海の生産地帯では、有機物「マリンスノー」が沈み続けています。研究者らは、これらの粒子のうち最も小さなものが海洋の窒素バランスを調節するのに重要であることを発見した。したがって、この細かい「海雪」は、粒子に結合した栄養分を水中や底質中の分解バクテリアに運ぶのに特に貢献します。
特に海岸近くや海底では、酸素の乏しい「デッドゾーン」がますます形成されつつあります。この地域では、水中の酸素含有量が非常に低く、海洋動物がもはや生き残ることができません。これらの酸素極小地帯は自然現象ですが、海水の温暖化と人為的な過剰施肥によって悪化しています。
栄養素の投入量が増加すると、過剰な硝酸塩とアンモニウムが水に入り、植物プランクトンの成長を促進します。これが死んでしまうとバクテリアによって酸素を使って分解され、酸素が不足してしまいます。酸素がなくなるとすぐに、硝酸塩とアンモニウムは嫌気性プロセスを通じて窒素に変換され、ガスとして海から出ます。その結果、酸素極小ゾーンは、海洋における地球規模の窒素損失の最大 40 パーセントの原因となっています。
マリンスノーはどのような役割を果たしているのでしょうか？
マックス・プランク海洋微生物研究所のクラリッサ・カルトホイザー率いる科学者らは、ペルー沖の南太平洋東部の酸素極小地帯における窒素化合物の分解プロセスをどの要因が制御しているのかをより詳細に調査した。とりわけ、彼らは、嫌気的条件下でアンモニウムが亜硝酸塩を用いて分子状窒素に変換される、いわゆるアナモックスプロセスの真相に到達したいと考えていました。きっかけは、いわゆるマリンスノーの形で有機物が大量に存在する場所では、このアナモックスプロセスが特に集中的に起こるという観察でした。これらの粒子は、特に藻類が発生した後に深海に向かって沈みます。
研究者らは、窒素を豊富に含む「雪の結晶」がアナモックス反応のアンモニウム源として機能するのではないかと考えた。しかし、このことは、通常アンモニウムを大気中の窒素に変換するアナモックス細菌が小さな有機粒子上で直接発見されなかったという事実によって矛盾した。このことから、水柱の中で自由に生きているバクテリアがどのようにしてこの栄養源を見つけ出すのかという疑問が生じました。研究者らは水中カメラを使用し、異なる深さの 4 つの異なるサイズクラスの粒子を使用してこれを調べました。
小さなフレークが細菌の餌となる
評価の結果、マリンスノーが酸素極小域におけるアンモニウムの分解に決定的な影響を与えることが確認されました。どうやら、小さなフレークが特に重要であるようです。 「アナモックスプロセスは主に小さな粒子がたくさんある場所で起こることが観察されました」とカートホイザー氏は報告する。 「アナモックスのプロセスでは、大きな粒子よりも小さな粒子の方が重要です。小さな粒子とは、髪の毛の幅ほどの大きさで、かろうじて目に見える程度であることを意味します。」これらの小さな粒子はゆっくりとしか沈まないため、大きなフレークよりも滞留時間が長くなります。同時に、有機材料はより小さな粒子とより強固に結合します。その結果、粒子ごとに、より大きな塊とほぼ同じ量の物質が輸送されます。
「境界層、つまり粒子の周囲のアンモニウム濃度が大幅に増加していることがわかりました」とカートホイザー氏の同僚のゼレン・アーメルカンプ氏は説明します。研究者らによると、全体として、より小さな粒子はより大きな粒子よりも約75パーセント多くの再石灰化窒素を放出したという。 「第一に、水柱内の小さな粒子の数が多く、滞留時間が長いため、バクテリアが偶然それらに遭遇する可能性が非常に高いです」とアーマーカンプ氏は結論づけています。 「第二に、境界層のアンモニウム濃度が高いため、すぐに多くの細菌が供給されます。実際、科学者らによるモデルシミュレーションでは、アナモックス細菌がより小さな粒子からのアンモニウムに遭遇する可能性が平均して約2倍であることが示されました。」
窒素サイクルの拡大
「この研究により、私たちはアナモックスプロセスの重要な側面を明らかにし、海洋の栄養バランスのより良い理解に大きく貢献しました」とカートホイザー氏の同僚マルセル・カイパース氏は要約する。 「これらのデータを利用して、地球生物地球化学モデルを拡張して、人間の影響による酸素欠乏とプランクトンの増殖の増加が窒素循環に及ぼす影響をより適切に評価できるようになりました。」
出典: Max Planck Institute for Marine Microbiology、専門記事: Nature Communications、 doi: 10.1038/s41467-021-23340-4
