テクニカルレポート

2019/10/04 / テクニカルレポート

シリーズ・さまざまな研究所を巡る(第9回)

〜海洋研究開発機構(その2)〜

厚木エレクトロニクス  加藤 俊夫 氏

 

 

1. 海底下を調べる

 

 熱水鉱床は、300℃を超える熱水が海底から噴き出して周囲の海水で冷却された際に鉱物が沈殿して作られる。

 その鉱物は多くが硫化物で、金、銀、銅、鉛、亜鉛などが含まれることが多い。

 環太平洋火山帯に属する日本周辺海域は世界のどの海域よりも濃集している。

 図1は、日本の近海での熱水鉱床の分布である。

 今月は、海洋研究開発機構(以下、JAMSTECと略す)による海底下の様子を調査した研究をいくつか紹介する。

 

図1 熱水鉱床は、沖縄トラフの周辺と伊豆・小笠原弧周辺で集中的に発見されている(図はJAMSTEC提供)

 

1.海底下の構造調査

 海底資源の形成過程や濃集メカニズムなど地球の歴史上で起きてきたことを、化学の力を使って解明する研究と、海底下構造を可視化する物理探査手法と機器の開発が行われている。

 JAMSTECでは、「次世代海洋資源調査技術(海のジパング計画)」におけるテーマ「海洋資源の成因の科学的研究に基づく調査海域の絞り込み手法の開発」で電磁気学的手法をベースとした調査技術開発を行ってきた。

 このたび、中部沖縄トラフの既知の熱水鉱床賦存域での調査航海において、自律型無人探査機「じんべい」と「ゆめいるか」を同時に運用し、AUV間で電流の送受信を行って海底下構造を調査することに世界で初めて成功した(2018年8月、JAMSTECプレスリリース)。

 海洋鉱物資源の調査のもっとも基本的な手法は、鉱物の電気的な特性を利用して調べるものである。

 図2のように、研究船から曳航体を海底近くまで降ろして約200mのケーブルをひきながら、ケーブルの曳航体に近い側で電気を送信、遠い側で受信して、海底下構造を検出する。

 

図2 現在の曳航式電気探査のイメージ図。右側の電流源から電流を流し、左側の電位受信部で電位を測定する。海底に設置した電位計でも信号を受信する(図はJAMSTEC提供)

 

2.電気探査の測定結果

 熱水鉱床を構成する硫化鉱物が多いほど、電気抵抗は小さくなる。

 送信機から送った信号の電流値と、その信号を受信機で受けたときの電圧値から電気抵抗を求めるが、観測している海底下の全体を平均したような「見かけ比抵抗」が求められる。

 最終的には、海底下の比抵抗の分布を可視化して、周囲より低い比抵抗を示す場所を手掛かりに鉱物を探すことになる。

 

3.海底下で化学反応が起こっている

 海水には酸素が溶け込んでいて、海底下では酸素に富んだ海水がしみ込んでくる浅部では酸素が多く、深部では酸素の少ない環境になっていると考えられる。

 そこに鉱物があると、中に含まれる硫化鉱物が化学反応を起こしやすいために、上部では酸化反応、下部では還元反応が起きる(図3)。

 

図3 電池のような状態になっている鉱体(図はJAMSTEC提供)

 

 これにともない、鉱物そのものが電池のようになり、電子が移動して電気が流れる。

 こうした鉱体の上では自然電位分布が負になることを、先行研究で確認しており、これを手掛かりに鉱体を探す。

 得られた観測データの解析から、見かけ比抵抗の低い領域と、自然電位の負の異常域が、既知の海底熱水域とそれぞれ一致することが確認された(図4)(2017年“Scientific Report”、2018年“Earth,Planets and Space”で発表)。

 

図4 観測データから計算された自然電位分布。赤丸は、熱水鉱床と関連すると推測される負の自然電位異常を示す領域(図はJAMSTEC提供)

 

 

2. 海底資源の調査

 

1.海底資源マンガン

 マンガンは地球上に存在する金属元素の中で鉄、チタンに次いで存在量が多く、また、酸化還元状態のような化学的な環境変化に反応して希少金属を伴って沈殿物を形成または分解する。

 特に、深海底ではマンガン団塊やコバルトリッチクラストのような球状ないし板状の金属酸化物として広く存在している。

 地球上でもっとも表層海水の基礎生産量が小さく、透明度の高い海域の南太平洋環流域において、7箇所の掘削地点(水深3,740~5,695m)で調査を行い、海底表層から玄武岩直上までの堆積物のコア試料を採取、分析を行った。

 一般に、大陸沿岸の海底では、微生物の活発な呼吸活動により酸素が消費され、嫌気・無酸素環境になる。

 マンガン酸化物は外界の酸化還元環境に影響され、嫌気堆積物環境ではマンガン酸化物はほぼ確認されていなかった。

 一方、南太平洋環流域のような酸素に満ちた外洋の堆積物環境内では、堆積物中のマンガン酸化物の有無は明らかではなかったので調査した(2019年、“Nature Communication”で発表)。

 

2.膨大な数の微少マンガン

 JAMSTEC高知コア研究所が開発した海底堆積物の微細構造可視化解析技術を用いて、コア試料を詳細に分析した。

 その結果、さまざまな海域の堆積物環境中にミクロスケールの鉱物微粒子が存在しているものの、南太平洋環流域のような酸素に満ちた遠洋性粘土内のみ、微小マンガン粒が存在することが明らかになった(図5)。

 

図5 海底堆積物に含まれる微小マンガン粒の走査電子顕微鏡写真。樹脂で固めた堆積物の断面の写真(黄色の矢印で示すのが微小マンガン粒)(左)と、比重分画・光学特性の解析で分離した微小マンガン粒の拡大写真(右)。(図はJAMSTEC提供)

 

 その数は泥1ccあたり1億~10億個に及び、また外洋の酸素に満ちた遠洋性粘土の分布から見積もったところ、地球全体で1.5~8.8×1028個の微小マンガン粒が存在することが明らかになった。

 ただし、微小マンガン粒は堆積物の体積割合で0.01%未満に過ぎず、高精度な分析のためには泥の中から選り分ける必要があった。

 そこで、土壌中に存在する鉱物塊(団粒)を濃縮する比重分画技術と生物細胞を高速に分取するセルソーティング技術を組み合わせ、最大95%の純度で、海底堆積物から微小マンガン粒を選択的に回収する技術を確立した(図6)。

 

図6 微小マンガン粒の選択分離処理前後の走査電子顕微鏡写真。分離処理前(左)、重液処理後(中)、重液処理およびセルソーターによる分取後(右)。(図はJAMSTEC提供)

 

 組成の分析結果から、微小マンガン粒は海底下で生成したものではなく、海水中で形成したものが沈み、堆積物に埋もれていることが分かった。

 微小マンガン粒は多くの鉄・マンガンなどの主要金属や、レアアースを含むことが分かり、レアアースは最大33~194億トン分を含むと見積もられた。

 近年、日本近海の深海底で板状ないし球状の鉄マンガン酸化物が見つかっている。

 今回、海底の広い範囲で存在が確認された微小マンガン粒は、マンガンのような主要金属やレアアースを多く含んでいること、また、マクロな鉄マンガン酸化物と同じ環境に存在する等、組成や存在環境の共通点が認められることから、今後の研究によって、形成メカニズムの対応関係を明らかにすることで、深海域での金属酸化物形成の総合的な理解につながるものと期待される。

 

 

3. メタンを摂取する細菌

 

1.海底下のメタンを消費・分解するメタン酸化アーキア(古細菌)

 海底ではメタンが大量に生成・蓄積されている。

 これが全て大気中に放出されると、温室効果ガスとして大問題になるところだが、幸い海底下に住むANME(エーエヌアムイー)と呼ばれる嫌気的メタン酸化アーキアがメタンを消費してくれている。

 JAMSTECはドイツ連邦地質調査所、東京大、北海道大と協力してヨーロッパ東部・黒海の海底から採取したANME試料を詳しく調べた。(2018年、“Scientific Reports”で発表)。

 黒海の海底では溶存酸素が存在せず、メタン湧水サイトが2700箇所以上存在している。

 いわば、ANMEにとってメタンに満ちた「オアシス」(=微生物的ホットスポット)なのだ。ANMEの菌数密度が1cm3あたり1010 cell以上であり、その謎に包まれた生態やメタンサイクルを読み解く上で、好条件が備わった天然の貴重な実験室になっている(図7)。

 

図7 (a) 黒海の深海底に見られる「メタン」の冷湧水の概要、(b) チムニー内部に高密度で棲息する嫌気的メタン酸化アーキア(ANME)。(図はJAMSTEC提供)

 

2.未知であった「メタン代謝機構」の発見のポイント

 まず、海底下から湧き出るメタンは、ANMEに摂取・消費された後、細胞を構成する炭素源になっている。

 ANMEの細胞は炭素14ではなく12で構成されており、そのうち、分岐鎖アミノ酸(バリン、ロイシン、イソロイシン)は、顕著な炭素12の同位体濃縮効果があることを見出した。

 次に、ANME細胞レベルの放射性炭素同位体の分析から、ANMEは炭素14を含まないメタンを炭素源にして、細胞組織を構成している。

 ANMEが大気中の炭素源(二酸化炭素)に依存する光合成系とは完全に独立して、海底下のメタンに依存し極限環境に生きる独自の生態系であることが分かった。

 以上のように、海底下でメタンは大量に生成されているにもかかわらず、大気中へ放出されない。

 太陽光が届かない暗黒の海底下で、メタンを消費(分解)するキープレイヤーとなっているのがANMEであるといえよう。

 

 

4. まとめ

 

 今月は、海底下の調査により、鉱物の酸化や硫化が行われていること、海底でのマンガンなどの様子、メタンを消費して生きているアーキア(古細菌)などの話題を紹介した。これらのマンガンやレアアースを回収する技術の開発が待たれる。

 JAMSTECの研究テーマは非常に多いので、どれを紹介するべきか迷ってしまうが、来週は海底下の構造の中でも地震に関係した話題などを取り上げてみるつもりである。

 

<ご協力いただいた方々>
海洋研究開発機構 海洋機能利用部門 海洋資源センター 物理特性グループ グループリーダー 笠谷 貴史様
海洋研究開発機構 超先鋭研究開発部門 高知コア研究所 地球微生物学研究グループ 主任研究員 諸野 祐樹様
海洋研究開発機構 海洋機能利用部門 生物地球化学プログラム プログラム長代理 高野 淑識様

 

 

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