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アトラノリンがケイ酸塩鉱物の溶解に与える影響 : 地衣類による火山地域の岩石風化に関する実験的考察

田村, 知也 筑波大学 DOI:10.15068/00162569

2021.02.04

概要

植物生態系の経時的な変遷は植生遷移(plant succession)とよばれ,中でも火山噴火に伴う溶岩流や氷河の浸食などの影響によって生態系が完全に破壊された後に始まる植生遷移は一次遷移( primary succession)に分類される.一次遷移の初期において植生が形成されるためには,基盤の岩石鉱物から植物の生育に必要な元素が供給される必要がある.これまでの研究から,一次遷移の先駆種として知られる地衣類(lichen)は岩石鉱物の物理的風化および化学的風化を促進しながら一次遷移の進行に関与することが示唆されてきている.しかしながら,従来の偏光顕微鏡やエネルギー分散型 X 線分析器付き走査型電子顕微鏡(SEM-EDX),粉末 X 線回折(powder XRD)等の研究手法ではナノスケールでの観察や化学分析や鉱物種の同定は困難であり,地衣類による岩石鉱物の溶解と再沈殿を議論する上では限界があった.そこで本研究では,地衣類に被覆された溶岩と地衣類の界面をナノスケールの空間分解能を持つ透過型電子顕微鏡を用いて詳細に観察した.さらに,地衣類の代謝物質であるアトラノリンを用いたケイ酸塩鉱物の溶解実験を行い,地衣類がケイ酸塩鉱物の化学的風化に与える影響を調べた.また得られた結果から,地衣類が火山地域の一次遷移の進行に及ぼす影響について考察した.

天然試料として,東京都伊豆大島の三原山に産する玄武岩質溶岩に着生する Stereocaulon vesuvianum(S. vesuvianum,ハイイロキゴケ)の地衣類-鉱物界面を透過型電子顕微鏡で観察した.その結果,S. vesuvianum と溶岩の界面に厚さ 300-1000 nm の非晶質シリカ層がみられた.一方,S. vesuvianum に覆われていない溶岩の表面にも同様の非晶質シリカ層がみられたが,その厚さは 200-500 nm と比較的薄かった.これらの非晶質シリカ層はその基盤であるケイ酸塩鉱物が溶解して非晶質シリカとして再沈殿したことによって形成されたものと考えられる.さらに,層の厚さの違いから S. vesuvianum はケイ酸塩鉱物の溶解と非晶質シリカの再沈殿を促進しているものと推察される.

次に, 地衣類が分泌するアトラノリンを溶解させた水溶液に灰長石 CaAl2Si2O8 と普通輝石 (Ca,Mg,Fe)2Si2O6 を浸漬させて,最長 60 日間暗室で静置し,その後表面を透過型電子顕微鏡で観察した.さらに,溶液中の元素濃度の変化を誘導結合プラズマ発光分析(ICP-OES)により測定した.透過型電子顕微鏡による観察の結果,灰長石と普通輝石の表面には非晶質層が形成されており,超純水よりもアトラノリン溶液中に 60 日間静置したものの方が非晶質層は厚く形成されていた.非晶質層の再沈殿を伴うケイ酸塩鉱物の溶解反応は,鉱物の非晶質層と結晶層の境界で生じていると推察されるため,反応が継続するためには溶液が非晶質層を浸透して結晶層に到達しなければならない.しかしながら,アトラノリンは分子サイズが大きく立体構造も複雑であることから,最表面が非晶質層に覆われるとそれを浸透することは難しい.したがって,アトラノリンによるケイ酸塩鉱物の溶解は,鉱物の表面が非晶質層に覆われていない結晶格子が露出しているときのみ寄与していると考えられる.以上の結果は,地衣類の菌糸がケイ酸塩鉱物に貫入し,鉱物内部の結晶層に地衣成分が接触したときにのみ,地衣成分による鉱物の溶解が生じていることを示唆する.

本研究で開発した透過型電子顕微鏡を用いた地衣類と鉱物界面のナノスケール観察は,従来の研究手法では同定できなかった生成物の同定や形成組織の特徴を捉えることを可能にし,地衣類-ケイ酸塩鉱物の相互作用について明らかにすることができる.このことは,火山地域での一次遷移における地衣類の役割の解明に大きく貢献する.

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