TOPICS

生物地球化学

暗黒な海に存在する溶存有機物
北海道大学 大学院地球環境科学研究院

山下 洋平

海洋には，大気中 CO2 に匹敵する量の溶存有機物が存在する．太陽光の当たる表層では ,溶存有機物は，光合成による有機物の生産，それに伴うあらゆる生物活動において生成され，微生物や光化学反応により分解される．一方，太陽光の届かない深層では，微生物による分解が卓越するが，溶存有機物の大部分は分解を免れ安定に存在すると考えられている．この安定性から，海洋溶存有機物は地球表層の活動的な炭素循環には関与していないとされてきた．しかし，その概念を覆すような結果が蓄積し始めている .

機物の分解）に伴い生成し，生成後は微生物分解を受けない安定な成分であることが示された．微生物により深層で生成される腐植様蛍光物質の年代は沈降粒子中有機物と同等の新しい年代を示すと予想される。すなわち，深層における溶存有機物は除去されるだけでらかとなった．極めて安定な系と考えられてはなく，除去と生成が同時に起きている動的プールが存在し，その安定性は地球表層の炭が示された．また，溶存有機物の炭素 14 年ない．

機物の大部分は，溶存有機物として存在し，そのプールサイズは大気中 CO2 や土壌有機物つつあり，その年代は（後述する深海熱水な炭素循環と海洋溶存有機物
地球表層には非生物態有機物素分布を制御する．海洋における非生物態有に匹敵する．海洋溶存有機物の大部分は，太いた海洋深層においても，その循環に伴い溶存有機炭素濃度が 3 割程度も減少すること代に関しても大洋スケールでの分布が示されどからの供給を除き）深層循環が進むにつれ
徐 々に 古くなるようで ある（Druffel et al.,な状態にあり，そのバランスにより濃度や炭素 14 年代が決定されていると考えざるを得

外来性の溶存有機物
前述したように，溶存有機物は海洋生物由来であると古くから考えられてき2022）．すなわち，溶存有機物は，深層循環たが，その化学的根拠は溶存有機物の炭素注目されてこなかった．しかし，仮に海洋溶-1存有機物プールが 0.5% yr で増加しているとループは，溶存有機物の中でも微生物分解に機物は様々な炭素安定同位体比および炭素14 年代を有する化合物の集合体であること

うに，海洋溶存有機物プールの定常性を理解し，大洋スケールの調査から，それらの動態を解明してきた（図 1）．

陽光の届かない海洋深層に安定に存在すると考えられ，地球表層の炭素循環を考える上で22て微生物による酸素消費（主に沈降粒子中有

すると，その増加速度は化石燃料燃焼に伴うCO2 放出速度の 3 割以上に相当する．このよすることは喫緊の課題であると言えるが，定常性を制御する海洋溶存有機物の動態（供給・除去・安定性）に関する定量的な知見は十分とは言い難い．

安定な？ 海洋溶存有機物
溶存有機物とは，天然水を 0.2 ｰ0.7 µm の濾紙を用いて濾過した際の濾液に含まれる有機物と定義されるが，その 95 ｰ99% は非生物態有機物である．海洋に溶存による輸送過程でゆっくりと除去され，炭素14 年代も古くなると考えられる．著者らのグ安定同位体比であった．一方，海洋溶存有対して安定であると考えられる成分に着目を 示 す 結 果 が 報 告 さ れ た（Druffel et al.，2022）．これらの結果は，海洋溶存有機物中洋溶存有機物中の腐植物質ことを明示したと同時に，炭素安定同位体比

海

土壌中での有機物の安定化メカ
ニズムはいくつか考えられているが，その 1 つには，炭素 14 年代が新しい成分が存在するから溶存有機物の起源を決定する難しさも示した．すなわち，海洋に存在する安定な溶存有機物の起源として，海洋の外から供給さが構造的に安定な腐植物質の形成である．

れる溶存有機物を再評価する必要がある．

蛍光スペクトルを示す成分が存在することは燃されていた．外洋域における腐植様蛍光物質

等植物のバイオマーカであり，腐植物質の材溶存有機物の中にも土壌腐植物質と同様な古くから知られており，腐植様蛍光物質と称

焼起源の溶存有機物
陸起源の溶存有機物としては，高有機物が 1 mgC L 程度の濃度で普遍的に存在することは 1950 ｰ 1960 年代に報告され，が栄養塩型（表層で低濃度，深層で高濃度）料成分とされるリグニンに焦点が当てられ研での低濃度は光分解の結果であることが実験グニンが存在することが示された．一方，それた．1987 年には海洋溶存有機物の炭素 14の起源に関しては良-1

海洋溶存有機物は極めて安定であると考えら年代が〜6,000 年であることが報告され，その安定性が裏付けられた．また，炭素安定同位体比から，安定な溶存有機物の大部分は海洋生物により生成されると考えられるようの鉛直分布を示すことは知られていた．表層的に示されたが，そく理 解 さ れて い なかった．2000 年代後半以降に全海洋において腐植様蛍光物質になった．の大洋スケールでの溶存有機物の分解に関する知見を室内実験

果，深層では腐植様数千年の滞留時間を有すると考えられるから得ることは困難であるが，その知見は千年の時間スケールを有する深層循環と比較することで得られる．1990 年頃に溶存有機炭素濃度を高精度で測定可能な手法が確立され，大洋スケールでの調査が行われた結果，その濃度は時空間的に変動することが明JGL, Vol. 20, No. 1, 2024

究がなされてきた．その結果，海洋全域にリ分 布 が 示された結蛍光物質と見かけの酸素消費量の間に正の直線関係があること が 示 さ れ（ 図 2（a）），腐植様蛍光物

質は海洋内部におい

図 1 大洋スケールの溶存有機物分布を明らかにするための試料採取が実施された観測
点．青色の観測点は著者自身，茶色の観測点は共同研究者により試料採取が行われた．
太平洋の観測は白鳳丸（海洋研究開発機構），ロシア EEZ 内の観測はマルタノフスキー号（ロシア極東海洋気象学研究所）により行われた .

（b））からの偏差は，溶存黒色炭素の地域的な供給や除去を示すと考えられ，その偏差は溶存黒色炭素の過剰濃度と定義された．
面白いことに，東部太平洋の深層においては，溶存黒色炭素の過剰濃度と過剰ヘリウ
ム 3 濃度との間に正の直線関係がみられ（図2（c）），深海熱水系において高温高圧下で生成した溶存黒色炭素が海洋深層に供給さ

図 2 太平洋深層において発見された溶存有機物と海洋学パラメータの関係．（a）図 1 のオレンジ観測線における腐植様蛍光物質の蛍光強度と見かけの酸素消費量の関係，（b）図 1 のグリーン観測線における溶存黒色炭素濃度と見かけの酸素消費量の関係，（c）図 1 のマゼンダ観測線における溶存黒色炭素の過剰濃度と過剰ヘリウム 3 濃度の関係．Yamashita andTanoue（2008）Nat. Geosci.，1, 579-582; Yamashita et al.（2022）Nat. Commun., 13, 307; Yamashita et al.（2023）Sci. Adv., 9,eade3807 を改変．

複数の要因が隠れていると推察され，様々な要因が検討された．その結果，
海 水 中の溶 存 黒 色 炭 素

洋溶存有機物プール動態の海 定量的評価に向けて海洋溶存有機物は海洋生物により生成され安定に存在すると考えられており，そのプールの挙動は地球表層の炭素循環を評価送され，蓄積すると解釈考えられてきた海洋深層においても溶存有機年の研究成果から，極めて安定な系であると物は除去および生成していることが示され，外来性の溶存有機物も寄与していることが示

水起源の
熱 溶存有機物したものであるが，莫大な海洋の体積を考え起源となり得る．熱水循

ラックスとなり，それらは不均衡な状態かもし機 物 濃 度は低くなるが，くのプロセスによって制御されている（図 3）．

熱水域も溶存有機物の環に伴い海水中の溶存有の濃度から海洋溶存有機物中に含まれる陸起源有機物は数 % 程度であると推察され，そとを意味する．

する上で考慮されてこなかった．しかし，近されている．

海洋における溶存有機物動態の概念図 .

熱成の安定な溶存有機物を供給しているこは，沈降粒子に吸着除去され，海底堆積物へと輸図3れることが明らかとなった．このことは，深海熱水噴出孔は，炭素 14 同位体に乏しい，熱水域に棲む化学合成微生物により炭素 14 年代の極めて古い溶存有機物が生成されることが示されていた．これされた．この除去／生成は，恐らくゆっくりとると，炭素循環の中でそれなりに大きなフれない．海洋溶存有機物プールの挙動は，多海洋溶存有機物プールの動態を定量的に評価するには，どのような研究を展開するべきか．各プロセスに関して，観測および実験的の大部分は太陽光による光分解により除去さらの熱水域でのプロセスが，大洋スケールのアプローチから解明すべき点が多く残されて炭などの燃焼起源炭素も安定に存在すること価されていなかったが，東太平洋海膨の存在須であると考える．

れると考えられている．一方，土壌中には木が知られており，近年，その一部が可溶化し，河川へと流出することが示された（Coppola etal.，2022）．この水溶性の燃焼起源炭素は，溶存黒色炭素と定義され，河川溶存有機物の約 10％を占めることも示された．
溶存黒色炭素も光分解するが，微生物分解を受け難いため，海洋内部に輸送された後は安定に存在するはずである．海域および水深は限られているが，海洋における溶存黒色炭素の炭素 14 年代が求められ，〜23,000 年と極めて古いことも報告された（Coppola etal.，2022）．すなわち，海洋深層は陸上の燃焼活動に伴い生成された溶存黒色炭素の究極的なシンクと考えられる．一方，太平洋における溶存黒色炭素の南北断面分布が観測された結果，太平洋深層における溶存黒色炭素の濃度は深層循環が進むにつれ低くなる傾向にあることが示され，その濃度と見かけの酸素消費量の間には負の直線関係があることが明らかとなった（図 2（b））．この直線関係は “見かけ上の” 関係であり，その背景には溶存有機物分布に及ぼす影響については評する東部南太平洋深層の広範な範囲において，溶存有機物の炭素 14 同位体比と熱水のトレーサであるヘリウム 3 同位体比との間に相関関係があることが示された（Druffel et al.，いるが，同時に数値モデル的アプローチも必̶参考文献̶
Coppola et al.（2022）Nat. Rev. Earth Environ.,3, 516-532.

2022）．この相関関係から，深海熱水系は深層における溶存有機物の（濃度は兎も角）炭素 14 同位体比や組成に影響を及ぼしている

Druffel et al.（2022）Radiocarbon, 64, 705721.と考えられる．

東部太平洋において溶存黒色炭素の分布が調べられた結果，深層における溶存黒色炭素と見かけの酸素消費量の関係は，中部太平洋（図 2（b））と同様ではなかった．こ

こで，中部太平洋深層における溶存黒色炭素と見かけの酸素消費量の直線関係（図 2
著者紹介■一般向けの関連書籍

木暮一啓（2006）海洋生物の連鎖―生命は海でどう連環しているか ，東海大学
出版会 .

山下 洋平 Youhei Yamashita

北海道大学 大学院地球環境科学研究院 准教授

専門分野：生物地球化学．非生物態有機物と炭素循環や生態系との関わりについて研究している．
略
歴：名古屋大学大学院環境科学研究科博士課程修了．博士（理学）．日本学術振興会特別研究員 DC2，PD，フロリダ国際大学ポストドクトラルフェロー等を経て現職．

JGL, Vol. 20, No. 1, 2024

23