総合論文

溶存窒素化合物の窒素酸素安定同位体比による窒素循環解析―N2O を中心として―
木

庭

啓

介

＊

1．はじめに：プールからフラックスへの模索

測定では窒素循環は描けない．しかし，自然生態

海洋生態系でも陸上生態系でも窒素の可給性が系において測定できる窒素フラックスは残念なが一次生産に大きく影響を与えることがよく知られら少ない．私が研究を始めた 1990 年代前半では，ている．そのため，窒素循環については長年研究

森林生態系では植物リター（落葉落枝，枯れ葉なが行われてきた．また近年では人為的な窒素負荷

どのこと）の供給速度と，土壌を長期培養して正が全球レベルで増加しており，特に陸上にて沈着味で生産される無機態窒素量（純無機化速度）程された窒素が集水域，河川を通じて濃縮した形で度の情報しか得られなかった．現在でもガスや水沿岸域へと供給され，貧酸素水塊が形成されると蒸気のフラックス観測には観測タワーなどの大掛いったような生態系の変化を窒素がもたらしてい

かりな設備が必要であるし，森林からの流出を測ることもよく知られている．

定するには，長年のモニタリングを必須とする集農地生態系は別として，陸上，森林生態系は比水域の水収支についての情報が必要である．

較的窒素が足りないとされている．そのため，窒海洋化学研究での濃度情報が持つ代表性の強さ

素がどのように循環し，一次生産者へ供給されるに対して，たとえば土壌や浅層地下水での濃度情かを理解することが健全な森林の維持管理に必須

報の示す代表性は，残念ながら高くないと感じてである．しかし海洋や陸水と比較して土壌を含む

いる．海洋化学と陸上での生態系生態学・生物地

陸上の窒素循環は，土壌の持つ物理化学的かつ生球化学とのアプローチの違いを考えると，この印物的な不均一性の高さから，定量的な解析が極め

象は的外れではないように思える．ほぼ液相のみて困難である．たとえば土壌中の無機態窒素（硝で占められると考えられる多くの海洋環境と比較

酸イオンやアンモニウムイオン）の濃度は，10して，土壌では気相も少なからず存在する．固相cm 離れた土壌では 1 桁ことなることが珍しくはの割合も高い．結果，比較的容易に採取および分ない．また，降水パターンによって激しく土壌中析が可能な液相部分，つまり溶液試料の濃度が窒の環境が異なるため，季節的な変化も大変大きい．

素プールそしてフラックスの手がかりとなりにく

このような状況のため，陸上の窒素循環研究は静いのである．たとえば土壌水（土壌溶液）中の硝的な（あまり大きな季節変化を持たない）プール，

酸イオン濃度が 30 μM といっても，果たして土

たとえば土壌中の全窒素プールや植物の窒素プー壌中で局在している微生物，植物の根にとって，ルの変化を，いくつものサンプルを採取して空間その濃度は高いのか低いのか，類推することが難

的な平均値をとり追跡することで，窒素循環像をしい．そもそもその溶液の存在状態が植物や微生描いてきた．循環系とはフラックスとプールとい物に利用可能な状態であるかという議論から始めう 2 つの要素から構成されるため，プールのみのる必要がある．そのため，濃度をいくら測定して京都大学生態学研究センター教授＊

71 周年秋季講演会（平成 29 年 11 月 11 日）講演

10

海洋化学研究第31巻第 1 号

平成30年 4 月

も「量」「速度」への手応えが得られず，結局のN2Oは硝化と脱窒によって生成される
Æ エネルギー・酸化還元環境の良いパラメータとなる？

所濃度の高低を議論するにとどまるケースが多いと思う．平たく言えば，何をどのように採取してCO2測定したら良いのか，直感的に理解することが難

有機態窒素（含 微生物）じる．
そんな中，海洋化学で進んできた窒素の安定同CO2位体比による窒素化合物の動態解析というトピッ

独立栄養vs従属栄養
酸化的（実線）vs 嫌気的（点線）ク は， 大 変 魅 力 的 に 見 え る．Cline and Kaplan(1975) といった初期の海洋における硝酸塩窒素同

同化

CO2

同化

しいのが陸上での物質循環研究であると未だに感

植物
プランクトン

無機化
NH4+
同化

硝化

窒素固定

脱窒

CO2
N2

脱窒

NO3-

N2 O

CO2

図 1．窒素循環の概略図，エネルギー（独立栄養 vs 従属栄養），酸化還元状態がことなるプロセスが共存していることに注意．

位体比解析であっても，そのデータは大変美しい．
長い歴史のある海洋化学での窒素同位体利用と比較して，私が研究を始めた 90 年代初頭，陸上でというガスについては一般的に 2 つの生成過程との窒素安定同位体を用いた研究例は，まだまだ少1 つの消費過程が考えられている（図 1）．生成過なかった．とくに後述する脱窒課程についてはほ程であり同時に消費過程であるのが，貧酸素環境

とんど行われていなかった．その原因の最たるもでの従属栄養微生物による硝酸呼吸，いわゆる脱のは当時の職人芸的な窒素安定同位体自然存在比

窒である．これは硝酸イオンが亜硝酸イオンに，測定技術の煩雑さ，そして必要試料量の多さでさらに一酸化窒素，N2O，そして窒素ガス（N2）あった．そこで体力に任せ，大量の地下水（1 試まで還元される反応である．この脱窒の最終段階

料約 10 L）を処理することで解決を試みるといである N2O 還元にはその前段階よりも低い酸素う手にでた．地下水での脱窒課程を硝酸イオンの濃度環境が必要であろうと考えられている．しか窒素安定同位体比で追跡した Mariotti et al. (1988)

しどのような要因が現場での N2O 還元を支配しの有名な研究を参考にしながら，森林内浅層地下ているかについては未だによくわかっていない．

水中の脱窒について検討を行った（Koba et al.

もう 1 つの N2O 生成過程は硝化（アンモニア酸

1997）．本当に幸運なことに，たまたま嵐が来た

化＋亜硝酸酸化）の前半部分，アンモニア酸化でときの地下水上昇と硝酸イオン濃度減少，それにある．アンモニウムイオン（実際にはアンモニア）

伴う窒素安定同位体比（δ N）の上昇を捉えるこ

を硝化細菌・古細菌が酸化して亜硝酸イオンを生とができた．その結果，なんとか脱窒を捕まえら成する際の副生成物として N2O は生成されるとれたということで，一応の形にはなった．しかし，考えられている．硝化細菌・古細菌は独立栄養微

非常にダイナミックな酸化還元環境の形成が浅層生物とされている．またアンモニアを酸化するた地下水では生じているのだろうというような曖昧め，アンモニア酸化には酸化的な環境が必要であな議論に留まり，クリヤーな結果は得られなかっる．さらに硝化細菌・古細菌による N2O の顕著た．

な還元はないと考えられている．

15

これらをまとめて考えてみると，N2O の重要性

2．一酸化二窒素：窒素循環の理解を示すバがわかってくる．この脱窒と硝化という 2 つのロメーター？

N2O の生成プロセスは，窒素循環を考える際に常一酸化二窒素（N2O）は強力な温室効果ガスでに留意すべき生態系のエネルギー状態（従属栄養あり，同時に近年では最も強力にオゾン層を破壊

微生物が活発に活動できるエネルギー（炭素）リッしてしまうガスとして知られている．この N2O

チな環境か，独立栄養微生物が従属栄養微生物とTransactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 31 No. 1, Apr., 201811

競合できるエネルギー（炭素）プアーな環境か），（μM レベル）で存在している（図 2）．であるので，

そして酸化的か還元的かという状態の 2 軸

たとえば 100 nM の変化は NO3 のプールサイズ（Helton et al. 2015）において相反する特徴を有と比較すると遥かに小さく，検出することが困難

しているのである．逆に言えば，N2O の生成消費である．それに対し，N2O は極めて低濃度である

プロセスの解明は，複雑な窒素循環を制御してい（nM オーダー；図 2）．となれば，その生成（消るエネルギー環境と酸化還元環境という重要な要費）プロセスを解析するにあたって濃度観測感度

素を一気に提供してくれる可能性がある．また，が高く，さらに生態系を記述する重要な 2 つの異N2O はガスであり，実際に生成消費が盛んに行わなる軸についての情報を含んでいる N2O というれている場所（いわゆるホットスポット）から比物質は，大変好都合な対象に見えてくる．そして

較的容易に抜け出すことが考えられる．となれば，逆に N2O についての理解レベルは，まさに我々

N2O というガスを通じて，観察が困難な，ホットの窒素循環についての理解レベルの試金石となりスポットでの酸化還元環境，エネルギー環境につえると考えられるのである．

‑

いての情報を引き出すことが可能かもしれない．

当然 N2O について多くの研究が行われてきた．

たとえば土壌から放出される N2O の性質から，繰り返しになるが N2O 生成プロセスとしては，

土壌中の酸化還元環境についての手がかりを得る

酸素濃度が低く利用できそうな炭素が豊富な環境

こ と が で き る 可 能 性 が あ る（Bai and Houlton

では脱窒が，酸素が豊富にあれば硝化が重要であ2009）．海洋中でも沈降粒子中の微小嫌気環境を，ろうというのは，学部生でも容易に予想できる．

溶存している N2O から類推することができるか

しかし，実際にはそれを示すことが極めて難しい．

もしれない．また，N2O というガスは環境中で低アセチレンブロック法（Yoshinari and Knowles

濃度であるが，比較的容易に GC-ECD により濃1976）の開発により，脱窒における最終過程であ度測定が可能であり，その小さな濃度変化（たとる N2O 還元を阻害することが可能となった．さえば数 nM の変化）を追跡することが他の溶存窒

らに低濃度のアセチレンの利用により硝化も抑制

素化合物と比較すると楽な測定対象である．あるすることができるため，これらを組み合わせた実中栄養湖の湖水における溶存窒素化合物濃度を調験 室 で の 硝 化 と 脱 窒 に よ る N2O 生 成， そ し てべてみると，これまで脱窒での研究で議論されて

N2O 還 元 を 定 量 的 に 議 論 で き る よ う に な っ た

いた NO3 や生成物である N2 ガスは大変高濃度（Davidson et al. 1986）．しかし，そもそもアセチ‑

レンガスを野外で利用し，N2O 生成消費の現場（ホットスポット）へ導入することは大変困難である．また，数々の挑戦的な研究が行われてきているものの，脱窒の最終生成物である N2 ガスの定量は未だに困難である．脱窒の測定について
Groﬀman et al. (2006) が包括的に問題を提起から
早 10 年がたつ．しかし，未だに N2O そして脱窒についての研究はその重要性の割には進んでいな
いというのが現状であると思われる．

3．溶存 N2O の安定同位体比：N2O 生成消費

図 2．木崎湖（長野県北部，中栄養湖）における溶存
窒素化合物濃度（木庭ら未発表データ，数字は濃度（mole-N/L））
矢印は予想される窒素循環プロセス．

プロセスの手がかりを与えるか？
海洋・陸水における溶存窒素化合物の窒素安定

12海洋化学研究第31巻第 1 号

平成30年 4 月

同位体比研究は図 2 にあるように，比較的濃度がする方法が開発されたことにより（Tanaka et al.

高く，脱窒の基質であるとともに硝化の生成物で1995），オンラインでの N2O の δ N・δ O 同時測あり，植物プランクトンに重要な窒素源である硝定が現実となった．溶存 CH4 での低温濃縮技術

酸塩について進んできた．一方，微量にしか存在を応用し，Dore et al. (1998) では亜熱帯北太平洋

しない溶存 N2O の窒素安定同位体比については，の溶存 N2O について，一方で Naqvi et al (1998)

多くの先駆的な研究が日本人によって行われていではアラビア海の溶存 N2O について δ N と δ Oる．特に Yoshida (1988) により，硝化細菌が特異を測定した．しかし，ここでも残念ながら硝化と的な低い窒素同位体比（δ N）をもつ N2O を放出

脱窒について明確な判定は叶わなかったように思するという発見は，硝化と脱窒の分離について大われる．Dore et al. (1998) では，大気へ放出されきな可能性をもたらした．つまり，低い δ N をる N2O については硝化が主な N2O 生成プロセス

N2O が取っていれば硝化由来，比較的高い δ Nであろうと議論しているが，これは表層近くのであれば脱窒，さらに脱窒における N2O 還元も

N2O の δ N が低くなっていっていることによる受けている）と判定できると考えられるのである

ものであり，定量的な議論ではない．そもそも基（図 3）．2000 年代に入るまで溶存 N2O の同位体質（たとえば硝酸塩）の同位体比が生成物（たと比はまさに職人芸で，世界での限られたラボのみ

えば N2O）の同位体比に（同位体分別を受けた上で測定が可能であり，いくらかの先駆的な研究がで）大きく影響していることから，本来であれば

特に海洋において行われた．Yoshida et al. (1984)

基質と生成物の両方について同位体比情報が必要

では熱帯東太平洋での N2O のとる δ N について，である．基質についての同位体比測定はさらに負Yoshida et al. (1989) では北西太平洋での N2O と担が大きいものであり，多くの研究では行われて硝酸塩の δ N について先駆的な取り組みがなさこなかったが，Naqvi et al. (1998) では硝酸塩のれている．しかし残念ながら，硝化なのか脱窒なδ15N についても測定して議論を行っている．しかのか，どちらが重要な N2O 生成プロセスである

しそれにもかかわらず，硝化なのか，脱窒なのか，かについては決定的な証拠は得られなかった．

については明らかにすることができなかった．

15

18

15

15

15

15

18

15

15

15

そこで N2O の酸素同位体比（δ O）についてもこのような状況の中， N の分子内同位体分布着目されるようになった．特殊な分光測定を用いが N2O の分解過程の解析に有効であるという提た 1985 年 の 論 文（Whalen and Yoshinari, 1985;

案がなされ（Yung and Miller 1997），実際に N

Yoshinari and Whalen 1985），大量の試料を用い

分子内同位体分布が東京工業大学の豊田栄先生とた Kim and Craig (1990) から，N2O の生成プロセ

吉田尚弘先生のグループによって測定できるよう

スによって，δ O にも特徴が現れると期待された．

に な っ た（Toyoda and Yoshida 1999, Yoshida

18

15

15

18

これらの論文以降なかなか研究は進まなかったが，

ਜ਼

同位体比質量分析計へ N2O としてそのまま導入

14N

ᅾ৲૓ਟभN2O
శଞप
଩ः
δ15N

଩ः
15N

N2O

થਃଙᄚಞ

൓ᄚ૓ਟभN2O

శଞपপऌऩ
৊ਜ਼৬ীશ

૮ਃ৲

NH4+

N2O

14N

1 O

δ15N

൓ᄚ૓ਟभN2O
൬੪

পऌऩ
৊ਜ਼৬ীશ

ᅾ৲

ਜ਼

NO3-

N2O
ৈः
δ15N

14N

1 O

14N

15N

1 O

14N

14N

1 O

ɷ15N - ɷ15N

পऌऩ
৊ਜ਼৬ীશ

൓ᄚ

15N

ɷ1 O
ɷ15N

N2

図 3．窒素同位体比（δ N）による N2O 生成・消費プ
ロセスの分離15

Transactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 31 No. 1, Apr., 2018

図 4．N2O の N 分子内分布1513and Toyoda 2000）．微生物による N2O 生成にこの測定を応用したミシガン州立大のグループにより， N 分子内同位体分布（Site Preference; 図 4）15が硝化（アンモニア酸化）の場合大きく，脱窒の場合は小さいことが明らかとなり（Sutka et al.
2006），全く新たな可能性が開かれた．
そこで，2002 年から 2005 年にかけて，1997 年の研究では不完全な結果しか得られなかった滋賀
県の集水域に戻り，もう一度 N2O を中心に据えて脱窒の検討を行うこととした．すでに N2O の濃度については，0.6ha と狭い森林集水域にもかかわらず，ことなる井戸から採水される地下水が大きな変動を持っていることがわかっていた

図 5．森林地下水中の DO，DOC，硝酸イオン濃度と溶存 N2O 濃度の関係（Koba et al. 2009 より改訂）（Osaka et al. 2006）．井戸のタイプ別に脱窒が駆と δ O と，脱窒における同位体分別の情報から動しているところとそうでないところ，といった（詳細は Koba et al. 2009 を参照されたい），脱窒

議論が各種溶存物質濃度の相関解析によりある程で生成する N2O がとり得る δ N と δ O の範囲が度議論可能であったが，より詳細な検討が可能で決まる（図 6 の D の長方形）．硝化については情

あろうと期待して，浅層地下水中の溶存 N2O の報がほとんどないが，アンモニウムイオンの δ N

δ15N と δ18O と Site Preference を測定した．さらはアンモニウムイオンがほぼ 100% 硝化で硝酸イには基質の同位体比の重要性を考え，同じ地下水

オンへ変換されていたことから，硝酸イオンの中に存在する硝酸イオンの δ N と δ O について

δ15N と等しいと仮定，その他 DO や H2O の δ18O

も当時まだ珍しかった脱窒菌法（Sigman et al.

についての過程を置くことで予想範囲を推定した

15

18

15

15

18

2001; Casciotti et al. 2002）を用いて測定を行った．

80

完全嫌気な地下水ではないため，地下水中には硝70化の基質であるアンモニウムイオンはほぼ枯渇し

N2O

60

ており，アンモニウムイオンについての測定は叶50わなかった．

40

δ1 O

まず濃度データを見てみるが，脱窒が重要であ
れば，DO 濃度，硝酸イオン濃度と N2O 濃度には逆相関が，DOC と N2O には正の相関が認められ

30

O2

20
10

ると予想されるが，明確な傾向は認められなかっN0た（図 5）．また硝化が重要であれば硝酸イオン

NO3-

-10

濃度と N2O 濃度には正の相関が期待されるが，

H2O

-20
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

そのような傾向も認めにくい．

NH4+

0

10

δ15N

そこで次に N2O と硝酸イオンの δ N と δ O か
15

18

18

図 6．N2O の δ N と δ O マ ッ プ（Koba et al. 2009 より改訂）予想される脱窒由来（D），硝化由来（N）が描
か れ て い る．N2O 還 元 が 生 じ る と 右 上 向 き にデータが移動すると考えられる．実データは脱窒由来の部分に収まった．
15

ら脱窒と硝化の議論を試みた．これまでの知見か
ら，硝化由来，脱窒由来の N2O がどのような同位体比を取るかについては情報が集まりつつあった．そのため，実際に測定した硝酸イオンの δ N
15

14

18

海洋化学研究第31巻第 1 号

平成30年 4 月

（図 6 の N の長方形）．実測した溶存 N2O のデー

60

タはグラフの右上，脱窒の予想範囲に収まった．

൓ᄚٔᅾ৲
ٔ൬੪

50

しかし，これでこの N2O が脱窒由来であると結論付けることはできなかった．というのも，我々

40 ൓ᄚが観測できる N2O は色々なプロセスを経てきた

30

あとの最後の残り物であり，それまでにこの生態20

系で還元を受けてきて右上に配置されているだけ

10という可能性があり，さらには，その前に脱窒由

ٔ
൬੪

N

0

来と硝化由来の N2O が混合しているという可能-10

性を排除できないのである．
そこで Site Preference を組み込んだ解析を考-20-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70'G15N G15NNO3- - G15N

えた（図 7）．図 6 と同様にこれまで得られている硝化由来 N2O，脱窒由来 N2O がとり得る Site

図 8．Δδ N と Site Preference マップに実際のデータを載せたもの（Koba et al. 2009 より改訂）
脱窒と還元だけで説明できない上半分のデータについては硝化を考慮せざるを得ない．つまり硝化が N2O 生成に貢献していることが明らかとなった．
15

Preference， そ し て 基 質 と N2O の δ N の 差 分
15（Δδ N）の範囲を定め，N2O が還元を受ける際に15

データがどのように動くか（図中の矢印）を決めると図 7 のようになった．Site Preference の値については脱窒では 0‰，硝化では 33‰として検つまり脱窒が重要であるということには変わりな討を行った．また脱窒，硝化それぞれで生成したいものの，図 8 では還元によってデータが左上へ

N2O は地下水柱で混じり合い，さらに還元的な環と引っ張られていることがわかる．さらに，楕円境に触れた場合には N2O 還元を受け，δ N は上で囲まれている部分については，脱窒と N2O 還昇（Δδ N では減少），Site Preference も上昇す

元では説明できない，つまり硝化の寄与がどうしる と し た（ 設 定 の 詳 細 に つ い て は Koba et al.

ても否定できない，という結果となった．ここま2009 を参照）．

で来てようやく，硝化がやはり何らかの影響をし

15

15

結果は図 8 のようになった．図 6 と同様の傾向，ているという手がかりを得ることができた．前述
したとおり，一度硝化で N2O が生成されれば，硝化の生じる環境では N2O は還元されることはない．地下水のような滞留時間の長い試料（研究21を行った集水域では数ヶ月と推定されている ;N

3Kabeya et al. 2007）では，さまざまな反応の履
歴が N2O には反映されているはずである．N2Oの 濃 度， そ の δ N と δ O で は 足 り ず，N2O の
15

18

Site Preference，そして基質の δ N までを動員
15

2

しなければ，複雑な N2O の履歴は紐解くことで
'G15N

3

きなかった．試みに必要な同位体分別の大きさ

4

-N2O

（同位体分別係数）を文献値から指定し，硝化，

図 7．N2O の Δδ N と Site Preference マ ッ プ（Kobaet al. 2009 より改訂）予想される脱窒由来（D)，硝化由来（N）が描
か れ て い る．N2O 還 元 が 生 じ る と 左 上 向 き にデータが移動すると考えられる．
15

Transactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 31 No. 1, Apr., 2018

脱窒，還元の割合を計算してみると図 9 のようになる．全体として平均すると硝化の貢献は 3% 程
度，一方の脱窒は 97% であり，脱窒がメインと15೾৒औोञN2O෯২

1
05
0

0

がある．もう一つは 2000 年代に入ってから特に200顕著であり，2003 年の嫌気性アンモニア酸化（ア400

ナモックス）が良い例（Kuypers et al. 2003）であるが，分子生物学的アプローチの発展により，

N2O൬੪ਘ২
-4 5-N

生態系内で生じる可能性のある新規窒素循環プロ

203

ᅾ৲N2Oभસ়
02‫ق‬ਈ৵ৄ஋ुॉ‫ ك‬0 1

350000300000250000200000N2O に つ い て い え ば，2005 年（Könneke et al.

0450000400000

セスが次々に見つかっていることが挙げられる．

ᅾ৲૓ਟN2O

ुधुधেਛऔोञN2O
पउःथ2005）に発見された硝化古細菌（AOA）が N2O

൓ᄚ૓ਟN2O20000を生成すること，そしてその δ N がこれまで研15000

究されてきた硝化細菌（AOB）とはかなり違っ

15

10000

150000

5000

1000000て い る こ と が 明 ら か に な っ た（Santoro et al.
2011）．この情報を先程の図 7 に入れるとかなり大きく変わることがわかる（図 10）．ある生態系

50000
0

で AOB と AOA どちらが優占か，どちらがどれ図 9．同位体分別を仮定して，計算された硝化，脱窒，
還元の割合（Koba et al. 2009 より改訂）．
上から実測された N2O 濃度，N2O 還元強度（1なら 100% 還元），硝化割合，もともと存在していたと思われる N2O の濃度とその硝化（脱窒）由来の割合を示している．一つ一つのデータは観測できた地下水を表している．

だけ硝化に，そして N2O 生成に寄与しているか，についてはいまだに殆どわかっていないが，海洋
N2O の δ N についてはこれまでの AOB で得られ15た同位体分別係数を用いた議論よりも，AOA の同位体分別係数に即した解析のほうが理解しやすなるということになるが，サンプル（井戸）によっ

く，AOA の abundance がかなり海洋では大きいては 20% 以上が硝化由来の N2O と計算されるもとされていることもあり，海洋表層では，AOBのもあった（図 9 中段）．また硝化由来と脱窒由ではなく AOA が N2O の生成に大きく寄与して

来の N2O が混合したあとにどれだけ還元を受けいるということが考えられている（Santoro et al.

ているかについては，94% という計算になり，

2011）．この結果はこれまでの N2O 同位体データ

我々が観測できる N2O はそのほとんどが還元を解析を根本的に見直す必要を示しているが，一方受けてしまっているということになった．たしか

で同位体比によって，単なるプロセスにとどまらにこれでは単純な濃度の相関解析（図 5）ではず，どのような生物種がそのプロセスをになってN2O の挙動を解析することは不可能に近いだろう．
N2O の複雑性の一端を垣間見ることができたよ2

うな気もするが，大きな問題がすでに山積してい

1

2 11

N

3

る．常に安定同位体自然存在比を用いる際に問題となるのが同位体分別の大きさである．今回であれば硝化，脱窒，還元，それぞれについて Sitepreference，δ N そして δ O の変動を，同位体分
15

18

2

-1

別係数を手がかりに解析するわけだが，この係数の大きさについては未だに観測例が少なく，その-変動を十分に説明するだけの知見が得られていな

'G15N

3

4

-N2O

図 10．AOA の 情 報 を 入 れ た N2O の Δδ N と Site
Preference マップ改訂版．AOA が優占する生態系では AOA による違う同位体シグナルを持った N2O の寄与を考慮する必要がある．
15

い．そのため，解析に必須なこの係数の値を少し変えるだけで結論が大きく変わってしまう可能性

16

海洋化学研究第31巻第 1 号

平成30年 4 月

いるか，というプレーヤーについての情報も提供

生並びに公益財団法人海洋化学研究所の皆様に感できる可能性を有していることを示す重要なト

謝いたします．

ピックであるとも考えられる．

6．引用文献4．おわりにE. Bai, B. Z. Houlton (2009) Coupled isotopic and複雑な生態系での窒素循環について，その複雑

process-based modeling of gaseous nitrogen

性についての重要な情報を N2O から得られる可losses from tropical rain forests,

能性があるのではないかと，現在でも考えている．

, 23, GB2011.

ただし，そのためのアプローチとして，これまで

K. L. Casciotti, D. M. Sigman, M. Galanter

紹介してきた安定同位体情報だけでなく，分子生

Hastings, J.L. Böhlke, A. Hilkert (2002)

物学的なアプローチを積極的に組み合わせ，そこMeasurement of the oxygen isotopic

から考えられる基質物質，生成物質についての検composition of nitrate in seawater and討が必要であろうと考える．たとえば，硝化がも

freshwater using the denitrifier method,

しも海洋 N2O について重要であれば，これまで, 74, 4905‒4912.

観測されている海洋での低いアンモニウム塩濃度

J. D. Cline, I. R. Kaplan (1975) Isotopic

で説明がつくのか？違う基質が実は使われている

fractionation of dissolved nitrate duringのではないか（例えば尿素），そのような可能性

denitriﬁcation in the Eastern Tropical Northが分子生物学的なアプローチから出てくるのであPaciﬁc Ocean,, 3, 271‒299.

れば，海洋化学の分野からは，その濃度，そしてE. A. Davidson, W. T. Swank, T. O. Perry (1986)

同位体比の測定を通じ，そのような基質物質が本Distinguishing between nitrification and

当に重要であるかの検討を行う，ということが必

denitrification as sources of gaseous

要だと思う．実際，分子生物学的な研究からは，nitrogen production in soil,

これまで考えられていたよりも遥かに複雑な窒素, 52, 1280‒1286.

循環像が提案されてきている（Schreiber et al.

J. Dore, B. N. Popp, D. M. Karl, F. J. Sansone2012）．これまで海洋化学は（私自身はその営み(1998) A large source of atmospheric nitrous

を外野から眺めていただけであるが），丁寧な微oxide form subtropical North Paciﬁc surface

量物質濃度測定技術を開発しては物質循環像を一

water,, 396, 63‒66.

新してきた．窒素循環は長年研究なされているに

F. Schreiber, P. Wunderlin, K. M. Udert, G. F.

もかかわらず，まだまだプロセスにしてもそのプ

Wells (2012) Nitric oxide and nitrous oxide

レイヤーにしても，その基質物質にしても，わかturnover in natural and engineered

らないことが山積されている．今後も日本の海洋

microbial communities: biological pathways,

化学の高いレベルに圧倒されながらも，なんとかchemical reactions, and novel technologies,

そのエッセンスの一部だけでも咀嚼して，陸上で, 3, Article 372.

の研究へフィードバックすることでよりよい理解

P. M. Groffman, M.A. Altabet, J. K. Böhlke, K.

へとつなげていきたいと考えている．

Butterbach-Bahl, M. B. David, M. K.
Firestone, A. E. Giblin, T. M. Kana, L. P.

5．謝辞

Nielsen, M.A. Voytek (2006) Methods for

海洋の専門家でない私に講演ならびに本稿を執

measuring denitrification: diverse

筆させていただく機会を下さりました宗林由樹先Transactions of The Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 31 No. 1, Apr., 2018

approaches to a diﬃcult problem,17

, 16, 2019‒2122.

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