応用化学系 News

海洋酸性化により北西太平洋の一酸化二窒素放出量が増加

2019.11.13

ポイント

海洋酸性化に対するN₂O生成プロセスの応答を検証
海洋酸性化により北西太平洋でN₂O生成が強まる可能性を示唆
将来の気候変化予測の精緻化へ結びつく結果

概要

東京工業大学物質理工学院応用化学系の吉田尚弘教授（地球生命研究所(ELSI) 主任研究者兼務）と豊田栄准教授らの研究チームは、北西太平洋の酸性化により、主要な温室効果ガスでありオゾン層破壊ガスである一酸化二窒素（N₂O）の放出が増加することを発見した。

北西太平洋で船上培養実験を行い、酸性化によってN₂O生成速度が増加することを確認した。これは従来、想定されていた仮説と真逆の現象である。この発見はスイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）、東京大学および国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）の研究者らとの共同研究によるもので、2019年11月11日（現地時間）付の「Nature Climate Change（ネイチャークライメートチェンジ）」に掲載された。

研究の背景

二酸化炭素（CO₂）の大気への放出量増加は地球温暖化の主たる原因となっている一方で、CO₂が水に溶けると水素イオンを放出することから海洋を酸性化しつつあり、サンゴ礁などに影響が出始めている。海洋酸性化は、海水中の化学的な性質を変化させるため、炭酸カルシウムの骨格や殻を持つ海洋生物だけではなく、さまざまな生化学反応にも影響を及ぼす恐れがある。

米国科学アカデミー紀要に2011年に発表されたBemanらの研究論文では、海洋酸性化によって微生物のアンモニアを硝酸に変換する速度（硝化速度）が弱まることが明らかにされた。N₂Oは、その変換過程の副産物として放出されるため、海洋酸性化によってN₂O生成は弱まると想定されていた。

研究成果

研究チームは、2013～2016年に北西太平洋の亜寒帯から亜熱帯までの5ヵ所で海水を採取し、試料の水素イオン指数（pH）を意図的に下げて、海水中で硝化の副産物として放出されるN₂Oの生成量がどのように変化するかを調べた。すると、全てのサイトで酸性化に伴いN₂Oの生成が弱まることはなかった。

中でも亜寒帯の試料は、Bemanらの研究論文と同様に、酸性化に伴い硝化速度が弱まる一方で、N₂Oの生成量は著しく増加した。さらに研究チームは、CO₂の放出量が減ることなく酸性化が現在の速度（水素イオン指数で年0.0051の低下）で進めば、2100年には北西太平洋でのN₂O生成速度は1.9～5.0倍になると見積もった。

今後の展開

今回の発見で、海洋酸性化により北西太平洋のN₂Oの放出量は、減少ではなく増加する恐れがあることが明らかになった。しかし、N₂Oには今回研究対象とした硝化以外にも複数の生成・消費プロセスがあり、海域によって主要な生成・消費プロセスは異なる。大気中のN₂Oの増加は、温暖化を加速させ、オゾン層の回復を遅らせてしまう。酸性化に対する他のN₂O生成・消費プロセスの応答とともに他の海域の調査が急務である。

本研究で海水を採取した場所（地図中の星印）および亜寒帯の観測点KNOTにおける採水作業の様子。研究船から採水器を海中へ投入し、硝化が活発に起こっている水深100－200 mの海水を採取した。

図1.本研究で海水を採取した場所（地図中の星印）および亜寒帯の観測点KNOTにおける採水作業の様子。研究船から採水器を海中へ投入し、硝化が活発に起こっている水深100－200 mの海水を採取した。

本研究で行った船上培養実験の様子。海水に15Nトレーサー（用語1）を添加後、塩酸も添加することでpHを意図的に段階的に下げ、現場水温で暗所培養した。

図2.本研究で行った船上培養実験の様子。海水に¹⁵Nトレーサー^[用語1]を添加後、塩酸も添加することでpHを意図的に段階的に下げ、現場水温で暗所培養した。

酸性化実験の結果。縦軸は硝化速度とN2O生成速度、横軸はpHの減少量を示す。暖色系は亜熱帯、寒色系は亜寒帯の観測結果を示す。pHの低下に伴い、硝化速度は減少し、N2O生成速度は増加する傾向がみられる。

図3.酸性化実験の結果。縦軸は硝化速度とN₂O生成速度、横軸はpHの減少量を示す。暖色系は亜熱帯、寒色系は亜寒帯の観測結果を示す。pHの低下に伴い、硝化速度は減少し、N₂O生成速度は増加する傾向がみられる。

N2O生成・消費プロセス。赤色と青色は硝化を、灰色は硝化菌脱窒と脱窒を示している。本研究海域のN2Oは、主に硝化と硝化菌脱窒によって生成する。赤色は酸性化によって強まるプロセスと増加する物質を示し、青色は酸性化によって弱まるプロセスと減少する物質を示す。今回の発見で、NH2OHからN2Oへの矢印が酸性化によって強まるプロセスであることが明らかになった。

図4.N₂O生成・消費プロセス。赤色と青色は硝化を、灰色は硝化菌脱窒と脱窒を示している。本研究海域のN₂Oは、主に硝化と硝化菌脱窒によって生成する。赤色は酸性化によって強まるプロセスと増加する物質を示し、青色は酸性化によって弱まるプロセスと減少する物質を示す。今回の発見で、NH₂OHからN₂Oへの矢印が酸性化によって強まるプロセスであることが明らかになった。

謝辞

本研究は、スイス国立科学財団PBNEP2-142954、JSPS科研費JP23224013、JP15H05822、JP15H05471、JP17H06105の助成を受けたものです。本研究は、MR13-04、KS-16-8、YK16-16の研究航海で得られた試料を使用しました。

用語説明

[用語1] ¹⁵Nトレーサー : 窒素（N）には質量数14（¹⁴N）と15（¹⁵N）の2種類があり（同位体という）、自然界ではそれぞれ約99.6%、約0.4%の比率で存在している。¹⁵Nの比率を人工的に高めた窒素化合物を¹⁵Nトレーサーと呼ぶ。¹⁵Nトレーサーを自然の反応系の原料に微量加えると、生成する物質の¹⁵N比率がわずかに上昇するので、これを精密に質量分析することによって原料から生成物への¹⁵Nの移動を追跡することができ、反応速度を求めることができる。

論文情報

掲載誌 :	Nature Climate Change
論文タイトル :	Response of N₂O production rate to ocean acidification in the western North Pacific
著者 :	Florian Breider （スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）、中央環境研究室）、吉川知里（国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）、海洋機能利用部門）、眞壁明子（国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）、超先鋭研究開発部門）、豊田栄（東京工業大学物質理工学院准教授）、脇田昌英（国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）、地球環境部門）、松井洋平（東京大学大気海洋研究所）、川口慎介（国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）、超先鋭研究開発部門）、藤木徹一（国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）、地球環境部門）、原田尚美（国立研究開発法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）、地球環境部門）、吉田尚弘（東京工業大学物質理工学院教授／地球生命研究所主任研究者）
DOI :	10.1038/s41558-019-0605-7