溶存酸素と湖沼成層

酸素は生命の鍵であり、ほとんどの生物は、たとえ水中にいても酸素なしでは生きていけません。 季節ごとの天候パターンや水の物理的特性は、水柱全体の温度と溶存酸素濃度に影響を与えます。 なぜこれが重要なのでしょうか？ 季節の天候のパターンとサイクルは、水生環境がどれだけの生命を維持できるかに直接関係しているからです。

学年レベル。 中学校5年生～8年生

Performance Expectations:

• MS-ESS3-4 地球と人間の活動。
• MS-LS2-4 生態系：人間の人口と一人当たりの天然資源消費量の増加が地球のシステムにどのような影響を与えるか、証拠に裏付けられた議論を構築することができます。 相互作用、エネルギーと力学。 この学習により、生徒の学習意欲を向上させることができます。 このレッスンとアクティビティは、5E学習サイクルを利用しています。
  

  目標

  このレッスンを修了すると、生徒は以下のことができるようになります：

  • 温度成層とは何か、なぜ温帯地域の一部の湖が成層するのかを説明することができます。
  • 溶存酸素と水深のグラフを作成し解釈できる。
  • 低酸素地帯、無酸素地帯、死角を理解し定義できる。
  • 生物にとっての溶存酸素の重要性を議論できる。
  • 栄養分の投入と死角の関連性を理解できる。

  レッスン終了までに知っておきたい用語。

  • 溶存酸素
  • ターンオーバー
  • 大気拡散
  • 熱成層
  • ハイポリムニオン(Hypolimnion, メタリムニオンとエピリムニオン
  • 生産性
  • 低酸素地帯
  • 無酸素地帯
  • バクテリアによる分解

  背景

  晩春から初秋にかけてのことです。 温帯気候の湖沼では、湖沼が3つの温度層に分かれる「温度成層現象」が発生することがある（図1）。 太陽によって水面が温められると、水の密度が変化し、温度成層が始まる。 水温が低く、密度の高い水は湖底に沈み、ハイポリンニョンとなる。 その上に、エピリムニオンと呼ばれる暖かい水の層が浮いている。 上層と下層を分けるのは、メタリンニオン（またはサーモクライン）と呼ばれる薄い中間層で、水温が急速に変化するのが特徴である。 この分離は、しばしば風による層の混合に抵抗するほど強い。

  最も極端な温度成層は、暖かい夏の間に湖の中で起こる。 秋のターンオーバー時には、エピリムニオンが冷却され、沈み、サーモクラインの下に落ち、混合が生じる。 湖の温度成層は、湖の深さ、形状、大きさによって異なります。 小さくて浅い湖では、風によって湖全体が混合されるため、季節的な温度成層が発生しないこともある。 エリー湖のような他の湖では、地理的位置と水深の組み合わせにより、定期的に温度成層が発生します。

  
  図1：水温と湖の温度成層

  酸素は3つの経路で湖に入ることができます。 主なメカニズムは大気拡散で、大気中の酸素が酸素濃度の差によって表面水に吸収される。 次に、水生植物が光合成を行い、水中に酸素を放出する。 最後に、河川や小川が酸素を含んだ水を湖に運び込む。 成層湖では、ハイポリンジョンは大気拡散による酸素をほとんど受け取らず、暗すぎて酸素を産生する植物を養うことはできない。 河川からの流入は、エリー湖のような大きな水域の酸素含有量にわずかな影響しか及ぼさない。 したがって、夏の温度成層の間、深いハイポリンニオンにはほとんど溶存酸素が供給されない。

  湖沼はその生産性によって説明することができる。 これは、湖で利用可能な栄養素の量と、それらが支える一次生産、つまり植物や藻類の生育を意味する。 栄養（栄養または成長）状態を定義することは、生産性レベルの観点から湖を分類する手段である。 識別されたトロフィックレベルは次のとおりです：

  • Oligotrophic (olig-oh-trof-ik) – 貧栄養湖は、低い栄養濃度と低い植物成長（例：スペリオル湖）である。
  • Eutrophic (yoo-trof-ik) – 富栄養湖は、栄養濃度が高く、植物がよく生育する。 (例:エリー湖)。
  • 中栄養湖（meso-trof-ik）-中栄養湖は、富栄養湖と貧栄養湖の間のどこかに位置する。

  エリー湖のような富栄養湖では、夏の間、湖面に藻類が大量に繁殖する。 このようなブルームを形成するために、藻類は大量の栄養分を必要とする。 藻類が死滅すると、藻類は底に沈み、バクテリアによって分解される。 バクテリアによる分解、つまり生物学的に物質をより単純な要素に分離するためには、酸素が必要である。 酸素の消費とハイポリンニョンでの低酸素入力が組み合わさって、熱成層中の極端な低酸素レベルを作り出す。 1970～2002年のエリー湖のデッドゾーン。

  溶存酸素レベルが2mg/l以下になると、その水は低酸素と表現される。 0mg/lに近づくと、無酸素状態になります。 デッドゾーンは、湖の中で低酸素状態または無酸素状態になっている領域で、そこではほとんど生物が生存することができません。 デッドゾーンの中で酸素を消費する生物は窒息するか、その場所を離れていきます。 ミシガン州の水質基準によると、冷水魚には最低7mg/l、温水魚には最低5mg/lの酸素濃度が必要です（MDEQ、1994年）

  
  Figure 3. エリー湖水深図 (Credit:NOAA).

  エリー湖の浅い中央流域では、デッドゾーンが発生しています。 五大湖流域の科学者たちは、死角の形成に寄与するものをよりよく理解するために、水質データを収集し共有することによって、湖を監視しています。 最も使いやすいデータポータルの1つがGreat Lakes FieldScopeプロジェクトです。 ミシガン州シーグラントとナショナルジオグラフィックの協力で作られたこのプロジェクトは、五大湖地域の水質データを収集し、ユーザーが自分のデータを入力したり、グラフや地図を使って地域の水質データを調べることができるようになっています。 このプログラムはユーザーフレンドリーで、基本的な科学的探究を行うのに十分な堅牢性を備えており、熱成層や死角についての入門的なレッスンに最適です。 これは、Great Lakes FieldScopeプロジェクトのデータベース内に保存された水質データを調査し、FieldScopeベースの対話型分析およびマッピングツールを使用します。 このレッスンは、データワークシートとデータワークシートキーとともに、ミシガンシーグラントのウェブサイト（www.michiganseagrant.org/lessons/）にも掲載されています。 Explore Lessons & Dataタブをクリックし、Oxygen in Waterを検索します。

  Engage

  レッスンのこの部分は、生徒の興味を引き、可能なら以前のコースワークと関連づけ、トピックを紹介します。

  1. 夏の間に湖または池で泳いで、足元に冷たい水を感じた生徒がいるかどうかを尋ねることから始めてください。 もしそうなら、彼らは温度成層を感じたかもしれません。 生徒に温度成層を定義できるかどうか尋ね、上記の背景情報を使って温度成層とは何かを明らかにする。 なぜ水が成層するのかについて質問するように生徒を促します。 教育者は、成層熱を、油と酢で起こる層状化と関連付けることができます。 油と酢は密度が異なるため、一方が他方の上に浮きます。 これは、温度の異なる水と似ています。 冷たい水は温かい水より密度が高い。 密度の高い水は沈み、温度の高い水は浮き、こうして層ができます。
  1. 生徒が溶存酸素について知っているかどうかを尋ねます。 その考えを理解させるために、水族館でバブルストーンを見たことがあるかどうかを尋ねる。 もしあれば、なぜそれが使われるのかを尋ねます。 次のような答えが返ってくるかもしれません。 バブルストーンは水を循環させ、水槽内に直接酸素を送り込み、空気と接触する水の量を増やすことによって、水槽内の酸素濃度を高める。
  1. では、湖の規模での空気拡散について説明します。 湖はどのような方法で酸素を受け取ることができるでしょうか。 生徒が酸素拡散の 3 つの方法について知っているように、上記の背景情報について議論します。 ほとんどの生徒は植物が酸素を生産することを知っており、教育者はこの考えを水生環境と関連付けることができます。 湖で溶存酸素が重要だと思うのはなぜか、生徒に尋ねます。 陸上動物と同様に、水生動物も酸素を必要とすることを生徒に理解させます。 冷水魚と温水魚がどれくらいの酸素を必要とするかを説明します。 次に、温度成層によって一年のうち特定の時期に酸素濃度が非常に低くなることを説明します。 デッドゾーンの概念を導入する。 図2

  Explore &Explain

  • を表示する良い機会である。 溶存酸素が湖の深さと温度成層によってどのように変化するか（Great Lakes FieldScopeを使用）
    概要：生徒は、湖の温度成層と溶存酸素レベルが、湖の動物生命維持能力にどう関係しているかを説明することができます
    時間：50分授業

  Elaborate

  このセクションでは、生徒に低酸素に関する追加のリソースを提供します。 溶存酸素レベルが飲料水やレクリエーションなどの重要なサービスにどのような影響を与えるかについての情報が提供されます。

  リソース：

  • Harmful Algal Blooms and Hypoxia
  • Lake Erie Factsheet
  • Experimental Hypoxia Warning System
  • Hypoxia Factsheet
  • What is a Dead Zone
  • What causes a Dead Zone?

  質疑応答：

  • 溶存酸素濃度は湖に生息する生物にどのように影響しますか？
  • 人間の活動はデッドゾーンにどのような影響を及ぼしうるのですか？
  • 低酸素症はエリー湖の生態系/食物網にどのような影響を与えますか？

  生徒はここまで学んだことを組み合わせてミニレポートを作成し、その結果をクラスのみんなに発表してください。 レポートには、グラフ、ワークシートやディスカッションの質問に対する答え、このレッスンや以下に提供されるリソースから得た情報などが含まれるかもしれません。 レッスンと活動のこのセクションでは、教育者が学生の進歩を評価し、監視する柔軟性を与えます。

  学生が死角がどのように形成されるかを理解しているかを評価する方法の1つは、富栄養湖で死角を作るのに関わるステップの図を作成させることである。 その図は、湖を流れる箱と矢印で構成されるかもしれません。 まず栄養塩が投入され、次に藻類が繁殖し、枯れて湖底に沈む。 最後に、バクテリアが藻類を分解し、酸素濃度を低下させ、死水域が形成される。

  さらに、アクティビティとクラスでの議論に基づいて、生徒は以下のことができるようになる必要があります：

  • 温度成層とは何か、温帯地域の一部の湖が成層する理由を説明できるようになる。
  • 湖の温度成層が溶存酸素にどのように影響するかを理解する。
  • 溶存酸素と水深のグラフを作成し解釈する。
  • 生物にとっての溶存酸素の重要性について議論します。

  アクティビティ

  • 湖の深さと温度成層によって溶存酸素がどう変わるか（Great Lakes FieldScope使用）
    概要：生徒は湖の温度成層と溶存酸素濃度と動物生命維持能力に関する説明を行うことができるようになります。
    時間：50分授業
  • Graphing Temperatures
    Summary: Lake Erieの水温を湖面から湖底までグラフ化する。 50分授業1時限
    Dead Zones – Lesson 3 Activity A: Standards and Assessment
  • Air Supply: 溶存酸素のグラフ化
    概要：エリー湖の表面から底までの溶存酸素をグラフ化します。
    時間：50分×2コマ
    Dead Zones – Lesson 3 Activity B: 基準と評価

  追加図 & Resources

  • Lake Erie Bathymetry
  • Harmful Algal Blooms（有害藻類繁殖）

  。 and Hypoxia

• Lake Erie Factsheet
• Experimental Hypoxia Warning System
• Hypoxia Factsheet
• What is dead zone?
• デッドゾーンの原因は？

レッスン & データソース

Great Lakes Coastal Forecasting System. NOAA-Great Lakes Environmental Research Laboratory (GLERL) Ann Arbor, MI 48108. 著者 Schwab, DJ, Beletsky, D, Bedford, KW, Lang, GA.

Great Lakes Water Data Sets for Teachers（五大湖の水に関する教師用データセット）. Eastern Michigan University, Ypsilanti, MI 48197. NOAAの五大湖環境研究所の教育・アウトリーチオフィス（Ann Arbor, 48108）の支援によるプロジェクト。 著者 Rutherford, S, Coffman, M, Marshall, A, Sturtevant, R, Klang, G, Schwab, D, LaPorte, E.

Louisiana Marine Education Resources – Gateways to Aquatic Science.ルイジアナ州海洋教育リソース-． On Again, Off Again – The Dead Zone. Louisiana Sea Grant. ルイジアナ州立大学、バトンルージュ、LA 70803。 著者 Lindstedt, D.Website, accessed December 1, 2009.

Michigan Department of Environmental Quality (MDEQ).ミシガン州環境局. 1994. 溶存酸素. http://www.michigan.gov/documents/deq/wb-npdes-DissolvedOxygen_247232_7.pdf

Water on the Web – Minnesota Lakes on the Internet and Training Water Science Technicians for the Future – A National Online Curriculum using Advanced Technologies and Real-time Data.Web上の水モニタリング。 ミネソタ大学ダルース校、Duluth、MN 55812。 著者 Munson, BH, Axler, R, Hagley C, Host G, Merrick G, Richards C. Website, accessed December 1, 2009.

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