研究者に聞く！！

１： 植物起源VOCによる森林エアロゾル生成を実証

Q： VOCとは何か説明してください。

横内： “VOC”（Volatile Organic Compounds）は、室温レベルで容易に揮発するメタン以外の有機化合物を指します。炭化水素、エステル、アルコール、ハロカーボンなど、多くの種類の化合物が含まれています。VOC類の発生源は私たちの周りに非常にありふれていて、自動車の走行、ペンキ塗り、溶剤やスプレーの使用、調理など様々です。人間活動だけでなく、森林、海、土壌などからも発生しています。

Q： VOCは環境問題とどう関わっているのですか？

横内： 都市の場合、自動車や工場から排出されるVOCが窒素酸化物との光化学反応によって、オキシダントやスモッグの原因になっています。また、ベンゼンのように人体への直接的な有害性が問題になるものもあります。都市のVOCについては、環境儀No.5「VOC揮発性有機化合物による都市大気汚染」でわかりやすく紹介されています。また、成層圏オゾン破壊や地球温暖化などの地球環境問題にも、人類が作り出したフロンやハロンなどのVOCが関わっています。自然界から放出されるVOCについては、地球環境問題がクローズアップされるようになるまで余り注目されていなかったのですが、実は気候を左右するエアロゾルの原因物質としてとても重要な役割を担っています。

Q： 横内さんは1980年頃から自然起源VOCを研究していますが、どういう経緯で取り組み始めたのですか？

横内： 直接のきっかけは、米国のF.W.Went博士が書いた「Blue hazes in the atmosphere」(1960) という論文です。ここには、夏の日の田園地帯で見られるブルーヘイズ(青い靄)が植物の葉から放出されるVOC（主にテルペン類^＊ ）の反応によってできる微小粒子ではないか、さらに、植物起源VOCの年間放出量は地球全体では数億トンに及ぶだろうと書かれていました。ただ、その論文が出てから20年近く経っていたにも関わらず、大気中の植物起源VOCの動態やその反応生成物について研究はあまり進んでいないようでした。当時は国立公害研究所であり、「公害」研究が主要な業務でしたが、年間約1億トンという人為起源VOCよりも大量に放出されている自然起源VOCの実態を知りたく、また本当にブルーヘイズの原因になっているだろうかと興味を持ちました。幸い上司の理解も得られましたので、まず大気中のモノテルペンの測定法を開発しました。

＊テルペン類
イソプレン（C5H8）の整数倍の分子式持つ炭化水素の総称で、生体物質です。倍数が2以上のテルペン類は、モノテルペン(C10)、セスキテルペン(C15)、ジテルペン(C20)、セスタテルペン(C25)、トリテルペン(C30)、テトラテルペン(C40)等と呼ばれています。天然ゴムはイソプレンのポリマーです。大気中で検出されているテルペンはイソプレン、モノテルペンとセスキテルペンです。

Q：どのような観測を行って、何がわかりましたか？

横内：研究所の敷地内に松林がありますので、そこでモノテルペン類の測定を毎日1回行うことにして、1年間継続しました。その頃は松林は今よりも鬱蒼としていました。モノテルペン濃度は季節的には夏〜秋に高濃度となり、日毎にとても大きな変動を示しました。大気中のオゾン濃度と比較することにより、オゾンが多い場合、モノテルペン濃度が低くなるということがわかりました。このことは、松の葉から放出されたモノテルペンが大気中で短時間のうちにオゾンと反応してしまうことを示していました。それでは、この反応によって何ができるかということで、3種類のモノテルペンをそれぞれオゾンと反応させる室内実験をしました。この反応実験で生成したものを集めて、構造解析を行い、主な生成物を同定しました。これらを森林のエアロゾル中に見つけることができれば、ブルーヘイズの正体に近づくわけです。そこで、もっと規模の大きい千葉県清澄の東京大学演習林へ行き、ハイボリュームサンプラーという装置を使って、エアロゾルをろ紙の上に捕集しました。このろ紙から溶媒抽出した成分を分析した結果、α-ピネンの主要な反応生成物であるピノンアルデヒドが大量に存在することが見つかりました。これによって、植物起源VOCがブルーヘイズ、少なくとも森林エアロゾル中に存在し、ブルーヘイズの原因になることを支持する証拠を得たわけです。この研究で、2000年にHaagen-Smidt賞をいただきました。現在ではテルペン類の様々な反応生成物が森林地帯で見つかっています。

Q：ブルーヘイズは最近見られない気がしますが。

横内：確かに遠くの山は青く見えることが多いですが、「青い靄」を実感することは少ないですね。昔の本、たとえば、赤毛のアンの小説には「夏の昼下がりに青いもやが畑の斜面を覆っていた」とありますし、日本でも、昭和の初めの俳句に「分け入つても分け入つても青い山」（種田山頭火）というのがあります。おそらく、今の日本では人間活動による粒子が多く存在するため、植物起源VOCの反応生成物が、新粒子（二次エアロゾル）を生成する前に既存の大粒子にくっついてしまい、青色を反射する微小な新粒子ができにくいのではないかと考えています。数年前の4月下旬に、真っ青な筑波山を見ました。朝方に強い雨が降り、その後急に日が射してきた時でしたので、今のような感想を強く持ちました。最近は、ディーゼル車排ガス規制などによってエアロゾルが減る傾向にありますので、将来、郊外でブルーヘイズに遭遇したり、もっと青い山を見ることができるかもしれませんね。

Q：モノテルペン以外にどんなVOCが出ていますか？

横内：植物から放出されるVOCは大きく３つに分けられます。今お話した「モノテルペン」と「イソプレン」および「その他」です。「その他」には、いろいろな化合物が含まれますが、草の匂い成分として知られる青葉アルコールやセスキテルペン、メタノール等もこのカテゴリーに入ります。現在これらの地球全体での年間放出量の見積もりは、モノテルペンが約1.5億トン、イソプレンが約5億トン、その他が約5億トンですから、全体では全植物による純一次生産量（光合成による炭素吸収量から呼吸による炭素放出量を引いたもの）約600億トン（炭素換算）のおよそ２％に匹敵するものすごい量です。多くの植物がイソプレンとモノテルペンを放出しますが、特に熱帯林はイソプレンを多く放出しています。イソプレンとモノテルペンの大きな違いは、イソプレンが日中にしか放出されないのに対して、モノテルペンは1日中放出されていることです。また、モノテルペンより分子量の小さいイソプレンの反応生成物はエアロゾルにならないと思われていましたが、最近では極性が高い化合物が生成されており、粒子化するという報告がいくつかあります。植物起源VOCによって作られるエアロゾルの量がどのくらいかというと、非常に幅のある数字ですが、1000〜5000万トンの範囲だろうという報告が多く、人為起源VOCから生成する二次エアロゾルの見積もりを一桁上回っています。

Q：植物起源VOCが気候と関係しているというお話でしたが？

横内：実はこのエアロゾルが気候にとって重要な意味を持っています。VOC等の反応によって作られる微小な二次エアロゾルは太陽光を反射するので、地球を冷却化する方向に働きます。さらに一部は雲を生成するので、降水量やその分布も左右することになります。また、イソプレンの光化学反応ではオゾンが生成することが多く、同時にメタンの反応相手であるOHラジカルが消費されるので、メタンの増加につながります。オゾンもメタンも温室効果気体ですので今後の気候温暖化によって植物起源VOCが増えるか減るかは気候に重大な影響を及ぼし得るのです。

Q：そもそも植物は何のためにVOCを放出しているのですか？

横内：植物がせっかく光合成によって蓄えた炭素からわざわざ有機物を作ってなぜ大気中に放出するかは本当に不思議です。これまでに、イソプレンを放出することによって耐熱性を増す、虫よけや植物同士のコミュニケーションに役立つ、エネルギーと物質の排出手段であるなどの説が報告されています。大気に放出された後の変質まで考えれば、エアロゾルを作ることが、植物の日よけになっているかも知れないと思っています。アマゾンの熱帯林の写真ではよく樹冠上に靄が広がっているでしょう。もちろん水蒸気も必要ですが、靄（エアロゾル）になるためには、凝結核が必要であり、テルペン類の反応がそれを供給しているとも考えられます。この点、日中にしか放出されないイソプレンは、日中の日傘だけを供給するので、合理的かもしれません。