2014 Fiscal Year Annual Research Report
FT-ICRMS分析を用いた森林の溶存有機物の構成種とその変動メカニズムの解明
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25281011
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
大橋 瑞江 兵庫県立大学, 環境人間学部, 准教授 (30453153)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 勝利 独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (00271792)
藤嶽 暢英 神戸大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (50243332)
山瀬 敬太郎 兵庫県立農林水産技術総合センター, その他部局等, 研究員 (90463413)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 水循環 / 水質 / 溶存有機物 / FT-ICR MS / 森林流域 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
森林生態系における水循環は、渓流水の水質を調節する重要な役割を果たしている。しかし水質を決定付ける重要な因子である溶存有機物(DOM)は、複雑な生成メカニズムで生じる多様な炭素化合物の集合体であり、その分子組成や、組成変化に影響をもたらす要因を明らかにすることは技術的に困難であった。本研究では、森林生態系におけるDOMの組成とその変遷を明らかにするため、天然水の分析には殆ど用いられてこなかったフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型質量分析器(FT-ICRMS)など、化学分析を用いたDOMの分子種の推定によって、森林生態系の水質形成過程を明らかにすることを目的とする。ここでは、森林流域を流れる降雨、林内雨、樹幹流、土壌水、渓流水など森林生態系の水循環に関わる複数種の水に着目し、1) DOM構成種の変動パターン、2) DOM構成種の変動プロセス、について水質分析を実施する。本年度は、本研究では、フィンランド東部の北方林を対象に、溶存有機物（DOM）の分子化合物が森林内の水移動を通してどのように変化するかを検討した。対象試験流域において採取した林外雨、林内雨、土壌水、地下水、河川水を、FT-ICR MSを用いて、試料水中のDOM 分子化合物の同定を試みた。FT-ICR MS で同定できた DOM 分子化合物の種類の数は 865-2194 の範囲に及んだ。この結果は各試料水中に多種多様な DOM 分子化合物が含まれていることを示す。一方、試料水間で共通するDOM 分子化合物はほとんど存在しないことがわかった。このことは、雨水が樹冠や森林土壌、地下水を通過し河川に到達する過程で雨水中の DOM 分子化合物の構成が様々に変化することを示唆する。さらに、同一採取場所で得られた試料水であっても採取時期が異なると、共通するDOM 分子化合物はほとんど存在しないことがわかった。以上より、北方林における DOM の分子構成は時間的・空間的に変化することが考えられた。
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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
今年度は、フィンランド北方の森林流域を流れる水の水質データを用いて、分析結果の解析法を検討した。生態系の水循環機構に合わせて複数種の水に分類し、FT-ICRMS分析を行った後、これらの分析結果のデータ解析手法を検討することで、1)林内雨から渓流水に到るまでの水移動、2)空間的ばらつき、を定量評価するプログラムを開発した。また質量分析の結果と、無機イオン分析、DOC濃度分析の結果を併せて解析することで、溶存物質の空間変動の挙動メカニズムを検討した。
1)林内雨から渓流水に到るまでの水移動
これまでに取得した質量分析データの中から、フィンランド・カンガスファーラ森林流域で4月と5月に取得した7種の水サンプルについて、総分子数とLipids、Proteins、 Aminosugars/Carbohydrates、Unsaturated Hydrocarbons、Lignins、Tannins、Condensed Aromtic Structuresの7種の機能群における分子数を求めた。これらの結果から、森林生態系における溶存物質の全体的ばらつきと、森林特有の機能群の特徴を把握した。
2)空間的ばらつき
1)で得られた総分子数、機能群ごとの分子数について、降雨、降雪、林内、土壌水、地下水、渓流水、湖水の7つの採取場所間での違いを、相関解析を用いて評価した。ここで、質量分析で得られる分子女王は、溶存分子のごく一部であることを鑑みて、解析は分子の実数と分析で検出された総分子数で標準化した数の2種類を用いて検討した。さらに、異なる場所、時間で共通する分子数を抽出することで、溶存有機物の保存性を、機能グループごとに検討した。
上記の解析に加えて、すでにこれまでの試験地で得られているサンプルを用いて無機イオン、DOC濃度などの化学分析データを用い、相関解析を行うことで、水質の変動メカニズムについて、有機と無機の両方の物質を考慮した解析を実施した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの成果から、森林生態系における溶存有機物が、水循環に伴って激しく変化すること、特に土壌に存在する難分解性の有機物が水質の決定因子である可能性が示された。そこで今年度は、森林流域を流れる水の中でも特に土壌水に着目し、水質の形成メカニズムを評価する。土壌中の難分解性成分は一般に土壌有機物の分解産物である場合が多く、森林のリター構成物質と深いかかわりがあることが示唆される。ここではリター抗生物質や難分解性成分の異なる複数林分土壌を対象とし、土壌水を採取する。
また、これまでの実験により、樹木から溶脱する有機成分が、水質形成に関与していることが示された。そこで本年度は森林の植物群落の構成部分ごとをグルーピングし、これらの構成部分が水質にどう関わるかを評価するための水サンプルの採取を行う。グルーピングの際は、有機成分を算出する単位として、樹木地上部と地下部の二つに分けることを検討する。地上部については林内雨と林外雨を同時に採水し、両者を比較することで林冠部の寄与を明らかにする。地下部については、本体に付着した状態の根系を純水に浸することで、生理活動に伴って溶出する有機成分を取り出す。
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| Causes of Carryover |
年度末に購入した物品の納入価格が見積額よりわずかに安かったため、32円の繰越額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
物品費：水サンプルを取得するための試薬、採水ボトル、ろ過装置などの費用などが必要になると予想される。旅費：現地にいって採水するための旅費、打ち合わせ旅費の支出を予定している。人件費・謝金：FT-ICR MSによる分析を外部委託するためにかかる経費が必要になると予想される。また、FT-ICR MSで得られたスペクトルデータをキャリブレーションし、スペクトル解析するために必要な解析補助にかかる人件費を支出する予定としている。その他：これまでの成果を論文発表する際の英文校正代金の支出、投稿費用などを支出する予定である。
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[Journal Article] Vertical variations in wood CO2 efflux for live emergent trees in a Bornean tropical rainforest2014
Author(s)
Katayama, A., Kume, T., Komatsu, H., Ohashi, M., Matsumoto, K. Ichihashi, R., Kumagai, T., Otsuki, K.
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Journal Title
Tree physiology
Volume: 34
Pages: 503-512
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] フィンランド東部の北方林を通過する雨水中溶存有機物の構成分子種の変化について2015
Author(s)
井手純一郎, 大橋瑞江, 高橋勝利, 杉山裕子, Leena Finér, Sirpa Piirainen, Pirkko Kortelainen, 藤嶽暢英, 山瀬敬太郎, 森谷美奈, 原都, 大手信人
Organizer
日本森林学会
Place of Presentation
北海道大学、北海道札幌市
Year and Date
2015-03-26 – 2015-03-29
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