Chapter 1

General introduction

Water columns of large lakes and the oceans can be divided into two layers; the shallow, euphotic layer where net photosynthesis proceeds, and the deeper, aphotic layer characterized by the prevalence of heterotrophic processes. Vertical transport of organic matter is mediated by dissolved organic matter (DOM) and particulate organic matter (POM). Transformation and remineralization of organic matter in the aphotic layer represent one of the key processes that control nutrient cycling, O2 consumption, and food web dynamics in aquatic environments. However, sources and transformation pathways of organic matter in the aphotic layer are not fully understood. C and N stable isotope ratios of organic matter change systematically by reaction-dependent isotope fractionation and subsequent mixing. Stable isotope approaches have been increasingly used in studies of ecology and biogeochemistry in aquatic environments. In this dissertation, I developed novel stable isotope approaches to examine sources and transformation of organic matter in the aphotic layer of pelagic ecosystems. My objectives were: (1) to examine the source of semi-labile dissolved organic carbon (DOC) in a large freshwater lake (Lake Biwa) (Chapter 2), and (2) to examine relative importance of bacteria and zooplankton for POM transformation in the aphotic layer of Sagami Bay and Lake Biwa (Chapter 3).

Chapter 2

Autochthonous origin of semi-labile dissolved organic carbon in a large monomictic lake (Lake Biwa, Japan): Carbon stable isotopic evidence

Semi-labile DOC plays an important role in the transport and hypolimnetic remineralization of C in large freshwater lakes. However, sources of semi-labile DOC in lakes remain unclear. The present study used a C stable isotope approach to examine relative contributions of autochthonous and allochthonous sources to semi-labile DOC. Vertical and seasonal variations in the concentration and carbon stable isotope ratio (δ13C) of DOC were determined in large, monomictic Lake Biwa. A sharp vertical gradient of δ13C of DOC (δ13C-DOC) during the stratification period (mean ± SE: -25.5 ± 0.1‰ and -26.0 ± 0.0‰ in the epi- and hypolimnion, respectively) indicated the accumulation of 13C-rich DOC in the epilimnion. Vertical mixing explained the intermediate values of δ13C-DOC (-25.7 ± 0.0‰) measured throughout the water column during the overturn period. Both DOC concentration and δ13C-DOC decreased in the hypolimnion during stratification, indicating selective remineralization of 13C-rich DOC. Using a two-component mixing model, I estimated the δ13C value of semi-labile DOC to be -22.2 ± 0.3‰, which was close to the δ13C of particulate organic carbon collected in the epilimnion during productive seasons (-22.7 ± 0.7‰) but much higher than the δ13C-DOC in river waters (-26.5 ± 0.1‰). Semi-labile DOC appeared to be mainly autochthonous in origin, produced by planktonic communities during productive seasons.

Chapter 3

Transformation of particulate organic matter in the aphotic layer of aquatic systems: Analysis of compound specific nitrogen stable isotope composition of amino acids

POM plays important roles in the vertical delivery of organic matter. Transformation of POM in the aphotic layer is known to be accompanied by the increase in nitrogen stable isotope ratio (δ15N) due to the isotopic fractionation during remineralization by bacteria and zooplankton. However, relative contributions of bacteria and zooplankton to the δ15N enrichment of POM are not well understood. Recent studies have revealed that the extent of δ15N enrichment differs among different amino acids residing in zooplankton. The δ15N values of alanine, valine leucine, isoleucine, and glutamic acids (AA-I) increase with the increase in the trophic position, whereas the δ15N values of methionine and phenylalanine (AA-II) do not deviate from the values of the food source. This pattern appears to differ from that of bacteria, although changes in δ15N of amino acids (δ15N-AAs) of bacteria have been understudied. In this study, I examined systematically changes in δ15N-AAs of bacteria grown on different types of substrate with different C:N ratios. I also collected samples in the water columns of Sagami Bay and Lake Biwa to determine the depth profiles of δ15N-AAs of POM. I found that patterns in changes of δ15N values of AA-I and AA-II of bacteria differed depending on the type and C:N ratio of the substrate. When glutamic acid was used as a single N source (C:N ratio = 5), both AA-I and AA-II of bacteria were enriched with 15N to the same extent, suggesting that the pattern is distinctive from that of zooplankton. From the euphotic layer to the aphotic layer in Sagami Bay, the extent of the elevation in δ15N of AA-I of POM over depth (5.4-8.0‰) was more pronounced than that of AA-II (1.5-2.8‰). In contrast, in Lake Biwa, both AA-I and AA-II of POM increased by 11.3‰ with depth. To interpret the above data, I constructed a model (IER model) to explain contributions of bacteria and zooplankton to POM transformation. The results suggested that bacteria were the major mediator of POM transformation in Lake Biwa, whereas both bacteria and zooplankton contributed to POM transformation in Sagami Bay.

Chapter 4

General discussion

The present study used C and N stable isotope approaches to examine sources and transformation processes of organic matter in the aphotic layer of aquatic ecosystems. My findings in Chapter 2 suggest that hypolimnetic remineralization is affected by pelagic primary production during productive seasons of the preceding year. Thus, changes in the extent of semi-labile DOM production may impact on the extent of nutrient regeneration and O2 depletion in the aphotic layer. In order to understand the controlling factor of the semi-labile DOM production, future studies should identify the organisms that are responsible for the formation of semi-labile DOM. The IER model developed in Chapter 3 is useful to evaluate relative importance of bacteria and zooplankton in organic matter transformation and remineralization in the aphotic layers. However, in order to improve the precision of the assessment, further studies are required to better understand patterns in changes of δ15N-AAs when bacteria use a complex mixture of organic matter in natural environments.

本論文は4章からなる。第1章はイントロダクションであり、湖沼や海洋などの沖合環境における有機物動態についての知見がまとめられている。沖合生態系は、光合成による有機物生産が活発に起こる有光層と、光が十分に届かず従属栄養過程が卓越する無光層からなる。無光層における有機物の動態は、栄養塩の回帰や酸素の消費に強い影響を及ぼすため、水域生態系の理解のうえで重要である。しかし、無光層に供給される有機物の起源や、変質・無機化機構に関する知見はきわめて乏しい。本研究では、湖沼や海洋における有機物の炭素・窒素安定同位体比の変動を調べることで、無光層における有機物の起源や変質・無機化過程を明らかにすることを目的とした、と述べられている。

第2章には、溶存態有機炭素(DOC)の炭素安定同位体比(δ13C値)の季節的・鉛直的な変動を調べることで、琵琶湖の無光層に供給される準易分解性DOCの起源を推定した、と述べられている。観測の結果、成層期に、高いδ13C値を持った準易分解性DOCが有光層に蓄積することが明らかになった。循環期には、湖水の鉛直混合によって、DOCが無光層まで輸送され、それが翌年の成層期にかけて無機化された。同位体物質収支解析の結果、準易分解性DOCのδ13C 値が、夏季増殖期の植物プランクトンのδ13C値と整合的である一方で、流入河川水中のDOCのδ13C 値とは有意に異なることが示された。以上のことから、夏季に、湖内の植物プランクトンによって生産された有機物が、準易分解性DOCの主要な起源であることが明らかになった。本研究は、大型淡水湖における有機物循環の機構を、炭素安定同位体を用いた斬新なアプローチを用いて解明した点に新規性があり、湖沼の炭素循環を理解するうえで重要な意義を有すると評価される。

第3章では、湖沼および海洋における粒子態有機物(POM)の変質過程を、化合物別アミノ酸窒素安定同位体比(δ15N値)を用いて解析した、と述べられている。一般に、無光層でのPOMの分解・無機化に伴い、δ15N値が上昇することが知られている。しかし、それが細菌の分解作用によるものなのか、あるいは動物プランクトンの捕食作用によるものなのかは不明のままであった。近年、動物プランクトンの代謝に伴うδ15N値の上昇の度合いが、アミノ酸の種類によって異なることが見出された。すなわち、タイプ1のアミノ酸(AA-I)ではδ15N値が顕著に上昇するのに対し、タイプ2のアミノ酸(AA-II)ではδ15N値の上昇の程度が小さい。一方、細菌については、AA-IとAA-IIのδ15N値の変動パターンについての知見が乏しい。本章では、まず、海洋細菌を、異なる基質条件下で培養し、化合物別アミノ酸のδ15N値の変動を調べた。その結果、グルタミン酸を基質とした場合、AA-I、AA-IIともにδ15N値が顕著に上昇し、動物プランクトンの場合とは大きく異なることが明らかになった。この結果は、細菌と動物プランクトンのアミノ酸代謝経路の違いによって説明された。次に、海洋(相模湾)および湖沼(琵琶湖)において、POMの化合物別アミノ酸のδ15N値の変動を調べた。その結果、相模湾では、有光層から無光層にかけて、AA-Iのδ15N値は大きく上昇するが、AA-IIのδ15N値はほとんど上昇しないことが示された。対照的に、琵琶湖では、有光層から無光層にかけて、いずれのタイプのアミノ酸もδ15N値が大きく上昇した。以上のことから、相模湾では動物プランクトンが、琵琶湖では細菌が、それぞれ有機物の変質・無機化に大きく寄与していると推察された。本章の研究は、化合物別アミノ酸のδ15N値の変動を解析するための同位体モデルを新たに構築し、それを用いることで、有機物の無機化と変質に対する細菌と動物プランクトンの相対的な寄与を推定している点に新規性があり、水圏環境における有機物動態の解明のうえで重要な意義を有すると判断される。

第4章では、第2章と第3章の成果を総括するとともに、今後の研究の方向性として、本研究が提案した同位体モデルの精緻化と検証が必要であることが指摘されている。以上の研究成果は、これまで研究の乏しかった、無光層における有機物の動態とその支配機構を、各種安定同位体比に基づく新規アプローチを用いて追及したものであり、水圏生態系における物質循環機構の理解の深化に大きく貢献するものと判断される。

なお、本論文の第2章は、金(〓)九、由水千景、陀安一郎、宮島利宏、永田俊との共同研究であるが、論文提出者が主体となって分析及び検証を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。