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# (2) 堆積物の薬類・光合成色素を用いた湖沼の栄養・物理環境の復元

愛媛大学

上級研究員センター

加 三千宣

<研究協力者> 愛媛大学 上級研究員センター 槻木玲美

產業技術総合研究所 計測標準研究部門 伊藤信靖

静岡県立大学 環境科学研究所 谷幸則

名古屋大学　年代測定総合研究センター　小田寛貴

平成22～24年度累計予算額：29,637千円

（うち、平成24年度予算額：9,489千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

動・植物プランクトン動態の高度復元は、レトロスペクティブ型モニタリング技術開発の要の一つである。各生態系におけるプランクトン変動プロセスの解明は、食物連鎖におけるボトムアップ・トップダウン効果の両方の寄与を評価する必要がある。しかし、従来の植物色素や動物プランクトン遺骸に基づく指標だけでは上位栄養段階の捕食量の情報が欠落していたために、プランクトン変動に対するボトムアップ・トップダウン効果の寄与の評価が困難であった。サブテーマ2では、動物プランクトン捕食量の指標化が期待できる、クロロフィル誘導体ステリルクロリンエステル類、「SCEs色素」の有用性を検討した。ニセコ大沼で検討した結果、SCEs色素と植物色素及び動物プランクトン遺骸から、(1)動物プランクトンの餌藻類の特定とその捕食量変化、(2)動物プランクトン増加に対するボトムアップ効果の寄与を可視化できることがわかった。本サブテーマの技術開発によって、植物色素・動物プランクトン遺骸情報をSCEs色素の情報と併用することで、生態系変化のカギとなるプランクトンの変動要因について、ボトムアップ・トップダウン効果の両面から評価することができるようになった。

近年、越境汚染による大気経由栄養塩負荷の山岳湖沼生態系に対する脅威が懸念されている。本サブテーマでは、東北山岳湖沼で認められてきた大気由来の栄養塩負荷による生態系シフトが、我が国においてどの程度の広がりを持つかを明らかにすることを到達目標の一つとして解析を行った。過去100年の動植物プランクトン量を復元した結果、ニセコ大沼とミクリガ池、蓬莱沼の3つの山岳湖沼から、共通する1980年代後半以降の植物・動物プランクトン増加が明らかとなった。プランクトンが増加する時期は、窒素同位体比が減少する傾向にあることから、大気からの栄養塩負荷がプランクトン増加を引き起こした可能性が高い。以上の結果は、北陸から北海道西部までの広範囲にわたって、大気経由の栄養塩負荷による山岳湖沼の生態系シフトが1980年代後半に起こった可能性を示唆した。特に、日本海に近い地域の山岳湖沼が、アジア大陸起源の大気経由栄養塩負荷の影響が強く出ている可能性がある。一方、羅臼湖では栄養塩や藻類量、珪藻群集に大きな変化は検出されず、近年、生態系や栄養状態が変化した可能性は低いと考えられた。
[キーワード]

近過去、植物プランクトン、古陸水学、富栄養化、大気降下物、捕食量復元

### 1. はじめに

高度経済成長に象徴される戦後の経済発展によって、我が国の水域生態系は大きく変容してきた。例えば、周辺地域で宅地化が進む湖沼生態系では、集水域からの栄養塩供給の高まりによって赤潮やアオコが発生し、富栄養化が進行した $ ^{1-2)} $ 。これまで我が国の湖沼の環境政策は、集水域からの栄養塩負荷への対策を主眼としてきたが、近年、高山湖沼のような集水域に人間活動による攪乱を伴わない湖沼も大気からの栄養塩負荷等の脅威にさらされているという報告が増えている $ ^{3-6)} $ 。こうした边境地にある湖沼で、リアルタイムでモニタリングを行うことは現実的に不可能であり、深刻化する人為攪乱に対する生態系の影響評価は、事実上多くの湖沼でなされないまま放置されているのが現状である。レトロスペクティブ（事後評価的）モニタリングは、このような過去の情報が全くない湖沼でも、湖底堆積物に残された生物・化学情報から生物群集や集水域環境の復元を可能にし、生態系の影響評価を事後的に把握する上で極めて有効である。

本課題代表の占部を中心とした研究グループは、これまでに東北地方の八幡平国定公園内にある八幡湖沼を調査し（図(2)-1参照）、標高1300mの辺境地にある高山湖沼で栄養塩負荷が高まり、植物・動物プランクトンが増加し、富栄養化が進行しつつあること、さらに鉛フラックスやその起源を反映する鉛安定同位体の分析結果から、栄養塩濃度の増加が周辺地域及びアジア大陸由来の大気降下物の増加と深く関わっていることを突きとめた $ ^{7} $ 。しかし、こうした広範囲に及ぶと予想される大気由来の栄養塩負荷の影響がどの程度の広がりを持つかについては定かでない。概してモニタリング強度の低い辺境地の貧栄養湖沼において、大気由来栄養塩負荷がどのような広がりで生態系シフトをもたらしたか、越境汚染の脅威を認識しつつある我が国の環境政策上、把握すべき重要な科学的知見の一つと考えられる。

従来の藻類や動物プランクトン群集・生産量の復元法は、種数が限られるが種レベルで復元できるものと、分類群レベルで復元可能なものがある。例えば、藻類は藍藻や緑藻類といった各分類群に特有の光合成補助色素カロテノイドを定量分析することで、各分類群の組成や生産量変動の復元が可能となる $ ^{8-11} $ 。動物プランクトンのミジンコ類は、遺骸の一部が残存するため、それを顕微鏡下で計数することで、属レベルでの定量的復元が可能である $ ^{12-13} $ 。環境変化に対する湖沼生態系の応答を明らかにするためには、こういった手法により生物群集変動の把握が必要であるが、復元可能な生物種は限られており、十分な情報とは言い難い。近年、分析機器の飛躍的な向上に伴い、SCEs色素の有用性が注目されている $ ^{14-15} $ 。SCEs色素は動物プランクトンが植物プランクトンを捕食し、腸内で消化する過程で形成されるクロロフィル誘導体物質で、結合しているステロールが食べた餌の種類に依存する $ ^{16-17} $ 。つまり、堆積物中のSCEs色素を分析することで、これまでカロテノイドでは分けることができなかった渦鞭毛藻や珪藻の動態だけでなく、遺骸が残らず復元の対象外とされてきたケンミジンコ類を含む動物プランクトン量全体を反映するプロキシとして利用できる可能性がある。さらに、従来より用いられてきた植物色素や動物プランクトン遺骸に基づく堆積量は、水柱で生産される藻類・動物プランクトン量を反映するが、上位栄養段階の捕食量、すなわちトップダウン効果にも強く影響を受ける。そのため、得られた藻類量や動物プランクトン変動が、ボトムアップ効果とトップダウン効果のどちらの効果に原因がある
のか、変動プロセスの解明が困難であった。SCEs色素は、動物プランクトンの捕食量そのものを反映し、しかも、ステロールの違いから動物プランクトンがどの藻類を主に餌として利用していたのかを知ることができるため、食物連鎖に関わるプランクトン変動プロセス解明の手掛かりが得られる可能性が高い。

環境政策には、どの時代の生態系を取り戻すことがその湖沼にとって望ましいのかといった具体的な保全目標となる過去の生物相や栄養塩環境の情報が必要である。しかし、我が国のほとんどすべての湖では富栄養化以前のモニタリングが実施されていなかったために、目標設定が不十分であった。レトロスペクティブ型モニタリングは、過去100年程度の堆積物の解析ができれば、判断材料となる過去の生物相・栄養塩環境を容易に把握することができる。また、現在の生物相までに到る生態系変化の長期的なプロセスを明らかにすることができれば、具体的な保全対策に明確な根拠を与えることになるだろう。

## 2 ．研究開発目的

サブテーマ2においては、動・植物プランクトン動態や栄養塩環境の高度復元と食物連鎖情報抽出に対する「SCEs色素」の有効性を検討し、低次生産動態解析の新たなプロキシの開発を行う。さらに湖沼生態系に対する大気由来栄養塩負荷の影響がどの程度の広がりを持つかを明らかにすることを課題目標の一つとし、湖沼特性の異なる北海道4湖沼（ニセコ大沼・羅臼湖・阿寒湖・渡島大沼）及び信州2湖沼（ミクリガ池・木崎湖）において、堆積物の年代を測定するとともに植物・動物プランクトン群集変化の復元と大気由来栄養塩負荷の影響評価を試みる。

### 3. 研究開発方法

本研究は北海道の4湖沼（羅臼湖、阿寒湖、渡島大沼、ニセコ大沼）と信州の2湖沼（ミクリガ池、木崎湖）を対象に、各沼の最深部にて湖底堆積物を採取した（図(2)-1）。木崎湖以外の湖沼については、2010年、2011年に重力式コアサンプラーにより約10〜50cmの柱状試料を採取した。木崎湖は、ダイバーによる1.2mアクリルパイプ（内径11cm）を用いてコア採集を行った。阿寒湖に関しては、2010年に採取した30cmの堆積物では1950年以前の記録が得られなかったため、2012年

図(2)-1 本課題対象湖沼

に追加的にダイバーによる約80～90mのコア採集を行った。

全ての堆積物は、現場で1cmずつの間隔でスライスした後（ミクリガ池については、表層15cmは0.5cm間隔）、遮光性の袋に入れ、クーラーボックスへ入れた状態で実験室に持ち帰り、分析するまで冷凍保存した。

なお、調査対象のニセコ大沼と羅臼湖は、それぞれニセコ積丹小樽海岸国定公園（1963年7月24日指定）と2005年に世界遺産に指定された地域内に位置するいずれも自然豊かな湖沼である。
方、阿寒湖は、毎年100万人の観光客が訪れる北海道内でも屈指の観光地で、周辺には温泉街が広がっている $ ^{18} $ 。

## （1） 年代测定

$ ^{210} $ Pb法による堆積物の年代決定を行うため、 $ ^{210} $ Pb、 $ ^{214} $ Pb、 $ ^{137} $ Cの放射能強度を測定した。放射能強度は、γ線検出器(愛媛大学沿岸環境科学研究センター、GXM25P, SEIKO EG&G ORTEC, Tokyo, Japan；名古屋大学年代測定研究センター、GWL-120230-S, EG&G Ortec, Oak Ridge, TN, USA；総合地球環境研究所、GWM-90-15, SEIKO EG&G ORTEC, Tokyo, Japan)を用いて測定した。堆積年代は、一般的に用いられている $ ^{210} $ Pb法のconstant initial concentration (CIC) モデル $ ^{19)} $ とConstant rate of supply (CRS) モデル $ ^{20-22)} $ に従って計算した。CICモデルは、堆積速度が一定の場合に用いられ、堆積速度が変化する場合にはCRSモデルが適用される。堆積年代は、大気由来の $ ^{210} $ Pb放射能強度によって求まるが、測定された堆積物試料の $ ^{210} $ Pb放射能強度は、大気由来の $ ^{210} $ Pbの他に、堆積粒子中に元来ある $ ^{226} $ Ra起源の $ ^{210} $ Pb（supported $ ^{210} $ Pb）も含まれる。したがって、大気由来の $ ^{210} $ Pb放射能強度（以下、過剰 $ ^{210} $ Pb）を知るには、測定された $ ^{210} $ Pb放射能強度から、supported $ ^{210} $ Pbの放射能強度を差し引く必要がある。堆積物中では、supported $ ^{210} $ Pbが、同じく $ ^{226} $ Raから生成する $ ^{214} $ Pbと放射平衡になっているので（ $ ^{214} $ Pbは、 $ ^{210} $ Pbからは生成しない）、過剰 $ ^{210} $ Pbは測定された $ ^{210} $ Pb放射能強度と $ ^{214} $ Pb放射能強度の差によって求められる。CICあるいはCRSモデルによって得られた年代モデルの確からしさを評価するため、核実験由来の $ ^{137} $ Cs放射能強度鉛直プロファイルのピークから推定される年代（1964年） $ ^{23)} $ との整合性を確かめた。

## （２）植物プランクトン動態の復元

堆積物を用いて藻類群集の変遷を復元する方法は、堆積試料に残存する光合成色素のクロロフィルや、藻類の各分類群に特異的なカロテノイド補助色素を、高速液体クロマトグラフィーを用いて分離定量することで、過去数百年にわたる藻類群集を分類群レベルで長期変化を再現できることが知られている $ ^{8-11} $ 。そこで本研究においても、静岡県立大学環境科学研究所のフォトダイオードアレイ型検出器（Shimadzu SPD-M10AVP）付きのHPLCシステム（Shimadzu LC-10AD）を用いて、堆積試料中の色素類を定量することで、藻類群集の変遷を復元した。HPLCによって分離された各ピークは、保持時間や吸収スペクトル、既存の文献 $ ^{24)} $ に従って、色素の同定を行った $ ^{11-12)} $ 。本研究ではクロロフィル類のChlorophyll a、pheohytin a、pyropheophytin a、カロテノイド類のlutein（緑藻類）、fucoxanthin・diatoxanthin（珪藻類・鞭毛藻類）、alloxanthin（クリプト藻類）、echinenone・zeaxanthin（藍藻類）が検出された。

## （３）SCEs色素による動物プランクトンの補食量の推定

本研究グループは、さらに従来の復元法では十分ではなかった生物群集情報を得るために、クロロフィルの誘導体ステリルクロリンエステル類（SCEs: Steryl Chlorin Esters）の分析を行った。SCEsは植物プランクトンが、動物プランクトンに捕食された後、動物プランクトンの腸内で消化する過程で形成され、糞として排出される $ ^{14-15} $ 。湖底に沈降したSCEsは、堆積物中に過去数万年という長期にわたって残存していることから $ ^{11} $ 、動物プランクトンがどんな餌藻類を利用していたのか、過去の被食－捕食関係を知る手掛かりとなる。例えば、SCEsのうち、渦鞭毛藻類特有の
dinosterol、dinostanol などはC30ステロールが多いことから、C30ステロールが結合したSCEsは、主に捕食された渦鞭毛藻量を反映する指標として利用されている $ ^{25-27} $ 。本研究では、SCEsの分離定量は、産業技術総合研究所の液体クロマトグラフ-タンデム型質量分析計（UPLC/Xevo TQ）を用いて行った。

## （４）プランクトン食魚類の捕食圧の推定

動物プランクトンに関しては、主要なミジンコ類の遺骸（殻や尾爪）を光学顕微鏡100倍下で同定・計数した。また大型サイズのミジンコDaphniaは魚類からの捕食圧が高まるとDaphnia個体群のサイズが減少することが知られている $ ^{28} $ 。そこで本研究では、阿寒湖でのワカサギ放流に伴うDaphniaへの捕食圧の高まりの有無を検討するため、個体サイズを反映する尾爪サイズを調べた。

## （５）動物プランクトン遺骸による動物プランクトン量の復元

微小動物に関しては、主要な動物プランクトンのミジンコ類や原生動物のツボカムリは、堆積物中に殻が遺骸として残ることから（図(2)-2）、これら堆積物に残存する殻や尾爪を光学顕微鏡下で観察、計測することで過去の微小動物の動物プランクトン量変動を定量的に再現することが可能となる。本研究では、一般に用いられている手法 $ ^{29)} $ に従い各試料中の遺骸の同定・計数を行った。検鏡用の試料は、湿重量およそ0.8gの湿泥をバイアル瓶へ入れ、蒸留水50mlを加えて作成した。検鏡の際は、バイアル瓶を十分に攪拌させ、試料が均質になった状態で、素早くマイクロピペットで一定量を動物プランクトン計数用のプレパラートへれて、生物顕微鏡下（100倍）で観察し、計数した。また阿寒湖では微小動物を計数する際に、大型緑藻類のStaurastrum属の遺骸が確認されたため、合わせて顕微鏡下で計数した。

また本研究で用いた年間の生産量を反映するフラックスは、各試料の動物プランクトンの密度や色素濃度と、年代測定によって得られた質量堆積速度から以下の式によって算出した $ ^{30)} $ 。

$$ 動物プランクトンフラックス (numbers m^{-2}yr^{-1}) $$

= 質量堆積速度 $ (\mathrm{dry~g~m^{-2}~yr^{-1}})\times $ 乾燥重量あたりの個体数 $ (\mathrm{numbers~dry~g^{-1}}) $

$$ \begin{aligned}& 色素フラックス (mg m^{-2}yr^{-1})\\&\quad= 質量堆積速度 (dry g m^{-2}yr^{-1})\times 色素濃度 (mg dry g^{-1})\end{aligned} $$

Daphnia sp.

Bosmina longirostris

Tintinopsis sp.

図(2)-2 阿寒湖の堆積試料から確認された微小動物の遺骸
## （６）珪藻化石を用いた湖の栄養塩状態変遷の復元

阿寒湖・羅臼湖について栄養塩状態の変遷を明らかにするため、珪藻群集組成を分析した。珪藻群集は、湖の栄養状態によって大きく左右されるため、古陸水学分野では過去の栄養状態の復元に古くから用いられている $ ^{31} $ 。分析は、重量測定された乾燥試料を過酸化水素で処理した後、懸濁液をプレパラートに定量して封入した。顕微鏡下（1000倍）で珪藻種を同定しながら300個になるまで計数した $ ^{32} $ 。

## 4 ．結果及び考察

## （1） 年代测定結果

## 1 ）羅臼湖

羅臼湖では、過剰 $ ^{210} $ Pbが5cm以下で検出限界以下となり、 $ ^{137} $ Csでは深度1.5cmに放射能強度のピークが認められた（図(2)-3）。 $ ^{210} $ Pb法に基づく年代推定の適用範囲は $ ^{210} $ Pbの半減期（22.3年）の約6倍であり、検出限界を示す深度5.5cmの年代は約150年前であることがわかる。深度5.5cmまでの過剰 $ ^{210} $ Pbを用いてCRSモデルにより各深度の年代を推定すると、年代モデルは1964年に相当する $ ^{137} $ Csのピークと調和的であった。羅臼湖コアの重量堆積速度は、0.01-0.03 g cm $ ^{-2} $ yr $ ^{-1} $ と本課題で対象としている他の湖沼に比べ非常に遅い。

図(2)-3 羅臼湖コアRa1の過剰 $ ^{210} $ Pb放射能強度(左)、年代モデル(中央)、及び重量堆積速度（右）

## 2 ）阿寒湖

阿寒湖では、表層からコアの最下部深度30 cm(mass depth: 4.4 g cm $ ^{-2} $ )まで過剰 $ ^{210} $ Pbが指数関数的な減衰率がほぼ一定で（図(2)-4）、平均堆積速度が0.47 cm/year（上部7 cmは0.74 cm/year）と、ほぼ安定していることがわかった。また、深度24.5-26.5 cmで $ ^{137} $ Cs放射能強度のピークが認められた。過剰 $ ^{210} $ Pbに基づいてCICモデルを適用し堆積物の各深度の年代を推定すると、年代モデルは1964年に相当する $ ^{137} $ Csのピークと調和的であった。
図(2)-4 阿寒湖コアAk2の過剰 $ ^{210} $ Pb放射能強度(左)と年代モデル(右)。

## 3 ）渡島大沼

渡島大沼では、過剰 $ ^{210} $ Pb放射能強度は深度40.5cmで検出限界を示し（図(2)-5）、この深度で約150年前であると推定された。深度12.5cmで過剰 $ ^{210} $ Pbが減衰曲線の傾きが大きくなり、ここで堆積速度が増加していることを示す。深度40.5cmまでの過剰 $ ^{210} $ Pbを用いて、CRSモデルにより各深度の年代を推定すると、年代モデルは1964年に相当する $ ^{137} $ Csのピークと調和的であった。重量堆積速度は、深度0-6.5cmと22.5-30.5cmで高い傾向にある。

図(2)-5 渡島大沼コア0s2の過剰 $ ^{210} $ Pb放射能強度(左)、年代モデル(中央)、及び重量堆積速度。

## 4 ）ニセコ大沼

ニセコ大沼では、過剩 $ ^{210} $ Pb放射能強度は深度16.5cmで検出限界を示し（図(2)-6）、この深度が約150年前と推定された。深度40.5cmまでの過剩 $ ^{210} $ Pbを用いてCRSモデルにより各深度の年代を推定すると、年代モデルは1964年に相当する $ ^{137} $ Csのピークと調和的であった。重量堆積速度は、深度10.5cm以浅で急激に増加し、表層で最も高い値を示す。
図(2)-6 二セコ大沼コアNi1の過剰 $ ^{210} $ Pb放射能強度(左)、年代モデル(中央)、及び重量堆積速度。

## 5 ）木崎湖

木崎湖コア(K2)には、高密度で特徴付けられる層が8層認められた（図(2)-7）。これらの高密度層は、Ito et al. (2010) $ ^{33)} $ によってタービダイト層（洪水時に堆積した層）であることが報告されており、K2コアの上部5層の高密度層は既報のタービダイト層に対比できる。本コアの年代測定は、タービダイト層以外の通常堆積する層準のみを対象に放射能強度測定を行い、年代決定はタービダイト層を除いた深度で行った。

図(2)-7 木崎湖コアにおける乾燥かさ密度（左3列）、既存コアの軟X線画像、及び既存コアの年代モデル（右）。灰色は、タービダイト層に相当する。

木崎湖コア（K2）では、過剰 $ ^{210} $ Pb放射能強度は深度25.5cm以深で検出限界を示し、この深度が約150年前と推定された（図(2)-8）。深度22.5cmまでの過剰 $ ^{210} $ Pbを用いてCRSモデルにより各深度の年代を推定すると、年代モデルは1964年に相当する $ ^{137} $ Csのピークと調和的であった。重量堆
積速度は、深度7.5-14.5cmで高い傾向にある。

図(2)-8 木崎湖コア（K2）の放射能強度(左)と年代モデル(右)。深度は、タービダイト層を除いた深度。

## 6 ）ミクリガ池

ミクリガ池では、過剰 $ ^{210} $ Pb放射能強度が深度11.75cmで検出限界を示し、この深度が約150年前と推定された（図(2)-9）。深度11.75cmまでの過剰 $ ^{210} $ Pbを用いてCRSモデルにより各深度の年代を推定すると、年代モデルは1964年に相当する $ ^{137} $ Csのピークと調和的であった。重量堆積速度は、深度8.25から急激に増加し、6.25-3.75cmで高い値を示し、3.75cm以浅で減少する。

図(2)-9 ミクリガ池コアMk6の過剰 $ ^{210} $ Pb放射能強度(左)、年代モデル(中央)、及び重量堆積速度。

(2) プランクトン由来の色素・遺骸から復元された動植物プランクトンの変動

## 1 ）山岳湖沼

### a. 羅臼湖

羅臼湖では藻類全般を指標するChlorophyll a濃度は、深度7cm付近でやや増加、それ以浅ではほとんど変化は見られなかった（図(2)-10）。またカロテノイド色素は、珪藻類・鞭毛藻類を指標するfucoxanthin・diatoxanthin、クリプト藻類指標のalloxanthin、藍藻類指標のzeaxanthinが確認された（図2-13）。いずれのカロテノイド色素も深度7cm付近より深度4cmにかけて増加し、近年、減少傾向を示した。一方、動物プランクトンのミジンコは、Daphniaがほとんど確認されず、Alona、
Chydorusが多数確認された（図(2)-10）。Alonaは深度7cm付近よりから約3-4倍増加し、それ以降も高い値が維持されていた。

羅臼湖では、堆積速度が予想以上に遅いことが判明し、 $ ^{210} $ Pb に基づく年代モデルでは生産量変化を正しく評価できるほどの年代精度は現段階では得られていない。しかしながら、深度4cm付近の人間活動が活発化する1900年頃より、植物プランクトン、動物プランクトン共に大きな変化は認められないことから、生態系が変化している兆候はないことを示唆しているのかもしれない。

図(2)-10 羅臼湖における植物プランクトン・動物プランクトン(Alona,Chydorus)の変動。

### b. 二セコ大沼

ニセコ大沼では、藻類全般を指標するChlorophyll a濃度は、1940年以前に多く、その後1980年頃まで、ほとんど変化がなく、1980年代後半以降、急速に増加した（図(2)-11）。中でも1980年代後半以降は珪藻、渦鞭毛藻類を指標するカロテノイド色素fucoxanthin・diatoxanthin濃度の増加が顕著であった。一方、各藻類の被食量を反映するSCEs色素は、珪藻・緑藻・渦鞭毛藻由来のものが確認された（図(2)-12）。

ニセコ大沼では、Daphniaが1960年頃、一時的に増加しているが、この増加の一つの要因として、餌藻類の増加が考えられる。しかし、カロテノイドやクロロフィル色素からは、この時期に藻類が増加した兆候は見られない。一方、藻類の被食量を反映するSCEs色素のうち、珪藻・緑藻由来のSCEs色素が1960年代に増加していることが判明した。これらの結果は、Daphniaの増加が餌の増加、すなわちボトムアップ効果に起因することを強く示唆している。また、カロテノイドやクロロフィル色素の堆積量が1960年代に増加しなかったのは、実際には餌藻類も増加したが増えた分だけ動物プランクトンに捕食され、糞粒沈降粒子としてSCEs色素へ移行したためかもしれない。一方、1980年代後半以降の動物プランクトンの増加時期は、鞭毛藻・珪藻・緑藻由来のカロテノイドおよびSCEs色素が増加し、動物プランクトン・植物プランクトン共に、上位栄養段階のトップダウン効果の減少ではなく、ボトムアップ効果によって増加したことを示している。このよう
に、SCEs色素の併用により、従来植物色素やカロテノイドだけでは把握できなかった、動植物プランクトン変動要因としてのトップダウン/ボトムアップ効果の寄与の評価が初めて可能となった。

図(2)-11 ニセコ大沼における植物プランクトン・動物プランクトン(Daphnia)の変動。右はCONISSによるクラスター解析による樹形図。

図(2)-12 ニセコ大沼におけるChlorophyll a, Fucoxanthin, Diatoxanthin, SCEs色素・動物プランクトン(Daphnia)の変動。
### c. ミクリガ池

ミクリガ池のカロテノイド色素は、珪藻類・鞭毛藻類を指標するfucoxanthin, diatoxanthin、緑藻類を指標するlutein, クリプト藻類を指標するalloxanthin、藍藻類指標のzeaxanthinが確認された（図(2)-13）。

1980年代後半より、植物プランクトン全体を指標するChlorophyll aが急速に増加し、各分類群を反映するカロテノイド色素もこの時期に全般に増加していた（図(2)-12）。さらに、動物プランクトンのDaphniaも急速にこの時期に増加していた。また各種色素およびDaphniaのフラックスに基づいてCONISSを使ってクラスター解析した結果、1980年代後半に変化が認められた。このように、ミクリガ池では、1980年代後半時期に動植物プランクトンに変化が認められ、共に急速に増加する富栄養化の進行が示唆された。

図(2)-13 ミクリガ池における植物プランクトン・動物プランクトン(Daphnia)の変動。右はCONISSIによるクラスター解析による樹形図。

## 2 ）山岳湖沼で捉えられた生態系変化：大気降下物の影響

ミクリガ池やニセコ大沼の山岳湖沼では、共通する植物・動物プランクトンの1980年代後半以降の増加が見られ、近年の富栄養化の進行が示唆された。いずれの湖沼も、栄養塩を供給する人為負荷は集水域にはなく、大気からの供給によって湖の栄養状態が高まりつつあると考えられる。同様な傾向は、秋田岩手県の県境に位置する八幡平国立公園の蓬莱沼でも報告されており $ ^{7} $ 、富栄養化現象は我が国の山岳湖沼で共通した広域的な現象であると捉えられる。

一方、近年、日本周辺の海域ではアジア大陸での化石燃料の燃焼によって、大気からの栄養塩（窒素）負荷の高まりが報告されている $ ^{34} $ 。我が国で公表されている気象庁の観測地点、綾里（岩手県大船渡市）での硝酸イオン降下量の1976年以降の記録では、1988年以降の降下量かそれ以前と比べて1.7倍近く増加している。本研究では、こうした近年の大気降下物による栄養塩負荷
の増加が植物プランクトンの増加を誘因する主要因となっているか、その可能性を検証するため、以下の事を検討した。

湖底堆積物中の窒素同位体比は、大気からの軽い同位体比を持つ窒素負荷により、過去100年間で減少しているという報告が北米の広範囲の山岳湖沼で報告されており $ ^{35} $ 、窒素大気降下量の有用な指標として利用できると考えられる。そこで、1950年以降のChlorophyll a量とサブテーマ3で分析された窒素同位体比の関係を検討した。その結果、いずれの湖沼も、Chlorophyll a量と窒素同位体比の間に負の相関関係があることが見いだされた（図(2)-14）。これは、1980年代後半以降の藻類増加が、大気からの栄養塩負荷に起因することを示している。以上の結果から、広範囲の手つかずの自然豊かな山岳湖沼で大気からの栄養負荷増大によって生態系が大きく変わりつつあることが示唆された。

図(2)-14 山岳湖沼、ニセコ大沼・ミクリガ池・蓬莱沼（参考湖沼）における1950年以降の植プラ量（Chlorophyll a and its derivatives）とδ¹⁵Nとの関係。蓬莱沼は(Tsugeki et al. 2012⁷)のデータに基づく。

## 3 ）平地湖沼でのプランクトン変動

### a. 阿寒湖

藻類全体を指標するクロロフィル a のフラックスは 1950 年代に急速に増加し、阿寒湖は 1950 年代に富栄養化が進行したことが示唆された（図(2)-15）。その後、1960 年代は大きな変化はなく 1970 年代に再び増加し、それ以降 2000 年頃まで大きな変化は見られなかったが 1950 年初頭と比べ高い値が維持されていた。しかし、2000 年以降、再び増加している。

カロテノイド色素は6種類(fucoxanthin・diatoxanthin:珪藻類・渦鞭毛藻、lutein:緑藻、alloxanthin:クリプト藻、zeaxanthin・echinenone:藍藻)が確認された（図(2)-15）。カロテノイド色素の結果からは富栄養化したと考えられる1950年代後半に特に藍藻類や緑藻類の増加が顕著であったことが明らかとなった。1970年代に入るとこれまであまり増加していなかった珪藻類・鞭毛藻類が徐々に増加した。また緑藻やクリプト藻は、1990年代後半以降、増加傾向をたどり、藍藻は1990年代後半まで増減を繰り返している。

さらに阿寒湖では、大型緑藻類の Staurastrum 属の遺骸が確認され、1950 年代と 1970 年代の 2 回、増加する時期が認められた。動物プランクトンに関しては、大型のミジンコ類 Daphnia と小型のミジンコ類ゾウミジンコ Bosmina が確認された（図(2)-15）。主要な植食者である Daphnia は過去 70 年の間に 4 回、1950 年代、1970 年前後と 1980 年代後半の増加、さらに現在にかけて、
これまでになく高い値に増加していた。小型ミジンコの Bosmina は Daphnia より遅れて 1960 年頃より増加、その後あまり変化しないが、1990 年以降、減少した。しかしながら、近年 Daphnia、Bosmina 共に増加していた。

次に阿寒湖での富栄養化以前の生物群集を明らかにするため、2012年度に新たに採取した約80cmの堆積物を分析した。図（2）－16の動物プランクトンのデータは2010年・2012年度に採取した堆積物コアの各々の分析結果を深度別に表記したもので、深度30cm以浅は2010年度コアの分析結果を、深度30cm以深は2012年度の結果を表している。クロロフィルの結果から、2012年度採取コアについても、1950年代頃と推定される深さ30cm付近より藻類全体を指標するクロロフィルa量が急速に増加していた（図(2)-16）。動物プランクトンに関しては1950年以前の富栄養化前は、現在より大型サイズのDaphniaが非常に多く、逆に小型サイズのBosminaは少なかったことが明らかとなった。これらの結果はこれまで不明だった富栄養化以前の生物群集に関する新知見であり、阿寒湖が富栄養化以前にどのような生態系を維持していたのか、その一旦を明らかにすることができた。このように保全という観点から、どのような生態系を取り戻すことが望ましいのか、保全目標を具体化する上で必須の課題である富栄養化以前の情報収集は、レトロスペクティブ（事後評価的）モニタリング手法の解析によって可能である。

阿寒湖では、プランクトン食魚類のワカサギは、1930年代に放流されたことが知られており、漁獲量は1950年代まで増加傾向を示すが、富栄養化した1950年代半ば頃より、1960年代初頭にかけて大幅に低下したことが報告されている。だが、なぜ1950年代にワカサギが低下していたのか、その原因は良く判っていなかった。本研究から、1950年代はワカサギの餌であるDaphniaが急速に減少する時期に一致していることから、ワカサギの低下は餌であるDaphniaの低下に誘引された可能性が高い。

Daphnia は捕食圧の高まりによって、個体サイズが変動することが知られている $ ^{28)} $ 。そこで本研究では堆積物に残された Daphnia の尾爪サイズから、個体サイズの長期的な変化を明らかにすることを試みた。Daphnia の個体サイズは、尾爪サイズから推測する。阿寒湖では 1970 年前後で Daphnia ezoensis から Daphnia galeata へと種が置き換わったことがサブテーマ 1 による卵鞘の DNA 遺伝子解析により明らかにされている。そのため本研究では個体サイズを推測するために必要なこれら 2 種の尾爪と個体サイズの関係を各々明らかにした（図(2)-17）。尾爪サイズは、深度 30cm 以深の富栄養化以前が相対的に大きく 1970 年頃と思われる深度 20cm 以浅で減少傾向を示し、表層の 2000 年以降にかけて再び増加傾向を示した（図(2)-16）。これは富栄養化以前に優占する Daphnia ezoensis はサイズ変化が小さく、1970 年代以降優占する Daphnia galeata は捕食圧の影響で時代によって個体サイズを大きく変化させたことを示唆している。

以上のように、阿寒湖では1950年代に富栄養化が急速に進行し、この時期に植物プランクトンから動物プランクトンまで群集構造が大きく変化したことを明らかにした。阿寒湖では特別天然記念物に指定されている球状体のマリモ（緑藻の一種）が有名である。マリモは高度経済成長期の1950-70年代にかけて激減したことから、この時期に水質が悪化した可能性が指摘されており $ ^{36} $ 、本研究結果と調和的である。一方、興味深いことに、2000年以降Daphnia、Bosminaの動物プランクトンが増加していることも明らかとなった。阿寒湖では1990年代以降、動物プランクトン食魚類のワカサギ漁獲量が低下していることから、魚類の捕食圧低下によりミジンコ類が増加したのかもしれない。このようにレトロスペクティブ（事後評価的）モニタリング手法を用いる
ことで、定期観測では得られない時代からの生態系変化を高い時間解像度で復元できることを示した。

図(2)-15 阿寒湖（2010年採取コア）における1950年代以降の植物・動物プランクトンの変動。

図(2)-16 阿寒湖（2012年・2010年採取コア）での1950年以前からの植物・動物プランクトンの変動。
図(2)-17 Daphnia galeata（左）のDaphnia ezoensis（右）の尾爪と個体サイズの関係。

### b. 渡島大沼

カロテノイド色素は珪藻・渦鞭毛藻指標のdiatoxanthin、緑藻指標のlutein, クリプト藻指標のalloxanthin、藍藻指標のzeaxanthin, echinenonが確認された（図(2)-18）。藻類全体を指標するクロロフィルaおよび各分類群を反映するカロテノイドフラックスは共に1920年代にやや増加、中でも珪藻・渦鞭毛藻類を指標するdiatoxanthinは大幅に増加していた。それ以降、これらフラックスは大変低い値で推移していたが、1960年代頃より、全般に徐々に増加していることが判明した。特に1990年代以降はクロロフィルaおよびカロテノイド共に増加が顕著で、現在に至るまでその増加傾向が続き、富栄養化が現在も進行中であることが示唆された。

図(2)-18 渡島大沼における植物プランクトンの変動。

### c. 木崎湖

カロテノイド色素は珪藻・渦鞭毛藻由来のdiatoxanthin、緑藻由来のlutein、クリプト藻由来のalloxanthin、藍藻由来のzeaxanthin, echinenonが確認された（図2)-19）。藻類全体を指標するクロロフィルaフラックスは1960年代に増加、中でも珪藻・渦鞭毛藻(diatoxanthin)や藍藻類(zeaxanthin)
の増加が顕著であった。これらは1960年代以降、1980年代半ばまで高い値が維持されていた。しかし1990年代以降、クロロフィルや珪藻・渦鞭毛藻(diatoxanthin)、緑藻由来のluteinは1960年以前と同程度にまで低下した。一方、藍藻由来のzeaxanthinやクリプト藻類alloxanthinは1990年代以降も依然として1960年代以降と比べ高い値で推移している。これらの結果は木崎湖では富栄養化が1960年代初頭より進行し、1980年代以降、富栄養化は収束する傾向にあることがわかった。しかし、藍藻・クリプト藻は1960年と比べ高頻度で出現し、現在も富栄養化以前の状態に回復しているとは言い難いことを示している。

図(2)-19 木崎湖における植物プランクトンの変動。

## （３）珪藻化石を用いた湖の栄養塩状態の変遷

## 1 ）阿寒湖

阿寒湖における珪藻群集は、主として9種が認められた（図(2)-18）。珪藻種の出現頻度に基づいてCONISSを使ってクラスター解析した結果、1955年と2005年に変化が認められた。富栄養性種であるAlucoseira granulataに注目すると、1955年以降に阿寒湖は富栄養化が進行したことがわかった。2005年以降もなお、この種が認められるということは、湖の栄養状態は回復の兆しがまだ見えないということを意味する。一方、2005年における群集組成変化は、新たな生態系構造へと変化した可能性が示唆された。ミクリガ池・ニセコ小沼で認められた山岳湖沼での1980年代後半以降の生物量増加は、阿寒湖では認められなかった。