淡水生物学

淡水生物学は淡水生態系の科学的 生物学的研究であり、陸水学の一分野です。この分野では、物理的環境における生物間の関係を理解し​​ようとします。これらの物理的環境には、川、湖、小川、池、湖、貯水池、湿地が含まれます。^{[1]この分野の知識は、}下水処理^[2]や浄水に関わる生物学的プロセスを利用するために、産業プロセスでも広く使用されています。水の存在と流れは種の分布にとって重要な側面であり、淡水環境で種がいつどこで相互作用するかに影響します。^[1]

英国では、カンブリア州ウィンダミア近郊に拠点を置く淡水生物学協会が、淡水生物学を研究し、湖沼における栄養の概念を推進した初期の機関の一つであり、貧栄養水から中栄養水を経て湿地への移動プロセスを実証した。^[3]

淡水生物学は、気候変動の影響や、水生システムとより広い生態系に対する人間の影響の増加を研究するためにも使用されています。 ^{[4]淡水生物、特に脊椎動物は、陸上生物や海洋生物よりも}気候変動による絶滅のリスクが高いようです。^[5]

淡水生息地は、川、小川、湖、池、湿地などの生息地を持つ多種多様な生物を支えています。^[6]

流水は、主に川や小川で構成される淡水生息地の一種です。流れの速い水は酸素含有量が高く、さまざまな種が繁栄し、汚染との戦いが容易になります。^[6]流水は開放系であり、孤立しておらず、他のシステムと物質やエネルギーを交換します。^[6]開放系であるため、流水中の有機物の多くは陸地からの流出物や上流の堆積物からのものであり、この物質は多くの種にとって重要な食料源です。流域は、泉、湖、雪解け水などの源流から始まり、通常は別の流水路または海である河口まで移動します。^[7]小川や川の特徴は、水源から河口までの旅の途中で変化します。たとえば、水源の水はより透明で、酸素含有量が高く、水温が低く、従属栄養生物がよく見られます。川の中央部では、水温や酸素含有量の変化により、水生緑植物や藻類などの種の多様性が増すため、幅が広がるのが一般的です。河口の水は、川や小川に沿って集められ、運ばれてきた堆積物により、酸素濃度が低く濁っています。堆積物が増えると、水に浸透できる光の量が減少し、植物の多様性が低下し、酸素の減少により動物の多様性が低下します。^[7]

河岸地帯は、川岸や小川の岸に沿った、水分の多い生命力に富んだ植物が生息する地域です。これらの植物は、陸地と流水系の間に緩衝帯を作り、汚染や洪水から保護します。さらに、これらの植物は、多くの湿地種に広大な生息地を提供しますが、その多くは絶滅の危機に瀕しています。最後に、河岸植物は水を日光から遮り、水と水生生物への熱ストレスを軽減すると同時に、有機物の形で栄養素も提供します。^[6]

静水域は淡水生息地の一種で、主に湖や池で構成されています。流水とは異なり、この生息地は互いに隔離され、他の水系からも隔離されているため、種の多様性が限られています。^[7]静水域では成層化のプロセスが発生し、酸素含有量により水が層状になります。^[6]流水では成層化は発生しません。これは、さまざまな酸素含有量の水を混ぜ合わせる高速の水の流れが原因です。最上層には最も多くの酸素が含まれており、深さが増すにつれて酸素は減少します。^[6]成層化は水温で物理的に感じられ、最上層の水は太陽によって温められているため、深い水よりも暖かくなります。

静水は、深さと岸からの距離に基づいて3つのゾーンに分けることができます。沿岸帯は最上層で、太陽が直接温めるため、湖や池の水の中で最も暖かいです。^[7]このゾーンは静水の中で最も生物多様性が高く、藻類、水生植物、貝類、昆虫、魚、甲殻類、両生類など、生態系の健全性に不可欠で、生息地の生物の食事の重要な側面である多種多様な生物がここにいます。^{[7]沿岸帯の下には}淡水帯があります。このゾーンは温度が低く、かなり明るく、植物プランクトン、動物プランクトン、魚などのより少ない種類の生物が占めています。[ 7 ]このゾーンで見つかる^{プランクトン}は、生息地の食物連鎖で重要な役割を果たし、多くの重要な生物の食事を支えています。最も深い層は深層で、光はほとんどなく、温度は低く、密度は前の層よりも高い。^{[7]プランクトンが死ぬと、この層に落ち、この層に生息する動物に栄養を与える。これらの動物は}従属栄養生物と呼ばれ、死んだ生物を食べ、細胞呼吸に酸素を使用するため、深層の酸素含有量は低くなる。^[7]

サーモクラインとは、温かい表層水と、より低温の深層水との間の遷移帯である。^[6]静水で起こる限定的な水の混合と移動は、サーモクラインで起こる。静水の水層の混合は、主に季節的な転覆によって起こる。秋と春には、通常、酸素を循環させ、水系全体の温度をより均一にする風によって層が混合する。^[7]海岸地帯は、水系と陸地との間の遷移帯であり、流水系に見られる河畔地帯に似ている。^[6]このエリアは河畔地帯とほぼ同じように機能し、植物が水を汚染、洪水、熱ストレスから保護すると同時に、水生生物や湿地生物に栄養分と生息地を提供している。

湿地は、沼地、湿原、泥沼を含む特定の種類の静水生息地です。土地が水浸しで水没しているため、湿地の嫌気性条件は独特で、すべての生態系の中で最も高い種の多様性を支えています。^[7]湿地は有機物の分解を遅らせ、システム内の種に重要な栄養素を提供する豊富な有機物の層を作ります。湿地に生息する動物は水生植物と呼ばれ、非常に湿気の多い湿度の高い環境に適応しています。^[7]湿地は、他のシステムには生息できない多数の鳥類、両生類、昆虫、爬虫類、草本植物、樹木種の生息地であり、都市開発や農業のために湿地が破壊されているため、絶滅の危機に瀕しています。 ^[6]湿地は、占める土地が小さいにもかかわらず、汚染物質をろ過し、湿った土壌と静水に生物圏からの大量の炭素を貯蔵するため、汚染や気候変動との戦いに役立ちます。さらに、湿地は大量の余剰水を吸収できるため、洪水や暴風雨から保護する役割も果たします。^[6]湿地の吸水能力は地下水の涵養にも役立ち、利用可能な淡水源が減少しているため、人間の水利用にとって非常に重要です。湿地は淡水の生息地やシステムであるだけでなく、さまざまな種を支える塩性湿地や沼地もあります。 ^[7]

カロライナ湾（ポコシンとも呼ばれ、「丘の上の沼地」を意味する）は、主にカロライナ州に見られる独特の湿地で、米国東海岸沿いのカロライナ州外にもいくつかあります。^[8]カロライナ湾は、砂の縁に囲まれ、底が砂地である楕円形の窪みが特徴です。^[8]この窪みは湿潤期と乾燥期があり、冬と春の月には雨水で満たされ、夏には乾きます。^[8]カロライナ湾には珍しい種が生息していることが多く、湾固有の種もいます。^[8]

淡水生物は、淡水バイオームに生息する2つの生物域である底生生物と浮遊生物の2つに大別されます。淡水生物には、無脊椎動物、昆虫、魚類、両生類、哺乳類、鳥類、水生植物、プランクトンなどが含まれます。^[7]

淡水無脊椎動物には、淡水軟体動物、昆虫、甲殻類、および蠕虫が含まれます。^[9]淡水無脊椎動物は淡水食物連鎖において重要な役割を果たし、藻類や水生植物などの生産者から魚類や両生類などの高次消費者に栄養素とエネルギーを輸送します。^[9]さらに、無脊椎動物は生態系の健全性を示す重要な生物指標として機能することができます。^[9]

淡水魚は非常に多様で、18,000種以上から成り、世界の脊椎動物種の4分の1を占めています。^[10]魚種の約半分は淡水環境に生息し、残りの半分は海水環境に生息しています。^[11]サケやサメのいくつかの種など、一部の魚は淡水環境と海水環境の間を移動して、両者を結び付けることができます。^[11]これらの魚は、淡水と海水の間を移動する魚を指して、ギリシャ語で「間を走る」という意味の「通回遊魚」と呼ばれています。^[12]

カエル、ヒキガエル、サンショウウオ、アシナシイモリを含む両生類は、主に淡水域に生息するグループです。両生類は温帯動物で、薄い皮膚を持っているため、水分補給には水に依存しています。^[13]両生類は、汚染や気候変動などの環境の変化の影響を受けやすいため、環境の健全性の指標として機能することができます。^[13]

水鳥は、狩猟や休息、時には巣作りのために水生生息地に依存する鳥のグループです。^[14]淡水生息地に依存する鳥には、カワセミ、フラミンゴ、さまざまな種類の水鳥などの鳥が含まれます。多くの種は、巣作りの材料、生息地、および食物としてこれらの淡水環境の植物に依存しています。さらに、淡水鳥は淡水環境の魚や昆虫を制御する役割を果たします。^[14]

水生植物は陸上植物とほぼ同じように機能し、食物連鎖の基礎を築き、二酸化炭素を除去し、酸素を生成します。水生植物は、浮上性、沈水性、浮遊性の3つのカテゴリに分類できます。^[15] スギナやガマなどの浮上植物は、淡水生態系の端近くに根を張り、通常は水面から突き出ています。^[15]エロデアやイヌタデなどの沈水植物は、完全に水中にある植物で、根付いている場合と付いていない場合があります。^[15]スイレンやウキクサなどの浮遊植物は、根付いている場合と付いていない場合がありますが、葉が水面に浮かんでいます。^[15]

水質汚染の最も一般的な原因は、舗装や屋上などの開発された地域からの雨水流出です。 ^[16] 雨水流出とは、吸収されなかった雨水や雪解け水が移動することです。^[16]住宅や都市の建設に使用される不浸透性の表面が、かつて雨水を吸収していた土壌に置き換わるため、より遠くまで移動する流出量が増加します。この過剰な流出水は、最終的に小川、川、湖、湿地、さらには帯水層に流れ込む際に汚染物質を集め、重要な淡水生態系と使用可能な水を汚染します。^{[16]さらに、}雨水流出の増加により、洪水や浸食が増加する可能性があります。

河川は高地に降った水を排水し、この流水は溜まった水よりも速い速度で汚染物質を溶解します。^[16]しかし、これらの流水では汚染物質が多く生成され、存在するため、水は汚染物質の希釈率よりも速く汚染され、河川が過剰に汚染されます。汚染の主な原因である産業、農業、都市は、すべて流水沿いによく見られ、河川の過剰汚染に拍車をかけています。^[16]流速の速い水が汚染物質を希釈できることがわかっただけで、さらに汚染が促進され、汚染問題がさらに悪化しています。河川の破壊に寄与しているもう1つの問題は、主にダム、水の転用、水路の改変、土地開発の形での流水の物理的な改変です。^[16]これらの改変は水温、水の流れのパターンに影響を与え、堆積物を増加させ、多くの水生生物にとって重要な生息地の条件を破壊し、水質を低下させます。^[16]

小川や河川の汚染に関する論争の的となっているのは、上流の汚染が下流の人々に影響を与えるという概念である。^[16]上流の工場の廃棄物が下流の誰かの飲料水を汚染する可能性がある。これは特に、複数の国や州に接する流水域で問題となる。なぜなら、ある国や州が上流で行うことによって、下流の国や州ができることに劇的な影響が及ぶ可能性があるからである。^[16]

湖や池は川や小川と同じような汚染を受けますが、流れが遅く、水が流れる出口がなく、水量が少ないため、汚染の速度は速くなります。^[16]溜まった水は流水よりも循環がはるかに少なく、深い水層は年に2回の季節の変化のときだけ動きます。^[16]湖や池は、通常、流水が流れ込んで蓄積する盆地であるため、汚染物質も出口がないため蓄積します。湖や池にはほとんどの川や小川よりも水量が少ないため、小さな湖や池はより速い速度で汚染されます。

富栄養化は、植物が大量に生育するプロセスであり、静置水域の主な脅威です。^[16]以前は限られていた水生植物の成長のための化学栄養素が利用可能になると、植物の個体数が急速に増加します。この過剰な植物個体数の増加により、水中の酸素含有量が減少し、他の水生生物が窒息します。人間の排泄物には、肥料中のリンなどの化学栄養素が含まれていることが多く、静置水域の水循環の悪さと相まって、汚染と生物の減少を引き起こします。^[16]池や湖に影響を与える汚染問題の多くは、湿地にも影響を与えます。湿地の水循環も遅いためです。

地表水は地下水が表流される場所であり、湿地は地下水位が地表近くまたは地表にある最大の例です。淡水生息地にある水は、地表の流れ、降水、地下水の表流の組み合わせです。^[16]地下水と地表水の関係は、地下水汚染が地表の淡水汚染にも影響を与えることを意味します。

環境保護庁の調査によると、米国の使用可能な地下水の約4分の1が汚染されています。地下水は、米国の約半分の地域で唯一の飲料水源です。^[17]人口が増加し工業化が進むにつれて、地下水の需要は増加していますが、地下水の汚染も増加しています。地下水の汚染は、湖や池よりもさらに遅い水の循環のために簡単に達成されます。水は帯水層の岩の小さな穴を通過しなければならず、平均して1日に数インチしか移動しません。^[16]地下水の涵養速度は、地下水が補充されるまでにかかる時間であり、非常に遅いため、人間が涵養速度よりも速く帯水層から水を取り除くため、水不足につながります。^[16]このように水の循環が遅いため、自然の浄化プロセスが非常に遅いため、地下水は何十年にもわたって汚染されたままになる可能性があります。

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