National Institute of Advanced Industrial Science and Technology

第11回 環境研究シンポジウム
水圏・海洋を巡る環境研究の最前線

海洋のリン循環に関する研究
鈴村 昌弘
産業技術総合研究所・環境管理技術研究部門
海洋環境評価研究グループ
2013年11月13日
Research Institute for Environmental Management andTechnology

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講演内容
1. リンとは？
2. リンの形態分別
3. 沿岸海域における陸起源有機態リン化合物の役割

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火星での発見！ Curiosity finds Mars has the right stuff for life.

March 12, 2013
PASADENA, Calif. ‐‐ An analysis of a rock sample collected by NASA's
Curiosity rover shows ancient Mars could have supported living
microbes.
Scientists identified sulfur, nitrogen, hydrogen, oxygen, phosphorus
and carbon ‐‐ some of the key chemical ingredients for life ‐‐ in thepowder Curiosity drilled out of a sedimentary rock near an ancient
stream bed in Gale Crater on the Red Planet last month.
探査ローバー ”Curiosity”、火星の岩石から生命に不可欠な元素、炭素、窒素、硫黄、水素、リン、酸素を検出

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講演内容

1.リンとは？
2. リンの形態分別
3. 沿岸海域における陸起源有機態リン化合物の役割

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リンとは？

その１ 地殻構成元素で11番目（一説には7番目）に豊富な元素である
 生命の維持に欠かせない重要な役割を果たしている
遺伝子を構成する核酸（DNA, RNA）
細胞膜を構成するリン脂質
細胞のエネルギー代謝をつかさどるポリヌクレオチド（ATP）
動物の骨・歯牙の主要成分（リン酸カルシウム＝アパタイト） すべての海洋生物（原核生物からクジラまで）は生命の維持にリンを必要とする。

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リンとは？

その2

植物プランクトン（A）と海水（B）中の元素の濃度
元素
Br （臭素）Cl （塩素）Na （ナトリウム）
Mg （マグネシウム）
S （硫黄）Ca （カルシウム）
K （カリウム）As （砒素）Zn （亜鉛）B （ホウ素）Mn （マンガン）
Cu （銅）Co （コバルト）O （酸素）C （炭素）N （窒素）P （リン）Si （ケイ素）a)Si （ケイ素）b)A
生体内濃度(g/100 g)
0.0025
430.4
1.0
0.5
1.0
0.0001
0.02
0.002
0.002
0.005
0.000054730
50.6
100.5B
B/A
海水中濃度
3(g/m )
66
26,40019,3004,825
10,750
3,583
1,300
3,250
900
900
416
832
390
390
0.02
150
0.05
2.5
0.01
2.5
0.01
2.5
0.01
2.0
0.00
2.0
90.0
1.9
28.0
0.93
0.30
0.06
0.03
0.05
0.50
0.05
0.50
1.0a) 珪藻類, b) 植物プランクトン平均
Millero (1996) Chemical Oceanography: Second Editionより

生物利用度の指標
高い値: 余裕あり
低い値: 枯渇気味

特に豊富な元素

海水中に少ないが、量的には足りている

多量に必要だが、足りている大変不足している！

窒素（N）とリン（P）が海洋の光合成生産を制限する最も重要な栄養塩である！
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沿岸海洋生態系におけるリンの循環過程 健全な環境

陸陸上生態系からの供給
人間活動による付加
取り込み

リン酸塩
溶出

水産資源

捕食

植物ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ

動物
ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ

無機化・再生

遺骸、糞粒

沈降

酸素消費

外洋へ分解・無機化
適度なリン（栄養塩）の供給により、豊かな沿岸海洋生態系の生産性が維持されている
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富栄養化・有機汚濁

陸

過剰な負荷
Harmful Algal Bloom (HAB)

リン酸塩

溶出

取り込み

植物ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ

動物
ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ

無機化・再生

遺骸、糞粒
酸素消費

沈降

貧酸素
無酸素水塊
外洋へ

ヘドロ

酸化層バリアの消失

分解・無機化
過剰なリンの供給によりプランクトンのブルーム（大発生）、貧酸素水塊、種組成の変化
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対策（負荷制限）の実施・・・それでも陸

リン酸塩

溶出対策の実施

取り込み

Harmful Algal Bloom (HAB)

植物ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ

動物
ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ

無機化・再生遺骸、糞粒
酸素消費沈降

貧酸素
無酸素水塊
外洋へ

ヘドロ

酸化層バリアの消失

分解・無機化堆積物中に溜りに溜まったリンが・・・
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講演内容
1. リンとは？

2.リンの形態分別
3. 沿岸海域における陸起源有機態リン化合物の役割

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環境水中のリンの分画

全リン
Total P(TP)

溶存態リン
Dissolved P

粒子状リン
Particulate P溶存無機態リンDissolved Inorganic P (DIP)
溶存有機態リン
Dissolved Organic P
粒子状無機態リン
Particulate Inorganic P
粒子状有機態リンParticulate Organic P

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環境水中のリンの分画

全リン
Total P(TP)

溶存態リン
Dissolved P

粒子状リン
Particulate P

溶存無機態リン
Dissolved Inorganic P (DIP)
溶存有機態リン
Dissolved Organic P
粒子状無機態リン
Particulate Inorganic P
粒子状有機態リン
Particulate Organic P

サイズによる分画

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環境水中のリンのサイズ分画
溶存態粒子コロイド
粘土鉱物

シルト

泥高分子DOP
核酸
リンﾀﾝﾊﾟｸ腐植質

マリンスノー
動物プランクトン

低分子DOP
リン酸態リン
PO4‐P

10‐10100

植物プランクトン

Viruses

糖リン酸

バクテリア
10‐910‐8

1,00010,000 分子量(1 nm)

10‐710‐6(1 µm)

10‐510‐410‐3

大きさ (m)(1 mm)

粒子・溶存の分別には様々な種類、孔径のフィルターが用いられているメンブレンフィルター (0.1 µm) ～ガラス繊維ろ紙 (1 µm).
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環境水中のリンの分画

全リン
Total P
(TP)

溶存態リン
Dissolved P

粒子状リン
Particulate P

溶存無機態リン
Dissolved Inorganic P (DIP)
溶存有機態リン
Dissolved Organic P
粒子状無機態リン
Particulate Inorganic P
粒子状有機態リン
Particulate Organic P

化学形による分画

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海域、季節によってはリン酸態リン（PO4‐P）はマイナーな成分！
夏季東京湾におけるリンの分画・分布の観測例
リン酸態リン

溶存有機態リン

粒子状リン

100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%

123456789

サンプリング地点

湾中央部：高い生物活動により、リン酸態リンの割合が減少し、粒子状リン、溶存有機態リンが卓越
鈴村・小川 (2001) 沿岸海洋研究より

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海水（環境水）中の粒子状リンの分画
粒子状リン（PP）
無機態リン（PIP）

岩石・鉱物

安山岩、花崗岩、流紋岩

リン酸塩等

有機態リン（POP）

陸起源有機物

現地性有機物

デトリタス

Fe‐P, Al‐P, Ca‐P

生物体

有機態リン: Organic P
化合物
Adenosine‐5’‐triphosphate,

ATP安山岩ヒドロキシアパタイト（Ca‐P）

生物
 動植物プランクトン
 遺骸・糞粒 マリンスノー

DNA, RNA, リン脂質・・・

有機リン: Organophosphorus
流紋岩

明確な定義は無いが、有機リン系農薬などリンを含む人工化学物質に用いられる。
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リンの分画はなぜ重要？
リン酸態リン (PO4‐P)
分子量 = 100 da
溶存有機態リン
DOP (DNA, RNA…)
分子量 > 600 da

細胞壁および細胞膜チャンネル

植物プランクトン細胞

Cannot eat!

= 粒子状有機態リン（POP）

Cannot eat!
粒子状リン
POP & PIP
> 0.2 m

リンのサイズや形態によって生物にとっての利用性（Bioavailability）が大きく異なる

動物プランクトン

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植物プランクトンのリン取り込み戦略
料理器具・飛び道具（酵素）を使ったリンの獲得

高分子有機態リン(DNA, RNA…)
分子量>600 da

リン酸態リン (PO4‐P)
分子量=100 da

Cannot eat!

NarrowchannelPhytoplankton
Cell

調理可能な化合物
Bioavailable

高分子化合物植物プランクトン

低分子化合物（PO4‐P）
分解

取り込み放出細胞外加水分解酵素
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リンの分画はなぜ重要？
リン酸態リン (PO4‐P)
分子量 = 100 da
溶存有機態リンDOP (DNA, RNA…)
分子量 > 600 da

細胞壁および細胞膜チャンネル

植物プランクトン細胞Cannot eat!

= 粒子状有機態リン（POP）

Cannot eat!
粒子状リンPOP & PIP> 0.2 m

リンのサイズや形態によって生物にとっての利用性（Bioavailability）が大きく異なる

動物プランクトン

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リンの分画はなぜ重要？
リン酸態リン (PO4‐P)
分子量 = 100 da
分解

溶存有機態リン
DOP (DNA, RNA…)
分子量 > 600 da

排出

溶解・分解
粒子状リン
POP & PIP
> 0.2 m

細胞壁および細胞膜チャンネル

植物プランクトン細胞= 粒子状有機態リン（POP）

遺骸排出・遺骸

リンのサイズや形態によって生物にとっての用性（Bioavailability）が大きく異なる

動物プランクトン

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リンの分画はなぜ重要？
リン酸態リン (PO4‐P)
分子量 = 100 da
溶存有機態リン
DOP (DNA, RNA…)
分子量 > 600 da

細胞壁および細胞膜
チャンネル

植物プランクトン細胞= 粒子状有機態リン（POP）

高速回転で富栄養化が持続
粒子状リン
POP & PIP
> 0.2 m

ミクロな世界でリンの取り込み、放出、分解サイクルが高速回転

動物プランクトン

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講演内容
1. リンとは？
2. リンの形態分別

3.沿岸海域における陸起源有機態リン化合物の役割

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リンの生物地球化学的循環‐ Biogeochemical Cycle of Phosphorus
大気0.00003 Gt

風化作用

火山
河川流入
17.5 Mt/y

土壌～400 Gt

粒子: 17 Mt/y
溶存: 0.5 Mt/y

ダスト降下
1 Mt/y水産
0.4 Mt/y

海水（溶存）
85 Gt

陸上生物3 Gt

溶存の5倍相当量が粒子から再生？
沿岸域で粒子の99%が除去？
熱水鉱床
0.5 Mt/y

海洋生物
0.1 Gt堆積作用
11 Mt/y

どんな形態のリンが陸から来て、海でどうなるのか？
堆積物～400万 Gt

Paytan and McLaughlin (2007)他を参考に作図
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東京湾およびその集水域におけるIP6
陰イオン交換クロマトグラフィーによるリン化合物の分離・定量
河川堆積物

プランクトン試料
東京湾

河川懸濁粒子

東京湾堆積物

培養ケイ藻

65
432
10Suzumura & Kamatani (1995) L&O 40, 1254‐1261.

A
B1
B2
B3
C1C2
D1
D2ETASS
TA8416
TA8412
TA8403
AR4901
AR4908SU4913SU4917陸上土壌
河川試料
東京湾堆積物

TA1TA2TA3TA4TA5AS1AS2AS3

IP6濃度 (mol/g)

土壌

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東京湾およびその集水域におけるIP6
河川試料
0.70.1250.60.1

40.50.080.4

3東京湾堆積物

0.06

0.30.04

0.20.10.02

000TASS
TA8416
TA8412
TA8403
AR4901
AR4908SU4913SU49171A
B1B2B3C1C2D1D2E

2TA1TA2TA3TA4TA5
AS1AS2AS3

IP6濃度 (mol/g)

陸上土壌
6

 多摩川、荒川集水域土壌中に高濃度のIP6を確認
 出水時の多摩川懸濁粒子中にIP6を確認
 河川堆積物中のIP6濃度は上流から下流へと減少
 東京湾堆積物表層のIP6濃度は土壌より二桁低い土壌を起源とするIP6が河川を通して東京湾に供給
しかし、その濃度は非常に低い（全有機態リンの約1%）
Suzumura & Kamatani (1995) L&O 40, 1254‐1261.

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海底堆積物（東京湾）中でのIP6の動態
好気（酸化）条件

柱状堆積物中のIP6の分布

嫌気（還元）条件

酸化還元状態をコントロールしたIP6の室内分解実験（60日間）

土壌中で安定で高濃度で存在するIP6は海底堆積物中において速やかに分解・無機化される（特に嫌気的環境下）
Suzumura & Kamatani (1995) GCA 59: 1021‐1026.
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IP6の分解と粒子状無機態リンからの放出とIP6の分解を考慮

東京湾

河川経由
溶存無機態リン（DIP）： 10.4 x 108
自然起源： 0.6 x 108
人為起源： 9.8 x 108

富栄養化

海水中に拡散懸濁粒子状無機態リンPIP：
11.0 x 108＋
陸上土壌起源IP6
0.3 x 108
単位はg/year

放出性リン： 5.5 x 108
無機態リンの脱着＋IP6の分解： 5.5 x 108
堆積物中に埋積

準安定無機態リン： 5.8 x 108

隠れたリンの負荷源：粒子状無機態リンと（海洋環境中で）易分解性の陸起源有機態リン化合物 →リンの中身まで見た統合的な管理・評価が必要である
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最後に、リンとは？

リン資源の将来（枯渇性・偏在性）
食料・肥料・飼料（リン）
大量に輸入

下水・排水（リン）富栄養化
リンのリサイクル
施策が不可欠化石燃料と同様、あるいはそれ以上にリン資源の枯渇は現実的な脅威となっている

リンのリサイクルと豊かな沿岸生態系の両立
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