杭の先端に巨大な構造体（浮力を備える必要はない）を設置したりする。
【００２３】
海底を模す構造体６には、魚礁のような水産資源の定着を促す設備が設置される。また、必要があれば構造体６の周囲に泡や音波を利用して魚を囲い込む設備が設置される。さらに、海中構造物２にはそれ自体の維持管理、海中での位置保持、安全性の確保のために様々な設備が設置される。これに加え、海中構造物２には、海中での居住を可能とし海洋観測や海中での基礎研究の場として機能する研究施設を設けることも可能である。
【００２４】
生産基地内の海域には、海中構造物２やその他の設備を管理し生産基地内の海洋生態系の状態を監視する役割を担うとともに、洋上に海洋科学研究の場を提供する研究観測船８が配置される。
【００２５】
栄養塩撒布装置３は、栄養塩の各種形態や生産基地内の海域の状態、確立すべき海洋生態系の構造等に適した撒布を行うべく構成され、洋上に別個に設置されたり、輸送船や専用の船舶に設置されたりする。
【００２６】
輸送船４が生産基地に到着すると、栄養塩が撒布装置３に受け渡され、海中に向けて栄養塩が撒布される。栄養塩の撒布に前後し、生産基地内の海域には、海洋生態系の一次生産者となる植物プランクトンが必要に応じて放流される。さらに、海洋生態系の各段階を構成する食植動物プランクトン、および肉食動物プランクトンの各種プランクトン、これらを捕食する大小肉食動物の稚魚が必要に応じて放流される。
【００２７】
栄養塩が撒布された海域では、植物プランクトンの増殖が始まり、これを契機として当該海域に海洋生態系における食物連鎖が確立される。まず、一次生産者である植物プランクトンが、窒素やリン、ケイ素、さらには鉄やビタミン等の栄養塩を供給されることで活発に光合成し、大気中に放出されて海水に溶け込んだ二酸化炭素を吸収して酸素を放出する。
【００２８】
この一次生産者を食植動物プランクトンが捕食し、この食植動物プランクトンを肉食動物プランクトンが捕食する。この肉食動物プランクトンを小型の肉食動物が捕食し、さらにこの小型の肉食動物を大型の肉食動物が捕食する。
【００２９】
このように、海洋生態系における食物連鎖が確立されることで、生産基地内の海域は、水産資源が豊富に存在する豊かな環境へと変貌し、海中構造物２によって再現された海底に多くの魚介類が群れ、水生植物が繁茂するようになる。このようにして生産された多彩な水産資源は、種類に応じて適切な時期に適切な方法で収穫され、輸送船５に積み込まれて都市部等の消費地に向け輸送される。なお、消費地は陸上だけに限らず、洋上に建設された海上都市や船舶等、人間が居住する場所すべてを含む。
【００３０】
陸揚げされた水産資源は適宜加工され、市場経済の流通に乗って消費される他、発展途上国にも供給されて食糧不足の解消に寄与する。なお、水産資源は収穫されたままの状態で陸揚げされるだけでなく、輸送の過程で適宜加工される場合もある。
【００３１】
水産資源を消費した後に出る生ゴミ等の排出物は上記したその他の排出物とともに回収され、栄養塩生産プラント１に集積されて栄養塩の原料となる。生産された栄養塩は上記のごとく遠洋に輸送され、海洋生態系をなる一次生産者の糧として再利用される。
【００３２】
以上のようにして水産資源のリサイクルを実現することにより、現在までほとんど手付かずの状態にあった遠洋を有効に活用し、従来は焼却されるかあるいは廃棄されるがままであった生活廃棄物や生活排水、排泄物等の排出物を再利用して一方的な廃棄量を低減するとともに、大気中の二酸化炭素の量を低減することができ、これによって地球環境を悪化させる諸要因の改善を図ることができる。
【００３３】
それでは、上記のような水産資源のリサイクルを実現するために、如何にして海洋生態系を制御すればよいのか。
栄養塩が海洋生態系に大きな影響を与えるであろうことは先にも述べた通りである。ここで、海洋生態系を一般的な食物連鎖のピラミッドで考えると、その底辺をなす植物プランクトンの固体数や増殖のタイミング等は、糧となる栄養塩の供給に大きく依存すると考えられ、海水中に存在する栄養塩の成分や成分比率が変化すると、これを糧とする植物プランクトンの固体数や増殖率、増殖のタイミング等が変化し、植物プランクトンの上位の存在である動物プランクトン、さらにピラミッドの頂上に位置する大小の肉食動物に何らかの変化が現れるであろうことは容易に想像できる。
【００３４】
とすれば、植物プランクトンのみならず、動物プランクトンや大小肉食動物の増殖速度を考慮し、それらの食物連鎖の連係を検討したうえで、海洋生態系の確立を目指す海域の海水中に存在する栄養塩の成分や成分比率を変化させれば、海洋生態系に意図的な変化を発現させることが可能である。
【００３５】
以下では、栄養塩として窒素を選択し、海洋生態系の確立を目指す海域の海水中への添加の仕方を３つのパターンに分けて設定し、各パターンに従いある期間にわたって添加を続けた場合の海洋生態系の変化を観察した。
【００３６】
図２は、１日に１回、１μＭ（マイクロ-モル）の窒素を投入するパターンを設定し、さらに１年の期間を設定して継続的に投入を行った場合、その期間に植物、動物の各プランクトンおよび肉食動物である魚の量がどのように変化するかを示す。なお、それぞれの量は生物資源量（単位容積当たりに物体量）で表してある。
【００３７】
この投入パターンを採用すると、調査期間の初期の段階で植物プランクトンが増殖し、増殖したプランクトンを捕食して動物プランクトンが増殖する。動物プランクトンの増殖により、その糧となった植物プランクトンの量は当初の量からは少し減少するが、調査期間の中期を過ぎると多少の増減はあるものの安定して推移する。また、増殖した動物プランクトンの量も、植物プランクトンの供給を受けて安定して推移する。魚は、増殖速度が遅いために植物プランクトンや動物プランクトンに遅れて増殖するが、中期に入ると動物プランクトンの安定的な供給を受けて量を急激に増し、末期には魚の量が飛躍的に拡大する。
上記のような投入パターンを採用した場合には、食物連鎖の連係が良好に進行し、水産資源として期待する魚の量が増す。
【００３８】
図３は、７日に１回、７μＭの窒素を投入するパターンを設定し、１年間継続して行った場合の変化を示している。
この投入パターンを採用すると、初期の段階で植物プランクトンが増殖し、増殖したプランクトンを捕食して動物プランクトンが増殖するが、植物プランクトンの増殖が動物プランクトンの増殖に間に合わず、植物プランクトンが枯渇してしまう。そのため、植物プランクトンの枯渇に間をおかず動物プランクトンが死滅してしまう。魚は、初期の動物プランクトンの増殖によりわずかに量を増やすが、動物プランクトンが死滅した後は増加することなく推移する。
上記のような投入パターンを採用した場合には、植物、動物いずれのプランクトンも枯渇または死滅してしまい、それを糧とする魚もわずかしか生息しなくなって海洋生態系は崩壊してしまう。
【００３９】
図４は、２８日に１回、２８μＭの窒素を投入するパターンを１年間継続して行った場合の変化を示している。
この投入パターンを採用すると、窒素を投入する度に植物プランクトンが爆発的に増殖するが、盛衰の期間があまりに短いために動物プランクトンが増殖できず、初期の段階から死滅に近い状態となる。魚も、動物プランクトンの供給を受けられずに極々少量を維持するのみとなる。
上記のような投入パターンを採用した場合には、窒素とともに海水に溶け込んだ二酸化炭素を吸収して増殖した植物プランクトンが動物プランクトンの糧となることなく枯死し、その亡骸が海底に沈降するため、固定された二酸化炭素が動物プランクトンや魚の呼吸によって排出されることがない。これにより、大気から海水に溶け込んだ二酸化炭素が、植物プランクトンを媒体として海底に固定化されることになる（この作用を”生物学的ポンプによる二酸化炭素の海洋隔離”という）。
【００４０】
上記の結果からわかるように、海洋生態系を構成する植物プランクトン、動物プランクトン、肉食動物としての魚、これら３つはそれぞれ増殖速度が異なり、糧となるもの、例えば植物プランクトンであれば窒素、動物プランクトンであれば植物プランクトン、魚であれば動物プランクトンを供給されるべき好適な時期も異なり、ライフサイクルも異なる。
【００４１】
したがって、動物プランクトンが糧を欲する時期に、消費されるであろう量の植物プランクトンが増殖するように、栄養塩を海水中に添加してやれば、増殖した植物プランクトンを動物プランクトンが捕食して増殖し、これを糧にして魚が増殖するという拡大傾向の強い食物連鎖が生まれ、これを連続的に実施すれば、ライフサイクルの長い魚の量が累積的に増加する。
また、糧となるものを供給する時期を意図的に外してやれば、食物連鎖の連係が断たれてしまい、通常の海洋では起こりえないような、海洋生態系の崩壊や、極端な量の二酸化炭素の固定化が起こる。
【００４２】
ところで、栄養塩の種類については、窒素に限らず、対象となる海域に既存の栄養塩の成分やその濃度をもとに選択すべきである。例えば、海水中には窒素とリンが１６：１の比率で存在していることが望ましいとされるが、窒素が比較的多く存在し、リンが不足しがちな海域に対してはリンを選択すべきである。
また、ケイ素、鉄やビタミン等も海洋生物に必要不可欠な要素であり、これらを栄養塩として選択することも有効である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、生物の増殖速度を考慮し、栄養塩の１回当たりの添加量および添加の周期を設定することにより、海洋生態系のさまざまな生産性を高め、これによって水産資源のリサイクルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  水産資源のリサイクルシステムを示す図である。
【図２】  １日に１回、１μＭの窒素を投入するパターンを１年間継続して行った場合の植物、動物の各プランクトンおよび魚の生物資源量の変化を示すグラフである。
【図３】  ７日に１回、７μＭの窒素を投入するパターンを１年間継続して行った場合の植物、動物の各プランクトンおよび魚の生物資源量の変化を示すグラフである。
【図４】  ２８日に１回、２８μＭの窒素を投入するパターンを１年間継続して行った場合の植物、動物の各プランクトンおよび魚の生物資源量の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１      栄養塩生産プラント
２      海中構造物
３      栄養塩撒布装置
４，５  輸送船
【図１】
0004274716.tif 000002
【図２】
0004274716.tif 000003
【図３】
0004274716.tif 000004
【図４】
0004274716.tif 000005