海底堆積物における嫌気性尿素酸化は見落とされがちだが世界的に重要な窒素損失経路である

なぜ隠れた窒素経路が重要なのか

過剰な肥料や下水は大量の窒素を海に注ぎ込み、藻類の異常増殖や低酸素の「デッドゾーン」を引き起こします。研究者は、海底の泥に生息する微生物が反応性窒素を無害な窒素ガスに変えることでこの過剰を浄化していることを知っています。これまで、広く認識されていた浄化経路は主に二つでした。本研究は、第三の見落とされていた経路――堆積物中で尿素を酸素なしで酸化する方法――が、特に深海においてかなりの割合の窒素を静かに除去していることを明らかにします。

賑やかな沿岸海域に潜む穏やかな化学物質

尿素は動物の排泄物としてよく知られていますが、海では微生物が作ることもあり、人間活動を通じて供給されることもあります。著者らは中国沿岸域、渤海・黄海から東シナ海にかけての泥中の尿素濃度を測定しました。尿素は一般にアンモニウムよりも少ないものの、堆積物間隙水中の溶存有機性窒素のかなりの部分を占めることがありました。濃度は表層で高く、深さとともに低下しており、微生物が連続的に消費していることを示しています。酸素が消え、硝酸塩や亜硝酸塩がまだ存在する重要な層では、尿素とこれらの酸化窒素種が重なり、以前から示唆されていたが証明されていなかった経路、すなわち嫌気性尿素酸化が起き得る適切な条件が整っていました。

泥中で隠れた経路を証明する

この過程を直接検出するために、研究チームは高感度のトレーサー法を用いました。堆積物スラリーに重い同位体窒素を含む尿素を添加し、標識された窒素ガスの出現を追跡しました。ほとんどの採取点で、酸素のない条件下で標識ガスが明確かつ線形に蓄積するのが観察され、堆積物を滅菌したり硝酸塩・亜硝酸塩を欠乏させるとその信号は消失し、生きた微生物の働きであることが示されました。ただし、観測された一部の信号は副次的な経路、すなわち尿素がまず分解してアンモニウムになり、それが既知の微生物群により処理される経路から来る可能性もありました。研究者らは、標識されたアンモニウムとガスの同時測定を用いて、この間接経路を真の直接尿素酸化から分離する精緻な計算手順を構築しました。この補正を行った後でも、サンプリング地点の90%で直接的な嫌気性尿素酸化が検出され、この経路が広く分布していることが示されました。

競合がこの隠れた過程をどう形作るか

過程が確認されたので、著者らはそれが酸素なしでアンモニウムを酸化するよく知られた経路と比べてどれほど重要かを問い直しました。中国の沿岸周縁海域では、尿素に基づく酸化はより遅く進み、アンモニウム酸化速度の平均で約15%を寄与し、古典的な脱窒を含めた総窒素損失に対してはわずか数パーセントにとどまりました。しかし尿素の寄与割合は一定ではありませんでした。実験により、尿素経路とアンモニウム経路はいずれも温度に対して類似した応答を示すものの、微生物は扱いやすいアンモニウムを好むらしいことが示されました。間隙水中のアンモニウムが高い場所では尿素由来の寄与は強く抑制され、アンモニウムが乏しい場所では尿素の役割が大きくなりました。アンモニウム濃度と尿素経路の間にあるこの緊密で定量的な関係により、研究チームは海の他の領域に対する予測モデルを構築できました。

浅い棚から深い海溝までの世界的な俯瞰

この関係式と、世界中の堆積物における窒素循環やアンモニウムに関する公表データを使い、研究者らは嫌気性尿素酸化が地球規模でどれだけ窒素を除去しているかを推定しました。その結果、絶対的な速度は大部分の深度帯で概ね同じ範囲にあり、最深部の海溝では低下することが分かりました。一方で総窒素損失に対する寄与割合は深くなるほど着実に上昇しました：生産性の高い大陸棚では控えめにとどまる一方で、大陸斜面では大きくなり、いくつかの深海底や海溝堆積物では窒素損失の約5分の1に達することがありました。全体として著者らは、この経路が海底堆積物から毎年除去される窒素のおよそ7%を占めており、深くて栄養塩の乏しい海底が不釣り合いに大きな寄与をしていると算出しています。

海洋の窒素収支にとっての意味

専門外の読者へのメッセージは、海が余剰窒素を「自浄」する仕組みはこれまで考えられていたよりも複雑である、ということです。暗くて酸素のない泥中の微生物は一つか二つの窒素源に頼るだけでなく、特に深くてアンモニウムが少ない堆積物では尿素を直接利用することもできます。この経路はアンモニウムに基づく経路よりも遅いものの、広く分布しているため地球規模の窒素収支にとって無視できない重要性を持ちます。既存の海洋窒素循環モデルは大部分が嫌気性尿素酸化を無視しているため、この研究は、反応性窒素を海がどれほど速く除去できるか、そして人為的入力や気候変動にどう反応するかの現在の推定を見直す必要があることを示唆しています。

引用: Xu, H., Song, G., Zhu, R. et al. Anaerobic urea oxidation is an overlooked but globally relevant nitrogen loss pathway in marine sediments. Commun Earth Environ 7, 299 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03323-3

キーワード: 海洋窒素循環, 海底堆積物, 尿素酸化, アンモニウム酸化（anammox）, 深海の生地球化学