BGC-Argoフロートが酸素欠乏層における窒素—炭素循環の変化を明らかにする

なぜ目に見えない海域が重要か

海面のはるか下には、ほとんど酸素のない広大な水層が広がっています。これら酸素の乏しい領域は、生命に不可欠な窒素と気候を温める炭素が海中を移動し、大気に戻る量を静かに支配しています。本研究は、北東太平洋熱帯東部をほぼ3年間にわたり漂走したロボットフロートを追跡し、こうした隠れた層の化学状態が従来考えられていたよりはるかに変わりやすいことを明らかにしました。表層での生物活動の急増、渦のかき混ぜ、そして微小な微生物群集が相互に作用して、時間とともに海の窒素と炭素の収支を作り変えていく様子を示しています。

低酸素海域を漂うロボット

研究チームは、厚い酸素欠乏域で知られる北東太平洋熱帯東部に自律型の生地球化学Argoフロートを配備しました。フロートは水柱を繰り返し潜降・浮上し、酸素、硝酸塩、亜硝酸塩、pH、有機炭素に富む粒子などを記録しました。ほぼ3年にわたり、ラニーニャ、ニュートラル、強いエルニーニョといった気候状態を経験しました。その間、深さ約100メートルから800メートル以上にわたる中深部の水塊は極めて低酸素のままで、この領域が窒素喪失の長期にわたるホットスポットとして機能していることが裏付けられました。

暗所で薄れていく化学信号

この低酸素帯の内部で、研究者らは亜硝酸塩に注目しました。亜硝酸塩は短寿命の窒素形態で、微生物が酸素の代わりに硝酸塩などを呼吸する過程で現れたり消えたりします。記録の初期には、亜硝酸塩が蓄積する顕著な層が見られ、微生物が硝酸塩を亜硝酸塩に変換する速度が消費より速いことを示していました。しかし2023年から2024年にかけて、亜硝酸塩濃度は着実に低下し、時には検出限界以下になることもありました。同時にpHは低下し、炭酸塩飽和深度が変化しており、二酸化炭素の追加生成や水の緩衝能の変化を示唆しています。これらの変化は広域にわたって生じ、近傍の別のフロートも同様の亜硝酸塩低下を観測したため、局所的な特異現象ではなく地域規模の変化であることが示されます。

表層の藻類増殖と渦のかき混ぜ

フロートのセンサーは、表層付近の植物様プランクトンと有機粒子に大きな変動があることも明らかにしました。季節的なブルームや、特に2022年晩夏の高生産期には上層の海域が有機物で満たされました。渦は栄養塩に富む深層水を周期的に光のある層へ押し上げ、こうしたブルームを駆動し、クロロフィルや懸濁有機炭素を増加させました。これらの出来事は表層の生物活動を高めるだけでなく、酸素欠乏域へ沈降する水の化学組成を変化させ、暗所で窒素喪失や炭素放出を担う微生物にとって利用可能な“餌”の量を左右しました。

微生物の代謝経路は時間とともに再編される

どの微生物プロセスが優勢かを解読するため、研究者らは硝酸塩、亜硝酸塩、二酸化炭素、アルカリ度の変化を結びつける化学当量の質量収支モデルを用いました。解析の結果、硝酸塩を亜硝酸塩に還元する工程がすべての条件下で窒素変換を支配していることが示されました。しかし他の経路は深さや時間とともに変動しました。亜硝酸塩が多いときは亜硝酸塩酸化と硝酸塩還元が特に活発でした。高有機炭素期には、固定窒素を不活性な窒素ガスに変える脱窒やアナモックスが促進され、亜硝酸塩酸化は弱まりました。後半の低亜硝酸塩条件下では脱窒がより重要になり、窒素を系から完全に除去し、亜酸化窒素などの温室効果ガスを生成しやすい強還元的条件が強まっていることを示しています。

変わりゆく海にとっての意義

この長期かつ詳細な記録は、酸素欠乏域が静かで安定した「デッドゾーン」ではなく、窒素と炭素の経路が絶えず再編される動的な環境であることを示しています。プランクトン生産性の変化、有機物供給、渦による物理的なかき混ぜが、海洋生物にとって窒素を保持するか大気へ失うかの均衡を傾ける一方で、これらの水が貯蔵または放出する二酸化炭素量にも影響を与えます。気候変動により低酸素域が拡大すると予想されるなか、自律フロートのような観測手段はこうした隠れた変容を追跡し、海の化学、生産性、温室効果ガス排出がどう変わるかをより正確に予測するために不可欠となるでしょう。

引用: Bif, M.B., Kelly, C., Altabet, M.A. et al. BGC-Argo float reveals shifts in nitrogen-carbon cycling in an oxygen-deficient zone. Commun Earth Environ 7, 294 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03410-5

キーワード: 酸素欠乏域, 海洋窒素循環, 生地球化学的Argoフロート, 海洋の炭素循環, 北東太平洋熱帯東部