底泥内の酸素濃度分布に及ぼす底生動物の影響

底泥 内の酸素濃度分布 に及 ぼす底生動物 の影響

佐々木 裕 一

中 村 吉 志 半 *.佐 _藤

^久

Effect of bioturbation on oxygen concentration

Yuichi SASAKI*,Yoshiyuki NAKAMURA**and Hisashi SATOH***

Abstract

The effect of bioturbation On the nitrincation rate and the denitrincation rate in the sedirnents was studied by batch experilnents and the use of rnicroelectrodes  Oxygen penetration depth was a few rn■l at the surface of the sedilnent,whereas there was an oxygen of 70  μいほin the burrOw at a depth of 350 mrn  Oxygen in the burrows都 /as transported by ventilation of polychaete  Both the nitriFication rate and the denitrincation rate increased as the density of polychaete increased

rζ

?υ  :炒

1,は じ め に

河川底泥への種々の物質の輸送お よび この結 果形成 され る底泥内の様々な物質の濃度分布 は 底泥 内の生態系 に多大 な影響 を与 える。河川感 潮域 の底泥内には多 くの底生動物が生息 してお り

, 

,2000)。

02や

,ま

,1996;Bou‐

dreau BP and」

orgenSen BB,2001;Glud et

al, 2001, Kristensen et al., 1991,1985,1983a, 1983b,1983c,1981)。

(bioturbation)は

底泥内の生態系 に影響 を与 える重要な要因 と考 えられ る。

河川底泥 内では河川水中か ら取 り込 まれた窒 素化合物 は,有機態窒素の無機化,硝化反応,脱 窒反応,無機態窒素の同化,等の反応 により循 環 してい る。底泥内に底生動物が存在す る場合 には,底生動物 自体の代謝 により直接的に

,ま

く残 されている。

そ こで本研究では,河川感潮域 の底泥で生ず る生物撹乱が底泥の硝化速度お よび脱窒速度 に 与 える影響 を解析 した。 さらに,微小電極 を用 いて生物撹乱が生 じた底泥 内の硝化反応お よび 脱窒反応の機構 を解明す ることを試みた。

平成 14年

受理

*大

学院工学研 究科土木工学専攻 博 士前期課       2.  実 験 方 法

程・ 1年

料 大学院工学研究科土木工学専攻   博 士前期 課

本 研 究 で は八 戸 市 内 を流 れ る新 井 田川 の河 口

*料

程・2年 環境建設工学科 。講師        ^{か ら約} 18km上 流 の 河 川 感 潮 域 に存 在 す る底

八戸工業大学紀要

^22巻

泥 を解析 した。底泥 は一 日の内の数時間干上が り,干上がっている期間に採取 した底泥 を全て の実験 に用いた。

河川底泥の金硝化速度お よび全脱窒速度 を求 めるために回分試験 を行 った。回分試験 は底生 動物個体 密 度 を O ind/m2〜 約

4,300 ind/m2ま

114 mm,深

300

mmの

,lmmの

ぶ るい を通過 した底泥 を容器表面 まで入 れた 後,容器表面 を河川底泥表面 と合わせて固定 し た。5個の容器 には採取 した底生動物 を投入 し,

1個の容器 は対 照系 として底 生動物 を投入 せ ず,底生動物 の侵入 を防 ぐために表面 を

lmm

の金網で覆 った。二週間後 これ ら容器 を回収 し,

実験室 に持 ち帰 り

,水

^20℃

た した容器内に固定 し

,経

NH4+,N02, N03,DOC,02,pH,水

_,塩

した。 これ ら濃度の時間変動か ら単位底泥表面 積 あた りの全物質消費速度

[μ m01/m2/h]を

底生動物 によ り形成 された巣穴 の形状 を可視 化す るため

,幅 200 mm,高

450 mm,奥

9mmの

mm,幅 30 mmの

3箇

,こ

3cm間

10列存在す る。 これ らの窓 を寒天で塞いだ後,

上記の地点か ら採取 した底泥 を敷 き詰め,底生 動物 を投入 した。底泥表面 には底泥採取地点の 河川水(約

20L)を

2cm/sで

せた。河川水 は 3日 毎 に取 り替 えた。培養か ら 5日 日以 降 に微小電極 を用 いて底泥 内の

02濃

5mm以

02微

LIXタ

微小電極である

(Okabe et al,2001)。

mで

答時間 は3s以_内(02微小電極

)お

(NH4+微 小電極

あ った。

3.結  

3。

1 

河川底泥の全硝化速度お よび全脱窒速度 を求 めるため,回分試験 を行 った (Fig。 1)。 回分試 験 は底 生 動 物 個 体 密 度 が O ind/m2〜 約^4,300

ind./m2の

O ind/

m2の_時,全硝 化 速 度 は⁵⁰ μ

mo1/m2/h〜

^m。

mo1/

m2/h〜2,000 μmo1/m2/h(%=3)で_{あった。値}

に差が見 られたのは測定時の季節が異 なったた め と考 えられ る。全硝化速度お よび全脱窒速度 には共 に底生動物 の個体密度 に比例 して増大す る傾向が見 られた。個体密度が約

4,300 ind./m2

mo1/m2/h〜

movm2/h(n三 2),全

mo1/

m2/h〜8,600 μmo1/m2/h(%=2)で_{あった。個}

体密度 と全硝化速度お よび全脱窒速度 に関す る 近似直線 はそれぞれ

y=0.7x+890(R2=0,72), y=1.7x+1200(R2=0.88)で

7x+1200

y=07x+890(P=072)

Fig l

0    2000   4000   6000 Densに y of wormsttnd m 2)

Influence of the density of  郡

/Orms On the

3.2 

02濃

Fig.2に

02濃

60μ Mで

ｒ ｒ 叫 Ｅ ５ Ｅ ュ︶ ｏ︺ω ∝

◆

itri￢cation

︵憂 ュ ︶ ｃ ⊇

︸ 延

︸ｃ Ｏ ｏ Ｏ ｃ ｏ Ｏ Ｒ

︵ Ｅ Ｅ Ｅ ︶ ｏ α つ ｔ ｏ Ｅ 一 〇

∽ ０

００

５０

００

５︒

２       １       １

‑50

︵Ｅ Ｅ

︶ ｏｏ 七Ｇ コの と ＯＥ 巧 Ｏの Ｅ Ｑ Ｆ ｏｏ 翌ｃ 聖

∩ 0     2     4     6     8    10    12    14

Distance in low drecdOn(mm) Fig 2 Vertical section of the sedilnent with a

burrow structure and 02 diStribution

02は

02が

5mmの

^60μ Mの 02が

02三

Mの

02濃

,02=30

μ

M,10μ M,Oμ Mの

02濃

深 さ約

5mm以

70 mmの

^(Fig

3)。 巣穴壁面か ら約

lmm離

Mの 02が

(02=約

90μ M)に

mmの

^20μ Mに

2mmの

地点では

02は

巣穴 内の

O?濃

350 mmの

Mで

50 mm

Mの

02が

80 mm

02濃

Mに

深 さ約

80 mmの

02濃

¹²⁰

70μ Mの

,急

2      1      0     ‑1

Distance from bur「

ow wall(mm)

Fig 3 02 COnCentration prorile at the burrow、、ア_all

50 100 150

200 250 300 350 400

0    50   100  150  200

°

nCentradon(μ

Fig 4  02 COnCentration prorile in the burrow of MIorms

に濃度が変化 す る こ とはなかった。深 さ約

⁵⁰

mmの

02濃

50 mmの

巣穴 内 に

02が

02輸

70 mmの

0

sedirnent

burow

八戸工業大学紀要   第 22巻

︵慶ュ︶Ｃ⊇一翌

︶ ＣＯＯＯｃｏｏＲ

Ｅ︵ Ｅ

︶ ｏ ｏｃ と コ の ど Ｏ Ｅ も Ｏ

∽ Ｅ

■ｏ ｏ ｏＥ 翌 ｐ ０

︵Ｅ Ｅ ｒ 馬 芸 芸 ｅ 七 Ｏ Ｅ ｅ

︼ Ｏ ｏＥ 翌 Бの

‑10     0     10     20     30     40     50 Time(min)

Fig 5  02 COnCentration during 50 

burrOw Of the worms

微小電極 を固定 し経時的 に

02濃

(Fig 5)。

=O min.)か

2分

02濃

Mで

02濃

,サ

5 min,の

Mと

なった。その後

02濃

,オ

10 minで

Mま

02濃

O min.〜

=約 ^10 min,の

200 mmの

底泥表面の硝化速度 と巣穴壁面の硝化速度 を 比較す るため,微小電極 を用いて底泥表面お よ び巣穴壁面のNH4+濃_{度分布 を測定 した}

_(Fig

6)。 河川水 中 に約

^20μ M存

NH4+は

3mmの

地点では約

30μ Mと

M

存在 した

NH4+は

深 さ約

15mmの

,そ

μ

^m。 1/m2/h,巣

mo1/m2/h

,壁

度 は実際の速度ではな く硝化 ポテンシャル を表 している。

100 200

NH4千

conCentradon(口

nContraHon(μ

Fig 6  The average NH4+ conCentration pronles at the sediment surface (A)and at the burrow wall(B)

4.考  

4.1 

02輸

02浸

100

m〜 3mm程

orgensen,

2001)。本研究で解析 した底泥 について も

,02浸

入深 さは表面か ら約^1.5μ

mで

2),深

70 mmの

02は

50 mmの

02が

350

mmの

40%に

当 す る約⁷⁰ μ

Mの 02が

(Fig

4)。 以上の結果か ら

,河

02が

Gundersen et al.お

,02微

6mm〜

約

1l mmぉ

80 mmの

02が

02濃

あった。 また Glud et al.(2001)は ,底泥断面 にplanar 02 0ptOdeを_{適用 し},深さ約

15 mm

02が

Kristensen et al(1991,1983a,1983b,1983c,

1981)は

02濃

,NH4+濃

1(( 0

と

A

こ と こ こ 毛 ｌ

が減少す ることを詳細 に調査 している。本研究 で も約

50分

8分

,巣

02濃

^90μ Mか

^50μ Mま

(Fig.5)。

02濃

素水が巣穴 を介 して河川水中へ放出されたため と考 えられ る。培養槽中には複数の巣穴が形成 されてお り

, 

02が

4.2 

河川底泥中に底生動物が存在す ることによ り 底泥 の全硝化速度お よび全脱窒速度 は著 しく増 大 した(Fig l)。 この ことは

,巣

02が

NH4+,N03,有

,そ

,酸

02,NH4+,

N03,有

mmの

る。

Fig 2お よびFig.3のデータを基 に計算 した 結果,巣穴壁 面 の

02消

m2/h)は_{底泥表面の}

02消

m2/h)の_約60%であった。 また

,Fig.6の

夕 か ら,底泥 表 面 のNH4+消費 速 度 が 約⁰ μ

mo1/m2/hで

NH4+消

mo1/m2/hで

Mayer et al(1995)は

穴壁面 の硝化 ポテ ンシャルが底泥表面のそれに 比 べ て15〜

61倍

(tritiated thymidineの DNAへ

グル コースお よび酢酸 の同化量 お よび分解量^,

alkahne phosphataseお

sulfatase力

02消

とが明 らか となった。

底泥の全硝化速度および全脱窒速度 には底生 動物 の個体密度 に比例 して増大す る傾向が見 ら

れた (Fig.1)。 個体密度 と反応速度 に関する近

似式か ら,個体密度が約

4,300 ind./m2の

底生動物が存在 しない底泥 に比べて,全硝化速 度 および全脱窒速度 はそれぞれ約

3倍

4倍

,50,000 ind/

m2以

,個

3倍

,全

26倍

Pelegi et al(1994)は

6,600 ind./m2,河

N03 濃

¹⁵⁰

Mの

N03 消

mo1/m2/hで

,底

N03 消

27倍

600 ind./m2

mo1/m2/hで

,底

^1.5倍

,NH4+生

mo1/m2/hで

¹⁰⁰

mo1/m2/hに

,底

八戸工業大学紀要

22巻

響 は底生動物の種,河川水水質,等の様々な要 因により異なると考 えられ る。

結    論

本研究では回分試験 による全消費速度の測定 および微小電極 を用いた各種物質濃度の測定 を 行い,底生動物が河川底泥 内の

02消

02浸

mm以

下であった ものの,巣穴 内で は深 さ約

350 mm

40%に

^70μ Mの 02が

参 考 文 献

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