みどりいし, (5) : 9‑12, (1994)

サンゴ礁による二酸化炭素固定

池田穣

ハザマ技術研究所

Y. Ikeda

Carbon dioxide fixation by coral reefs

CO2+H2O→CH2O+O2●はじめに
地球環境問題の一つとして大気中の二酸化炭素濃(1)一方、石灰化は次式のようにまとめられる。

度の増大に伴う温室効果が、懸念されている。これ

Ca2++2HCO3‑→CaCO3+CO2+H2O

は化石燃料の大量消費により、地球規模での炭素循

淡水においては上式のように 1 当量の炭酸カルシ環のバランスがくずれたことに起因する。この対策

ウムの生成により 1 当量の二酸化炭素が発生する。

として第一に検討されるべきことは、省エネルギー

しかし表層海水では炭酸物質による緩衝効果によりや代替エネルギーにより石油、石炭などの消費を抑

1 当量の炭酸カルシウムの生成によりおよそ 0.6 当制することである。だが同時に二酸化炭素を固定化量の二酸化炭素しか発生しないことが知られている。

することにより人為的な炭素のリサイクルルートを光合成と石灰化に共通して必要なものは炭酸物質つくることも重要である。ここではサンゴ礁によるである。海水中の炭酸物質は分子状の炭酸二酸化炭素の固定化に焦点をあててこの問題を考え(H2CO3=CO2+H2O)、炭酸水素イオン (HCO3‑) および炭てみたい。

酸イオン (CO32‑) の形で存在する。海水中の炭酸濃(2)度という場合は、この 3 つの炭酸種の濃度の総和で●光合成と石灰化ある全炭酸 (TC) を指すことが多い。
TC=[H2CO3]+[HCO3‑]+[CO32‑]

生物は光合成あるいは石灰化により炭素固定を行(3)う。光合成では二酸化炭素と水により有機物がつく

pH8.2 付近の表層海水の全炭酸は 2.2m mol/l ほどられる。石灰化ではカルシウムと炭酸から炭酸カルで、その 9 割以上が炭酸水素イオンの形で存在してシウムの結晶ができる。しかし、一般に石灰化の過いる。

程においては二酸化炭素が発生するため、石灰化のみでは大気中の二酸化炭素を固定することはできな●サンゴ礁の光合成速度、石灰化速度の測定い。石灰化と光合成が同時に行われ、石灰化で発生サンゴ礁での二酸化炭素の収支をみるためにはサする二酸化炭素より多くの二酸化炭素が、光合成でンゴ礁の光合成速度と石灰化速度を比較すればよい。

利用される場合に二酸化炭素は固定されることとな

それらの測定には pH‑アルカリ度法と呼ばれる方法る。サンゴ礁には様々な生物が棲息し、サンゴや石がよく使われる。これは海水の pH とアルカリ度(TA)

灰藻は光合成も石灰化も行う。また藻類は光合成をの変化から正味の光合成速度と石灰化速度を見積も行い、貝類は石灰化を行う。これら生物のトータルる方法である。アルカリ度は、海水中の陽イオンのの営みの結果としてサンゴ礁での二酸化炭素の収支総和と陰イオンの総和が等しいという電気的中性原が決まる。

理から定義される値である。実際には海水を酸で滴光合成は次式のように二酸化炭素と水から有機物定することによりもとめられ、海水中では以下のよと酸素ができる過程である。

うに表されると考えてよい。

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TA=[HCO3‑]+2[CO32‑]+[B(OH)4‑]+[OH‑]‑[H+](4)

べたように光合成速度と石灰化速度を計算する。

石灰化により 1 当量の炭酸カルシウムが生成された場合、アルカリ度は 1/2 当量減少するが、分子状●サンゴ礁は二酸化炭素の吸収源か発生源か?の炭酸が有機物となる光合成においてアルカリ度はサンゴ礁が二酸化炭素を固定するためには光合成変化しない。従って石灰化速度 (IC) は以下のようによる正味の有機炭素生産がまずなければならない。に表される。

従来、サンゴ礁では光合成による総有機炭素生産量

IC=1/2ΔTA(5)は総消費量に等しく、正味の有機炭素生産はないと

一方、全炭酸 (TC) は光合成、石灰化の両者によ考えられていた。これは光合成に必要な窒素、リンり変化する。従って光合成速度 (OC) は全炭酸の変などの栄養塩の供給の面から推測された。すなわち化量 ( ΔTC) から石灰化速度を差し引くことによりサンゴ礁を取り囲む熱帯、亜熱帯の外洋は窒素、リ求められる。すなわち

ンなどの栄養塩に乏しい貧栄養状態であるため、そOC=ΔTC‑IC=ΔTC‑1/2ΔTA(6)

こからサンゴ礁へ新たに供給される栄養塩はほとん

ここで TC は pH とアルカリ度から以下に示す炭酸どない。よってサンゴ礁内の栄養塩は有機物の中に平衡計算により求められる。

取り込まれるが、比較的短期間のうちに分解されて再び栄養塩になるといった循環を繰り返しているの●海水中の炭酸平衡

みである。従ってサンゴ礁内の正味の有機炭素生産

海水中の炭酸平衡に係わる基本的な反応は以下のはないと考えられる。しかし実際のサンゴ礁におけ3 式で示される。

る測定の結果、サンゴ礁内で正味の有機炭素生産がCO2(gas)+H2O→H2CO3(CO2+H2O), [H2CO3]=αpCO2 (7)存在する可能性も指摘されている。また栄養塩とし

H2CO3→H++HCO3‑, K1[H2CO3]=[H+][HCO3‑](8)ての窒素もサンゴ礁内のラン藻類の窒素固定により(9)供給されることが明らかとなった。すなわち窒素は、

ここで α, K1, K2 は水温、圧力、塩分により定まるサンゴ礁内で循環しているばかりでなく、大気とい定数で、pCO2 は大気中の二酸化炭素分圧である。こう外部からも供給される部分も多いことが示唆され

‑+2‑
3‑+2‑

HCO3 →H +CO , K2[HCO3 ]=[H ][CO3 ]‑2‑ている。

れら 3 式の中の未知数は[H2CO3]、[HCO3 ]、[CO3 ]、pCO2 および pH (=‑log[H+]) の 5 つである。式が 3 つ

サンゴ礁生態系が二酸化炭素を固定するためにはで未知数が 5 の条件では 5 つの未知数のうち任意の 2

さらに正味の有機炭素生産速度が、石灰化による正つが決まれば、残りの未知数も一意的に定まる。実

味の無機炭素生産速度のおよそ 0.6 倍より大きくな

際には測定の便のため、さらに (3) 式の全炭酸ければならない。

(TC)、(4) 式のアルカリ度 (TA) という概念を加え現在のところ、こうした観点から直接サンゴ礁でて式を 5 つ、未知数を 7 つにしている。この場合で正味の光合成速度や石灰化速度を測定した事例は日も 7 つの未知数のうち、任意の 2 つが決まれば残り本やフランスで数例行われたのみで、データも少なが一意的に決まるという関係は変わらない。なお

く断定的な知見は得られていない。最近、サンゴ礁(4) 式のアルカリ度にあらわれる [B(OH)4‑] は水温、域で直接二酸化炭素分圧を測定する試みもいくつか

圧力、塩分により定まる定数であり、[OH‑] は [H+]なされており、今後データが蓄積されていくにつれで決まる。7 つの未知数の中で測定可能なものは pH、明らかになる部分もでてくるだろう。

TA、TC、pCO2 の 4 つである。pH‑アルカリ度法ではこの 4 つのうち pH と TA の 2 つを測定し、前節で述

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化炭素が発生する。石灰化によりできた炭酸カルシ●地球規模での炭素循環

ウムも深層海域に移動すれば溶解し、それが海洋循環により再び浅海に浮上すれば二酸化炭素が発生する。地圏に移動した石灰岩も鍾乳洞にみられるように大気中の二酸化炭素と雨水により溶解し、このとき石灰化の場合とは逆に二酸化炭素は吸収される。
このように長い時間でみれば地球表層で炭素は図 1のように有機炭素、無機炭素の形をとりながら大気、地圏および海洋の間を循環している。従って二酸化炭素の吸収源、発生源といっても大きな時間スケー
ルでみれば相対的なものにすぎない。
図 1: 地球表層の炭素循環、数字は 106Cton、矢印は 1 年間の炭素の動き (高橋, 1992)●サンゴ礁による二酸化炭素固定技術

サンゴ礁内で石灰化により正味固定された無機炭
素はサンゴ礁地形の一部となる。炭酸カルシウムは自然のサンゴ礁が人為的な温室効果を緩和するよ

一度できてしまえば浅海ではほとんど溶解しない。

うに二酸化炭素を固定しているか否かは明らかにな一方、光合成由来の正味固定された有機炭素はサンっていない。しかし既存のサンゴ礁を改良したり、ゴ礁から外洋へ有機物粒子、溶存態有機炭素あるいあるいは新たにサンゴ礁を創造したりすることによは生物体の一部などとして移動する部分も多い。こり二酸化炭素を固定化し有効利用することは可能でれらは炭酸カルシウムと比較して分解されやすい。

あろう。

有機炭素がすばやく分解してしまい二酸化炭素とな

こうした試みのひとつに「サンゴ礁エコファクト

るのならば二酸化炭素が固定されたことにはならな

リー」がある。これは通商産業省工業技術院地質調い。二酸化炭素が固定されるためにはこれらの有機査所、電子技術総合研究所を中心とした国立研究所物が堆積物となるか、深層海域に移動すればよい。

や大学および民間の研究者、技術者からなるサンゴ深層水は海洋循環により再び表層に浮上するのに数礁システム研究会が提唱している構想である。この百〜数千年かかり、その期間大気から隔離される。

構想ではまずサンゴ礁の有機炭素、無機炭素の生産「サンゴ礁は二酸化炭素の吸収源か発生源か?」と速度を規定する環境要因を明らかにし、二酸化炭素いう問題は詰まるところこの有機炭素の行く末の問を効率よく固定するようにサンゴ礁地形の改良を行題に帰着している。しかし有機炭素がどこでどのくう。光合成由来の有機物は、水産資源として有効利らいの速度で分解するのか、堆積物となるのか、あ用し、余剰の有機物は深層海域に移動させることにるいは中深層海域に移動するのかはよくわかっていより二酸化炭素を固定する。地形の改良や水産資源ない。海水の時間的、空間的な不均一性が大きいこの採取および余剰の有機物の移動に必要なエネルギとも測定されたデータの評価を難しくしている。

ーは海洋温度差発電、太陽電池により供給する。サンゴ礁海域は表層水と深層水の水温差が大きく、光二酸化炭素の吸収源か発生源かを判断する場合、量も豊富でこれらの利用に適している。

どれほどの時間スケールで炭素収支をとらえるのかということも重要な問題である。堆積した有機炭素

また筆者の属するハザマでもスーパーリーフ構想

も長い時間をかければ石油などの化石燃料となる部を掲げている (図 2)。これは海洋バイオテクノロジ

分もあり、これが燃えてしまえば再び大気中に二酸ー技術と海洋エンジニアリング技術を駆使し南洋に11みどりいし, (5) : 9‑12, (1994)ないことにも起因するだろう。またどんどん細分化して分析する近代科学の還元主義的思考法からはずれた、少々扱いにくいものといった印象があるためかも知れない。しかし時代は変化しており全体を部分に分割して考える西欧合理主義の限界が問われはじめている。地球環境問題もこのような息詰まり状態の反映ともいえる。部分を集めても全体は見えてこない。複雑な全体をそのまま捉えるホロン的思考
図 2: スーパーリーフ (人工サンゴ礁) 構想が今後の風潮となるかもしれない。こう考えると生浮遊式の人工サンゴ礁を構築するという構想である。

態学こそ次の時代のパラダイムを代表する学問のひ

サンゴ礁を利用して二酸化炭素を固定するとともに、とつとなるかもしれない。

島には研究施設、コンベンションセンター、ホテル

近年、自然と共生する持続可能な社会の構築のたなどを設置して付加価値を高め、研究や会議の場、めに建設省などの官庁においても多自然型河川やエあるいはリゾート地として多目的に利用する。現在、コロードなどの技術が提唱されている。このようなサンゴの種苗生産技術をはじめ、二酸化炭素を利用生態学を応用した生態系エンジニアリングとでも言したサンゴの成長促進技術などの基礎的な研究を行うべき技術が今後重要性を増してくるだろう。スーっている。

パーリーフ、サンゴ礁エコファクトリーもそうした技術の一環と考える。

このようなことを書くと逆に自然破壊につながるのではとの危惧を抱くむきもあろう。確かにサンゴ●おわりに礁生態系は、大気、海洋などの環境要因と生物群集との相互作用により維持されておりそのメカニズムサンゴ礁は熱帯、亜熱帯の海域に特異的に存在しは複雑である。人為的な制御によりもたらされる影ており、先進国の位置する中緯度地帯からも離れて響にはわからない面も多い。しかしだからといっているため、それに関連する研究者も比較的少ない。

サンゴ礁の保護、保全あるいは再生といったミチゲ

しかも研究内容は生物学、古生物学、地質学、地理ーション (自然環境復元) に徹するだけでは受動的学、海洋学、化学、地球化学、海洋土木など多岐にな対処療法にすぎない。

わたり、各分野の研究はそれぞれ独立して行われているのが現状である。しかしサンゴ礁による二酸化炭素固定というような地球環境問題に関連する課題●生態系エンジニアリング
二酸化炭素濃度の増大に伴う温室効果問題などのを考える場合には学際的な協力が不可欠である。こ地球環境問題は、地球という物質的には閉じているのような状態の中で各分野の研究者、技術者の相互有限な生態系への配慮が足りないことから生じてい交流は今後ますます重要なものになろう。

る。このことは生態学への関心の低さとも無関係で●参考文献はあるまい。生態学とは簡単にいえば生物と環境と

池田 穣・宮地重遠 1993. サンゴ礁の石灰化と二酸化炭素固定. 月刊海洋, 280, p.667-675.
茅根 創ほか 1993. 特集: サンゴ礁と炭素循環. 地質ニ
ュース, 465, 72pp.
高橋正征 1992. 海を介した炭素の循環. 科学, 62, p.
665-668.の相互関係を論ずる学問である。経済学と同じ語源をもち重要な学問と考えられるが、人気は今一つである。おそらくそれは分子生物学などと比較して直接金に結びつく薬などの有用物質の生産に結びつか

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