‑13C トレ ー サー と 脂 肪酸 バ イオマ ーカーの応 用―）

     博士（地球環境科学）申   旻勲 学位論文題名

 Studies on the biological production and organic matter sinking processes in the ocean:Applications   of13C tracer method and fatty acids biomarkers

（海洋における生物生産と有機物沈降過程に関する研究

‑13C トレ ー サー と 脂 肪酸 バ イオマ ーカーの応 用―）

学位論文内容の要旨

      This study has provided several new findings for marine biological production and organic matter sinking processes.  These findings demonstrate some new possibilities associated with the applications of 13C tracer method and utilities of fatty acids biomarkers on"primary production processes including phytoplankton physiology and the export processes of organic matter in the ocean.

     The effect of nutrients on photosynthetic products (newly synthesized fatty acids) and particulate matter (seston) was discussed in ChapterII.    A critical change in the composition of newly synthesized C16 fatty acids was induced by nitrogen limitation in the surface 10m water, and the highest polyunsaturated index of C16 fatty acids in seston at 100m water depth may be caused by settling planktonic aggregates or diatom rsting spore.  The two compositional ratios of fatty acid known to be biomarkers for diatoms (16:l(n‑7)/16:0 andZ C16/芝 C18) were strikingly high in new cells compared with seston on  17 April, coinciding with the dominance of diatoms (fucoxanthin).   These dynamicai change of polyunsaturated fatty acids (PUFA) of C16 in the newly biosynthesized phytoplankton cells and seston during diatoms blooming suggests PUFA index of C16 should be an indicator of the diatom blooming stage and physiology of natural phytoplankton population.

     The production processes of fatty acids in the euphotic layer were also compared with the export processes in Chapter IO[.   The export ratios of fatty acids show significant variability due to the relative lability and alteration as biogeochemical

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markers of fatty acids.  In addition, the ratios of polyunsaturated fatty acids  (phytoplankton source) were significantly high in the blooming period, but those of the branched fatty acids of C15 and C17 and 18: 1 (n‑9) (heterotrophic organisms) was comparatively high in the postbloom period in the subarctic ocean     This may suggest that a seasonal change of ecosystem stmcture affect the quality and quantity of organic matter fluxin the subarctic ocean.     However, exports ratios of fatty    acids have no relation with the tumover rates of those in the euphotic layer,    indicating a   time lag to form settling particles.

       In the present study, major biogenic constituents such as biogenic opal and calcium carbonate and organic carbon and even fatty acids as biomarkers in sel:tling particles were discussed comprehensively to understand biogeochemical cycles of carbon in the deeper water at the northem Japan Trench (ChapterIV).     The down ward flux of polyunsaturated fatty acids (PUFA) increase strikingly in spring bloom, and the index of PUFA (%) may be used as an indicator for primary productivity, new production.    The e‑ratios were low in the high POC production periods, suggesting the carbon recycling through microbial loop should expand exponentially with the increase of primary production.   On the other hand, a significant proportion of organic carbon on the shelf area was transported laterally to the deep water in the northem Japan Trench with little change of its composition.   These findings have an implication to our update understanding on the biogeochemical processes of carbcm in the subarctic ocean*

―1403 ‑

学位論文審査の要旨 主査

副査 副査 副査 副査

教授 教授 助教授 助教授 助教授

角 皆 静 男 乗 木 新 一 郎 田 中 教 幸 渡 邉 修 一

濱  健 夫 （ 筑 波 大 学 生 物 化 学 系 ）

     学位論文題名

  Studies on the biological production and organic matter sinking processes in the ocean:Applications     of13C tracer method and fatty acids biomarkers

（ 海 洋 に お け る 生 物 生 産 と 有 機 物 沈 降 過 程 に 関 す る 研 究

― 13Cト レ ー サ ー と 脂 肪 酸 バ イ オ マ ー カ ー の 応 用 ― ）

  海 洋 に お け る 炭 素 循 環 の 大 き さ 、 機 構 を 明 ら か に す る こ と は 、 現 在 変 化 し つ っ あ る 地 球 の 環 境 や 将 来 の 気 候 を 予 測 す る 上 で き わ め て 重 要 で あ る 。 そ の た め 、 海 洋 に お い て こ れ に 関 係 す る 諸 パ ラ メ ー タ ー の 研 究 が 活 発 に 行 わ れ て い る 。 こ こ で は 、 有 機 物 、 特 に 脂 肪 酸 を 化 合 物 レ ベ ル で と り あ げ 、 ま た 、C‑13を ト レ ー サ ー に す る な ど し て 、 海 洋 に お け る 炭 素 の 生 物 地 球 化 学 的 循 環 の 状 況 を 把 握 す る こ と と し た 。

  そ こ で 、 本 研 究 で は 、 時 系 列 セ ジ メ ン ト ト ラ ッ プ に よ っ て 得 た 沈 降 粒 子 や 懸 濁 粒 子 の 主 成 分 化 学 組 成 や 脂 肪 酸 組 成 を 明 ら か に す る こ と 、 ま た 、C‑13を ト レ ー サ ー と し て 疑 似 現 場 培 養 法 に よ っ て 海 洋 表 層 で の 生 物 生 産 量 や 粒 子 態 脂 肪 酸 の 生 産 速 度 を 測 定 す る こ と を 行 っ た 。

  得 ら れ た 成 果 を ま と め る と 、 ま ず 、 石 狩 湾 沖 で 春 の ブ ル ー ム の 推 移 を 追 跡 し て 、 新 し く 生 産 さ れ た 細 胞 で は 、 ケ イ 藻 の ブ ル ー ム 期 に は 炭 素 数16の 脂 肪 酸 の 多 不 飽 和 度 が 大 き か っ た が 、 海 水 中 の 硝 酸 が 枯 渇 と 著 しく 小 さ くな る こ と、 ま た 、ブ ル ー ム の後 半 で は、

飽 和 お よ び 一 不 飽 和 脂 肪 酸 が 多 く な る こ と を 見 っ け た 。 脂 肪 酸 の 多 不 飽 和 度 は 、 細 胞 膜

（ 細 胞 の 数 ） の 指 標 と な る こ と か ら 、 こ れ よ り 、 窒 素 が 枯 渇 す る と 、 細 胞 の 数 は 増 え な い で 、 生 産 さ れ た 有 機 物 が 細 胞 に 貯 蔵 さ れ る こ と を 明 ら か に し た 。 一 方 、 海 水 中 懸 濁 粒 子 で は 、 そ の よ う な 変 動 を 示 さ な ぃ こ と も 見 っ け た 。 ま た 、 培 養 法 に よ る 脂 肪 酸 の 生 産 速 度 と 水 深220mに お け る 脂 肪 酸 の 沈 降 速 度 と の 比 （ 輸 送 比 、e‑ratio： 沈 降量 ／ 生 産量 ） が 大 き く 変 動 す る こ と を 見 っ け た 。 夏 に比 べ て 春は 、 多 不飽 和 脂 肪酸 の 輸 送 比が 大 き く、

バクテリア起源の脂肪酸の輸送比は小さかったが、脂肪酸の輸送比と有光層内の脂肪酸 のturnover 速度との聞に関係がなかった。これより、有機物が生産されて沈降するまで には時間を要することを明らかにした。

   次に、北部日本海溝において、水深1000m での全脂肪酸沈降束に対する多不飽和脂肪 酸 の 寄 与 度 (PUFA index) は 、 Chl.a お よび 硝 酸 と 亜 硝酸 の合 計量 の表 層50m ま で の積算量とよい相関関係にあることを見っけ、PUFAindex が有光層での新生産の指標 として使えることを証明した。水深1000m における粒子態有機炭素のe‑ratio は、オパ ールと炭酸カルシウムの粒子束から求めた表層での粒子態有機炭素の生産量が大きいほ ど、小さかった。これより、有機物の生産が多くなるほど、それを利用する微生物の活 動が活発になり、却って沈降する割合は減ると結論した。また、日本海溝北部では、有 機炭素の水平輸送量は大きかいいが、鉛直的な脂肪酸の組成変化は大きくなぃことも明 らかにした。

   以上の研究成果は、粒子中の脂肪酸組成が表層における生物活動の変動と鉛直移動の メ カ ニ ズ ム を 解 析 す る 有 カ な 研 究 手 段 と な る こ と を 示 し て い る 。    審査員一同は、これらの成果を高く評価し、また研究者として誠実かつ熱心であり、

大学院課程における研鑽や取得単位なども併せ申請者が博士（地球環境科学）の学位を受

けるのに充分な資格を有するものと判定した。