河川を通しての陸から海への物質輸送—腐植物質の特性と錯形成能
腐植物質の特性と錯形成能—
腐植物質の特性と錯形成能
長尾誠也（北海道大学大学院地球環境科学研究科）
河川水の溶存有機物研究の意義

めて多様である（石渡 1995）。土壌や堆積物に河川を経由して陸域から海洋へ輸送されるはアルカリ溶液に可溶だが、pH２の酸性溶液で物質は、陸上生態系の物質循環のアウトプット

は沈殿を形成するフミン酸、どの pH でも可溶である。輸送される物質の中で、溶存有機物になフルボ酸、及びアルカリに不溶なヒューミン

着目した場合、河川水は温暖化の現象解明のたが存在する。天然水ではフミン酸とフルボ酸がめに重要な炭素循環の中で、陸域から海洋への溶存している。

移行経路であり、陸域と海洋の接点として位置

河川水の腐植物質の存在量は、地域の気候とづけられる。また、河川を通して運ばれる陸上流域特性により変動する。通常の着色していなの有機物が沿岸域の生物生産に関与している。

い河川水の溶存有機炭素濃度は 0.05 5mg/l、茶例えば、沿岸域のプランクトンの増殖には、陸褐色に着色した河川水の場合には 10 30mg/l

からの栄養塩の供給が必要であり、その起源はで、腐植物質は溶存有機炭素の 70 90％を占め陸上の有機物である。陸域から供給される鉄は、る。また、腐植物質のうち、フルボ酸が 90％前プランクトンの硝酸還元酵素や光合成色素の後の割合で存在する（Thurman 1985: Malcolm

合成に大きく関与し、プランクトンの成長には。
1990）

欠かすことが出来ない成分である。この鉄を運2)構造特性
2)構造特性ぶキャリアーとして、溶存有機物の大部分を占Malcolm (1990)によると、河川水腐植物質は、める腐植物質が重要であると考えられている

土壌腐植物質に比べて分子量の範囲が狭く、よ（Sholkovitz and Copland 1981: Hunter 1983: 松り低分子である。河川水フルボ酸は、土壌フル永 1993）。そのため、アムール川からの陸水のボ酸に比べると炭素含量が高く、酸素と窒素含供給量が大きく、湿地等からの溶存有機物と鉄量は低い。また、13C-NMR スペクトルによる分の供給量が高いと考えられるオホーツク海沿析結果では、河川水フルボ酸は芳香族とカルボ岸での生物生産に影響を及ぼしている可能性キシル基炭素が卓越し、土壌フルボ酸は多糖類が指摘されている。そのため、アムール川とその割合が高い。土壌フミン酸の場合、窒素含量の周辺海域でプランクトンの増殖に及ぼす鉄は４％程度で河川水フミン酸に比べて約２倍の効果、その鉄を運ぶ腐植物質の役割を詳細に高い。土壌フミン酸のメトキシ基のピークは比検討する必要がある。

較的強く、リグニンの分解生成物の寄与を示している。一方、河川水フミン酸は、フェノール

河川水腐植物質の特性性水酸基のピークが土壌フミン酸に比べて明

1)腐植物質とは？
1)腐植物質とは？

瞭である。

腐植物質とは、植物残差や微生物、プランクトンの遺骸が微生物による分解を受け、その分

3)微量元素との錯形成能
3)微量元素との錯形成能
腐植物質は、カルボキシル基やフェノール性解生成物から化学的、生物的に合成された暗色水酸基に富むことから、多価の原子価（３価（黄色 褐色 黒色）の高分子有機酸の混合物６価）を持つ微量金属元素との親和性が強く、であり、分子量、酸性官能基の pKa 値ともに極腐植物質錯体を形成するため、水圏における微量金属の移行挙動の支配因子の１つと考えら鉄-フルボ錯体の支配因子としての可能性が高れている（Kim 1986: Stevenson and Fitch 1986）。

い。また、栄養塩が豊富に存在するが、クロロ

pH4 6、イオン強度 0.1Ｍの溶液における腐植フィル量が 低く、鉄が不足している海域

物質の安定度定数（log）は、Cu(II), Zn(II) <（HNLC）に鉄を添加するとプランクトンが増

Np(V) < U(VI) = Eu(III), Am(III), Dy(III) < Th(IV)

殖することが報告されている（Martin et al. 1990:の順に大きくなる（長尾 2003）。この違いは、。西岡ら
Behrenfeld et al. 1996: 津田ら 2002）

元素の溶存形態と腐植物質の解離度、３次元構（2002）によると、添加した鉄イオンは海水中造、及び元素の加水分解、炭酸塩との錯形成ので高分子フラクションに存在した状態で溶存競争関係等により変動する。

していた。このことは、鉄が腐植物質のような腐植物質は生成される環境等により、その構造や官能基特性が異なることから、これらに関高分子の有機物と錯体等を形成した可能性が考えられる。

連する特性を基にした錯形成に関する評価、定量化が必要である。Nagao et al.(2003)は、腐植腐植物質の特性分析の必要性物質の簡易な特性評価項目として利用され、微土壌腐植物質は、生成される環境等により、量元素との錯形成に関与していると考えられその構造特性、構成有機物含量、官能基特性等ている腐植物質の分子サイズ分布に着目し、各が異なることが知られている（Stevenson 1994）。

種の特性を持つ腐植物質と Am(III)との錯形成

そのため、土壌等の流域から腐植物質の供給を実験を行った。その結果は図１に示す。フミン

受ける河川水では、流域環境を反映して異なる酸存在下では、淀川試料を除き、Am は分子サ特性を示すことが考えられる。図２には、そのイズ 10 万 １万に 80 90％が存在していた。

１例として、河川水、及び地下水フミン酸、フ淀川フミン酸の場合、Am(III)は分子サイズ 10

ルボ酸の脂肪族成と芳香族成分の割合の関係万以上の存在割合が卓越していた。フルボ酸共をプロットした。フミン酸とフルボ酸は河川水存下の場合、フルボ酸試料により Am が卓越すと地下水ともに明らかに異なる領域にプロッる分子サイズが異なっていた。以上の結果より、トされるが、それぞれの構成割合は、ある幅を腐植物質と Am(III)との錯形成は、腐植物質の有している。このような腐植物質の構造・分子分子サイズの割合とそのサイズフラクション

サイズ等の流域による違いは、沿岸域での生物の構造・官能基特性に支配されていると考えら生産に影響を及ぼす鉄の供給量、溶存形態にもれる（Nagao et al. 2003a）。

関連してくる。そのため、腐植物質の役割をより詳細に、しかも定量的に評価するためには、海洋での生物生産と腐植物質との関係

XAD 樹脂等を用いて河川水から腐植物質を分陸から河川を経由して沿岸海洋へ供給され離精製する必要がある。しかしながら、多くのるフルボ酸鉄（鉄-フルボ錯体）が、沿岸域で労力と時間を必要とするため、これまではほとのプランクトンの増殖、海草類、貝類等の生育んど検討が進んでこなかった。そのため、実験に関与していることが松永(1993)により報告さ海域及びその起源と考えられる河川水からのれている。道東の湿原がある沿岸域では溶存有腐植物質の分離精製とその特性評価が必要で機炭素濃度と鉄濃度が日本海側に比べて高く、ある。

これまでは、上記の検討は、励起波長を固定

溶存腐植物質の簡易測定法の検討した定常光での蛍光スペクトルを測定する方

陸起源腐植物質の沿岸域での拡散状況の把法により行われてきた。最近では、蛍光特性の握は、沿岸域のどの範囲まで河川水腐植物質の全体像を把握できる３次元励起蛍光分光光度影響を受けているのかを評価するために必要法が溶存腐植物質の特性評価手法として用いな基礎データである。この場合、多くの測点でられ始めた（Coble 1996: Mobed et al. 1996: 長尾の採水と測定が必要となるため、樹脂等によるら 1997）。３次元励起蛍光スペクトルは、サン

分離精製操作による腐植物質の採取は、試料量、プル間の僅かな検出ピーク位置、及びスペクト処理の時間と労力の点から全ての試料に適用ル形状の違いを見分けることが可能である。そすることは困難である。そのため、河川水およのため、腐植物質のキャラクタリゼーションとび沿岸海水の腐植物質の濃度を簡易に測定でして有効な測定手法である。長尾ら(1997)は、きる分析手法を確立する必要がある。また、河天然水中の腐植物質の濃縮操作を行わずに直川を経由して陸域から沿岸域に供給される腐接測定する場合の天然水への適用範囲（pH、イ植物質が年間を通してどの程度の量か、その供オン強度、腐植物質濃度）を検討した。また、給量には季節的な変動についての知見が必要

淀川と久慈川河川水に適用し、上流から下流にである。さらに、腐植物質の構造特性と鉄とのかけての溶存腐植物質の蛍光特性が異なるこ

錯形成との関係、腐植物質の錯形成能に関連すとを明らかにした（鈴木ら 1997,1998）。

る腐植物質の特性を測定できる方法が必要不

河川水試料の測定結果の１例として、琵琶湖可欠である。

を水源として都市域を流れる淀川、比較的に天

そこで我々は、腐植物質の濃度と１部の特性に然環境が維持され、褐色森林土地域を流れる久関する情報が得られる以下の２つの方法を選

慈川、及び湿地帯を流れるサハン川河川水の３択し、腐植物質の分離精製を行わずに、ろ過し次元励起蛍光スペクトルを図３に示す（Nagao

たろ液の試料を用いた直接測定が可能かどう。淀川河川水には励起波
et al. 1998a: 長尾 2003）

か、また、その分析法の妥当性に関しての検討

長/蛍光波長＝280nm/340nm 付近にタンパク質を行った。

様物質のピークが検出され、淀川、久慈川及び

1) 3 次元蛍光分光光度法

サハン川河川水には、励起波長/蛍光波長＝天然水中に溶存する腐植物質は、分子量が数320nm/430nm にフルボ酸に相当するピークが百 数百万と広い範囲を示し、その構造には不検出される。また、サハン川河川水には、励起飽和脂肪族化合物、芳香族化合物等の蛍光物質波長/蛍光波長＝300nm/430nm、330nm/460nm、を有している。腐植物質の化学組成・構造は、360nm/460nm にもフルボ酸に相当するピーク

出発物質と生成機構を反映して、腐植物質が存が存在する。このような３次元励起蛍光スペク在する環境により異なる多様性を持っている。

トルの特徴の違いは、河川流域から河川へ供給

そのため、腐植物質の蛍光スペクトルは、構成される腐植物質の特徴の違いを反映している

有機物や構造特性の違いが反映され、蛍光ピーと考えられる。

クの数、波長位置、相対蛍光強度が異なってい

2) 高速液体サイズ排除クロマトグラフィー

る（Senesi 1990: Senesi et al. 1991）。

有機物の分子サイズ分布は、天然水中の溶存有機物の物理化学的な特徴を理解する上にお1998b: Nagao and Muraoka 2001)。

いて重要な検討項目の１つである。溶存腐植物

図の４，５には、それぞれ久慈川河川水から質の分子サイズ分布は、流域の植生、機構、土分離精製した腐植物質と GF/F フィルターによ壌等により異なり、微量金属元素との錯形成のりろ過した河川水の紫外検出と蛍光検出（溶存支配因子の１つと考えられている（Thurman

フルボ酸に相当する検出波長）の測定結果を示

1985: Hessen and Tranvik 1998: Nagao et al.

した(長尾ら 2001: Nagao et al. 2003b)。両者とも、。
2003a）

分離精製した腐植物質と河川水のクロマトグ

溶存有機物の分子量及び分子サイズ分布のラムの特徴はほぼ一致したことから、検出され測定には、サイズ排除クロマトグラフィーが広るクロマトグラムの大部分が腐植物質により範に用いられている。この方法の利点は、分子構成されていると考えることが出来る。このこ

サイズとその分布を測定できる点にあり、特にとは、樹脂等により分離精製した久慈川腐植物

腐植物質のような多分散性の有機物の測定に質の 95％がフルボ酸であることと調和的であ適している。溶存腐植物質の分子サイズ分布は、る。この方法を久慈川に適用し、久慈川とその通常、樹脂等により分離精製した腐植物質を溶支流で腐植物質の特徴が異なることが明らか液に溶解し、pH、イオン強度、腐植物質濃度をとなった。

調整した試料に関して測定していた。
最近では、濃縮等の前処理を行わずに、ろ過まとめした天然水試料をサイズ排除カラムに直接注

高分子電解質の有機酸であり、多価の原子価入し、天然水中の腐植物質の分子サイズ分布をの微量金属元素との錯形成能が高い腐植物質

高速液体サイズ排除クロマトグラフィーによは、鉄イオンと錯体を形成し、陸域から海洋へり測定し、その特徴を解析する簡易測定法が検の鉄イオンのキャリアーとして作用するため、討されている。Nagao and Senoo (1996)は、紫外沿岸海域の生物生産に重要な役割を演じてい検出高速液体サイズ排除クロマトグラフィー

ると考えられている。腐植物質の役割を定量的による簡易測定法を様々な環境にある天然水に評価し、生物生産を増殖させる機構を明らか中の腐植物質の特性分析として適用するため、にするためには、陸域から河川を経由して供給腐植物質濃度、pH 及びイオン強度の影響を調される腐植物質の量、構造・官能基特性と鉄とべ、pH５ ９、腐植物質濃度 0.5 100mg/l の陸の錯体特性を検討する必要がある。そのために水及び海水試料には適用可能であることを明は、腐植物質の濃度と特性の両方を簡易に測定らかにした。また、Nagao et al.(2003b)は、蛍光できる分析方法が必要不可欠である。本報告で検出高速液体サイズ排除クロマトグラフィー

述べた３次元励起蛍光分光光度法と高速液体の簡易測定法としての妥当性を、分離精製したサイズ排除クロマトグラフィーは、腐植物質の腐植物質、河川水を用いて検討した。さらに、濃度、特性及び動態解明のための簡易分析法で紫外検出及び蛍光検出あるいは有機炭素検出ある。腐植物質の河川水からの分離精製操作をを組み合わせて、河川水中の溶存有機物の特性行わないことから、少量の試料（ 10ml）で比を 調べ る 試み も 行 わ れ て い る (Huber and較的短時間に多くの試料を分析することが可

Frimmel 1991: Huber et al. 1994: Nagao et al.

能である。実際の河川水については、久慈川や淀川河川水に適用し、その有効性が実証されてCharacterization, Transformations andいる。今後は、沿岸海水試料にこれらの方法をInteractions (eds. C E Clapp et al.), IHSS,適用し、その有効性および問題点を整理する必pp.71-79.

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80(a) Am-HA system

Yodo
Sahan
Suwannee
Nordic60Am (%)

4020080(b) Am-FA system

60Am (%)

40200>450nm 450nm-100k 100k-30k 30k-10k

10k-5k

<5k

Molecular size

図１ 河川水及び湖水から分離精製したフミン酸及びフルボ酸共存下におけるAm(III)の分子サイズ分布
Yodo=淀川腐植物質, Sahan=サハン川腐植物質, Suwannee=スワニー川腐植物質(IHSS標準試料), Nordic=Nordic湖水腐植物質(IHSS標準試料)

Aro mati c C a rb on (% )110-160ppm

60HA40FA20002040
Aliphatic Carbon (%)
0-60ppm60

図２ 河川水及び地下水腐植物質の脂肪続成分と芳香族成分の存在割合の関係■河川水フミン酸、□河川水フルボ酸●地下水フミン酸、○河川水フルボ酸

500(a) Yodo River water

450
Excitation/ nm

450400350400350300300250250250 300 350 400 450 500 550
Emission/ nm(c) Sahan River water

450400350300
250250 300 350 400 450 500 550
Emission/ nm

250 300 350 400 450 500 550
Emission/ nm

図３ 淀川、久慈川及びサハン川河川水の３次元励起蛍光スペクトル
河川水は、ガラスファイバーフィルターでろ過した試料について測定した。等高線間隔は、淀川河川水で16QSU、久慈川試料で8QSU、サハン川河川水では16QSUである。

2Fluorescence intensity

Excitation/ nm

500(b) Kuji River water

Excitation/ nm5000

図４ 久慈川腐植物質と河川水のクロマトグラム
検出は紫外280nmで行った。

1Concentrated HS5mg/l
3Filtered river water
DOC 1.6mg/l
45101520
Elution volume/ ml

図５ 久慈川腐植物質と河川水のクロマトグラム
検出は励起波長/蛍光波長＝320nm/430nmで行った。

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