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発表・掲載日:2017/08/21

サンゴが記録した人為起源二酸化炭素の大気放出による海洋酸性化の履歴

発表のポイント

  • 測定が難しい生物源炭酸カルシウムの、ホウ素同位体比の高精度分析に成功。
  • 過去100年間の人為起源の二酸化炭素の地球表層への排出に伴う海洋酸性化の履歴を、サンゴ骨格のホウ素・炭素同位体から明らかにした。
  • 海洋酸性化がハマサンゴの骨格形成に悪影響を及ぼしている可能性が示唆された。


発表概要

 化石燃料の燃焼や森林破壊に伴って大気中に放出された人為起源の二酸化炭素の約3分の1は海に取り込まれている。二酸化炭素は海水に溶けると弱酸性の炭酸となり、海水のpHを低下させる(海洋酸性化)。産業革命以降、大気中の二酸化炭素の濃度は上昇し、海水のpHも急速に低下しつつある。海洋酸性化は、炭酸カルシウム(CaCO3)骨格を生成する海洋生物(サンゴ、貝、ウニなど)の石灰化阻害を通じて、海洋生態系だけでなく、人間の経済活動にまで悪影響することが懸念されている。

 今回、東京大学、海洋研究開発機構、産業技術総合研究所、気象研究所の研究グループは、父島(小笠原諸島)・喜界島(奄美群島)に生息する、サンゴの一種、ハマサンゴの骨格のホウ素同位体比(注1)および炭素同位体比(注2)を分析した。その結果、海洋酸性化による海水のpH低下が、石灰化母液(注3)のpHをも低下させ、石灰化に悪影響を及ぼし始めている可能性が示された。人為的気候変化に伴う水温上昇の結果、サンゴ礁は近年頻度と強さが増しつつある白化現象の脅威にさらされているが、海洋酸性化もまたサンゴの石灰化に影響し始めている可能性が示唆され、サンゴ礁生態系の未来を予測する上で重要な知見が得られた。



発表内容

【背景および研究手法】
 産業革命以降、化石燃料の使用量や森林破壊の増大に伴い、大気中の二酸化炭素濃度は増加し、海洋表層水の二酸化炭素濃度の上昇を招いている。その結果、海水のpHが低下する海洋酸性化によって、炭酸カルシウム骨格を生成する海洋生物への悪影響が危惧されている。造礁サンゴの一種、塊状ハマサンゴ(Porites spp.)は100年以上生きることが知られており、その骨格に過去の海洋酸性化の履歴が記録されるため、影響評価に適している。また、日本近海の北西太平洋は気象庁による長期的なモニタリングの結果、海洋酸性化の進行がよく追跡できている(図1)。サンゴ骨格の同位体記録と海水の記録との比較が容易であるという点は、非常に重要な利点である。
 そこで本研究では、北西太平洋に位置する父島(小笠原諸島)・喜界島(奄美群島)で採取した塊状ハマサンゴ骨格を分析することで、海洋酸性化がサンゴの石灰化に与える影響を評価した(図1)。サンゴは石灰化母液のpHを調整する能力を備えており、骨格のホウ素同位体比は石灰化母液のpHを、炭素同位体比は海水中の炭素の組成を記録することが分かっている。サンゴ骨格を含む生物由来の炭酸カルシウム試料のホウ素同位体測定は大変難しく、世界でも限られた研究室でしか測定できていない。その理由に、ホウ素の環境ブランクが高いこと、測定中の同位体分別を抑えることが技術的に難しいことなどが挙げられる。分析には、海洋研究開発機構・高知コア研究所のマルチコレクター型ICP質量分析装置(Thermo Finnigan NEPTUNE)および表面電離型質量分析装置(Thermo Finnigan TRITON)を用いた。また同じ骨格試料の炭素同位体分析は大気海洋研究所の安定同位体分析装置(Thermo Fisher Scientific Delta V plus)を用いて行った。

【研究成果】
 ハマサンゴ骨格のホウ素・炭素同位体比ともに過去100年間に低下する傾向を示し、中でも1960年以降の低下が顕著であることが分かった(図2)。ホウ素同位体比の低下は石灰化母液のpHが低下していること、炭素同位体比の低下は海水(および石灰化母液)中の溶存炭素の炭素同位体が低下していることを示唆している。後者は13Cスウス効果(注4)と呼ばれる現象であり、化石燃料燃焼・森林破壊に伴って人為的に放出された12Cに富んだ炭素が地球表層システムの炭素リザーバー(大気中の二酸化炭素や海洋表層水の溶存炭素など)の同位体組成を変化させた結果と解釈される。
 従来、海洋酸性化による海水のpH低下は、石灰化母液のpHを大きく低下させることはないという説が一般的であった。石灰化母液にはホメオスタシス機能(恒常性:人間の体温のように、環境の変化によらず状態を一定に保とうとする生理作用)があり、サンゴが能動的にpHを調整している可能性が指摘されている。しかしながら、本研究の結果は、先行研究の予想に反して石灰化母液のホメオスタシス作用の機能が低下している可能性を示唆するものである。pH指示役と共焦点顕微鏡を用いて石灰化母液のpHを可視化した別の先行研究からも、石灰化母液のpH低下は、炭酸カルシウム飽和度(注5)を低下させ、最終的に石灰化を阻害することが示唆されている。従って、海洋酸性化は父島・喜界島に生息する塊状ハマサンゴの石灰化母液に対してすでに悪影響を及ぼし始めていると考えられる。

【今後の展望】
 塊状ハマサンゴは造礁サンゴの中でも特に環境ストレスに対する耐性が高いことが分かっており、赤道湧昇や火山性の二酸化炭素漏出によって自然状態で海水が酸性化しているガラパゴス諸島やパプアニューギニアなどでもその生息が確認されている。従って、塊状ハマサンゴよりも海洋酸性化に対して脆弱な他の造礁サンゴは、より大きな影響を被っている可能性がある。今後は、ハマサンゴ以外の造礁サンゴの骨格についても、ホウ素同位体測定を行い、海洋酸性化による影響をより詳しく評価する必要がある。

発表雑誌

雑誌名:Scientific Reports(8月9日)
論文タイトル:Rapid decline in pH of coral calcification fluid due to incorporation of anthropogenic CO2
著者:Kaoru Kubota, Yusuke Yokoyama, Tsuyoshi Ishikawa, Atsushi Suzuki, Masao Ishii
DOI: 10.1038/s41598-017-07680-0
アブストラクトURL: https://www.nature.com/articles/s41598-017-07680-0

添付資料

デバイス動作下(operando)の電子スピン共鳴(ESR)測定の概要(左)とトランジスタがON状態のときESR信号が観測される(右)の図
図1 A・B) 北西太平洋の海洋酸性化(東経137度観測線)と父島、喜界島の位置。気象庁「表面海水中のpHの長期変化傾向(北西太平洋):http://www.data.jma.go.jp/gmd/kaiyou/shindan/a_3/pHtrend/pH-trend.html」を加工して作成。
C・D) 喜界島から得られた塊状ハマサンゴ(約430歳)の水中写真と骨格断面のX線写真。年輪を数えることで正確な年代が得られる。黄色:骨格の最大成長軸。

電子電荷とスピンの緩和時間の温度依存性(左)と実証されたElliott-Yafet機構の模式図と高移動度有機半導体分子の化学構造(右)の図
図2 A, C)父島・喜界島で採取された塊状ハマサンゴ骨格のホウ素同位体(δ11B)・炭素同位体(δ13C)変動。1960年代以降の低下が顕著に見られる。
B, D) 北西太平洋の表層海水のpHおよび、大気中の二酸化炭素のδ13C変動。それぞれ20世紀を通しての減少傾向は、海洋酸性化、13Cスウス効果と呼ばれる。


用語解説

(注1)ホウ素同位体比
10Bに対する11Bの比率(ともに安定同位体)。海洋生物が生成する炭酸カルシウム骨格のホウ素同位体比は石灰化の元になる液体(石灰化母液)のpHを反映すると考えられている。ホウ素同位体は様々な元素の中でも特に高精度の測定が難しいことで知られる。[参照元へ戻る]
(注2)炭素同位体比
12Cに対する13Cの比率(ともに安定同位体)。石灰化生物の炭酸カルシウム骨格は海水の溶存炭素の炭素同位体比や、光合成・呼吸量の変化などによって変化する。[参照元へ戻る]
(注3)石灰化母液
サンゴの骨格を造る細胞と炭酸カルシウム骨格の間隙を満たす流体で、サンゴの骨格が造られる場所と考えられている。石灰化母液内のpHは海水のpHよりも高く、8.5~9.0程度の弱アルカリ性であり、骨格ができやすい環境になっていると考えられている。[参照元へ戻る]
(注4)13Cスウス効果
化石燃料燃焼・森林破壊など人為的に放出された12Cに富んだ炭素が地球表層システムの炭素リザーバー(大気中の二酸化炭素や海洋表層水の溶存炭素など)の同位体組成を変化させる効果。[参照元へ戻る]
(注5)炭酸カルシウム飽和度
炭酸カルシウム飽和度:カルシウム濃度と炭酸イオン濃度をかけ、溶解度定数で除したもの([Ca2+][CO32-]/Ksp)。1より低いと無機的な溶解が始まる。石灰化母液の炭酸カルシウム飽和度は海水のそれよりも高く、骨格ができやすい環境になっていると考えられている。[参照元へ戻る]



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