溶存有機炭素

植物プランクトンは、細胞外放出によってDOCを生成し、これは一般的に総一次生産量の5〜30%を占めるが、種によって異なる。^{[ 64 ] [ 65 ]}それにもかかわらず、この細胞外DOCの放出は、高光量と低栄養レベルの下で促進され、したがって、細胞エネルギーを散逸させるメカニズムとして、富栄養域から貧栄養域にかけて相対的に増加するはずである。^{[ 66 ]}植物プランクトンは、栄養制限などの生理的ストレス状況下で自己分解によってDOCを生成することもできる。 ^{[ 67 ]}他の研究では、植物プランクトンや細菌を摂食する中型および大型動物プランクトンに関連してDOCが生成されることが示されている。^{[ 68 ] [ 7 ]}

動物プランクトンによるDOCの放出は、不注意な摂食、排泄、排便によって起こり、これらは微生物にとって重要なエネルギー源となる可能性がある。^{[ 69 ] [ 68 ]}このようなDOCの生成は、餌の濃度が高く、大型動物プランクトン種が優占する期間に最大となる。^{[ 70 ] [ 7 ]}

細菌はDOCの主な消費者と見なされることが多いが、細胞分裂やウイルス溶解の際にDOCを生成することもある。^{[ 71 ] [ 72 ] [ 54 ]}細菌の生化学的成分は他の生物とほぼ同じだが、細胞壁由来の化合物の中には独自のものがあり、細菌由来のDOCを追跡するために用いられるものもある（例：ペプチドグリカン）。これらの化合物は海洋に広く分布しており、細菌によるDOC生成が海洋システムにおいて重要である可能性を示唆している。^{[ 73 ]}ウイルスは海洋で最も豊富な生命体であり、藻類、細菌、動物プランクトンを含むすべての生命体に感染する。^{[ 74 ]}感染後、ウイルスは休眠状態（溶原性）または生産状態（溶菌性）に入る。^{[ 75 ]}溶菌サイクルは細胞の破壊とDOCの放出を引き起こす。^{[ 76 ] [ 7 ]}

海洋大型藻類（すなわち、大型藻類と海草）は生産性が高く、沿岸水域の広範囲に分布していますが、DOC の生成についてはあまり注目されていません。大型藻類は成長中に DOC を放出しますが、控えめな推定値（腐敗組織からの放出を除く）では、大型藻類は総一次生産量の 1 ～ 39% を放出し^{[ 81 ] [ 82 ]}、海草は総一次生産量の 5% 未満を DOC として放出します^{[ 83 ]} 。放出された DOC は炭水化物に富むことが示されており、その速度は温度と光の利用可能性に依存します^{[ 84 ]} 。世界的に、大型藻類群集は年間約 160 Tg C の DOC を生成すると示唆されており、これは世界の河川の年間 DOC 流入量 (250 Tg C yr −1 ) の約^半分です^{[ 84 ] [ 7 ] 。}

海洋堆積物は、海洋における有機物の分解と埋没の主な場所であり、水柱で見られる密度の最大 1000 倍の微生物密度を宿している。^{[ 86 ]}堆積物中の DOC 濃度は、上層の水柱中の濃度よりも 1 桁高いことが多い。^{[ 87 ]この濃度差により拡散流束が継続し、堆積物が 350 Tg C yr −1}を放出する主要な DOC 源であることを示唆しており、これは河川からの DOC の流入量に匹敵する。^{[ 88 ]}この推定値は計算された拡散流束に基づいており、DOC を放出する再懸濁イベントは含まれていないため^{[ 89 ]} 、推定値は控えめである可能性がある。また、いくつかの研究では、地熱システムと石油の浸出が、深海盆に前老化 DOC を供給していることが示されているが^{[ 90 ] [ 91 ]}、全体的な流入量の一貫した世界的な推定値は現在不足している。世界的に見ると、地下水は海洋への淡水DOCフラックスの未知の部分を占めている。^{[ 92 ]}地下水中のDOCは、陸起源、浸透した海洋起源、およびその場で微生物によって生成された物質の混合物である。^{[ 93 ]}地下水中の濃度は一般的に沿岸海水よりも高いため、沿岸水域へのこのDOCフラックスは重要である可能性があるが、^{[ 94 ]}信頼できる世界的な推定値も現在不足している。^{[ 7 ]}

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  海洋中の難分解性溶存有機炭素の除去

  表層水における植物プランクトンの生産と食物網の動態は、反応性の異なる多様な溶存分子の混合物を放出します。細菌と古細菌は、表層水と中深層水において不安定および半不安定なDOCを利用し、数千年にわたって海洋に残留する難分解性DOC（RDOC）の膨大な貯蔵庫を残します。海洋は、多様な微生物と物理化学的プロセスを抱えるパッチ状の環境であり、これらの分子が環境条件や分解可能な微生物に遭遇すると、難分解性DOCを除去する可能性があります。物理的な混合は難分解性DOCを海洋全体に輸送し、それによって除去の可能性を高めます。深層水は熱水循環に巻き込まれることがあり、それに伴うDOCは熱分解によって除去される可能性があります。表層水から沈降する粒子は不安定性DOC（LDOC）を放出し、微生物活動のホットスポットを誘発し、難分解性分子の除去を促進します。地下水が日光の当たる水域に混ざると、難分解性DOCはより高温にさらされ、難分解性分子が鉱化されて単純な化合物（例えば、ピルビン酸、ホルムアルデヒド）に変換され、微生物による迅速な利用が可能になる光化学プロセスに曝される。したがって、海洋における難分解性分子の寿命は、地球規模の海洋循環（GOC）の速度によって制御されていると考えられる。この関係は、難分解性DOCの生成速度が一定であると仮定すると、GOCの減速が難分解性DOCの貯蔵量の増加につながる可能性があることを示している（挿入図）。^{[ 102 ]}

DOCの熱分解は、流出DOC濃度が流入DOC濃度よりも低い高温熱水海嶺の斜面で発見されている。これらのプロセスの地球規模の影響は調査されていないが、現在のデータは、これがDOCの小さなシンクであることを示唆している。^{[ 95 ]}淡水と海水が混ざり合う際の塩分濃度の急激な変化（数分）中に、非生物的なDOC凝集がよく観察される。^{[ 103 ]}凝集は、腐植物質を除去し、分子サイズを小さくすることでDOCの化学組成を変化させ、DOCを沈殿したり、草食動物や濾過摂食動物に消費されたりする粒子状有機フロックに変換するが、凝集したDOCの細菌による分解も促進する。^{[ 104 ]}沿岸水域からの DOC 除去に対する凝集の影響は非常に多様で、一部の研究では DOC プールの最大 30% を除去できると示唆しているが、^{[ 105 ] [ 106 ]}他の研究でははるかに低い値 (3～6%; ^{[ 107 ]}が見つかっている。このような違いは、DOC の化学組成、pH、金属カチオン濃度、微生物反応性、イオン強度の季節的およびシステム的な違いによって説明できる可能性がある。^{[ 103 ] [ 108 ] [ 7 ]}

DOCの着色画分（CDOM）は青色光と紫外線領域の光を吸収するため、光合成に利用できるはずの光を吸収することでプランクトンの生産性に悪影響を及ぼし、有害な紫外線からプランクトン生物を保護することでプラスの影響も及ぼします。^{[ 109 ] [ 110 ]}しかし、紫外線による損傷の影響と修復能力は非常に変動するため、紫外線の変化がプランクトン群集全体にどのような影響を与えるかについては合意が得られていません。^{[ 111 ] [ 112 ]} CDOMによる光の吸収は、栄養塩、微量金属、DOCの化学組成に影響を与え、DOCの分解を促進する複雑な光化学プロセスを引き起こします。^{[ 99 ]}

光分解は、CDOMをより小さく色の少ない分子（有機酸など）または無機炭素（CO、CO 2）および栄養塩（NH 4 ⁻、HPO ²⁻ ₄）に変換することを含みます。^{[ 113 ] [ 98 ] [ 114 ]}したがって、一般的には、光分解は難分解性の DOC 分子を、原核生物がバイオマス生産と呼吸に迅速に利用できる不安定な DOC 分子に変換することを意味します。しかし、トリグリセリドなどの化合物を、微生物による分解が困難なより複雑な芳香族化合物に変換することによって CDOM を増加させることもあります。 ^{[ 115 ] [ 116 ]}さらに、紫外線は、微生物に有害な活性酸素種などを生成する可能性があります。^{[ 117 ]} DOC プールに対する光化学プロセスの影響は化学組成にも依存し、^{[ 118 ]}いくつかの研究では、最近生成された自生 DOC は日光にさらされると生物利用可能性が低下し、外来 DOC は原核生物にとって生物利用可能性が高まると示唆しているが、反対の結果も出ている。^{[ 119 ] [ 120 ] [ 121 ]}光化学反応は、陸起源の CDOM の負荷が高い沿岸水域で特に重要であり、陸起源 DOC の約 20 ～ 30% が急速に光分解され消費されると推定されている。^{[ 122 ]}世界的な推定では、海洋システムでは DOC の光分解により約 180 Tg C yr ⁻¹の無機炭素が生成され、さらに 100 Tg C yr ⁻¹の DOC が微生物分解により利用可能になるとも示唆されている。^{[ 98 ] [ 123 ]}世界の海洋推定の別の試みでは、光分解 (210 Tg C yr ⁻¹ ) は河川 DOC の年間世界流入量 (250 Tg C yr ⁻¹ ; ^{[ 124 ]}とほぼ同じであると示唆しているが、他の研究では直接光分解が河川 DOC 流入量を上回ると示唆している。^{[ 125 ] [ 126 ] [ 7 ]}

1990年代後半に開発されたより精密な測定技術により、溶存有機炭素が海洋環境において垂直方向および表面方向にどのように分布しているかを十分に理解できるようになりました。^{[ 130 ]}現在では、海洋中の溶存有機炭素は非常に不安定なものから非常に難分解性（難分解性）のものまで幅広い範囲に及ぶことが分かっています。不安定な溶存有機炭素は主に海洋生物によって生成され、表層海洋で消費され、糖類、タンパク質、および海洋細菌によって容易に利用されるその他の化合物から構成されています。^{[ 131 ]}難分解性の溶存有機炭素は水柱全体に均一に分布しており、リグニン、花粉、フミン酸など、海洋生物が利用しにくい高分子量で構造的に複雑な化合物から構成されています。その結果、観測される垂直分布は、表層水柱に不安定なDOCが高濃度で存在し、深層では低濃度となっています。^{[ 132 ]}

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  海洋溶存有機炭素の難分解性を制御する環境プロセス

  The dots represent DOC molecules and arrows represent physicochemical and biological processes that impact DOC concentration and molecular composition. In the surface ocean, DOC derived from primary production is rapidly remineralized or transformed through microbial degradation (black arrow), photochemical degradation (yellow arrow), or particle exchange (green arrow). Labile components are removed down the water column and DOC becomes diluted by processes, such as particle exchange (brown arrow), sediment dissolution (gray arrow), and microbial reworking (white arrow), which continue to alter, add, and/or remove molecules from the bulk DOC pool. Thus, the apparent recalcitrance of DOC in the ocean's interior is an emergent property that is largely controlled by environmental context.^[80]

In addition to vertical distributions, horizontal distributions have been modeled and sampled as well.^[133] In the surface ocean at a depth of 30 meters, the higher dissolved organic carbon concentrations are found in the South Pacific Gyre, the South Atlantic Gyre, and the Indian Ocean. At a depth of 3,000 meters, highest concentrations are in the North Atlantic Deep Water where dissolved organic carbon from the high concentration surface ocean is removed to depth. While in the northern Indian Ocean high DOC is observed due to high fresh water flux and sediments. Since the time scales of horizontal motion along the ocean bottom are in the thousands of years, the refractory dissolved organic carbon is slowly consumed on its way from the North Atlantic and reaches a minimum in the North Pacific.^[133]

Dissolved organic matter is a heterogeneous pool of thousands, likely millions, of organic compounds. These compounds differ not only in composition and concentration (from pM to μM), but also originate from various organisms (phytoplankton, zooplankton, and bacteria) and environments (terrestrial vegetation and soils, coastal fringe ecosystems) and may have been produced recently or thousands of years ago. Moreover, even organic compounds deriving from the same source and of the same age may have been subjected to different processing histories prior to accumulating within the same pool of DOM.^[80]

海洋内部の溶存有機物 (DOM) は、長年にわたる日光への曝露、従属栄養生物による利用、凝集および凝固、粒子との相互作用を経て残る高度に改変された画分です。DOM プール内のこれらのプロセスの多くは、化合物またはクラスに特異的です。たとえば、縮合芳香族化合物は光感受性が非常に高いのに対し^{[ 134 ]} 、タンパク質、炭水化物、およびそれらのモノマーは細菌によって容易に取り込まれます。^{[ 135 ] [ 136 ] [ 137 ]}微生物やその他の消費者は、利用する DOM の種類を選択的に選び、通常は特定の有機化合物を他のものよりも好みます。その結果、DOM は継続的に再加工されるにつれて反応性が低下します。言い換えれば、DOM プールは分解に対して不安定性が低く、より難分解性になります。再加工されるにつれて、有機化合物は物理的な混合、粒子との交換、および/または消費者群集による有機分子の生成によって、バルク DOM プールに継続的に追加されます。^{[ 72 ] [ 23 ] [ 138 ] [ 102 ]}そのため、分解中に起こる組成変化は、より不安定な成分が単純に除去され、その結果として残りの不安定でない化合物が蓄積されるという単純なものよりも複雑である。^{[ 80 ]}

したがって、溶存有機物の難分解性（すなわち、分解および／または利用に対する全体的な反応性）は、創発的な特性である。DOMの難分解性の認識は、有機物の分解中、および検討対象のDOMプールから有機化合物を除去または追加する他のプロセスと関連して変化する。^{[ 80 ]}

高濃度の DOC が微生物による分解に対して驚くほど抵抗性を示すことは、いくつかの仮説によって説明されてきた。^{[ 139 ]}一般的な考え方は、DOC の難分解性画分には、微生物による分解を妨げる特定の化学的性質があるというものである（「固有安定性仮説」）。代替的または追加的な説明として、「希釈仮説」がある。これは、すべての化合物は不安定であるが、個々の濃度は微生物集団を維持するには低すぎるが、集合的には大きなプールを形成するというものである。^{[ 140 ]}希釈仮説は、最近の実験的および理論的研究によって支持されている。^{[ 141 ] [ 142 ] [ 63 ]}