Flux of organic substance for Osaka Bay sediment and its decomposition rate in early diagenesis

大 阪湾 底質 に対す る有機 物 フ ラ ックス と その初期 続成 過程 にお け る分解 速 度

Flux of organic substance for Osaka Bay sediment and its decomposition rate in early diagenesis

山 崎 秀 夫1,小 川 喜 弘2,石 澤 篤3,横 田 喜 一 郎4 1近 畿 大 学 理 工 学 部 生 命 科 学 科 ,2同 情 報 学 科,3同 原 子 炉 工 学 科,

4元 滋 賀 県 琵 琶 湖 研 究 所

〒577・8502大 阪 府 東 大 阪 市 小 若 江3‑4‑1

Hideo YAMAZAKI1, Yoshihiro OGAWA2, Atsushi ISHIZAWA3 and Ki-ichiro YOKOTA4 Department of 1Life Science, 2lnfomatics and 3Nuclear Engineering, School of Science and

Engineering, Kinki University, 4Lake Biwa Research Institute, 3-4-1 Kowakae, Higashi-osaka, Osaka 577-8502, Japan

(Received December 24, 2005)

Abstract

The flux of the organic substance for the Osaka Bay sediment was estimated by the analysis of the vertical distribution of organic carbon (OC), organic nitrogen (ON) and total phosphorus (TP) in the sediment core. The profile of these organic substances in the core evaluated the influence of the mixing using the advection-diffusion model, because it was disturbed by the effect of mixed layer in the sediment surface. The decomposition rate of the organic substance in early diagenesis was also estimated. The flux of early decomposable OC, ON and TP loaded on the Osaka Bay sediment from sea water was 3.00mgC, 0.42mgN and 0.068mgP cm 2yf 1, respectively. Then, the decomposition rate of these organic substances that became inorganic in early diagenesis in the upper layer of the core was estimated at 0.0693mgC, 0.0083mgN and 0.0012mgP cm 2yr"1. It is significant to clarify flux and decomposition rate of the organic substance in the sediment concerning organic contamination and eutrophication in the coastal zone of Osaka Bay.

Key words: Osaka Bay, Sediment, Organic Substance, Flux, Decomposition Rate Advection-Diffusion Equation

, Early Diagenesis,

1緒 言

全 地 球 的 規 模 で 人 為 的 な 環 境 汚 染 が始 まったの は,英 国で 起 きた産 業 革命 に端 を発 して いると考 える ことがで きる.そ の痕 跡 は大 気 を通 して 北極 の氷 床 中 に運 ばれ た鉛 の濃 度 上 昇 として検 出され てい る1),わ が 国 に お いても,明 治 維 新 以 降 の産 業 近 代 化 によっ て環 境 汚 染 の歴 史 が 始 まったとい える2β).人為 的 に 環 境 に負 荷 され た汚 染 物 質 の 多 くは 大 気 や 雨 水,河 川 水,地 下 水 な どを経 由して,最 終 的 に は水 圏 の 底 質 に移 行 す る.従 って,底 質 は 汚 染 物 質 の最 終 シン

クで あり,そこに記 録 され た汚 染 物 質 の濃 度 変 動 をそ の 時 系 列 に従 って解 析 す ることがで きれ ば,人 間 活 動 と環 境 汚 染 の 関 係 を定 量 的 に評 価 す ることがで き る.環 境 変 遷 を底 質 試 料 の分 析 か ら解 明 す るため に は,層 準 に沿 って堆 積 した乱 れ の ない コア試 料 を採 取 す る必 要 があ る.しか し,湖 沼 や 沿 岸 海 域 に堆 積 した 底 質 は 底 生 生 物 の 活 動 や 底 層 流 によって 堆 積 層 が撹 乱 され て い る場 合も多 く,汚染 物 質 の鉛 直 分 布 を時 系 列 に従 って解 析 す ることを難 しくしてい る4〜

7).し かも,環 境 汚 染 物 質 の 多 くは 底 質 中で 続 成 作 用 を受 けるた め に,そ の濃 度 や 分 布 は 堆積 した 時 の

状 況 と異 なってい る場合 も多 い8).従 って,底 質 の 解 析 か ら環 境 汚 染 を評 価 す るた め には,底 質 中の 汚 染 物 質 の 濃 度 だ けでなく負 荷 速 度(フラックス)など他 の 時 系 列 情 報 を得 ることも不 可欠 で ある.

本 研 究 で は,表 層 部 に 生 物 撹 乱 によると思 わ れ る 混 合 層 が 存 在 した大 阪湾 底 質 コア試 料 にっ い て,海 水 か ら底 質 に負 荷 す る有 機 物 のフラックスとその底 質

中 にお ける分 解 速 度 の歴 史 的 変 遷 を推 定 す ることを 試 み た.底 質 表 層 に混 合 層 が 定 常 的 に形 成 され て い る場 合,底 質 中 の 目的 成 分 の鉛 直 分 布 は 混 合 層 による撹 乱 の影 響 を受 けてい るの で,フ ラックスや 分 解 速 度 をその 実 測 され た濃 度 分 布 か ら直 接 算 出 する ことはで きな い,そ こで移 流 拡 散 モ デ ル を用 いて 目的 成 分 の 鉛 直 分 布 に対 す る混 合 の効 果 を定 量 的 に評 価 す る方 法 につ い て検 討 を行 った.底 質 中 の有 機 窒 素 や 有機 リンの無 機 化 過 程 は 間 隙水 を通 した海 水 へ の栄 養 塩 類 の供 給 源 となるの で,本 研 究 で 得 られ る 底 質 中の 有 機 物 分 解 速 度 に 関す る情 報 は大 阪 湾 の 有機 汚 染 や 富 栄 養 化 の 問題 に 関連 して興 味深 い.

2試 料 と方 法

2.1底 質 コア の 採 取 と前 処 理

底 質 コ ア 試 料 は 広 島 大 学 練 習 船 豊 潮 丸 のTY84 研 究 航 海 に よっ て,Fig.1に 示 した 大 阪 湾 中 央 部 の Stn.8地 点(水 深19m)か ら採 取 した.採 泥 に は 内 径

20cm,長 さ100cmの ア クリル パ イプ 製 サ ン プ ラー を 用 い た トライポ ットコ ア ラ ー に よっ た.採 取 され た コ ア は 長 さ約90cmで あ り,船 上 で 直 ち に サ ンプ ラー か ら 押 し 出 しな が ら深 さ方 向 に2cmの 厚 さに スライス して PP製 の プ ラスチ ック容 器 に 密 封 し,分 析 ま で 冷 凍 保 存 した.冷 凍 試 料 は 室 温 で 解 凍 し,60℃ で 恒 量 に な るまで 乾 燥 して 含 水 率 を測 定 した 後,メ ノウ製 乳 鉢 で 粉 砕 して 分 析 用 試 料 を 調 製 した,

2.2分 析 方 法

底 質 中 の 有 機 炭 素 及 び 有 機 窒 素 の 定 量 に は 柳 本 製CHNコ ー ダM㍗3に 同 社 製 オ ー トサ ンプ ラー を接 続 し て 使 用 した.乾 燥,粉 砕 し た 底 質 試 料 の10〜

40mgを 白 金 ボ ー トに 精 秤 し,オ ー トサ ンプ ラー を 用 い て 分 析 装 置 に 導 入 した.装 置 の 感 度 校 正 に は キ シ ダ 化 学 製 有 機 元 素 分 析 用 標 準 試 料 ア ン チ ピ リン (CllH12N20)を 用 い た.シ グ ナ ル の ピー ク面 積 は 付 属

の 解 析 ソフ トで 算 出 し,検 量 線 法 で 試 料 中 の 有 機 炭 素,有 機 窒 素 濃 度 を求 め た,

底 質 中 の 全 リン濃 度 は 理 学 電 機 製 蛍 光X線 分 析 装 置 を用 い て 定 量 した9).測 定 用 試 料 は 底 質 をア ル ミリン グ 法 で 加 圧,成 形 して 調 製 した.濃 度 校 正 の た め の 標 準 試 料 に は 米 国NISTの 環 境 標 準 試 料 SRM1646(EstuarineSediment)を 用 い た,

3結 果 と考 察

3.1堆 積 年 代 測 定 法 と大 阪 湾 底 質 の 堆 積 速 度 人 間 活 動 と関 係 の 深 い 過 去150年 程 度 の 堆 積 年 代 の 特 定 に は,天 然 放 射 性 核 種210Pb(半 減 期22.3 年)を 用 い る年 代 測 定 法10〜14)が 汎 用 され て い る.こ の 方 法 で は(1)式 で 示 され る放 射 壊 変 の 原 理 を 時 間 マ ー カ ー として 利 用 す る.底 質 中 に 存 在 す る210Pbに は,地 殻 中 の238Uと 放 射 平 衡 に あ る 、u,210Pbと壊 変 系 列 の 途 中 で 希 ガ ス核 種 の222Rnと して 地 殻 か ら大 気 中 に 飛 散 し,壊 変 す る過 程 で 再 び 地 表 へ 降 下 して堆 積 した,x210Pbと が 存 在 す る.今,注 目 して い る水 圏 の 底 質 に 対 して,こ の,x210Pbが 一 定 速 度 で 負 荷 して い ると仮 定 で きれ ば,堆 積 層 は 時 間 の 経 過 と共 に 上 方 に 形 成 され て い くの で,堆 積 層 中 で は 深 さと共 に ,x210Pbが 減 衰 し て い くこ とに な る.堆 積 速 度 を3 (cmyゴ1)と す れ ば,堆 積 層 の 深 さz(cm)と 底 質 中 の ,x210Pb濃 度4Bqkgl)の 関 係 は(1)式 の 解 として(2)式 で 表 せ る.従 っ て,,.210Pbの 鉛 直 分 布 を 測 定 す れ ば, (2)式 を 用 い て 底 質 の 堆 積 速 度8を 算 出 す ることが で きる.

ここで,κ は210Pbの 原 子 数,λ(yfl)は 壊 変 定 数 で あ る.ま た,経 過 時 間 オ=〃3,オ=4M読 で あ る.

本 研 究 で 取 り扱 う大 阪 湾 の 底 質 に は,堆 積 層 の 表 層 部 に 混 合 層 が 存 在 して い る か ら,(2)式 は 混 合 層 の 下 に 存 在 す る 定 常 堆 積 層 に お け る,。210Pb濃 度 の 減 衰 を 表 し て い る と考 え て よ い.こ こ で 窺 (Bqkg1)は 混 合 層 の 下 面 と定 常 堆 積 層 の 上 面 の 境 界 に お け る,x210Pb濃 度 で あ る.実 際 に は,コ ア 試 料 の 測 定 に よっ て 得 られ た,x210Pb濃 度 オ の 対 数 値 を堆 積 層 の 深 さzに 対 して プ ロットす れ ば,そ の 減 衰 曲 線 の 傾 きとして(2)式 か ら堆 積 速 度3を 決 め ることが で き る.但 し,堆 積 層 の 深 さは 自 重 に よっ て 時 間 の 経 過 と 共 に 深 さ方 向 に 圧 縮 され て い るの で,計 算 に は この 圧 密 の 効 果 を補 正 した 深 さをzと して 用 い る必 要 が あ る15'16).即 ち,こ の 方 法 で 得 ら れ る 堆 積 速 度3 (cmyf1)は 底 質 の 表 層 に お け る堆 積 速 度 で あ る.

大 阪 湾Stn.8か ら採 取 した 底 質 コア の 堆 積 速 度 を 210Pb法 で 決 定 した 結 果 をFig

.2に 示 した.圧 密 を 補 正 したコ ア 深 さに 対 して,x210Pb濃 度 を プ ロットす ると, 255cm以 深 に お い て減 衰 曲 線 は ほ ぼ 直 線 を示 し,こ の 部 分 が 混 合 の 影 響 を 受 け て い な い 定 常 堆 積 層 と 考 え られ た.こ の 曲 線 の 傾 きか ら(2)式 を 用 い て 堆 積 速 度 を決 定 した.表 層 に お け る値 に 換 算 した この 底 質 の 堆 積 速 度8は0.49cmyゴ1と 算 出 され た.堆 積 速 度 が 決 まる と,底 質 の 含 水 率 と密 度 を 用 い て,底 質 が 形 成 され る速 度 で あ るマ ス フラックス を 計 算 す ることが で きる.含 水 率 は 各 堆 積 層 の 実 測 値,密 度 は 実 測 さ れ た 平 均 値2.5gcnゴ3を 計 算 に 用 い た17).結 果 を Table1に 示 した.こ の 底 質 の 表 層 に お け るマ ス フラッ クス として0.15gcm'2yガ1が 得 られ た.

この コ ア で 表 層 の,。210Pbの 分 布 が 減 衰 曲 線 か ら外 れ るの は 底 質 が 物 理 的 撹 乱 を受 け て い るた め で あ る.

この 問 題 に つ い て は 次 の32項 で 議 論 す る.

3.2移 流 拡 散 モ デ ル を 用 い た 混 合 層 の 混 合 係 数 の 推 定

水 圏 の 底 質 で は,そ の 表 層 に 底 生 生 物 の 活 動 や 底 層 流 に よっ て 撹 乱 され,形 成 され た 混 合 層 と呼 ば れ る堆 積 層 が 存 在 す ることが あ る.表 層 に厚 さ 五(cm) の 混 合 層,そ の 下 に 混 合 を 受 け て い な い 定 常 堆 積 層

(昔,表 層 に 存 在 した 時 に は 撹 乱 され て い た)が 存 在 す る底 質 の 場 合,混 合 層 形 成 の 要 因 が 底 質 の 定 常 的 な 物 理 的 撹 乱 の み で あ ると仮 定 で きれ ば,底 質 コ ア 中 の,.210Pbの 鉛 直 分 布 は(3)式 で 示 され る移 流 拡 散 方 程 式 を 用 い て解 析 す ることが で きる6・7・10,12).

ここで,Dは 混 合 層 の 渦 拡 散 係 数(cm2yガ1,本 論 文 で は 混 合 係 数 と呼 ぶ)で あ る.先 に 仮 定 した ように 底 質 の 堆 積 速 度 が 時 間 に 対 して 定 常 的 で あ り,底 質 に 対 す る 。x210Pbの負 荷 速 度 が 一 定 で あ るとす れ ば,(3)式 の 左 辺 は0で あ り,更 に 混 合 層 に 物 理 的 撹 乱 が な い 場 合 に は 拡 散 係 数Dも0で あ る.従 って,(3)式 は(4) 式 の ように 書 き換 え ることが で き,そ の 解 は(5)式 で 示 され る.(5)式 は(2)式 と同 じで あ り,そ の 定 数 オ3,〃3 は 下 記 の ように 表 す ことが で きる.

一 方,混 合 が あ る場 合 に は,そ の 一 般 解 として(6) 式 を得 ることが で き る.(6)式 の 定 数 は 以 下 に 示 す 境 界 条 件(a)〜(c)を 仮 定 す る ことで,決 め るこ とが で きる, (a)z=0に お い て 海 水 一底 質 問 の,、210Pbフ ラックス は 連 続 して い る.(b)z=ゐ に お け る混 合 層 一定 常 堆 積 層 境 界 面 で,、210Pbフ ラックス は 連 続 して い る.(c)F五 で は,。210Pb濃 度 も連 続 して い る.

ここで オsは 底 質 表 面(z=0)に お け る混 合 の 効 果 を 受 け て い な い 真 の,。210Pb濃 度 で あ る.従 っ て,底 質 コア で 実 測 され た,x210Pb濃 度 の 鉛 直 分 布 を(6)式 に フ ィッ テ ・イング させ ることで,混 合 層 の 混 合 係 数Dを 決 定 す ることが で きる.ま た 逆 に,Dが 決 まれ ば 魂 を推 定 す

ることが で き る,

本 研 究 に 使 用 し た 大 阪 湾 底 質 の 圧 密 を 補 正 した 深 さzに 対 して,210Pbと,x210Pbの 鉛 直 分 布 をプ ロット してFig.2に 示 した,こ の,x210Pbの 分 布 に 対 して 混 合 層 は(6)式,定 常 堆 積 層 は(4)式 を 用 い て フ ィッテ ィン グ を行 い,混 合 係 数Dを 決 定 した.ベ ス トフィットす る 1)値 として25cm2yゴ1が 得 られ た.こ の 混 合 層 の 物 理 的 パ ラメー ター はTablelに 示 した.

3.3大 阪 湾 底 質 中 の 有 機 炭 素,有 機 窒 素,全 リン の 鉛 直 分 布

大 阪 湾 底 質 中 の 有 機 物 の 指 標 成 分 として 有 機 炭 素,有 機 窒 素,全 リン を 分 析 し,そ の 鉛 直 分 布 を Fig.3に 示 した.そ の 濃 度 は い ず れ も表 層 で 高 く,深 さと共 に 急 激 に 減 少 す る傾 向 を 示 した.210Pb堆 積 年 代 が1780年 代 を示 す60cm層 以 深 で は,こ れ ら成 分 は ほ ぼ 一 定 の 値 を 示 す.こ の 分 布 か ら,大 阪 湾 の 底 質 に 負 荷 した 有 機 物 に は200年 程 度 の 比 較 的 短 い 期 間 で 分 解 す る成 分 が 多 く含 まれ て い ることが 認 め ら れ た.

本 研 究 で は,底 質 中 の濃 度 分 布 か らこのような 初 期 続 成 過 程 で 容 易 に分 解 され る有 機 物 のフラックス と分 解 速 度 を推 定 した 。この ような堆 積 環 境 の パ ラメ ー ター を明 らか にす ることは,沿 岸 域 にお ける富栄 養 化 などに 関連 した有 機 汚 染 の 現 況 と将 来 の 動 向を評 価 す るため に,環 境 科 学 的 に重 要 である.

既 に312項 で 述 べ たように,この底 質 に は混 合 層 が 存在 しているので,Fig.3に 示 した有 機 物 の鉛 直分 布 も混 合 層 による撹 乱 の影 響 を受 けてい る.従 って,有 機 物 のフラックスや 分 解 速 度 を議 論 す るた め に は 混

混 合 の効 果 を受 ける前 の 有 機 物 の鉛 直 分 布 を推 定 す る必 要 がある.200年 以 上 古 い 堆 積 層 に残 存 して いる成 分 を難 分 解 性 有 機 物 で あるとす れ ば,全 濃 度

Depth in Core (cm)

Fig.3 Vertical distribution of organic carbon, organic nitrogen and total phosphorus in the Stn.8 core of Osaka Bay

Corrected Depth (cm)

Fig.2 Vertical profile of 210Pb and determination of D value of mixing layer in the Stn.8 core of Osaka Bay

Table 1 Mixing parameter and mass flux of the Stn.8 core of Osaka Bay

Mixing Layer

Depth Corrected Death (L

Sedimentation Rate (S ) Mixing Coeffcient (D )

Mass Flux

20

(cm)

25.5 (cm)

0.49

(cm/yr)

25

(cm2/yr)

0.150 (g/cm2yr) Fig.4 Vertical profile of easily decomposed fraction of

organic carbon, organic nitrogen and total phosphorus

in the Stn.8 core of Osaka Bay

か らそ の 値 を差 し引 い た 濃 度 が 初 期 続 成 過 程 で 容 易 に分 解 され る易 分 解 性 有 機 物 の 濃 度 で ある.そ の 鉛 直 分布 をFig.4に 示 した.

底 質 に対 す る有 機 物 の負 荷 の時 系 列 変 動 が 分 解 速 度 に対 して無 視 で きると仮 定 できれ ば,この濃 度 減 少 曲線 か ら,堆 積 の初 期 続 成 過 程 にお ける有 機 物 の 分 解 速 度 を推 定 す ることが 可 能 とな る.い ず れ の 成 分 も定 常 堆 積 層 にお い て指 数 関数 的 に減 少 してお り, 易 分 解 性 有 機 物 は一 次反 応 速 度 則 に従 って 分 解 し てい ることが 明 らか で ある.Fig.4の 直線、の傾 きか ら, 底 質 中 の初 期 続 成 過 程 で 分 解 され る有 機 炭 素,有 機 窒 素,全 リンの半 減 期 はそれ ぞ れ30,35,38年 と見 積 もられ た.

3.4大 阪 湾 底 質 に 対 す る 有 機 物 フラ ックス

混 合 層 が な い 底 質 で は,底 質 に 対 す る 目 的 成 分 の フ ラ ックス は そ の 濃 度 と底 質 の 堆 積 速 度 を 用 い て 簡 単 に 計 算 す ることが で きる.し か し,混 合 層 が 存 在 す ると物 理 的 撹 乱 に よっ て 目的 成 分 が 混 合 層 内 を鉛 直 方 向 に 輸 送 され て い る の で,実 測 され る濃 度 か ら フ ラックス を 直 接 計 算 す ることは で き な い.そ こで,本 研 究 で は3.2項 で,x2ユOPbの 解 析 に 用 い た 移 流 拡 散

方 程 式 で 混 合 に よる鉛 直 輸 送 の 効 果 を 見 積 も り,混 合 を受 けて い な い 底 質 中 に お ける 有 機 炭 素,有 機 窒 素,全 リン の 鉛 直 分 布 を シ ミュレー シ ョン した.

今 回 分 析 した 大 阪 湾 底 質 の 初 期 続 成 過 程 で は 有 機 炭 素,有 機 窒 素,全 リン 共 に 一 次 反 応 速 度 則 に 従 っ て 分 解 して い る の で,そ の 鉛 直 分 布 を(3)式 を 使 っ て 解 析 す る こ と が で き る.即 ち,実 測 さ れ た こ れ ら 成 分 の 鉛 直 分 布 と 混 合 層 の 混 合 パ ラメー ター を 用 い て 混 合 が な い 場 合 の 底 質 表 面 の 濃 度(.4S)を 決 め れ ば,海 水 か ら底 質 に 負 荷 す る 易 分 解 性 有 機 物 の フ ラックス を 計 算 す るこ とが で きる.各 成 分 に 対 す るシ ミュレ ー シ ョン の 結 果 をFig.5に,得 られ た フラ ックス の 値 をTable2に 示 した.計 算 結 果 の 詳 細 は AppendixI〜 皿 に 示 した.

底 質 中 の 有 機 炭 素,有 機 窒 素,全 リン の 鉛 直 分 布 をTablelに 示 した 混 合 パ ラメー ター を 用 い て(4)式, (6)式 で 解 析 した フィッテ ィン グ 曲 線 をFig.5に 細 線 で 示 した.両 者 の プ ロフ ァイル は 全 リン の 表 層 部 を 除 い て 極 め て よく一 致 し,今 回 適 用 した 移 流 拡 散 モ デ ル に よ る解 析 が,こ れ ら成 分 の 鉛 直 分 布 が 受 け た 混 合 の 効 果 を正 しく反 映 して い ることが 示 され た.全 リン の 分 布 が 混 合 層 の 表 層 で フィッテ ィン グ 曲 線 か ら少 し外 れ る の は,海 水 一底 質 境 界 面 に お け る無 機 態 リン の 溶 脱 ・固 定 に 伴 う濃 度 変 動 の 効 果 を 考 慮 して い な い た め で あ る と考 え られ る,

(4)式,(6)式 の フィッテ ィン グ で 得 られ た 解 析 結 果 か ら,こ れ ら成 分 が 混 合 を受 け な か った 場 合 に 予 測 さ れ る底 質 表 面 の 濃 度 お とそ の 鉛 直 分 布 を決 め ること

Fig.5 Historical trends of organic carbon, organic nitrogen and total phosphorus in the Stn.8 core of

Osaka Bay and its decomposition profile estimated by

the A-D equation

Table 2 Flux and decomposition rate of organic carbon, organic nitrogen and total phosphorous in the Stn.8 core of Osaka Bay

Organic Carbon Organic Nitrogen Total Phosphorus

Observed Estimated by AD model

Concentration

in Surface (%)

Total BG

2.28 1.19

0.299 0.125

1---

0.075 ' 0 .040

Early Decomposed

1.09

0.174

0.035

Total Early Decomposed

3.19 2.00

0.405

0.085

0.280

0.045

Flux (mg/cm2yr)

Total

4.79

0.608

0.128

Early Decomposed

3.00

0.420

0.068

Decomposition Rate (mg/cm2yr)

(in Surface)

0.0693

0.0083

0.0012

が で きる.そ の 結 果 をFig.5に 太 線 で 示 した.こ の 底 質 は1984年 に 採 取 され て い るの で,こ こで 得 られ た 底 質 表 面 の 濃 度 は そ の 時 点 に お け る値 で あ る.こ の 濃 度 と底 質 の マ ス フ ラックス を 用 い て,こ れ ら有 機 成 分 の フラックス を計 算 した.結 果 はTable2に 示 した.

大 阪 湾 底 質 に 対 す る初 期 続 成 過 程 に お い て 分 解 さ れ る 易 分 解 性 有 機 物 の フ ラ ックス は 有 機 炭 素3.00 mgC,有 機 窒 素0.42mgN,全 リン0.068mgPcm‑2yガ1 で あ り,そ れ ぞ れ 難 分 解 性 有 機 物 を含 め た 全 フ ラック ス の63%,69%,53%を 占 め た.難 分 解 性 リン 化 合 物 の 割 合 が 有 機 炭 素 や 有 機 窒 素 に 比 べ て 高 い の は, 人 為 的 に 負 荷 され た 有 機 リン 系 化 合 物 が 影 響 して い るの か もしれ な い,

3.5底 質 中 の 有 機 物 の 分 解 速 度

大 阪 湾 底 質 中 の 初 期 期 続 成 過 程 で 容 易 に 分 解 さ れ る有 機 物 は 見 か け 上,一 次 反 応 速 度 則 に 従 っ て 分 解 して い るの で,移 流 拡 散 方 程 式 で 計 算 され た 混 合 の 効 果 を 受 け て い な い 場 合 に 予 想 され る鉛 直 分 布 に(1)式 を適 用 す れ ば,簡 単 に 各 堆 積 層 の 有 機 物 分 解 速 度 を計 算 す ることが で きる.

大 阪 湾 の 底 質 表 層 で 計 算 され た 有 機 物 の 分 解 速 度 をTable2に 示 した.そ れ ぞ れ 有 機 炭 素0。0693 mgC,有 機 窒 素0.0083mgN,全 リン0.0012mgP cnゴ2yゼiで あ った.こ の 値 は 人 間 活 動 の 影 響 を あ ま り 受 け て い な い 小 さな 淡 水 湖 で あ る木 崎 湖 の 底 質 で 測 定 され た 有 機 物 の 分 解 速 度0。0102mgC,0.0015mgN cmO2yガ1に 比 べ ると5〜7倍 大 きい18).こ の ような,大 阪 湾 底 質 の 初 期 続 成 過 程 に お け る 大 きな 有 機 物 分 解 速 度 は,湾 岸 周 辺 の 市 街 地 か ら大 量 に 流 入 して い る 人 為 起 源 の 有 機 物 質 の 分 解 過 程 が 大 阪 湾 の 有 機 物 収 支 に 重 要 な役 割 を 演 じて い る ことを 示 唆 して い る.

ま た,大 阪 湾 の 高 い 生 物 生 産 性 も 有 機 物 分 解 速 度 に影 響 して い る可 能 性 も指 摘 す ることが で きる.

有 機 物 の 分 解 速 度 とフ ラックス の 比 は そ れ ぞ れ 有 機 炭 素0.023,有 機 窒 素0.020,全 リン0.018で あ り, そ の 半 減 期 か ら予 測 され るの と同 様 に,有 機 炭 素 成 分 が 最 も分 解 され や す く,全 リン 成 分 が 最 も分 解 され 難 い 有 機 物 を 構 成 して い ることも 明 らか に な っ た 。し か し,い ず れ の 成 分 に つ い ても1700年 代 に は そ の 分 解 速 度 が ほ ぼ ゼ ロ に 収 束 し,初 期 続 成 過 程 で 分 解 す る易 分 解 性 有 機 物 は 底 質 中 で200〜300年 程 度 の 期 間 で 分 解 し,自 然 に 消 滅 す る と考 え られ た,各 堆 積 層 に つ い て 計 算 した 分 解 速 度 もAppendixI〜m

に示 した.

4結 語

大 阪 湾 の 中央 部 か ら採 取 した 底 質 コア試 料 中 の 有 機 炭 素,有 機 窒 素,全 リンの鉛 直 分 布 を測 定 して, 海 水 か ら底 質 に負 荷 す る有 機 物 の フラックスと底 質

中の 初 期 続 成 過 程 にお ける有 機 物 の 分 解 速 度 を推 定 した.こ の底 質 の 表 層 部 には混 合 層 が 存 在 す るの で,こ れ ら成 分 の 鉛 直 分 布 は 底 質 の 物 理 的 撹 乱 によ る鉛 直 輸 送 の 影 響 を受 けてい る.そ こで 移 流 拡 散 方 程 式 を用 いて 混 合 の 効 果 を補 正 して,混 合 を受 けな かった 場 合 に予 測 され るこれ ら成 分 の鉛 直 分 布 を推 定 し,有 機 物 のフラックスと分 解 速 度 を算 出 した.大 阪 湾 の底 質 で は,海 水 か ら負 荷 す る有 機 物 の60〜

70%が200〜300年 程 度 の初 期 続 成 過 程 で分 解 して 消滅 す ると考 え られ た.そ の半 減 期 は有 機 炭 素30年, 有機 窒 素35年 と見 積 もられ た.リン につ いては 無 機 態 リン の存 在 を考 慮 しなけれ ばな らな いが,全 リン の 結 果 か ら考 えて,有 機 リン化 合 物 は 有 機 炭 素,有 機 窒 素 化 合 物 より分 解 され 難 いと推 定 され た.

本 論 文 で議 論 した 大 阪 湾 底 質 の 初 期 続 成 過 程 で 分解 す る有 機 物 の種 類 とそ の起 源 を特 定 す るた め に は,有 機 炭 素,有 機 窒 素,有 機 リンの 存 在 比(レ ッド

フィール ド比19))や その海 域 別 の 時 系 列 変 動 を比 検 討 す ることが 必 要 で ある.ま た,レ ッドフィー ル 母 は海 洋 にお ける生物 活 動 や 有 機 物 の 無 機 化 過 程 を 化 学 量 論 的 に 取 り扱 う際 に有 用 な 情 報 も与 え てくれ るの で20),底 質 の有 機 物 汚 染 が 大 阪 湾 の 富 栄 養 化 に果 たして い る役 割 を詳 細 に議 論 す るた め に重 要 で ある.それ らにつ い ては 改 め て報 告 す る.

謝 辞

'﹀︑'﹂﹁

本 研 究 に 用 い た底 質 コア 試 料 は広 島 大 学 練 習 豊 潮 丸 の 研 究 航 海 に お い て 採 取 した.採 泥 作 業 に 協 力 い ただ い た乗 船 研 究 者 並 び に 乗 組 員 の 皆 様 に 深 謝 いた します.本 研 究 の経 費 は平 成12年 度 近 畿 大 学 理 工 学 部 教 員 研 究 充 実 費(課 題 番 号 二RKI2

‑28) ,平 成12〜14年 度環境省廃 棄物処理等 科学研 究 費 補 助 金(主 任 研 究 者:酒 井 伸 一,国 立 環 境 研 究 所)及 び 平 成16〜17年 度 科 学研 究 費 補 助 金 基盤 研 究C(課 題 番 号:16510012)に よった.

1) 2) 3) 4) 5)

引用文献

㌧

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Appendix I Results of Analyses Using Advection-Diffusion Equation (Osaka Bay Stn.8, Organic Carbon)

Mixing Layer (L) : Sedimentation Rate (S) : Mixing Coefficient (D) : Mass Flux:

Half Life of OC:

Decay Constant (OC, X):

Surface Concn. (OC, As):

Interface Concn. (OC, AL):

BG Concn. of OC:

25.5 cm 0.49 cm/yr

25 cm2/yr 0.150 g/cm2yr

30 yr 0.0231 /yr

2.00 % 0.80 % 1.19 %

A3=

A2=

A1=

R3 R,=

R1

2.6624709 1.001307 0.117234 -0 .0471529 -0 .0221411 0.0417411

F=

Vi=

V2=

-8.541096939 -0 .553528428

1.043528428

Total Flux

Early Decomposed Flux

Decomposition Rate

4.785 C mg/cm2yr 3.000

C mg/cm2yr

0.0693

C mg/cm2yr

210Pb Age (Year)

1984 1982 1978 1974 1968 1963 1957 1951 1946 1941 1935 1929 1923 1917 1910 1904 1896 1889 1881 1874 1866 1857 1849 1841 1834 1826 1818 1802 1786 1778 1761 1744 1735 1718 1702 1693 1675 1659

Depth in Core

Corrected Depth

(cm) (cm)

0 0.0

3 5

1.0 3.1 5.3

7 7.9

9

i

11 13

10.5 13.3 16.1

15 18.7

17 21.4

19 21 23

r-- 24.2 27.1 30.0 25 ! 27

29 '

33.1 36.3 39.6 31

33 35 37 39 41 43

43.2 46.8 50.5 54.2 58.2 62.3 66.1

45 70.0

47 73.8

49 77.5

51 55

81.3 89.1 59

61 65

96.9 101.0 109.3

69 117.6

71 122.0

75 130.3

79 81

138.6 143.0

85 151.4

89 159.6

OC Concentration

Total

(%)

2.28 2.19 2.35 2.20 2.20 2.16 2.14 2.04 2.14 2.01 1.91 1.82 1.68 1.68 1.65 1.59 1.54 1.45 1.41 1.42 1.40 1.30 1.28 1.27 1.26 1.27 1.28

1.24 1.18

1.22 1.23

1.18 1.21 1.22

Net

(%)

1.09 1.00 1.16 1.01 1.01 0.97 0.95 0.85 0.95 0.82 0.72 0.63 0.49 0.49 0.46 0.40 0.35 0.26 0.22 0.23 0.21 0.11 0.09 0.08 0.07 0.08 0.09

0.05 -0 .01

0.03 0.04

-0.01 0.02 0.03

Calcutated with A-D Model In

Mixing Layer

(%)

2.31 2.29 2.26 2.23 2.19 2.17 2.14 2.12 2.11 2.10 2.10 2.10 --- 2.12

2.14 2.17 2.22 2.29 2.37 2.48 2.62 2.80 3.02 3.27 3.58 3.94 4.35 4.85 6.16 8.00 9.24 12.51 17.15 20.34 28.23 39.39 47.08 66.33 92.90

Under Without Mixing Layer j Mixing

(%) (%)

3.85 3.19

3.73 3.49

3.10

OS

- - I

3.26

2.92 2./5

3.02 2.57

2.81 2.61 2.44

2.41 2.26 2.13

2.29 2.02

2.16 1.92

2.04 1.83

1 93 1.84 1.75 1.67 1.60

1 75 L68 1.61 1.55 1.50 1.54

1.48 1.44 1.40

1.45 1.41 1.37 1.35

1.36 1.32

1.33 1.30

1.31 1.29

1.28 1.26

1.27 1.25

1.26 1.24

1.25 1.23

1.23 1.22 1.22

1.21 1.21

1.21 --_- 1.21

1.20

1.20 1.20

1.20 1.20

1.20 1.19

1.19 1.19

1.19 1.19

1.19 1.19

1.19 1.19

Decomposition Rate

(mg/cm2yr)

0.0693 0.0661 0.0599 0.0540 0.0478 0.0422 0.0370 0.0324 0.0287 0.0253 0.0221 0.0193 0.0168 0.0146 0.0125 0.0107 0.0090 0.0076 0.0064 0.0054 0.0045 0.0037 0.0031 0.0026 0.0021 0.0018 0.0015 0.0010 0.0007 0.0006 0.0004 0.0003 0.0002 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0.0000

Appendix II Results of Analyses Using Advection-Diffusion Equation (Osaka Bay Stn.8, Organic Nitrogen)

Mixing Layer (L) : Sedimentation Rate (S) : Mixing Coefficient (D) : Mass Flux:

Half Life of ON:

Decay Constant (ON, X):

Surface Concn. (ON, As):

Interface Concn. (ON, AL):

BG Concn. of ON:

25.5 cm 0.49 cm/yr

25 cm2/yr 0.150 g/cm2yr

35 yr 0.0198 /yr

0.280 % 0.110 % 0.125 %

A3=

A2=

A1=

03=

R2=

R1=

0.3083105 0.148526 0.0196997 -0.0404167 -0 .0200028

0.0396028

F=

VI=

V2=

-7 .5394947 -0 .500070553 0.990070553

Total Flux

Early Decomposed Flux

Decomposition Rate

0.608

N mg/cm2yr

0.420

N mg/cm2yr

0.00832

N mg/cm2yr

210Pb Age (Year)

1984 1982 1978 1974 1968 1963 1957 1951 1946 1941 1935 1929 1923 1917 1910 1904 1896 1889 1881 1874 1866 1857 1849 1841 1834 1826 1818 1802 1786 1778 1761 1744 1735 1718 1702 1693 1675 1659

Depth in Core

(cm)

Corrected Depth

(cm)

0 1 3 5

' 0

r--- .0 1.0 3.1 5.3

7 7.9

9 11

13

10.5 13.3 16.1

15 18.7

17 21.4

19 24.2

27.1

23 30.0

25 27

33.1 36.3

29 39.6

31 33 35

43.2 46.8 50.5

37 54.2

39 58.2

41 62.3

43 66.1

45 47

70.0 73.8 49

51

~-~~- 77.5 81.3

55 89.1

59 61 65 69

96.9 101.0 109.3 117.6

71 122.0

75130.3 79138.6

81 143.0

85 89

151.4 159.6

ON Concentration

Total

(%)

0.299 0.285 0.296 0.278 0.276 0.278 0.267 0.258 0.254 0.241 0.221 0.214 0.191 0.184 0.185 0.185 0.168 0.158 0.155 0.157 0.155 0.150 0.145 0.140 0.143 0.137 0.143

0.131 0.137

0.134 0.131

0.126 0.126 0.123

Net

(%)

0.174 0.160 0.171 0.153 0.151 0.153 0.142 0.133 0.129 0.116 0.096 0.089 0.066 0.059 0.060 0.060 0.043 0.033 0.030 0.032 0.030 0.025 0.020 0.015 0.018 0.012 0.018

0.006 0.012

0.009 0.006

0.001 0.001 -0 .002

Calcutated with A-D Model In

Mixing Layer

(%)

0.293 0.291 0.287 0.283 0.279 0.275 0.272 0.270 0.268 0.268 0.268 0.269 0.271 0.275 0.280 0.287 0.297 0.309

0.325 0.344 0.369 0.400 0.435 0.477 0.525 0.581 0.647 0.821 1.061 1.220 1.636 2.215 2.608 3.

4.

568 902 5.808 8.047 11.082

Under Mixing Layer

Without Mixing

(%) (%)

0.433 0.405

0.421 0.397

0.394 0.372

0.374 0.351

0.349 0.328

0.327 0.305 0.286

0.308 0.289 0.271

0.270 0.256

0.255 0.243

0.

0 0

241 .228 .217

0.230 0.219 0.208 0.206

0.196

0.198 0.190

0. 187 0.182

0.

0.

179 172 0.165 0. 159

0.174 0.167 0.161 0.156

0.154 0.152

0.150 0.148

0.146 0.144

0.143 0.141

0.142 0.139 0.138

0.137 0.133

0.137 0.135

0.133 0.131

0.130 0.

0.

129 128

0.131 0.130 0.128 0.127

0.127 0.127

0.127 0. 126 0.126

0.126 0.126 0.126 0.126

0. 125

0.126 0.125

Decomposition Rate

(mg/cm2yr)

0.00832 0.00799

0.00734 0.00671 0.00604 0.00544 0.00486 0.00434 0.00391 0.00350 0.00313 0.00278 0.00247 0.00218 0.00192 0.00168 0.00145 0.00125 0.00108 0.00093 0.00079 0.00067 0.00058 0.00049 0.00042 0.00036 0.00031 0.00023 0.00017 0.00014 0.00010 0.00007 0.00006 0.00004 0.00003 0.00003 0.00002 0.00001

Appendix III Results of Analyses Using Advection-Diffusion Equation (Osaka Bay Stn.8, Total Phosphorus)

Mixing Layer (L) : Sedimentation Rate (S) : Mixing Coefficient (D) : Mass Flux:

Half Life of TP:

Decay Constant(TP, 2.):

Surface Concn. (TP, As):

Interface Concn. (TP, AL):

BG Concn. of TP:

25.5 cm 0.49 cm/yr

25 cm2/yr 0.150 g/cm2yr

38 yr 0.0182 /yr

0.045 % 0.021 % 0.040 %

A3=

A2=

A1=

133 /3z=

R1=

0.0542598 0.0245789 0.0034399 -0 .0372259 -0 .0189344 0.0385344

F=

V1=

V2=

-7.145170995 -0 .473361248

0.963361248

Total Flux

Early Decomposed Flux

Decomposition Rate

0.1275

P mg/cm2yr

0.0675

P mg/cm2yr

0.0012

P mg/cm2yr

z1oPb Age (Year)

1984 1982 1978 1974 1968 1963 1957 1951 1946 1941 1935 1929 1923 1917 1910 1904 1896 1889 1881 1874 1866 1857 1849 1841 1834 1826 1818 1802 1786 1778 1761 1744 1735 1718 1702 1693 1675 1659

Depth in Core

Corrected Depth

(cm) (cm)

0 0.0

1 1.0

3 5

3.1 5.3

7 7.9

9 10.5

11 13 15

13.3 16.1 18.7 17 21.4 19

21 23 25

24.2 27.1 30.0 33.1

27 36.3

29 31

39.6 43.2

33 46.8

35 50.5

37 54.2

39 58.2

41 62.3

43 66.1

45 70.0

47 73.8

49 51

77.5 81.3

55 89.1

59 96.9

61 101.0

65 69

109.3 117.6

71 122.0

75 130.3

79 138.6

81 143.0

85 151.4

89 159.6

TP Concentration

Total

(%)

0.075 0.069 0.067 0.068 0.068 0.066 0.065 0.063 0.064 0.062 0.060 0.058 0.054 0.053 0.050 0.050 0.048 0.046 0.048 0.046 0.045 0.045 0.043 0.043 0.044

0.043

0.041

0.039

0.041

Net

(%)

0.035 0.029 0.027 0.028 0.028 0.026 0.025 0.023 0.024 0.022 0.020 0.018 0.014 0.013 0.010 0.010 0.008 0.006 0.008 0.006 0.005 0.005 0.003 0.003 0.004

0.003

0.001

-0 .001

0.001

Calcutated with A-D

^Model In

Mixing Layer

(%)

0.0680 0.0677 0.0671 0.0665 0.0658 0.0653 0.0648 0.0645 0.0643 0.0642 0.0643 0.0645 0.0649 0.0654 0.0663 0.0674 0.0690 0.0710 0.0735 0.0766 0.0806 0.0855 0.0910 0.0976 0.1052 0.1138 0.1242 0.1511 0.1879 0.2122 0.2752 0.3623 0.4211 0.5635 0.7597 0.8922 1.2170 1.6537

Under Without Mixing Layer . Mixing

(%) (%)

0.0943 0.0850

0.0923 0.0834

0.0883 0.0801

0.0845 0.0769

0.0804 0.0735

0.0767 0.0731 0.0698 0.0670

0.0704 0.0674 0.0647 0.0624

0.0645 0.0603

0.0620 0.0598 0.0578 0.0558

0.0583 0.0564 0.0547 0.0531

0.0540 0.0517

0.0524 0.0503

0.0509 0.0490

0.0495 : 0.0479

0.0483 0.0469

0.0472 ' 0.0460

0.0462 0.0452

0.0453 0.0444

0.0446 , 0.0438

0.0440 0.0433

0.0435 0.0429

0.0430, 0.0425

0.0426 0.0422

0.04200.0416

0.0415 0.0412

0.0413 0.0410

0.0409 0.0408

0.0407 i 0.0406

0.0406 0.0405

0.0404 I 0.0404 0.04030.0403

0.0403 0.0402

0.0402 0.0402

0.0401 0.0401

Decomposition Rate

(mg/cm2yr)

0.00123 0.00119 0.00110 0.00101 0.00092 0.00083 0.00075 0.00068 0.00061 0.00056 0.00050 0.00045 0.00040 0.00036 0.00032 0.00028 0.00025 0.00022 0.00019 0.00016 0.00014 0.00012 0.00011 0.00009 0.00008 0.00007 0.00006 0.00004 0.00003 0.00003 0.00002 0.00002 0.00001 0.00001 0.00001 0.00001 0.00000 0.00000