天然有機物のダイナミクス・「運命」の決定要因を追究する ―ブルーカーボン生態系における有機物の分解・生成メカニズム

木田森丸　農学研究科　助教　Morimaru　KIDA　Assistant　Professor

環境における天然有機物の「運命」―長期にわたる残存性の根拠とは

　木田森丸助教が取り組むのは、天然有機物の環境中でのダイナミクスやその「運命」の決定要因を解明すること。つまり、天然有機物が、どうやって生まれ、どのように生物的／非生物的な反応を受け、最終的にどうなるのか―その全体的な挙動を明らかにすることだ。地球全体でみると、天然有機物の量は圧倒的に多い。天然有機物には、大きく分けて土壌の中に存在する土壌有機物と、水の中に存在する溶存有機物の二種類があるが、木田助教の研究はその両方を対象にしている。
　木田助教は自らの研究対象を大きく５つに整理する。１つは南極の湖沼・河川における溶存有機物、２つめはマングローブ林の土壌有機物・溶存有機物、３つめはバイオチャー（炭）。さらに、琵琶湖の溶存有機物と微生物の相互作用。そして、日本に広く分布している火山灰土である黒ボク土の中の土壌有機物だ。これらすべてに通じているのは、有機物の運命、ダイナミクスであり、有機物の分解・生成がテーマになっている。とりわけ現在木田助教が注力するのは、有機物がなぜその場所で分解されずに長期間残存することができるのか、という点だ。

タイ・バンプーでの調査中の休憩中の一枚

地球上における炭素原子の存在形態－生態系と物質循環に果たす天然有機物の役割

　地球全体に存在する炭素原子の数は一定であり、それには無機態と有機態がある。無機態は大気中のCO₂ 、土壌中の炭酸カルシウム、そして水の中に溶けている溶存無機炭素（炭酸）などだ。つまり、大気中のCO₂を減らすためには、無機態ではなく有機態として炭素を存在させていればいいということになる。地球表層には、まず大気にCO₂の中の炭素として829 PgC存在する（PgC = GtC = 10億トン炭素）。次に植物バイオマスについては、推計が難しいが420～620 PgC程度であると見積もられている。これらを合計すると1200～1400 PgC程度になるが、実は土壌（永久凍土と湿地を含む）の中にはその２倍から３倍に相当する炭素（3,500~4,800 PgC）が、土壌有機物として貯まっているのだ。一般的な認識ではアマゾンの熱帯雨林のような植物バイオマスに多くの炭素が溜まっていて，だからこそ植林をしようという話になると思うが、実はその足元の土壌に数倍多くの炭素が存在しているのだ。
　さらに、天然水の中にも有機態の炭素は溶存有機物として希薄ながら溶けている。深海になると非常に薄く、濃度では40μmol C/L（0.5 ppm）程度しか溶けていないが、海水の量が巨大であるため、全体量では660 PgC程度存在している。比較すると明らかなように、シベリアのタイガ林やアマゾンの熱帯雨林といった広大な森林を含め、陸上の植物に入っている炭素よりも、水の中に溶けている炭素の方が実は多いのだ。そして、量が多いため、単純に物質循環への影響も大きくなる。つまり、海洋の溶存有機物の分解速度が少し上昇するだけで、全球の炭素フラックスが大きくなるというわけだ。

　木田助教は、単に量の多さだけではなく、一つひとつの有機物の化学構造、それぞれがもつ官能基に注目する。例えば、水の中における話では、溶存有機物がカルボキシル基をもっていると、微量金属元素と錯体を形成し、微量金属元素の環境における動態と生物利用性を支配している。また、二重結合や芳香族が多いと太陽光を吸収し、光の透過率を変えて有光層の深さや水温分布を変化させる。木田助教の研究の背景には、有機物がこうしたさまざまな「生態系機能」をもつという点で、生態系にとって重要であるとともに、物質循環の観点からも全球的に非常に重要な存在である、という考えがあるのだ。
　今回は、木田助教の多様な研究のうち、マングローブ林の土壌有機物の研究についてお話をうかがった。なお、学会奨励賞も受賞し現在もっとも注力しているという水圏の溶存有機物と微生物の相互作用については、ぜひまたの機会にご紹介したい。

「ブルーカーボン生態系」における有機炭素の安定化・貯留メカニズムの解明

　土壌学者たちにより、陸上土壌の土壌有機物がなぜ分解されずに長期間（数百から数千年間）貯まるのかという研究がなされてきた。一方で、海洋の堆積物学者たちも、海洋堆積泥に存在するさまざまな有機物がなぜ分解されないのかということを研究してきた。木田助教によれば、両者の間に位置するいわゆる「ブルーカーボン生態系」は４つある。ひとつはマングローブ、次に塩性湿地。そして三番目に海草、最後は藻場だ。木田助教は、修士・博士研究を石垣島・吹通（ふきどう）川のマングローブ林を対象とし、現在は吹通川以外に同じく石垣島のガブルマタ川、さらにタイのトラートとバンプーのマングローブ林を対象に研究を進めている。最近では共同研究でフィリピンでも２か所のマングローブ林を研究しているが、当初から「マングローブ林内土壌への有機炭素貯留における新メカニズムの提唱」をテーマとしてきた。
　

吹通川マングローブ林内
こういったマングローブ土壌内に有機物がたくさん溜まっている

タイ・バンプーの植林地での調査風景

　「ブルーカーボン生態系」の4種類の生態系は全く違うものと考えがちだが、実は現場の状況に関してはかなり似通っており、「ブルーカーボン生態系」の中での有機物の動態やそれを規定するメカニズム、安定化（有機物のまま分解されず、CO₂にならないこと）・貯留のメカニズムはかなり共通しているところがあるはずだと木田助教は話す。いずれも水浸しで、どこも塩がたくさんある。そのメカニズム解明に取り組む研究手法やアプローチ、道具立てはかなり共通してくるはずだと考えている。

世界各地ですすむマングローブ林の炭素貯留機能に関する研究

　マングローブ林の炭素貯留機能については、以前から研究はされているが、世界的に認知され始めたのはここ10年ほどだという。ひとつの大きな契機となったのは、Nature Geoscience誌で発表された論文（Donato et al., 2011）で、マングローブが熱帯において最もカーボンリッチな生態系であるということが明らかになったことだ。インド・パシフィック地域、とくにインドネシアのマングローブ林の炭素貯留量が大きいことが示されている。1 haあたりの炭素貯留量を寒帯林、温帯林、熱帯林、マングローブ林を対象にそれぞれの生態系で比較すると、マングローブが他の約３倍にあたる1000 MgCもの炭素を貯留していることが明らかにされた。マングローブのバイオマス（樹自体）、0~30 cm深の土壌＋根っこ、それより深い場所の土壌有機物を比較すると、マングローブには特に土壌有機物として炭素が貯まることが分かっている。（ただし、この結果はあくまでもインド・パシフィック地域に限ったもので、世界平均では1 m深で300 MgC程度しかないとの報告もあるので注意が必要だ。）
　世界各地のマングローブ林における炭素貯留量の測定が進められているが、木田助教は、なぜ長期間にわたって炭素を安定的に貯留できるのかについては実は明らかになっていないと考えている。例えば、最近出されたアジアにおけるマングローブ林の物質動態のメタ解析論文によれば、１年間あたりにこの生態系から系外にどれくらい炭素が移動しているかという移動量（フラックス）の推定に少なくとも１オーダー、あるいは２オーダーの幅がある（右図）。これは各マングローブ林で生態系の性質と有機物の安定化メカニズムに非常に大きな差があるということの表れかもしれないと木田助教は話す。今後例えば気候変動や人為的な攪乱が起った際に、そのインパクトとしてどの程度のフラックスの変化が生じるのかを知るためには、やはり土壌有機物の安定化メカニズムが解明されなければならない。

Source: Sahadev Sharma, Raghab Ray, Christopher Martius and Daniel Murdiyarso, Carbon stocks and fluxes in Asia-Pacific mangroves: current knowledge and gaps (iop.org), Environ. Res. Lett. 18 (2023) 044002