近年、微量金属に関する汚染を厳密に防ぐクリーン技術が海洋化学の分野で開発され、信頼性の高い外洋表層水中の溶存鉄濃度として、数十〜数百pMの値が報告されている。これらの値は、従来の植物プランクトン培養実験における鉄濃度と比べて3〜5桁低い。そこで本研究では、外洋表層水中の低い鉄濃度を植物プランクトン培養実験において再現するためのクリーン技術と、鉄汚染の状況を把握するための簡便な鉄分析法について検討した。

　まず実験に用いるクリーンルームを整備するとともに、微量金属分析で採用されているプラスチック器具の厳密な酸洗浄法を改良して、空気中の塵埃や容器からの汚染の低減を図った。次に室内実験では、鉄濃度の低い天然外洋表層水からキレート樹脂で重金属を除去した海水に、高純度精製した栄養塩類を添加して作成した培養液を用いた。また船上実験では、非金属製のポンプとチューブを用いた無汚染採水装置を用い、クリーンブース等の中で試料を取り扱った。一方、実験系が鉄汚染を受けていないことを把握するため、近年開発されたキレート樹脂濃縮-化学発光検出法による高感度鉄分析法を導入して、分析に要する試料量と時間を大幅に短縮した。その結果、培養実験系における鉄のバックグラウンド濃度を50pM以下に維持することが可能になり、外洋における植物プランクトンの増殖と鉄濃度の関係について検討するためのクリーン技術を確立することができた。また高感度鉄分析法により、実験系内の鉄濃度を迅速に把握することが可能になった。

　植物プランクトンの中でも鉄濃度の低い外洋域に分布する外洋性種は、現場の鉄濃度に適応し、沿岸性種が生長できないような低い鉄濃度でも高い比増殖率を示すことが知られている。しかしながら従来の実験では、鉄のバックグラウンド濃度が高かったため、外洋性種の増殖が制限される鉄濃度については確かなことは分からなかった。そこで、太平洋北西部及び南極海の沖合域から分離した珪藻及びハプト藻からなる17株の単離培養株について、種々の鉄濃度条件下で比増殖率を測定した。実験を行った0.04〜10nMの鉄濃度で、大部分の株は双曲線型あるいはS字型の増殖曲線を示し、かつ外洋表層水の溶存鉄濃度に相当する0.1nM前後では、これらの外洋性種の増殖が制限され得ることが示唆された。しかしながら0.1nM前後の鉄濃度における比増殖率は、植物プランクトンの種類によっても異なった。

　前節より、外洋表層の鉄濃度では植物プランクトンの増殖が制限されている可能性が示唆されたので、表層に硝酸塩・リン酸塩・珪酸塩などの栄養塩が高濃度で存在する西部北太平洋亜寒帯域・中部太平洋赤道域・南極海オーストラリア区沖合域において、現場表層水に鉄を添加して船上で5〜7日間培養し、植物プランクトン群集の増殖応答について調べた。これらの海域における表層の溶存鉄濃度は0.05〜0.2nM以下と低く、培養実験では外洋性植物プランクトンの増殖が抑制された範囲にあった。鉄を0.5〜1nM添加した実験系内では、クロロフィルaと粒状有機炭素の濃度が、鉄を添加していないコントロールと比較して著しく増加し、植物プランクトンの生物量が鉄添加によって増大した。また表層水に含まれていた栄養塩と添加した鉄の濃度は、植物プランクトンの増殖に伴って減少した。消費された硝酸塩及びリン酸塩に対する珪酸塩の比率(Si/N及びSi/P)は、鉄添加系では小さくなった。

　次に植物プランクトンの群集組成に関しては、西部北太平洋亜寒帯域と中部太平洋赤道域において、現場の群集はいずれも3m以下の藻類が優占していたが、鉄添加によって3m以上の円心目及び羽状目珪藻を主体とする群集が優占するようになった。更に、これら二つの海域における植物プランクトンの比増殖率は、全てのサイズにおいてコントロールより鉄添加系で有意に高く、細胞の大小に係わらず鉄による増殖律速を受けていたことが示唆された。一方、南極海オーストラリア区沖合域では、現場の群集の90%以上が10m以上の円心目と羽状目の珪藻で占められており、鉄添加による群集組成の変化は認められなかったが、クロロフィルa濃度の増加は有意に多かった。これは実験を行った南極海の測点が、周辺海域と比べてクロロフィルa濃度が高かったことなどから、氷山の溶解などによる鉄供給の影響を受けて珪藻の増殖が一時的に促進されていたことによるとも思われる。

　また貧栄養海域である西部北太平洋亜熱帯域において鉄添加実験を実施したところ、現場の3m以下の藻類を主体とする植物プランクトン群集の生物量と組成は、鉄添加による影響を受けず、殆ど変化がなかった。鉄以外の栄養塩による律速と考えられるが、鉄の添加直後に一時的な鉄濃度の減少が認められたので、植物プランクトン群集が鉄の取り込み系を活性化していたことが示唆された。更に、同様な貧栄養海域のインド洋アラビア海でも、鉄のみの添加では植物プランクトンの増殖は認められなかったが、硝酸塩と鉄を同時に添加することによって増殖が著しく促進された。また植物プランクトンが対数増殖を開始するまでの誘導期の期間は、硝酸塩のみを添加した場合と比較して、鉄と硝酸塩を同時に添加することによって短縮された。

　北太平洋亜寒帯域・太平洋赤道域・南極海の鉄添加実験では、珪藻の増殖が促進されたにもかかわらず、植物プランクトン群集によって消費される硝酸塩及びリン酸塩に対する珪酸塩の比率(Si/N、Si/P)が、鉄添加系でコントロールの約半分に低下した。この理由として、鉄欠乏状態になると、珪藻細胞内の窒素・リン・珪素含量が変化して、窒素とリンに対する珪素の取り込み比が大きくなる可能性が考えられた。そこで本研究では、2種類の珪藻単離培養株を用いて栄養塩の消費比率に対する鉄濃度の影響について検討した。その結果、鉄濃度が低くて増殖が制限される場合、Chaetoceros dichaeta(10×10〜20m)では、細胞当りの窒素・リン消費量が3.3p mol N/cellと0.34p mol P/cellから1.3p mol N/cellと0.15p mol P/cellに減少するとともに、細胞体積が縮小して単位体積当りの珪素消費量が増加した。Nitzschia sp.(7×60m)では、細胞当りの窒素・リン消費量と細胞体積は変化しないが、細胞当りの珪素消費量が1.8p mol Si/cellから3.6p mol Si/cellに増加した。いずれも消費されるSi/N、Si/P比が大きくなった。これは珪藻が鉄制限を受けながら増殖する場合には、有光層中から硝酸塩・リン酸塩よりも珪酸塩が多く除去されることになり、珪藻の増殖に不利な栄養環境を作りだしているのかも知れない。

　以上、本研究により、外洋表層の低い鉄濃度では外洋性植物プランクトンの増殖が制限され得ることが明らかにされた。そこで実際に外洋表層水に鉄を添加し、植物プランクトン群集の比増殖率や優占種のサイズ組成などを調べたところ、表層に栄養塩が高濃度で存在する外洋高栄養塩域では、鉄添加により植物プランクトンの生物量が増大することが確認され、その影響は特に大型の珪藻類で顕著に認められることが示された。また鉄濃度の増加は、植物プランクトンに消費される栄養塩のうち珪酸塩利用を効率化することが示された。更に、鉄律速の外洋高栄養塩域では、現場の低い鉄濃度により植物プランクトン群集のうち大型珪藻類の増殖が抑制され、栄養塩供給から見積もられる新生産可能量の2〜8割の生産しか行われていないと結論した。以上の知見を基に現在の湧昇域で見られるような生態系構造を敷延化すると、鉄濃度の上昇に伴う一次生産量と生産構造の変化は海洋の魚類生産推定量を約16倍にまで変化させ得るものと思われる。