炭素13に並ぶ炭素の指標：時間＆炭素源の指標としての炭素14

炭素14（以下14C）は年代測定での利用がよく知られていますが、ときに炭素13(以下13C)と異なる特性をもつ炭素動態の指標としても利用されています。この記事では14Cを物質動態研究に利用する際の特徴や利点、実例を簡単に紹介します。 14C利用を考える入口としてページ下部では総説や研究事例のオープンもしくはフリーアクセスの参考文献を中心に紹介していますので、よろしければこちらもご参照ください。 ※当ページの趣旨は弊社ご利用事例の紹介ではありません このページの紹介文献は14Cを潜在的に活用できそうな周辺分野の方のご参考になるように、背景情報や応用例を対象にしています。紹介事例には弊社が関わっていないものも多く含まれます。 物質動態研究における14Cの特性 ・同位体分別の影響（同位体効果）の排除 年代測定も含め、指標としての14Cの主な有用性は半減期5730年という緩やかな放射壊変で14C／12C存在比（以下、14C同位体比）が減少する特性にありますが、その減少量をみるうえで邪魔になりうる効果として同位体分別があります。 「同位体分別」とは同位体の質量差による反応速度差のため、様々な物理・化学的過程の前後で同位体比が変わる現象で、14C分析では多くの場合その影響を除く補正（以下、分別補正）がなされます。 理論から同位体分別による14C同位体比の変化量と13C同位体比（以下δ13C 。安定同位体のため変動要因は同位体分別のみ）に起きる変化量は一定の関係式で示せるので、分別補正では14C測定に伴って測られるδ13C※1を用いて、もし試料の元となった炭素プールからできたものがδ13C：-25‰（C3植物を意識した設定値）であったなら、それが示すはずの14C同位体比を算出します。この分別補正された14C同位体比は炭素固定から測定までの全ての同位体分別を一律に揃えた仮想値とみることができ、補正されたデータ間では大気炭素の加入が無くなった時点（14Cは大気中で生成するため）の大気14C同位体比とその後の壊変の影響のみを反映する比較ができます。 そのため、分別補正された14Cは複雑な同位体分別過程を無視できる炭素源指標としても有用とされることがあります。用途によっては留意すべき点もありますが※２、このことは生物の代謝など同位体分別の幅がばらつく過程や非常に多くの過程を含む複雑な系での研究で14Cの利点としてたびたび言及されます。 ※1 IRMSによる測定値と同等に扱うべきものではないので当社ではδ13C(ams)として報告しています。 ※2 ページ下部のIshikawa et al. 2013のappendixなどをご参照ください。 ・壊変のため環境中でみられる値が幅広い 分別補正された14C同位体比は炭素固定された時点の大気の同位体比とその後の壊変量で決まるので、環境中の様々な炭素プールの間に、13Cではなかなかみられないような大きな同位体比の差がみられます。 例えば下図※3は近過去の大気14C同位体比の大きな推移がわかるデータを示しています。冷戦期、大気核実験で14C（bomb carbon）は急増し、ピーク時の1963年頃には大気14Cは上昇開始前の2倍近くに達しました。その後、部分的核実験禁止条約が発効してからは水圏への溶けこみや生物の取り込み、化石燃料由来CO2による希釈（Suess効果）もあって2023年現在はほぼ1950年代水準に戻っています。そのため現代～近過去の生物や土壌有機物などの炭素プールには大気14Cの急激な増減を反映した大きな値の幅がみられます。 ※3 引用元「Compiled records of carbon isotopes in atmospheric CO2 for historical simulations in CMIP6」Geosci. Model Dev., 10, 4405–4417, https://doi.org/10.5194/gmd-10-4405-2017;© Author(s) 2017, Figure.2. This work is distributed under the Creative Commons Attribution 4.0 License.（CC-BY）The 14 C atmospheric forcing data for CMIP6 compared to the forcing data used in OCMIP2 and the Northern and Southern Hemisphere tree ring and atmospheric data compilations of Hua et al. (2013) over the time period 1950-2015 (a) and over the recent period 1975-2015 (b). Zones NH1 and SH1-2 from Hua et al. (2013) are used to correspond to the Northern Hemisphere north of 30 • N and the Southern Hemisphere south of 30 • S. Tropical data from Hua et al. (2013) are not shown, for clarity. Authors; Heather Graven, Colin E. Allison, David M. Etheridge, Samuel Hammer, Ralph F. Keeling, Ingeborg Levin, Harro A. J. Meijer, Mauro Rubino, Pieter P. Tans, Cathy M. Trudinger, Bruce H. Vaughn, and James W. C. White;Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/The-14-C-atmospheric-forcing-data-for-CMIP6-compared-to-the-forcing-data-used-in-OCMIP2_fig2_318519170 一方で、およそ5万年より古い炭素プール（化石燃料や火山ガス、石灰岩など：dead carbonと呼ばれる）では14Cは壊変し尽しており、上図のように⊿14Cで表現すれば-1000‰となります。 このように環境中には14C同位体比に大きく異なる炭素源があり得るため、それに派生する様々な炭素プールもまたその平均滞留時間に応じて幅広い同位体比を示します。値が大きく異なる炭素プールが多々あるため、炭素動態に関わる研究では14Cの利用により明瞭な結果が得易い場面が多く想定できます。 実例としては ・ 化石燃料由来炭素（検出限界以下）／現代の陸上光合成由来の炭素（大気の値） ・土壌や水中堆積物中の有機物（滞留時間に応じ高低あり）／生食連鎖上の生物（陸上では大気の値、水中では溶存無機炭素（以下DIC）の値） ・水域のDIC≒水中光合成に依存する生物（炭素動態に応じ大気に対し高低あり）／大気≒陸上光合成に依存する生物（大気の値） ・深層流・湧昇流系列の海流のDIC（沈み込み後、大気と隔絶し低い）／表層海流のDIC（大気とのガス交換で高い） などの14C同位体比の落差がある炭素プール間でよく利用例がみられます。例えば大気汚染物質や水塊などの動態研究で直接的に利用される他、生物の食性解析や代謝研究、成長に伴う移動履歴の復元などにも応用されているようです。 また、化石燃料を燃やしたCO2など14Cを含まない炭素源で同位体比を低く標識することで、同位体標識手法の難点をいくぶん回避できるといった活用もなされています。このような用法も14Cの利点として挙げられるでしょう。 参考文献紹介 以下では特にこれから14C利用を検討するうえでの参考として、フリーアクセス・オープンアクセスの文献を主に紹介します。 まずは上記で簡単に触れました内容をより詳説した総説など、環境分野での14C利用に関する紹介文献を数件挙げ、続いて具体的な研究事例を表形式である程度検索できるようまとめました。 ・総説 「河川食物網解析における同位体天然存在比の利用： 放射性炭素 14 を中心とした研究のレビューと展望」石川尚人; 日本生態学会誌 64：133 - 142（2014） https://doi.org/10.18960/seitai.64.2_133 「Use of carbon-13 and carbon-14 natural abundances for stream food web studies」Naoto F. Ishikawa, Fujio Hyodo, Ichiro Tayasu; Ecological Research (2013), 28: 759–76https://doi.org/10.1007/s11284-012-1003-z※open accessではありませんが、上の和文総説で簡単に触れられた注意点がappendixで詳説されています。これは河川に限らず環境分野での14C利用に広く参考になる内容です。 「大気エアロゾル中の炭素フラクションと14C分析」池盛文数; エアロゾル研究 31（1）, 23–31（2016）https://doi.org/10.11203/jar.31.23 「放射性炭素-14を使った海洋生物の動態・生態系理解」横山祐典, 大河内直彦; 現代化学,2017年3月, P. 44-46 「Radiocarbon in ecology: Insights and perspectives from aquatic and terrestrial studies」Thomas Larsen, Yusuke Yokoyama, Ricardo Fernandes; Methods in Ecology and evolution, 2017;1–10.https://doi.org/10.1111/2041-210X.12851 「炭素14による海洋循環研究」熊本 雄一郎; 地球化学 57，64‒73（2023）https://doi.org/10.14934/chikyukagaku.57.64 ・事例紹介 物質動態指標／年代指標としての利用は明確に区別できない部分もありますが、以下では特に環境中の物質動態に絡んだ14C利用に参考となる個別事例の、openもしくはfree accessの文献を紹介しています。 このリストは現状で日本の研究者がcorresponding authorのもの限定ですが、国外事例も大変参考になるものが多いのでさらなる検索もお勧めします。このリストも随時追加する予定ですので、よろしければ今後とも時折ご覧ください。 なお直近の確認時点でプレスリリースなど和文の解説記事がweb上に公開されていたものはそのタイトルなども付記しています。 当ページの事例紹介は弊社ご利用例の紹介ではありません（※ご利用いただいた事例も含まれます） これら事例の試料には現状弊社で測定をお受けできない形態のものもございます。新規に弊社利用もご検討の際は試料形態などに関して事前のご確認をいただけますと幸いです。

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