物質循環を基礎とした健全で持続可能な流域環境の創出 / Creation of healthy and sustainable water environment based on elemental cycles

海洋や沿岸域、湖沼、河川など世界各国の水域は、生態系や水質を健全に管理・保全することにより、豊かな水産資源を育む場としての機能や、また良質な水資源を提供する場としての機能を持続的に発揮していくことが期待されています。国連が主導する持続可能な開発目標（SDGs）においても、持続可能な水利用（目標6）、海洋・水産資源の管理・保全（目標14）、生態系保全や生態系サービスの確保、持続可能な土地利用（目標15）は極めて重要な課題とされ、物質循環を基礎とした健全で持続可能な流域水質の創出は人類社会の優先課題と認識されています。

古くから、流域の水質・生態系管理には、窒素やリンなどの栄養塩が主な評価指標として活用されてきましたが、これまでの国内外における研究から、海洋や沿岸域、湖沼など多様な水域において、窒素等の主要栄養塩のみならず、微量必須金属（鉄など）が一次生産者の増殖を支配する生元素であることが認識されるようになりました。このような水域では微量必須金属が基礎生産を決定づけるため、一次生産性や水生生態系の動態を適切に理解していくには、存在する微量必須金属の化学形態や一次生産者（藻類等）による摂取・増殖機構を明らかにすることが重要な課題となっています。当該テーマでは、これまでに微量必須金属の多様な化学反応を素反応レベルで詳細に解析・体系化し、一次生産者による摂取を説明可能な速度論モデルを構築しました（図）。また、古くから鉄不足と磯焼けの関連性が指摘されいる三陸沿岸などに反応速度論モデル等を適用することで、東日本大震災後の沿岸域環境保全を目的とした流域土地利用の提案も行っています。このような研究プロジェクトを通して、社会的価値のある沿岸域を将来にわたり永続的に保全していくために必要な知見を提供しています。さらに、福島原発事故に伴う放射性核種の環境汚染をはじめ、微量汚染物質による水環境問題が重要な社会的課題と位置づけられるなか、開発された反応モデルや水質化学に関する先端的知見は、微量元素の環境影響評価やエネルギー生産型排水処理技術の開発に活用されています。

Water bodies around the world, including the oceans, coastal areas, lakes and rivers, are expected to sustainably function as places to nurture rich marine resources and provide high-quality water resources through sound management and conservation of ecosystems and water quality. In the United Nations Sustainable Development Goals (SDGs), sustainable water use (Goal 6), management and conservation of marine and fishery resources (Goal 14), ecosystem conservation, assurance of ecosystem services, and sustainable land use (Goal 15) are also considered to be important issues, and creation of healthy and sustainable water environment considering the elemental cycles in watershed. has been recognized as a priority for human society.

Nutrients such as nitrogen and phosphorus have long been used as major indicators for water quality (pollution) and ecosystem management in watersheds. However, in order to understand the dynamics of aquatic ecosystems and primary productivity, it is also important to clarify the biogeochemical functions of the essential metals (e.g., mechanisms of metal uptake and growth by primary producers such as algae). In this theme, we have analyzed and systematized various chemical reactions of the essential trace metals at the elementary reaction level, and constructed a kinetic model that can explain the uptake of these metals by primary producers (see figure). In addition, we are proposing to apply the reaction kinetic model to the Sanriku coastline, where iron shortages have long been considered to be associated with the Isoyake (i.e., the burning of the rocky shore), to propose watershed land use and coastal environmental conservation after the Great East Japan Earthquake. Through these research projects, we are providing the knowledge necessary for the permanent conservation of socially valuable coastal areas in the future. In addition, since the environmental contamination of radionuclides following the Fukushima nuclear power plant accident and the water environment problems caused by micro-pollutants are regarded as important social issues, the developed reaction models and advanced knowledge on water chemistry are being utilized for such environmental impact assessment as well as the development of energy-producing wastewater treatment technologies.

参考文献 / References

• Natsuike, M., Endo, Y., Ito, H., Miyamoto, M., Yoshimura, C., Fujii, M., Iron uptake kinetics by coastal micro and macro algae in relation to riverine and coastal organic matters, Estuarine, Coastal and Shelf Science, Elsevier, Vol 235, 106580, 2020.
  
• 科研費基盤研究(B) 2019-21年度「分子レベル有機錯体解析に基づく流域での溶存鉄の起源・輸送機構解明」（研究代表）、科研費基盤研究(B) 2017-19年度「モリブデンの環境動態に着目した毒性藍藻類の窒素固定特性と異常増殖メカニズムの解明」（研究代表）