藻類の異常繁殖

藻類ブルームとは、淡水系または海水系において藻類の個体数が急激に増加または蓄積する現象を指します。藻類ブルームには、無害なものと有害なものがあります。

藻類の大発生は、藻類の色素による水の変色によって認識されることが多い。^{[ 1 ]}藻類という用語は、海藻のような大型の多細胞生物とシアノバクテリアのような微細な単細胞生物の両方を含む、多くの種類の水生光合成生物を包含する。^{[ 2 ]}藻類の大発生は、一般的に、大型の藻類ではなく、微細な単細胞藻類の急速な増殖を指す。^{[ 3 ]}大型の藻類の大発生の例としては、ケルプの森がある。^{[ 2 ]}

藻類の異常繁殖は、窒素やリンなどの栄養素が様々な発生源（例えば、肥料の流出やその他の栄養汚染）から水系に流入し、藻類が過剰に増殖することによって起こります。藻類の異常繁殖は生態系全体に影響を与えます。

藻類の増殖は、より高次の栄養段階の生物の餌となるなど、無害な影響から、他の生物への日光の到達を遮断したり、水中の酸素濃度を低下させたり、生物によっては毒素を水中に放出したりするなど、より有害な影響まで、様々な影響をもたらします。しかし、藻類は地球上の酸素の約70  %を生成し、陸上の生命を支えるという重要な役割も担っています。動物や生態系に害を及ぼす可能性のある藻類の増殖、特に藻類が毒素を分泌する増殖は、通常「有害藻類ブルーム」（HAB）と呼ばれ、魚の大量死、都市部での住民への給水停止、州での漁業の閉鎖などにつながる可能性があります。藻類の増殖と酸素欠乏につながる栄養分の過剰供給のプロセスは、富栄養化と呼ばれます。

藻類や細菌の大量発生は、地質時代において地球温暖化によって引き起こされた大量絶滅に継続的に寄与してきた。例えば、シベリア・トラップ火山活動によって引き起こされたペルム紀末の大量絶滅や、大量絶滅後の生物の回復（回復を遅らせることによって）などが挙げられる。^{[ 4 ]}

藻類ブルームという用語は、科学分野によって定義が異なり、無害な藻類の「ミニブルーム」から、大規模で有害なブルーム現象まで多岐にわたります。^{[ 5 ]}藻類は、大きさ、成長速度、栄養要求量が大きく異なる生物を含む広範な用語であるため、ブルームの定義に関する公式に認められた閾値はありません。科学的な合意がないため、ブルームは、新しい藻類バイオマスの測定、光合成色素の濃度、ブルームの悪影響の定量化、または微生物群集の他の部分と比較した藻類の相対濃度など、いくつかの方法で記述および定量化できます。^{[ 5 ]}例えば、ブルームの定義には、次のようなものがあります。

• クロロフィル濃度が100μg  /Lを超える場合、^{[ 6 ]}
• クロロフィル濃度が5μg  /Lを超える場合、^{[ 7 ]}
• 1000細胞/mLを超える濃度でブルームを起こしていると考えられる種、^{[ 8 ]}
• 藻類種の濃度が通常の成長から逸脱しているだけである。^{[ 9 ] [ 10 ]}

藻類の大量発生は、特定の藻類が必要とする栄養素が地域の水系に流入した結果です。この成長を制限する栄養素は通常、窒素またはリンですが、鉄、ビタミン、アミノ酸の場合もあります。^{[ 2 ]}これらの栄養素が水中に加わるメカニズムはいくつかあります。外洋や沿岸では、風や海底地形による湧昇によって栄養素が海洋の光合成層、つまり日光の当たる層に運ばれます。 ^{[ 11 ]}沿岸地域や淡水系では、農業排水、都市排水、下水排水が藻類の大量発生を引き起こすことがあります。^{[ 12 ]}

藻類の大量発生、特に大規模な藻類の大量発生は、水の透明度を低下させ、変色させる可能性があります。^{[ 2 ]}藻類細胞内の光合成色素（クロロフィルや光保護色素など）が藻類の大量発生の色を決定します。生物、その色素、水深によって、藻類の大量発生は緑、赤、茶色、金色、紫色になることがあります。^{[ 2 ]}淡水系における鮮やかな緑色の大量発生は、多くの場合、ミクロキスティスなどのシアノバクテリア（俗に「藍藻」と呼ばれる）が原因です。^{[ 2 ] [ 13 ]}大量発生は、大型藻類（非植物プランクトン）種で構成される場合もあります。これらの大量発生は、海岸線に打ち上げられる大きな藻の葉によって識別できます。^{[ 14 ]}

栄養分が水中に存在すると、藻類は通常よりもはるかに速い速度で成長し始めます。ミニブルームでは、この急速な成長は他の生物に食料や栄養分を提供することで、生態系全体に利益をもたらします。^{[ 10 ]}

特に注目すべきは有害藻類ブルーム（HAB）で、これは有毒またはその他の有害な植物プランクトンが関与する藻類ブルーム現象です。多くの種が有害藻類ブルームを引き起こす可能性があります。例えば、

• Gymnodinium nagasakiense は有害な赤潮を引き起こす可能性があります。
• 渦鞭毛藻のGonyaulax polygramma は酸素欠乏を引き起こし、大量の魚の死につながる可能性があります。
• シアノバクテリアのミクロキスティス・アエルギノーサは毒素を生成することができ、
• 珪藻Chaetoceros convolutusは魚のエラを傷つける可能性がある。^{[ 15 ]}

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  アマゾン川などの河川は、陸地から南米の熱帯海洋に栄養分を運び込み、海岸線沿いに大量の藻類が発生する原因となっている。^{[ 16 ]}
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  NASAのAqua衛星が捉えたように、アマゾン川の河口から流れ出る栄養豊富な暗い水流の中で花々が咲き誇っている。^{[ 16 ]}
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  沿岸植物プランクトンのブルームの変化 2003～2020年。^{[ 17 ] [ 18 ]}

淡水藻類の異常繁殖は、特にリン酸塩などの栄養素の過剰によって引き起こされます。^{[ 19 ] [ 20 ]}過剰な栄養素は、農業やレクリエーション目的で土地に施用される肥料に由来する場合もあれば、リンを含む家庭用洗剤に由来する場合もあります。^{[ 21 ]}

シアノバクテリアを含む藻類の大量発生を抑制するには、リンの流入量を減らすことが必要である。^{[ 22 ]}夏に成層する湖では、秋の循環によって生物利用可能なリンが大量に放出され、十分な光合成光が得られるとすぐに藻類の大量発生を引き起こす可能性がある。^{[ 23 ]}過剰な栄養分は、水の流出によって流域に流入する可能性がある。 ^{[ 24 ]}過剰な炭素と窒素も原因として疑われている。残留炭酸ナトリウムの存在は、栄養分が存在する場合に溶存二酸化炭素を供給して光合成を促進することにより、藻類の大量発生の触媒として作用する。

リン酸塩が水系に導入されると、高濃度になると藻類や植物の増殖が促進される可能性があります。^{[ 25 ]}藻類は栄養分が豊富な環境では非常に速く増殖する傾向がありますが、藻類の寿命は短いため、結果として分解が始まる死んだ有機物が高濃度になります。水中に存在する自然の分解者が死んだ藻類を分解し始め、その過程で水中の溶存酸素を消費します。これにより、他の水生生物が利用できる溶存酸素が急激に減少する可能性があります。水中の溶存酸素が不足すると、動物や植物が大量に死滅する可能性があります。これはデッドゾーンとも呼ばれます。^{[ 26 ]}

淡水水槽では、魚に餌を与えすぎたために余分な栄養分が水草に吸収されずに水草が繁殖することがあります。これは一般的に魚にとって有害で​​あり、水槽の水を交換し、餌の量を減らすことで改善できます。

夏の激しい嵐が海をかき混ぜ、表層近くの太陽光が当たる水に栄養分を供給します。これにより、毎年春に活発な摂食活動が起こり、植物プランクトンの大規模な増殖が発生します。これらの微細な植物の内部にある小さな分子は、光合成によって太陽光から重要なエネルギーを収穫します。クロロフィルと呼ばれる天然色素は、植物プランクトンが地球の海洋で繁栄することを可能にし、科学者が宇宙から増殖を監視することを可能にします。^{[ 16 ]}

衛星は、沿岸および外洋に存在するクロロフィルの量を検出することで、植物プランクトンの位置と量を明らかにします。濃度が高いほど、ブルームが大きくなります。観測によると、ブルームは通常、栄養塩が減少して捕食性の動物プランクトンが摂食を始める晩春または初夏まで続きます。すぐ下の左側の視覚化は、NASA SeaWiFSデータを使用してブルームの個体群をマッピングしています。^{[ 16 ]}

2015年から2019年にかけて実施されたNAAMESの研究では、海洋生態系における植物プランクトンの動態の側面と、そのような動態が大気エアロゾル、雲、気候にどのように影響するかを調査しました。^{[ 32 ]}

フランスでは、市民はPHENOMERプロジェクトを通じて着色した水を報告するよう求められています。^{[ 33 ]}これは海洋藻類の異常発生を理解するのに役立ちます。

山火事は、山火事エアロゾルの海洋沈着によって植物プランクトンの異常増殖を引き起こす可能性がある。^{[ 34 ]}

有害藻類ブルーム（HAB）は、天然毒素の生成、他の生物への機械的損傷、またはその他の手段によって他の生物に悪影響を及ぼす藻類ブルームです。これらのHABの多様性により、管理がさらに困難になり、特に脅威にさらされている沿岸地域に多くの問題を引き起こします。^{[ 35 ]} HABは、大規模な海洋生物の大量死と関連付けられることが多く、さまざまなタイプの貝毒とも関連付けられています。^{[ 36 ]}経済的および健康上の悪影響のため、HABはしばしば注意深く監視されます。^{[ 37 ] [ 38 ]}

HABは人体に有害であることが証明されています。人体は、毒素を含む魚介類を直接摂取したり、水泳やその他の水中活動を行ったり、毒素を含む空気中の微細な飛沫を吸い込んだりすることで、有毒藻類に曝露される可能性があります。^{[ 39 ]}ヒトはHAB藻類が放出する毒素を含む魚介類製品を摂取することで曝露される可能性があるため、食中毒が発生し、神経系、消化器系、呼吸器系、肝臓系、皮膚系、心臓系に影響を与える可能性があります。^{[ 40 ]}

海水浴客は、上気道疾患、目や鼻の炎症、発熱などの症状を経験することが多く、治療のために医療機関を受診する必要が生じる場合も少なくありません。藻類の異常繁殖によるシガテラ中毒（CFP）も非常に多く発生しています。また、飲料水がシアノトキシンによって汚染される可能性があるため、水系感染症も発生しています。

有害藻類ブルーム（HAB）の発生により藻類の濃度が十分に高くなると、水が変色したり濁ったりすることがあり、色は紫からほぼピンクまで変化するが、通常は赤または緑である。ただし、すべての藻類ブルームが水の変色を引き起こすほど高密度になるわけではない。

従来、藻類の大発生予測は、物理的な水質サンプリングと流体力学モデルに大きく依存していた。これらの方法は精度が高いものの、多くのリソースを必要とし、複雑で変化の激しい環境変数を迅速に処理することが困難であった。そのため、現代の予測では、従来の物理モデルを補完するために、リモートセンシングと機械学習の統合がますます進んでいる。

オープンサイエンスの取り組みは、これらのアルゴリズム的アプローチの加速に役立っています。たとえば、2019 年のNASA 国際宇宙アプリチャレンジでは、学生チームが畳み込みニューラルネットワークが衛星データを分析して、最大 1 か月先のシアノバクテリア濃度を予測できることを実証しました。^{[ 44 ]}正式な科学文献では、最近のフレームワークは、マルチセンサーとハイパースペクトル衛星データセットを融合するために自己教師あり深層学習を使用しています。これらのモデルは、沿岸コミュニティや浄水施設向けの早期警報システムを生成するのに役立ちます。^{[ 45 ]}

こうした進歩にもかかわらず、衛星を用いた予測には本質的な限界がある。アルゴリズムの精度は、地域的な富栄養化や急激な水温変化といった、極めて局所的な要因を考慮することに大きく依存する。さらに、光学衛星による観測は雲に覆われることが多く、予測モデルは欠落部分を補うためにデータ補間に頼らざるを得ない。

藻類ブルームの管理には、緩和、予防、制御の 3 つの主要なカテゴリーがあります。^{[ 46 ]}緩和の中では、早期警報のために貝類の毒素の定期的な監視プログラムが実施され^{[ 47 ]}、有害藻類ブルームを監視および定量化するために地域全体の監視が行われます。^{[ 48 ]}貝類の HAB レベルが決定され、汚染された貝類が食品市場に出回らないように制限を管理できます。藻類ブルームから魚の生け簀を移動することも、緩和のもう 1 つの形態です。^{[ 49 ]}

予防策としては、透水性表面や植生を増やすことで、過剰な栄養分を含む地表流出を減らすことができます。透水性表面は、流出水が水路に流れ込む前に吸収するのに役立ちます。車両からの汚染物質やその他の流出栄養分を吸収したり、流れを遅らせたりできる透水性道路や駐車場を整備することができます。^{[ 49 ]}

植生は流出水をろ過、吸収、減速させ、水路に流れ込む過剰な栄養分の量を減らすのにも役立ちます。流出を減らすのに役立つ植栽の例としては、レインガーデン、芝生を在来植物に置き換えること、庭や水路沿いに木を植えること、屋上庭園などがあります。農家は、被覆作物を植えたり、森林緩衝帯を植えたり、肥料の使用量を減らしたり、家畜が川に入らないように柵を設置したりすることで、水路への影響を減らすことができます。^{[ 49 ]}

制御には、機械的、生物学的、化学的、遺伝的、環境的制御があります。機械的制御では、粘土を水中に散布して有害藻類ブルーム（HAB）と凝集させ、HABが沈殿する過程を減らす方法があります。生物学的制御は多岐にわたり、フェロモンを使用したり、不妊雄を放って繁殖を抑制したりする方法があります。化学的制御では、有毒な化学物質を放出しますが、標的以外の生物の死亡を引き起こす可能性があります。遺伝的制御では、生物種の環境耐性や繁殖過程を遺伝子操作しますが、在来生物に害を及ぼす可能性があります。環境的制御では、水の循環や曝気を利用できます。

有害藻類ブルームは多くの悪影響を環境に及ぼし、地域が拡大する悪化している問題です。かつては米国北東部と南アフリカに限定されていた小さな褐潮生物が、現在では中国沿岸で大規模なブルームを引き起こしており、これは他の褐潮と同様です。^{[ 50 ]} HABsは嫌気性（酸素不足）環境を引き起こし、水中に生息するあらゆる生物を死滅させ、魚の中毒、呼吸器系の問題、海水浴客の病気を引き起こす可能性があります。^{[ 51 ] [ 52 ]}

HABsは五大湖セントローレンス川流域に大きな影響を与えています。侵入種のゼブラガイとクアッガガイは、環境への影響と正の相関関係にあります。^{[ 53 ]}これらのガイはリンの循環を増加させるため、生息する地域では有害藻類ブルームが増加します。有害藻類ブルームは二国間五大湖流域の水源を汚染し続けており、世界がCOVID-19パンデミックから回復したため、この問題の解決は優先順位が低くなっています。この経済問題は米国では政治の一部となっていますが、カナダなどの同盟国では関心が低いです。

有害藻類ブルームが環境に与える影響は、海洋生物に大きな影響を与えます。例えば、2024年8月、カリフォルニア沿岸で有毒藻類であるPseudo-nitzschiaが増殖し、アシカが病気になり、海水浴客に対して攻撃的になりました。^{[ 54 ]}科学者たちは、これは季節的な現象だと主張しています。Pseudo -nitzschiaの増殖はドミン酸の生成につながり、イワシ、カタクチイワシ、イカなどの魚に蓄積されます。^{[ 55 ]}これは食物連鎖とアシカの主要な食料源に直接影響を与えます。毒素が摂取によって伝達されると、動物に発作、脳損傷、死を引き起こす可能性があります。この急増の間、人々は感染したアシカによる噛みつきや予測不能な攻撃行動を報告しました。^{[ 56 ]}この病気の状態では、アシカは恐怖を感じ、身を守るために恐怖から行動します。妊娠中のアシカは有毒藻類中毒に対して最も脆弱であり、その影響で死亡する可能性が高い。^{[ 55 ]}

近年、藻類の大量発生の強度と頻度が増加している。^{[ 57 ]}これは主に、海洋やその他の水域の温暖化によって藻類の成長が促進され、^{[ 57 ]}また生育期間が延長されるためである。^{[ 58 ]}しかし、気候変動は、激しい降雨によって藻類が水域から洗い流されるため、藻類の大量発生の減少にもつながる可能性がある。^{[ 57 ]}

さらに、藻類の大量発生の分布は、特に北海において、次の世紀には北へ拡大すると予測されている。^{[ 59 ]}

気候変動に加えて、藻類の異常繁殖の増加は人間の活動に起因する可能性がある。農業では、肥料の使用により藻類の成長に必要な栄養素が供給され、地表流出によって水循環に入り込む可能性がある。^{[ 57 ]}

世界で最初に発生した藻類の大増殖は、Eoseira wilsoniiによるものです。始新世に遡るこの藻類は、ホースフライ頁岩と始新世のオカナガン高地で藻類の大増殖が発見された唯一の珪藻です。

• 有害藻類ブルームに関するよくある質問（NOAA）