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## 4 研究成果の社会実装に関して

本研究課題では、環境問題である放置竹林の「竹害」を解決する一つの方法を提案して、環境政策に資することを最終目的に、竹の特長を活かした廃棄竹材の革新的利用方法として次世代電池への適用についての技術開発を行ってきた。特に、研究成果の社会実装モデルとして、図48に示すように①集落・竹林密集地区（オンサイト）に拠点を設置して、竹繊維を製造、シート成型、②各拠点から炭素化工場に集約して炭素化を行って、③電池メーカーに出荷するフローをイメージして研究開発に取り組んできた。

まず、①のオンサイト拠点での竹繊維の製造には、簡便で安全な工程が必要となる。そのために企業と共同で竹専用の加工機を開発して、市販の電気圧力鍋やミキサーなど汎用機器を用いる竹繊維製造方法を確立した。この製造工程の内、竹の内外皮の除去等の工程では屑が排出される。この有効利用を目指して、竹屑を用いる固形燃料の製造も行った。

図 48 研究成果の社会実装モデル。
また、竹繊維製造工程では、水酸化ナトリウム水溶液を用いる処理の際に、リグニン由来の有機物が排出される。この廃液の処理が課題になることを考慮して、pH 測定と全有機炭素（TOC）測定を実施した。その結果、pH は 11.5 程度、TOC は 4,900 ppm と排水基準を超える。TOC については活性炭処理などにより除去可能であると考えられるが、有効利用法も検討してきた。そして、TOC として検出される有機物を分離、抽出することに取り組み、試験的に成功している。今後は、これを竹炭繊維の炭素化や竹屑を用いる固形燃料の製造における添加剤として利用することなどを検討する必要がある。一方、廃液はこの工程で減量し、ナトリウムも抽出される。

②の炭素化工程については、3000 ℃ の炭素化温度をニッケルを添加することで低減できることを明らかにした。しかし、ニッケルの添加はコストの上昇に繋がるし、結果として示したポリビニルアルコール（PVA）の添加に比べて、性能面で劣ることから、現実的でないと考えられる。一方、ポリビニルアルコールの添加により、市販の炭素繊維製シートに迫る発電性能を得ることができた。ポリビニルアルコールは“洗濯のり”として一般的な高分子化合物である。このコストは、市販の炭素繊維製シートに含まれる化合物（例：ポリテトラフルオロエチレン；PTFE）よりも低い。また、PTFE では廃棄後、焼却処分を行うと、CF_{4} ガス（地球温暖化係数 150）などフッ素を含むガスが排出される恐れがあるが、PVA からは排出されないメリットもある。

③電池への実装には、燃料電池発電試験における性能を示していく必要がある。この3年間の取り組みでは、市販の炭素繊維製シート比90%超とほぼ同等の発電性能を得ることができた。現状の竹炭繊維シートの密度は、炭素繊維製シートのそれに比べて4割程度低い。この密度差が電池性能の差の一要因と考えられる。さらに、バインダー添加量の最適化もさらなる性能向上に対して有効と考えられるため、今後はこれらに関する検討を進める必要がある。

技術的な成果と今後の課題を以上で述べてきたが、本研究開発成果の社会実装に関しては、集落・竹林密集地区へこのシステムを適用できるかどうかが最も大きな課題である。これに
対し、本研究開発では、県・市の “行政（官）”、NPO や自治会等の “民”、“産” としての地元企業との協議と対話を行ってきた。また、竹害被害に見舞われている地域にお住まいの住民の方々の生活実態調査も、社会科学・福祉の専門家と共同で進めている。最終的には、図49 に示すような学民・産学連携を含めた産学官民連携・一体で研究成果の実現と放置竹林問題の解決をめざす。

図 49 放置竹林問題の解決に向けた産学官民連携。
### 5. 結論

本研究課題では、環境問題である放置竹林の「竹害」を解決する一つの方法を提案して、環境政策に資することを最終目的に、竹の特長を活かした廃棄竹材の革新的利用方法として次世代電池への適用を考え、（1）竹繊維製造工程の確立、（2）竹チップの繊維化、（3）竹繊維のシート加工とその炭素化、（4）竹炭繊維シートの物性評価および（5）竹炭繊維シートを用いるガス拡散電極の作製と電池性能評価を行った。

（1）竹繊維製造工程の確立では、水熱処理を採用した新規工程で、従来工程とほぼ同じ平均直径の12μm程度の竹単繊維が得られることを実証した。これにより、従来工程では竹繊維製造に8段階、シート製造までに10段階（約10時間）必要であったのに対し、本研究で確立した新規工程では、竹繊維製造に4段階、シート製造に5段階（最短4.3時間）で製造できることを実証した。

一方で、成竹を対象とした場合、①内・外皮の除去が困難かつ危険、②剛直でつぶれにくい、③断面方向での繊維の直径に分布があることなどの理由から、製造される繊維が不均一になりやすいことがわかり、企業と共同で竹専用の加工機を開発し、それを解決した。そして、新たな竹繊維製造方法を検討した結果、竹単繊維を製造する最適条件は、処理後の竹材重量が60 g、水酸化ナトリウム水溶液濃度が0.1 mol dm $ ^{-3} $ でその体積が1 L、圧力鍋処理条件が120 ℃、200 kPa、3 時間であることを見出して竹繊維製造方法を確立した。

（２）竹チップの繊維化では、複数方向からプレス処理を行うことにより、水熱処理で竹繊維を製造することができた。

（3）竹繊維のシート加工とその炭素化では、製造した竹繊維を水に懸濁させ、型に流し込んで抄紙法（紙すき）の技術で10 cm×15 cmのシートを作製するには、作製した竹繊維5 gを、超純水400 mLが最適条件であることを見出した。

（4）竹炭繊維シートの物性評価では、竹繊維シートは、形状を保持したまま炭素化することが確認された。また、その直径は、市販の炭素繊維製シート内の繊維と同等となることもわかった。
3000 ℃ の炭素化で得られた竹炭繊維シートの面内と厚さ方向の導電率は、市販の炭素繊維製シートよりも低かった。なお、撥水性は市販品のように撥水剤を添加していないにも関わらず、十分な値であった。さらなる導電率の向上を目指し、①黒鉛化触媒であるニッケルの添加による竹炭繊維自身の導電率の向上と、②バインダーとしてポリビニルアルコールを添加することで繊維間の導電性の確保を検討し、ニッケルの添加は炭素化温度の低温化に、ポリビニルアルコールの添加は繊維間に導電パスを形成させることで導電率を向上させることに効果があることを明らかにした。

（5）竹炭繊維シートを用いるガス拡散電極の作製と電池性能評価では、作製した竹炭繊維シートを用いて固体高分子形燃料電池の発電試験を行い、ガス拡散層として用いることで固体高分子形燃料電池の発電ができることを初めて実証した。また、開回路電圧と最大出力は、市販の炭素繊維製シートの場合に0.995 Vと170 mW cm⁻²であって、竹炭繊維シートの最高値はポリビニルアルコールを添加した場合に得られ、それらはそれぞれ0.987 Vと155 mW cm⁻²で市販品に迫る性能を得ることができた。

### 6. 参考文献

[1] 池田ら、東京都立産業技術研究センター研究報告，第1号，2006年。

### 7. 研究発表

<学術論文、解説>

1) 衣本太郎，第 8 章 6 エネルギー分野 3 燃料電池技術，炭素繊維 製造・応用技術の最前線，（株）シーエムシー出版，pp. 248-252（2013）.

2）衣本太郎，固体高分子形燃料電池の低コスト化と性能向上に寄与する炭素材料技術，月刊ケミカルエンジニアリング，58(10)，12-18，(2013).

3) 衣本太郎, 竹を用いる空気二次電池・固体高分子形燃料電池の電極材料の開発, Material Stage, 2014 年 1 月号, 57-60 (2014).
4）衣本太郎，表面修飾炭素材料の作製と固体高分子形燃料電池および水素－空気二次電池用材料としての適用，炭素，No. 263，114-122（2014）.

5) Preparation and Electrochemical Behavior of Carbonaceous Fiber Sheets Derived From Bamboo, Taro Kinumoto, Takuya Matsumura, Miki Matsuoka, Tomoki Tsumura, Masahiro Toyoda, ECS Transaction, Vol. 58(25), 155-162 (2014).

6) Preparation of Carbonaceous Fiber Sheets Derived from Bamboo and Application to Gas Diffusion Layer of Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Takuya Matsumura, Taro Kinumoto, Miki Matsuoka, Tomoki Tsumura, Masahiro Toyoda, ECS Transaction, Vol. 64(45), 19–27(2015).

7) Material Processing of Bamboo for Use as a Gas Diffusion Layer in Proton Exchange Membrane Fuel Cells, Taro Kinumoto, Takuya Matsumura, Koki Yamaguchi, Miki Matsuoka, Tomoki Tsumura and Masahiro Toyoda, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Vol. 3(7), 1374–1380 (2015).

## <学会発表>

1）松村卓也、衣本太郎、松岡美紀、津村朋樹、豊田昌宏、「廃棄竹材の電池材料への有効利用を指向した竹炭繊維シートの作製」、2012年日本化学会西日本大会、2012年11月.

2）松村卓也、衣本太郎、松岡美紀、津村朋樹、豊田昌宏、「廃棄竹材の有効利用を指向した竹炭繊維シートの作製と電気化学特性」、電気化学会第80回大会、2013年3月.

3) 松村卓也，衣本太郎，松岡美紀，津村朋樹，豊田昌宏，廃棄竹材の有効利用を指向した竹炭繊維シートの作製と電気化学評価，第50回化学関連支部合同九州大会，2013年6月.

4) T. Matsumura, T. Kinumoto, M. Matsuoka, T. Tsumura, M. Toyoda, Preparation and Electrochemical Behavior of Carbonaceous Fiber Sheets Derived From Bamboo, The Hilton San Francisco Hotel, 224th ECS Meeting, 2013年10月.
5) 松村卓也，衣本太郎，松岡美紀，津村朋樹，豊田昌宏，廃棄竹材の繊維化とその炭素化による竹炭繊維シートの作製と燃料電池への適用，第50回炭素材料学会，京都教育会館，2013年12月.

6) 松村卓也，衣本太郎，松岡美紀，津村朋樹，豊田昌宏，竹の繊維化とその炭素化による竹炭繊維シートの作製と燃料電池への適用，第81回電気化学会，関西大学，2014年3月.

7) 松村卓也，衣本太郎，松岡美紀，津村朋樹，豊田昌宏，竹の繊維化と炭素化による竹炭繊維シートの作製と燃料電池への応用，第51回化学関連支部合同九州大会，2014年6月.

8) T. Kinumoto, M. Matsuoka, T. Tsumura, M. Toyoda, Preparation of Carbonaceous Fiber Sheets Derived from Bamboo and Application to Gas Diffusion Layer of Proton Exchange Membrane Fuel Cells, T. Matsumura, 226th ECS Meeting, Moon Place Resort Cancun, Mexico, 2014年10月.

9) T. Matsumura, T. Kinumoto, M. Matsuoka, T. Tsumura, M. Toyoda, Application of Bamboo Fiber sheet as a Gas Diffusion Layer of Proton Exchange Membrane Fuel Cell by Carbonization, International conference on multi-functional materials and application, Hoseo University, Korea, 2014年11月.

10) 松村卓也，衣本太郎，松岡美紀，津村朋樹，豊田昌宏，竹繊維の炭素化による竹炭繊維シートの作製と燃料電池への適用, 第51回炭素材料学会, 京都教育会館, 2014年12月.

11) 三好晴果，衣本太郎，松村卓也，松岡美紀，津村朋樹，豊田昌宏，竹繊維の炭素化による固体高分子形燃料電池用ガス拡散層の作製, 電気化学会第 82 回大会, 横浜国立大学, 2015 年 3 月.

## 〈招待・依頼講演〉

1) 次世代電池の材料開発～ナノテクから廃棄竹材の利用まで～，大分大学技術交流会，
2012年12月.

2) 次世代エネルギー社会を支える電池への資源の有効活用, 宇佐地区産学交流会, 2013 年 2 月.

3）衣本太郎，固体高分子形燃料電池の低コスト化と性能向上に寄与する炭素材料技術，大分・佐賀合同新技術説明会，JST，2013年7月.

4）衣本太郎，廃棄竹材の次世代電池へのゼロエミッション利用技術の開発，おおいた協働ものづくり展，2013年10月.

5) 衣本太郎，廃棄竹材の次世代電池へのゼロエミッション利用技術の開発，大分県ごみゼロフェスティバル，2013年11月.

6) 衣本太郎，廃竹材を使った次世代電池について，第二回竹イノベーション研究会，福岡大学，2013年11月.

7) 衣本太郎，廃棄竹材の次世代電池材料へのゼロエミッション利用技術の開発，第3回大分県環境ビジネス支援セミナー，大分県，2013年11月.

8) 衣本太郎，廃棄竹材の次世代電池材料へのゼロエミッション利用技術の開発，大分市環境展，2014年6月.

9) 衣本太郎，空気を用いる電池への炭素材料の開発～表面修飾から竹の利用まで～，活性炭技術研究会第155回講演会，2015年6月.

## ＜新聞・テレビ報道＞

1）大分合同新聞朝刊（2012年8月14日）「次世代電池に廃棄竹材活用」

2）大分合同新聞朝刊（2012年9月9日）「ひと・廃棄竹材を使った次世代電池を開発する」

3) TOS テレビ大分（2012年9月20日）「スーパーニュース」

4) テレビ東京（2012年10月24日）「News モーニングサテライト」

5) NHK（2012年11月15日）「しんけんワイド大分」

6) NHK（2012年11月22日）「おはよう日本」九州・沖縄エリア
7) NHK（2012年12月11日）「おはよう日本」全国ネット

8）毎日新聞朝刊（2013年1月24日）「あん人こん人・竹製燃料電池にかける」

## ※「国民との科学・技術対話」の実施

下記は、主として科学を専門としない方々への技術説明を行った実績である。

1）衣本太郎，廃棄竹材の次世代電池へのゼロエミッション利用技術の開発，おおいた協働ものづくり展，2013年10月.

2）衣本太郎，廃棄竹材の次世代電池へのゼロエミッション利用技術の開発，大分県ごみゼロフェスティバル，2013年11月.

3）衣本太郎，廃竹材を使った次世代電池について，第二回竹イノベーション研究会，福岡大学，2013年11月.

4）衣本太郎，廃棄竹材の次世代電池材料へのゼロエミッション利用技術の開発，第3回大分県環境ビジネス支援セミナー，大分県，2013年11月.

5) 衣本太郎，廃棄竹材の次世代電池材料へのゼロエミッション利用技術の開発，大分市環境展，2014年6月.

## 8 ．知的財産権の取得状況

1）燃料電池又は金属-空気二次電池の竹炭繊維製ガス拡散電極とその製造方法，発明者：衣本太郎，特願2012-243050.
## 英文概要

Aiming at solve the environmental issues originated from bamboo, material processing procedure of bamboo was investigated for use as a gas diffusion layer (GDL) of the next generation batteries such as polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and metal-air battery. Bamboo fibers were obtained from bamboo through mechanical treatment, delignification in NaOH solution at 120 °C, and subsequent defibration using an electric blender. The fibers contained cellulose, hemicellulose, and lignin. The fibers were molded into bamboo fiber sheet and were subjected to carbonization to give carbonized bamboo fiber sheet (CBFS), in which the fibrous morphology remained. Both the in-plane and the through-plane electrical conductivities were measured after the carbonization. It was found that the conductivities of CBFS was less than that of conventional GDL; on the other hand, thus lower conductivities are improved by using Ni as a catalyst as well as addition of polyvinyl alcohol (PVA). For the first time, PEFC and aluminum-air battery operation tests were demonstrated using CBFS as GDL (the electrode). The maximum power density was obtained for CBFS with PVA that has the best conductivity among the CBFSs. Thus, bamboo will be a candidate material for GDL for PEFC and metal-air battery.
課題名 S-9-5 海洋生態系における生物多様性損失の定量的評価と将来予測

課題代表者名 白山 義久 （国立研究開発法人海洋研究開発機構理事）

研究实施期间 平成23～27年度

累計予算額 313,492千円（うち平成27年度：57,260千円）

予算額は、間接経費を含む。

本研究のキーワード EBSA、アジア、外洋、深海、沿岸、アマモ場、藻場、サンゴ礁、動物プランクトン、化学合成生物群集

## 研究体制

（１）沿岸生態系生物多様性のグローバルスケールでの時空間的変動の定量評価と将来予測（国立研究開発法人海洋研究開発機構）

（２）海藻生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測（北海道大学）

（３）アマモ場生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測（東京大学）

（４）サンゴ礁生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測（国立研究開発法人国立環境研究所）

（５）日本周辺水域のプランクトン生態系に関する生物多様性変動の定量評価と将来予測（国立研究開発法人水産総合研究センター）

（６）深海化学合成生態系における生物多様性損失の定量評価と将来予測（国立研究開発法人海洋研究開発機構）

## 研究協力機関

琉球大学、東海大学、Indonesian Institute of Sciences, National University of Malaysia, University Sains Malaysia, Mindanao State University – Iligan Institute of Technology, Burapha University, Institute of Ecology and Biological Resources of Vietnam, Phuket Marine Biological Center, Marine Science Institute, University of the Philippines

## 研究概要

### 1. はじめに（研究背景等）

近年、海洋生態系の著しい劣化と水産資源への顕著な影響が指摘されている。また人間活動の影響は、沿岸域だけでなく外洋から深海にまで及んでいることが報告されている。海洋生物センサス（CoML: Census of Marine Life）により蓄積された世界的な生物多様性の出現データもこれを裏付けている。アジア周辺海域の生物多様性の豊富さも示されたが、地域的なデータは不十分でありこの生態系劣化の原因解明と対策の立案を難しくしている。

沿岸では、藻場やサンゴ礁が多様な生息環境を作り出し、濃密な生物多様性を維持している。一方、水深200mまでの浅い海は容積にしてわずかに3%しかなく、残りの97%は太陽の光が届かない深海である。そこには浅い海とは様相のちがう生態系が維持されており、多様な生物群集が生息している。気候変動の影響や海洋の酸性化、さらに深海底での鉱物資源やエネルギー資源の開発、投棄されたゴミなど環境の安全と水産資源への影響は沿岸から外洋および深海に広がる。適切な保全策を立案するには、現状の正確な把握と多様性を減少させている原因を特定しなければならない。海洋での生物多様性の調査研究には、従来の枠組みを越えた体制が不可欠である。

我が国は2012年まで生物多様性条約の議長国として、先に名古屋で行われた同条約のCOP10で海域の10％を保護区として設定することを目標に掲げた。また世界で6番目に広い管轄海域を保有し、かつ周辺海域の生物多様性が世界有数の豊かさをもつことなど、生物多様性の保全において世界をリードすべき立場にある。海域の保全では、科学的根拠に基づいた生態学的または生物学的に重要な海域（EBSA: ecologically or biologically significant area）を選択しなければならない。その重要海域から保護区のネットワークを設定するためには、さらなる科学的根拠が必要になる。
図1 CoMLのデータにより解析された海洋生物の多様性と分布の傾向

## 2 ．研究開発目的

我が国周辺の重要な海洋生態系である沿岸浅海生態系のアマモ場・藻場・サンゴ礁、外洋表層生態系および深海化学合成生態系を対象として、リモートセンシングと現場情報のカップリングにより遠隔情報から海域の生物多様性を予測する技術を開発し、さらにその情報の時空間的変動から生物多様性劣化の定量評価と将来予測を行う。その成果をもとにアジア海域でのEBSA選定の条件を検討して候補海域を選定し、地域の海域環境に応じた保全と回復の方策を提案する。これにより環境政策の目標達成に貢献する。

S-9-5共通の戦略・アウトプット・アウトカム

図2 S-9-5の研究開発での目的と貢献目標

### 3. 研究開発の方法

## （１）岸生態系生物多様性のグローバルスケールでの時空間的変動の定量評価と将来予測

統一手法を用いたサンプリングに基づいてグローバルスケールで得られているアジア海域の生物多様性の情報を活かして、本研究の他のサブテーマが取得する生物分布状況と海域情報との関係を解析してモデルを確立し、多様性変動の定量評価と将来予測を行い、EBSA選定の条件と方法を検証する。EBSAの選定では、CBD専門部会（CBD: Convention on Biological Diversity，生物の多様性に関する条約）が推奨した7項目の基準を採用した。各項目の基準には、具体的な数値目標や生物種が記載されていない。基準に適用可能な科学的なデータから海域におけるEBSAの選定をした。方法は、各項目で評点を付け総合得点を5段階評価する加算法および絶滅危惧種の保全を考慮した相補性解析の結果から総合評価した。

## （２）海藻生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測

我が国沿岸域の主要生態系の1つである藻場生態系を対象域として、リモートセンシングデータと生物多様性データの相互関係を記述する空間明示的なモデルを開発する。これにより、藻場生態系の生物多様性の定量評価、今後の海藻生態系の生物多様性の変動の予測、およびEBSA選定を行う。具体的
には、まず、1）モデル海域（青森県尻屋崎周辺）にて、音響測深と映像記録を組み合わせた観測を元に、空間内挿法によりコンブ林の生物量の空間分布を評価する方法を開発すると共に、2）コンブ類の分子マーカーを開発し、それを用いて主要種の遺伝的構造を把握し、生物多様性解析で利用する分類群のユニットを確定する。続いて、3）書誌情報（文献、報告書類など）、学術標本および既存のデータベース（環境省データベース、OBIS、GBIF等）から抽出した海藻類の在データを統一した生物多様性データベースを作成し、本テーマが準備する海洋生物多様性データベースに格納する。また、4）データベースおよび広域環境情報を用いて種分布推定モデルを作成し、コンブ目主要種について、北日本における分布推定を行うと共に環境要因との関連性を解析する。さらに、5）環境要因について、IPCCのシナリオに基づく将来予測を実施し、複数の気候変動シナリオ下でのコンブ目海藻の分布の変化を推定する。一方、EBSAについては、6）北海道レベル、および全国レベルで、CBDの基準6項目を定量的に評価することにより実施すると共に、海藻類の将来の分布範囲の予測結果を取り入れた選定法も開発する。

## （３）アマモ場生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測

## 1 ）海草類データベースの構築

日本及び東南アジア海域を対象として、アマモ類をはじめとする海草類の分布情報および藻場面積等の生態学的属性情報を既往文献もしくはデータベース等から抽出した。集積した分布情報は統一フォーマットに整形して海草類分布データベースとして構築し、サブテーマ間で共通のデータベースであるBISMaL (Biological Information System for Marine Life) 上に登録した。

## 2 ）アマモ場生態系におけるEBSAの選定

収集した海草類の分布情報，アマモの現存量，およびアマモ集団間の遺伝的構造等の情報に基づいて日本沿岸海域を評価し，アマモ場生態系におけるEBSAを選出した。海域の評価は、CBD専門部会が推奨した7項目の評価基準に基づき，アマモ場生態系に最適化し，且つ広域スケールで海域間を客観的に比較可能な指標を用いた。

## 3 ）アマモ類の将来分布予測

IPCC気候変動シナリオ下での海水温変動の影響に基づいたアマモ類の分布について変動予測を行なった。温帯・亜寒帯種を中心とした6種を対象に、日本沿岸を5kmグリッドに区分けして、Maxentを利用して、気候変動モデルにより予測された将来の海水温変動の値を用いて、2090-2100年の最暖月における分布予測を、RCP2.6（低位安定化シナリオ）およびRCP8.5（高位参照シナリオ）の2つのシナリオについて行なった。

## 4 ）次世代シーケンサーを用いたアマモ場生物多様性の新規評価手法開発

アマモ場生態系の迅速な生物多様性評価およびアマモ場生物群集間のコネクティビティの評価手法として、採集が容易で、様々な環境に適応した分類群を含み、環境および生物多様性の指標として適当と考えられるメイオベントス群集を用いた新規評価手法を検討した。日本沿岸および東南アジア海域において、代表的なアマモ場で現地調査を行い、採集した環境遺伝子試料（底質）よりDNAを抽出した。第二世代シーケンサーによりメイオベントス群集メタゲノムデータ（18s rDNA）を取得し、生物多様性およびコネクティビティの評価を試行した。

## 5 ）リモートセンシングによるアマモ場の時空間変動要因の検討

局所スケールにおける人為的な環境改変がアマモ場の時空間動態に与える影響を明らかにするため、過去に取得された人工衛星画像・航空写真アーカイブを用いて、リモートセンシングによりアマモ場の分布を時系列的に比較し、その時空間変動に関連する環境要因について検討した。

## （４）サンゴ礁生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測

1930年代から現在にかけてのサンゴ種分布データを収集するとともに、現地調査を行って日本近海のサンゴ種分布データベースを作成した。サンゴは分類体系が変化しており、過去の種名を改訂する必要がある。サンゴ種名に関して、World Register of Marine Species (WoRMS)を参照するとともに、最新の分類学の知見に基づいて種名を改訂した。これらのデータを用いて、1930年代から現在にかけてのサンゴ分布変化を検出し、過去から現在にかけての水温上昇や陸域負荷にともなうサンゴ分布変化を明らかにした。また、このデータベースを用いてEBSA基準の7項目の基準による解析をした。さらに、IPCC気候変動シナリオによる将来予測を試行した。

## （５）日本周辺水域のプランクトン生態系に関する生物多様性変動の定量評価

外洋域生態系変動情報としてクロロフィルデータの衛星画像を利用したリモートセンシング手法に
より、基礎生産者の分布パターンや基礎生産量の季節変動および経年変動を解析し、日本周辺海域における基礎生産量の分布パターンを詳細に把握する。基礎生産を利用する一次消費者として外洋域で主要な役割を果たす動物プランクトンについては、水産総合研究センターの各研究所では、水産資源評価調査、卵稚仔分布調査、海洋環境調査等により、1950年代よりプランクトンネットを用いた採集調査が行われており、観測点は日本周辺海域を網羅している。しかし、これらの標本の多くは、現存量（湿重量あるいは沈殿量）を測定されただけでホルマリン液浸標本として保管されている。現在分散しているこの現存量データを整理統合して、半世紀以上にわたる日本周辺海域の動物プランクトン現存量の長期変動をレトロスペクティブに解析する。また、液浸標本は顕微鏡観察や画像処理システムにより種組成を再解析が可能であるため、過去にさかのぼってプランクトン種組成分を行う。これまで、水産総合研究セター東北区水産研究所における標本管理体制が行き届いていたためアプローチが進められてきた本州東方海域のプランクトン解析（オダテデータ）に継続データを付加・充実させる。

同様な手法を用いて、全国の水産研究所に分散している日本周辺の様々な海域（黒潮域、日本海、東シナ海など）で得られた標本の解析も本課題進行中に順次行う。これらの成果を統合して世界的に多様度が高いと言われる日本周辺の亜熱帯から亜寒帯海域におけるプランクトンの種組成の長期変動データを整理するため、これらの標本解析を全国に拡大し「全日本オダテデータ」と呼べる解析データセットを構築し、分散的知見であった外洋域の生態系変動情報を集約する。また、得られた種組成データを用い、日本周辺のプランクトン群集がこれまでどのように変遷してきたかをレトロスペクティブに解析し、多様な外洋域の生物組成の変遷の実態を把握する。

これらの現場観測データの解析結果を基に、外洋域で顕著な鉛直移動を行うことが知られているカイアシ類のNeocalanus, Eucalanus, Metridia属などが表層の有機物を消費し、自らの鉛直移動によってこれらの炭素を深層へ輸送する過程を検証し、外洋域における生物による炭素の深層への輸送を把握することにより温暖化予測の高精度化に貢献する。また、プランクトン主要種の組成変動がもたらす生態系への影響、特に黒潮域におけるCalanusやParacalanus属カイアシ類からより小型のOncaea属への変化、親潮域における大型のNeocalanus属カイアシ類から小型のMetridiaやAcartia属への変化などによりそれらを餌料として利用する魚類相が変化することによる生態系構造や、マイワシやサンマ、マサバなど長期にわたり資源変動を繰り返している漁業対象種の資源量変化の影響把握を行う。これらの解析を通じて海洋生態系におけるプランクトン鍵種を明らかにするとともに生態系変動に対応する種多様性の指標開発を行う。

これらの解析に用いられた日本の海洋観測を網羅する標本群は、水産総合研究センター東北区水産研究所の標本庫に収集、管理するとともに、さらなるデータベースの充実化をはかり、海洋の低次生態系の変動を継続的に把握できるシステムを構築する。

## （６）深海化学合成生態系における生物多様性損失の定量評価と将来予測

海洋研究開発機構で運用する生物出現情報を集積したデータベース(BISMaL: biological information system for marine life)から、日本列島周辺の深海化学合成生態系サイトでの潜航調査の結果から抽出した生物分布と環境条件のデータを多様性解析用に整形した。データは、2011年以降の調査航海およびBISMaLにて公開されている過去の探査結果を使用した。EBSA評価では、各項目に対応するデータを検証し、保護すべき海域の選定を試みた。また環境因子と生物分布のデータから、分布を推定した。S-9-5の各サブテーマで収集してデータセットは、データ共有と統合解析のため、入力変換のシステムを整え、海洋研究開発機構が管理するデータベース(BISMaL)において集積した。

### 4. 結果及び考察

## （１）沿岸生態系生物多様性のグローバルスケールでの時空間的変動の定量評価と将来予測

本研究では、アジア海域の生物分布データから沿岸生態系での生物多様性の状況と変動を定量評価するため、生態学的・生物学的重要海域（EBSA: Ecologically and Biologically Significant Area）の7項目の基準による解析をした。使用したデータセットは、既存のデータベース、論文、航海報告等から抽出し、2,045,896件のデータを解析用に整形した。生物多様性と分布状況を分析して定量的に評価をし、その結果をEBSA評価基準に照らし合わせて優先的に保全すべき重要海域を推定した。その結果、対象としたアジア海域の15％が重要海域として選定された。重要海域の推定方法については、加算法と評価結果に重み付けをした相補性解析とを比較し、統合解析に適した手法を検討した。また、IPCC気候変動シナリオによる将来予測を試行し、動物プランクトンの分布変動と漁場への影響を評価することができた。
## （２）海藻生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測

本研究では、我が国沿岸域の主要生態系の1つである藻場生態系を対象域として、リモートセンシングデータと生物多様性データを用いて、藻場生態系の生物多様性の定量評価、今後の海藻生態系の生物多様性の変動予測、およびEBSA選定を行った。まず、コンブ林を対象に、空間分布を詳細に解析できるリモートセンシング手法を開発すると共に、分子生物学的手法によるコンブ類の遺伝的構造を解析し、広域解析の単位となる種を確定した。次に、コンブ目海藻を中心に合計28,358件の海藻類のデータベースを構築し、種分布推定モデルを用いて、主要種の分布、環境要因との関連性を推定した上で、2100年における分布変化の将来予測を行った。コンブ目藻場を対象としたEBSAの推定については、複数の基準を定量的に評価して結合する方法を開発し、北海道全域および全国沿岸域で、EBSAとして選定されるべき海域を抽出した。さらに、海藻類の将来の分布予測を踏まえたEBSA選定法も開発した。

## （３）アマモ場生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測

沿岸域の生物多様性保全を検討する上で重要であるアマモ場生態系を対象として、日本沿岸および東南アジア域における分布情報の収集を行った。日本沿岸については約4,000件、東南アジア域については約3,000件の情報を収集した。これらの分布情報を中心に、そのほかの関連する情報と合わせてアマモ類の生物学的生態学的に重要な海域（EBSA）候補地の選定を行なった。EBSAの評価基準については、他の沿岸域のサブグループと連携して適切かつ類似する基準を選ぶように努めた。その結果、アマモ類のEBSA候補地の基準として、アマモ類の唯一の生息地・遺伝的に特異なアマモの分布地・絶滅危惧のアマモ類の分布・海草藻場の減少率・海草藻場の生産性・アマモ類の種数・自然海岸率を用いた。評価は緯度経度1度グリッドで行い、各基準の評価値をもとに各グリッドでその合計値を求めた場合のEBSA候補地と、各基準の評価値をMarxanを用いて行った相補性解析した場合のEBSA候補地について、それらの比較を行なった。その結果、両方法で選定された候補地はほぼ同一であった。このことは、抽出されたアマモ類のEBSA候補地が、EBSAとして適当である可能性が高いことを示唆している。気候変動シナリオに基づく予測水温から、温帯と亜寒帯のアマモ類の2090-2100年における生息地の将来予測を行った。Maxentを用いた将来予測の結果、多くの種で分布域は大きく減少すると予測され、東北・北海道沿岸が重要な分布域になるという結果が得られた。また、アマモ場生物群集の迅速な生物多様性評価およびアマモ場生物群集間のコネクティビティの評価の手法として次世代シーケンサーによる解析の検討を行ない、迅速な多様性およびコネクティビティの評価手法であり、またEBSA選定の上でも有用な手法であることが認められた。さらに航空写真および衛星画像を用いて局所的スケールにおける人為的な環境改変がアマモ場の分布に与える影響の検討を行い、その結果EBSA選定の上で人為的影響によるアマモ場の分布変動についても慎重に考慮する必要があると考えられた。

## （４）サンゴ礁生態系生物多様性の時空間的変動の定量評価と将来予測

1930年代から現在までの文献や標本情報から、31,036件のサンゴ種分布データを収集し、日本においては温帯域において水温上昇によりサンゴの分布北上が起こっていること、亜熱帯域においては白化によりサンゴが減少し、さらに陸域からの影響が大きい海域においては白化後の回復が見られないことが明らかとなった。

EBSA基準に基づく評価によって、日本沿岸域のサンゴ礁域を対象に、保全優先度の高い海域を抽出することが可能であり、種の保全のために重要な海域を抽出可能であることが示された。

将来予測においては、シナリオごとの予測を行い、二酸化炭素排出の抑制がサンゴの保全に重要であることが示された。また、サンゴ分布の空間的な連続性及び将来の変化による時間的な連続性を考慮して保護区の配置が可能であることを示した。

## （５）日本周辺水域のプランクトン生態系に関する生物多様性変動の定量評価

水研センターの保有するプランクトン標本・データ等を解析することで、日本周辺水域の動物プランクトンの生物多様性の実態を解明し、さらに生態学的生物学的重要海域(EBSA)の候補を呈示した。動物プランクトン現存量の季節変動パターンを解析することによって、日本周辺水域の動物プランクトンは6つの水域に区分された。さらに、種レベルでカイアシ類を分析した結果、日本周辺水域でカイアシ類の群集は亜寒帯群集、沿岸・移行域群集、および亜熱帯群集の3つに区分することが出来た。4月では、日本海から三陸沖よりも北の広い範囲で亜寒帯群集が広がり、沿岸・移行域群集は太平洋側では茨城沖、日本海南部および東シナ海に見られた。亜熱帯群集は黒潮に影響を受ける、太平夜側の
薩南沖～千葉沖に見られた。11月では亜熱帯群集と亜寒帯群集のみが見られた。そのうち、亜熱帯群集は北海道の太平洋側を除く広い範囲に分布していた。一方でこの時期、亜寒帯群集の分布は限定的で北海道沖の親潮が影響するする水域に限られていた。このように、カイアシ類の群集構造は季節によって大きく変動することが明らかとなった。また漁獲量を調べた結果、日本周辺水域は5つのグループ（1.亜寒帯、2.北海道、3.三陸・南北海道、4.日本海、5.黒潮・浮魚）に区分することができた。そのうちEBSA候補としてスコアの高かったエリアは3.三陸・南北海道と5.黒潮・浮魚のグループに見られた。さらにプランクトンデータを用いてEBSA抽出を試みた結果、遠州灘沖～黒潮続流、東北沖～道東沖、日本海北部、東シナ海および小笠原諸島付近に抽出された。これらのエリアは水産資源の重要な生育場・索餌場となっており、これらを保全していくためには、今後可能な限り地球温暖化ガスの排出を抑制していく必要があると考えられた。

## （６）深海化学合成生態系における生物多様性損失の定量評価と将来予測

日本周辺海域の化学合成生態系サイト42地点を対象として底生生物（環形動物、軟体動物、節足動物）の出現情報から多様性を調べた。EBSA選定は希少性に重点をおいて試行した。相補性解析により固有種を含む全種を保全するために必要なサイトを推定したところ、42サイトのうち21サイトが常に選択され、7サイトが高い頻度で選択され、これら25サイトを重要海域として保全すれば日本周辺の化学合成生物群集を保全できることが示唆された。化学合成生物群集では、シロウリガイ類やシンカイヒバリガイ類などの密集した群集を作る生物種が景観形成の役割をしている。これらの生物種の遺伝的連結性から生活史に関わる種の分散と定着を指標にしてサイトの重要度を判定するため、シマイシロウリガイと近縁種のアケビガイのミトコンドリア遺伝子（CO1）の変異から系統関係を調べた。深海化学合成生態系における環境要因とベントス分布の相関性を解析し、個体数と生息分布の推定に必要なモデルを考案した。収集したデータの多変量解析から、沖縄トラフの伊平屋北海丘のベントス群集は熱水性と非熱水性に有意に分類された、分布の特長は底質(泥,瓦礫,岩,岩盤)，バクテリアマット，水温の影響で説明できた。熱水域におけるベントス群集生息域において観測した底質の被覆率と水温などのデータから、ベントスの個体数を推定する線型モデルを作成した。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## （1） 科学的意義

データ解析に関する技術ワークショップ等での情報共有により複数の研究機関が緊密に連携して沿岸から外洋さらに深海にまで対象を広げて生物多様性を統合的に調査研究する体制により、解析精度の向上、データセットの拡充と再解析などを効果的に進めることができた。また関連する他のプロジェクト（文科省気候変動リスク情報創生プログラム）と共同したワークショップにより精度の高い将来予測の手法開発を進めることができた。

EBSA候補海域の選定では、収集した科学データに基づいた評価により重要海域の選択ができた。今年度の結果では、評価項目の得点を統合解析する手法を検証し、EBSA評価の精度を向上することができた。さらにEBSA候補海域と現状の保護区との比較分析により、保全策の有効性を検証できた。

分布推定に向けては、環境因子と生息分布の関係を解析して優占種や絶滅危惧種等の生息分布の推定をすることができた。また将来予測では、IPCC気候変動シナリオを利用して、海洋の温暖化が生息分布に及ぼす影響を示すことができた。またサンゴ礁の事例では、酸性化による炭酸塩の溶解という化学環境との複合的な影響を評価し、低二酸化炭素放出シナリオの条件下であれば2090年においても日本列島の周辺海域にサンゴ礁が生残することを明らかにした。この結果から、現状に依存した保全策でなく、将来の環境変動を考量した分布推定の解析結果の必要性を示すことができた。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

この事例研究の結果は、EBSA候補の抽出作業への専門家意見としてまた精度向上への知見として利用されている。既に、収集したデータの一部（サンゴ類）は環境省の重要海域抽出検討会に提供し、評価手法に関する知見も活用された。さらには、2015年11月のSubsidiary Body on Scientific Technical and Technological Advice（SBSTTA）において開催したside-evenでの会議参加者にS9-5によるEBSA関連の成果を公表した。2016年に開催されるCBDのCOP13でのEBSA選定に向け、2015年12月に生物多様性条約事務局が開催したEBSAリージョナルワークショップでの東アジア海域での選定作業において本研究の成果は活用された。また、2016年2月のEBSA expert 会合では解析手
Transition waters, western North Pacific"

11) 渡辺健太郎，四ツ倉典滋，山北剛久，仲岡雅裕：日本生態学会大会第63回大会，仙台市，(2016)

コンブ目重要海域の選定－その多様性・将来分布予測をもとに－

### 7. 研究者略歷

課題代表者：白山 義久

東京大学理学部卒業、理学博士、京都大学教授、現在、海洋研究開発機構理事

研究分担者

1) 仲岡雅裕

東京大学理学部卒業、千葉大学准教授、現在、北海道大学北方生物圏フィールド科学センター教授

2) 宮下 和士

北海道大学水産学部卒業、海洋水産資源開発センター職員、現在、北海道大学北方生物圏フィールド科学センター教授

3) 四ツ倉 典滋

北海道大学水産学部卒業、現在、北海道大学北方生物圏フィールド科学センター准教授

4) 小松 輝久

京都大学農学部卒業、現在、東京大学大気海洋研究所准教授

5) 西田 周平

東京大学農学部卒業、現在、東京大学大気海洋研究所教授

6) 木暮 一啓

東京大学農学部卒業、現在、東京大学大気海洋研究所教授

7) 山野 博哉

東京大学理学部卒業、現在、国立環境研究所生物生態系環境研究センター・センター長

8) 河地 正伸

筑波大学生物学類卒業、現在、国立環境研究所生物資源保存研究推進室長

9) 杉崎 宏哉

東京大学農学部卒業、現在、水産総合研究センター海洋・生態系研究センター・センター長

10) 田所 和明

東海大學海洋學部卒業、現在、東北區水產研究所主幹研究員

11) 広田祐一

京都大学農学部卒業、現在、中央水産研究所 海洋・生態系研究センター客員研究員

12) 市川 忠史

信州大学理学部卒業、現在、中央水産研究所 海洋・生態系研究センターグループ長

13) 亀田 卓彦

京都大学農学部卒業、現在、西海区水産研究所亜熱帯研究センター主幹研究員

14) 森本 晴之

京都大学農学部卒業、農学博士、現在、日本海区水産研究所グループ長

15) 日高 清隆

東京大学農学部卒業、現在、中央水産研究所海洋・生態系研究センター主任研究員

16) 西内耕

北海道大学水産学部卒業、現在、西海区水産研究所・資源海洋部・主任研究員

17) 藤倉 克則

東京水産大学卒業、現在、海洋研究開発機構海洋生物多様性研究分野分野長

18) 山本 啓之

北海道大学水産部卒業、聖マリアンナ医科大学助教授、現在、海洋研究開発機構グループリーダー

19) 田中 克彦

筑波大学生物学類卒業、電力中央研究所研究員、現在、東海大学海洋学部講師

20) 渡部 裕美

千葉大学理学部卒業、東京大学海洋研究所研究員、現在、海洋研究開発機構技術主任
## 5 ．海洋生態系における生物多様性損失の定量的評価と将来予測

（１）沿岸生態系生物多様性のグローバルスケールでの時空間的変動の定量評価と将来予測

国立研究開発法人海洋研究開発機構 白山義久

<研究協力者>

国立研究開発法人海洋研究開発機構

内舩芳江・山北剛久・田中義幸

北海道大学

須藤健二

平成23～27年度累計予算額：47,885千円（うち平成27年度：8,769千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

本研究では、アジア海域の生物分布データから沿岸生態系での生物多様性の状況と変動を定量評価するため、生態学的・生物学的重要海域（EBSA: Ecologically and Biologically Significant Area）の7項目の基準による解析をした。使用したデータセットは、既存のデータベース、論文、航海報告等から抽出し、2,045,896件のデータを解析用に整形した。生物多様性と分布状況を分析して定量的に評価をし、その結果をEBSA評価基準に照らし合わせて優先的に保全すべき重要海域を推定した。その結果、対象としたアジア海域の15％が重要海域として選定された。重要海域の推定方法については、加算法と評価結果に重み付けをした相補性解析とを比較し、統合解析に適した手法を検討した。また、IPCC気候変動シナリオによる将来予測を試行し、動物プランクトンの分布変動と漁場への影響を評価することができた。

[キーワード]

アジア、CBD、EBSA、MPA

### 1. はじめに

海洋生態系は劣化が著しく、我が国を含むアジア周辺海域においても将来の状況を危惧されているが、未だ十分なデータによる解析が進んでいない。2010年に名古屋において行われた生物多様性条約（CBD）のCOP10では、海域の10％を保護区とすることが目標に掲げられたが、その設定に科学的根拠に基づく海域の保護区選定が必要とされた。これを受けて、COP10以降にEBSA評価基準による重要海域選定の地域ワークショップが各地で開催されている。我が国においてもEBSA基準を利用して重要海域抽出検討会が環境省により開催されている。

EBSA評価基準の7項目はいずれとも海洋生態系と生物多様性を支える基本事象を取り上げているが、指標とする具体的な生物種や基準値および調査手法についての具体的な記載はない。実際の作業では、適切な手法により収集されたデータについて専門家が検討し、海域の特徴に応じた指標を選定し、統計解析による客観的な評価を与えなければならない。その為には、分散しているデータの収集と解析に向けた整形、評価指標の選定、解析手法の特性の確認などの研究が必要である。
## 2 ．研究開発目的

海域での保護区設定には、科学的根拠に基づいて重要海域を抽出し、その重要海域から保護区のネットワークを設定するための科学的根拠とそのための解析手法を確立する必要がある。適切な保全策の立案には、対象とする海域での生物多様性の正確な状況把握と多様性に影響をおよぼしている原因を特定し、将来変動の予測を考慮した評価手法も必要である。本研究では、上記の目標を達成するため、アジア海域から収集した生物分布と海域環境のデータを用い、EBSAの評価基準による生物多様性の現状の解析および将来の環境変動を考慮した予測を試みた。

## 3 ．研究開発方法

データは、書誌情報（文献、航海報告など）および既存のデータベース（OBIS, GBIF）から抽出した。統一手法を用いたサンプリングに基づいてグローバルスケールで得られている生物分布のデータから、アジア海域の生物多様性の情報を抽出し、他のサブテーマが取得する生物分布の状況と海域環境の情報と統合してデータ整形をした。

EBSAの選定では、CBD専門部会が推奨した7項目の基準を採用した。各項目の基準には、具体的な数値目標や生物種が記載されていない。基準に適用可能な科学的なデータから海域におけるEBSAの選定をした。方法は、各項目で評点を付け総合得点を5段階評価する加算法および絶滅危惧種の保全を考慮した相補性解析の結果から総合評価した。アジア海域のEBSA候補の選定を試行した結果について、ギャップ分析により現状との比較をした。得られたデータセットを利用して分布推定とIPCCのシナリオ（CMIP5）による将来予測を実施した。

## 4 ．結果及び考察

## （1） データ収集

収集したデータには、1872年の博物館標本およびH.M.S. Challenger Expedition（1873-1876）の航海報告など過去の記載が含まれている。本研究においては、西太平洋のアジア海域（90°E～160°E、15°S～60°N）を対象としてデータを収集した。その内訳は、表に示した。なお、データセットからは、移動性が高い鳥類のデータと記載が重複するデータを除外した。当初は大型動物と底生動物のデータを収集したが、プロジェクト後半からは動物プランクトンと魚類を中心に21,463件のデータを追加収集した。総データ数の内、1,405,355件で明確に種の同定ができた。
表(1)-1 アジア海域について収集したデータの出典と内容

出典	年代	件数
データベース	OBIS	1748～2013	1,120,974
GBIF	1700～2013	* 842,569
NaGISA	2002～2010	2,928
COPEPOD	1974～1981	1,475
PANGAEA	2005	19,100
航海レポート	H.M.S. Challenger Expedition	1874～1875	2,375
Hakuho-Maru Cruise	1972～2006	20,169
Snellius-II Expedition	1984～1985	3,434
Rumphius Biohistorical Expedition	1990	2,085
Anambas Expedition	2002	2,133
その他の文献	1939～2012	28,654
合計	1700～2013	2,045,896
* OBIS との重複を除いた件数

アジア海域でのデータ分布には、外洋域などの調査実績が乏しい海域での偏りが認められた。生物多様性の解析には、Hulbert's Index による期待種数（ES10）を採用した。解析では、1度グリッドでの標本数が限定されるため、グリッド内の標本数を20標本以上として算出した。

グリッド単位の種数

グリッド単位の標本数

解析を行った全分類群の

期待種数(ES10)

図(1)-1 アジア海域でのデータ分布と生物多様性の解析結果

## （２）EBSA評価基準による解析

EBSAの評価項目を適用した解析では、収集した生物分布のデータセットに加えて、指標とした生物種の生態、絶滅危惧種の存在等に関する情報を文献や関連機関の報告（IUCN Red List、NASA、NOAA UNEP-WCMC等）などから入手した。情報内容は、7項目のそれぞれに対して評価基準を充