2017 Fiscal Year Research-status Report
微生物代謝過程を考慮した海洋生物化学循環モデルの開発と原生代海洋環境変動の解明
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16K05618
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
田近 英一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70251410)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 海洋生物化学循環 / 微生物代謝 / 原生代 / 海洋環境 / モデリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，原生代の海洋化学組成と微生物生態系の群集構造およびその活動との関係について，海洋生物化学循環モデルを用いて明らかにしようとするものである．貧酸素条件にある海洋での主要生元素の循環に加えて微量生元素循環と微生物代謝過程を詳細に考慮した全く新しい数値モデルを開発し，当時の海洋一次生産性とその律速因子および微生物生態系の群集構造，ひいては大気海洋酸化還元状態の安定性の解明を目指す．
当該年度においては，まず昨年度開発を行った海洋鉄循環に関するモデル計算で得られた知見と，昨年度から開発に着手した酸素非発生型光合成細菌を基礎とする生態系モデルの知見を基に，海洋鉄循環がグローバルな物質循環へどのような寄与を果たしうるのかについて全球酸化還元収支モデルによる検討を行った．有光層アノキシア条件下での鉄酸化光合成細菌の活動や鉄還元菌による有機物の分解をはじめとした微生物代謝過程を考慮した海洋物質循環モデルと大気化学モデルを結合し，海洋中鉄濃度の変化に応じてどのような生態系の応答が生じるのかを調べた．その結果，海洋中鉄濃度の増減は，鉄酸化光合成細菌の活動を通して大気組成（とりわけ，温室効果気体であるメタンの供給率を通じた大気中メタン濃度）に強く影響する因子であることを見出した．この発見は，微量生元素と微生物生態系および気候形成の間に密接な関係があることを初めて指摘したもので，論文にまとめてNature Geoscience誌に発表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度に開発を行った海洋鉄循環に関するモデルの知見と，海洋生態系モデルの知見を統合することで，本研究計画の最終目標である地球表層圏の酸化還元状態の安定性解析に関する知見を得ることに成功した．遊離酸素の効果や鉄＝硫黄循環を包括的に考慮した上での再検討は平成３０年度の課題とする．このように，酸素＝鉄＝硫黄循環の完全な実装には至っていないが，基本的モデル構造の開発は完了しており，数値解法の安定性や計算コストの削減の検討を進めることで達成可能と思われる．また，MoやZnといった微量生元素の導入のための文献調査も進めている．以上のことから，全体としてはおおむね順調に進展しているものと判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度は，簡単のために遊離酸素の存在しない還元的条件を想定したが，平成３０年度は遊離酸素の効果を考慮した計算スキームの実装を目指す方針である．また，昨年度開発に着手した海洋微生物生態系モデルに，硫黄循環を実装する作業を進めている．これは，鉄循環との相互作用に欠かせないものであると同時に，鉄以外の微量生元素（MoやZn）の挙動をモデルに導入するためにも重要な作業である．
なお，海洋鉄循環モデルに関しては，計算コストを抑える工夫はしているものの必ずしも十分ではない．そこで計算時間のさらなる削減を目的として，反応の取り扱いやスキームの再検討を引き続き行う．
今年度中に鉄以外の微量金属元素（MoやZnなど）をモデルに導入することが可能かどうかは時間的にやや微妙ではあるが，たとえそれができなかったとしても，海洋微生物生態系モデルに遊離酸素の影響を考慮した硫黄と鉄の循環を導入した海洋生物化学循環モデルと結合することができれば，本研究計画の核心部分は十分達成可能と考えられる．そのようなモデルをプラットフォームとして用いることによって，微量金属元素の導入も可能となる．したがって，今年度の第一の目標は，鉄＝硫黄循環結合モデルの導入とする．他の微量金属元素のについても，もし時間的に可能であれば，モデルに導入できるよう努力する．
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