ケモクライン

ケモクラインとは、水域内で垂直方向に強い化学勾配を特徴とする、異なる特性を持つ流体の層であるクラインの一種である。ケモクラインが発生する水域では、クラインによって上層と下層が分離され、その結果、それらの層に異なる特性が生じる。^[1]下層は、上層と比較して、溶解したガスと固体の濃度が変化している。^[2]

化学躍層は、嫌気性の底水（酸素が不足した深層水）の形成に適した局所的な条件で発生するのが最も一般的で、嫌気性の生命体しか生息できない。このような条件で生息する一般的な嫌気性生物には、光合成性の紅色硫黄細菌や緑色硫黄細菌などがある。^[3]黒海は顕著な化学躍層を持つ水域の例であるが、同様の水域（部分循環湖に分類される）が世界中に存在している。^{[4] [5]}部分循環湖は、水域が完全に混ざり合って循環せず、成層化を引き起こす部分混合の結果である。^{[1] [6]}

酸素を豊富に含んだ表層水がよく混合されている水域（ホロミクティック）では、層の成層がないため、ケモクライン（化学躍層）は存在しません。^{[7]ケモクラインは、泡立ちや沸騰（}沸騰）に伴う混合により、H ₂ Sなどの溶存ガスが過飽和になると不安定になることがあります。^[8]

最も大きな化学勾配を持つケモクラインとは、薄い境界層で、メロミティック湖を上部のミクソリムニオンと下部のモニモリムニオンの 2 つの部分に分けます。^[7]ミクソリムニオンは、風が到達する領域で、水が完全に混合され循環します。しかし、モニモリムニオンは密度が高く、同じように風と相互作用することができないため、混合が妨げられます。さらに、ケモクラインの密度の変動によって、水域が混合および循環する度合いが決まります。ケモクラインは混合層と非混合層の間の障壁として機能するため、より深いモニモリムニオン層は無酸素状態になることがよくあります。^{[1]モニモリムニオン層と大気の間のガス交換が不足すると、酸素の消費が酸素の生成を上回るため、無酸素状態と}ユーキシニア状態とともに負の酸化還元電位が発生します。 ^[7]

ケモクライン不安定性は、垂直混合現象によって特徴付けられる。これは、硫化物に富む深層モノリムニオン層におけるH ₂ S濃度の1 mmol/kgを超える上昇によって引き起こされる可能性がある。その後、真核深層水は表面近くのミクソリムニオン層に湧昇し、硫化水素が大気中に放出される。^[8]これは、二酸化炭素などの他のガスによっても引き起こされる可能性がある。

多くの湖では、化学躍層の不安定性が典型的です。湖の成層は、年に1、2回、またはそれ以上の頻度で発生する混合イベントによって乱される可能性があります。これらの混合イベントは、一回循環湖、二回循環湖、または多回循環湖で発生します。しかし、部分循環湖では、成層は永続的です。安定した化学躍層を持つこれらの湖は、通常、狭く深く、表面積と容積の比率が低く、風による擾乱が少なく、富栄養化が進行しています。^[6]

上層と下層の違いにより、好気性生物はケモクラインより上の領域に限定され、一方、無酸素状態で生存可能な嫌気性種はケモクラインより下に生息する。さらに、ケモクラインより上では光の存在により光合成プロセスが起こり得るが、下では光合成細菌が繁殖するのに十分な光が存在しない。^[9]ケモクラインより上の混合層では、光合成種の例としてシアノバクテリアが挙げられ、一方、単層層には硫酸還元菌と硫化物酸化菌が含まれる。^[7]ケモクライン自体では、緑色光合成細菌や紅色硫黄細菌などの嫌気性細菌の光合成形態が密集しており、上からの太陽光と下方の嫌気性細菌によって生成される硫化水素（H ₂ S）の両方を利用している。^{[7] [9]}条件の勾配により、化学躍層には光合成細菌が豊富に含まれ、チオ硫酸塩と元素硫黄の濃度が高い可能性があります。^[7]メタン栄養細菌は、いくつかの化学躍層の無酸素勾配でも発見されています。^[10]南極にあるエース湖で行われた研究では、湖の緑色硫黄細菌による無酸素光合成のプロセスが調査され、光と硫化物の存在により、緑色硫黄細菌は湖の化学躍層にのみ存在することがわかりました。^[9]

さらに、微生物のプロセスがケモクラインにおける化学的差異の原因となることもあります。二酸化炭素固定、硫黄循環、酵素活性などのプロセスは、周囲の水域と比較してケモクライン内でより高速に発生します。ケモクラインのさまざまな化学的性質により、小さな層で多様な生命体を支えることができます。^[11]

しかし、化学躍層の不安定性は、各層に存在する細菌種のバランスを崩す可能性がある。光合成層に湧き上がる真水は硫化物をもたらし、上部混合層で硫黄酸化細菌の大量発生を引き起こす可能性がある。^[8]