東 北 大 学 大 学 院 環 境 科 学 研 究 科 第 4 回 震 災 フォーラム ヒ 素 汚 染 土 壌 の バイオレメディエーション 東 北 大 学 大 学 院 環 境 科 学 研 究 科 教 授 井 上 千 弘 東 北 学 院 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 教 授 遠 藤 銀 朗 2011.10.8 仙 台 国 際 センター
土 壌 地 下 水 汚 染 対 策 の 分 類 措 置 分 類 内 容 浄 化 原 位 置 浄 化 原 位 置 分 解 原 位 置 抽 出 汚 染 土 壌 地 下 水 に 含 まれる 汚 染 物 質 を 地 下 ( 原 位 置 )で 分 解 する 技 術 汚 染 地 下 水 または 土 壌 中 の 汚 染 物 質 を 分 離 し 地 上 に 取 り 除 く 技 術 封 じ 込 め 掘 削 除 去 原 位 置 封 じ 込 め 掘 削 除 去 後 封 じ 込 め 対 象 地 から 汚 染 土 壌 を 掘 削 する 技 術 現 場 の 土 壌 を 移 動 させずに 原 位 置 で 汚 染 土 壌 を 封 じ 込 める 技 術 土 壌 を 一 度 掘 削 してから 改 めて 汚 染 土 壌 を 封 じ 込 める 技 術 環 境 省 : 土 壌 地 下 水 汚 染 に 係 る 調 査 対 策 指 針 運 用 基 準 より 作 成
汚 染 物 質 ごとの 特 性 と 主 な 浄 化 方 法 物 質 揮 発 性 有 機 化 合 物 (VOCs) 重 金 属 等 特 性 揮 発 性 分 解 性 水 への 低 溶 解 度 揮 発 性 なし 分 解 性 なし 濃 縮 性 主 な 浄 化 手 法 物 理 的 な 分 離 熱 分 解 化 学 分 解 生 物 分 解 物 理 的 な 分 離 化 学 的 な 分 離 安 定 な 化 合 物 への 変 換 生 物 濃 縮
掘 削 除 去 法 汚 染 土 壌 を 掘 削 後 専 用 の 施 設 に 輸 送 し 適 正 な 処 置 をする 汚 染 土 壌 の 掘 削 トラック 輸 送 専 用 施 設 での 適 正 処 置 産 業 廃 棄 物 最 終 処 分 場 汚 染 土 壌 焼 却 処 理 施 設 セメント 工 場 など 汚 染 物 質 の 迅 速 確 実 な 除 去 依 頼 者 のニーズにマッチ 汚 染 土 壌 掘 削 除 去 の 現 場 産 業 廃 棄 物 最 終 処 分 場 汚 染 土 壌 焼 却 処 理 施 設 別 の 場 所 への 汚 染 物 質 の 移 動 エネルギーの 消 費 や 二 酸 化 炭 素 の 発 生 などの 大 きな 環 境 負 荷
1. 物 理 化 学 的 手 法 土 壌 汚 染 浄 技 術 の 比 較 長 所 短 期 間 で 処 理 可 能 短 所 処 理 費 用 が 高 い 消 費 エネルギー 量 が 大 きい 土 壌 機 能 の 破 壊 二 次 汚 染 低 濃 度 で 広 範 囲 の 汚 染 に 対 応 し 難 い 2. 生 物 学 的 手 法 微 生 物 浄 化 法 (バイオレメディエーション) 植 物 浄 化 法 (ファイトレメディエーション) 長 所 エネルギー 消 費 が 少 ない CO 2 の 排 出 が 少 ない 汚 染 物 質 の 適 用 範 囲 が 広 い 低 濃 度 広 範 囲 の 汚 染 に 対 応 可 能 太 陽 エネルギー 利 用 社 会 的 受 容 性 高 い 短 所 処 理 時 間 が 長 い 制 御 が 難 しい 植 物 の 選 定 が 必 要 である
ファイトレメディエーション (Phytoremediation) Phyton + remediation =phytoremediation 植 物 修 復 治 療 植 物 の 生 理 作 用 により 土 壌 から 汚 染 物 質 を 除 去 する 方 法 ( 主 として 根 から 吸 収 させ 葉 や 茎 に 蓄 積 させる) 広 義 の 意 味 では 植 生 浄 化 法 も 含 む( 栄 養 塩 や 有 機 物 の 浄 化 )
ファイトレメディエーションの 分 類 Hg Se
ファイトレメディエーションの 対 象 対 象 無 機 物 質 重 金 属 等 放 射 性 物 質 その 他 有 機 物 質 Cd Co Cr Cu Hg Ni Pb Se As 重 金 属 を 対 象 として 発 見 件 数 45 科 約 415 種 湾 岸 戦 争 後 の 重 油 中 の 重 金 属 の 回 収 Cs U 3 H Sr チェルノブイリ 原 発 事 故 ヒマワリの 植 生 ClO 4 F Na NH 4 B 有 機 塩 素 化 合 物 爆 発 物 多 環 芳 香 族 化 合 物 農 薬 殺 虫 剤 など TCE PAHs PCE TNT
ファイトエキストラクション (Phytoextraction) 対 象 とする 物 質 に 対 する 高 い 耐 性 および 蓄 積 性 を 有 する 植 物 を 利 用 して 土 壌 に 含 有 される 重 金 属 等 を 植 物 体 内 に 吸 収 蓄 積 する 機 能 植 物 のタイプとしては indicator : 土 壌 中 の 金 属 濃 度 に 比 例 して 蓄 積 するタイプ excluder: 金 属 を 排 除 し 吸 収 しないタイプ hyperaccumulator : 土 壌 中 の 濃 度 よりも 高 い 濃 度 の 金 属 を 蓄 積 するタイプ 重 金 属 の 除 去 効 率 は 次 式 で 表 される 重 金 属 除 去 量 (g/m 2 )= 植 物 体 中 重 金 属 濃 度 (g/kg) 植 物 体 生 産 量 (kg/m 2 )
ファイトレメディエーションに 利 用 可 能 な 植 物 の 要 件 高 蓄 積 性 植 物 であること 土 壌 中 の 汚 染 濃 度 よりも 植 物 体 中 の 蓄 積 濃 度 が 高 い 汚 染 物 質 に 対 する 耐 性 能 が 高 い バイオマス 量 が 多 い 植 物 根 の 成 長 範 囲 が 広 く 密 度 が 高 い 重 金 属 の 除 去 効 率 は 次 式 で 表 される 重 金 属 除 去 量 (g/m 2 )= 植 物 体 中 重 金 属 濃 度 (g/kg) 植 物 体 生 産 量 (kg/m 2 )
カドミウム 高 蓄 積 植 物 アルプスグンバイナズナ(Thlaspi caerulescens ) ヨーロッパ(アルプス 地 方 )で 広 く 自 生 植 物 乾 燥 重 量 あたり 最 大 でカドミウム1,800mg/kg 亜 鉛 51,600mg/kg を 蓄 積 ハクサンハタザオ( Arabidopsis halleri ssp.gemmifera ) 日 本 各 地 に 広 く 分 布 植 物 乾 燥 重 量 あたり 最 大 でカドミウム2,000mg/kg 蓄 積 ヨウシュヤマゴボウ 400mg/kg マリーゴールド 100mg/kg
ハクサンハタザオ( Arabidopsis halleri ssp.gemmifera ) アブラナ 科 シロイヌナズナ 属 の 越 年 草 わが 国 に 広 く 分 布 山 地 の 日 当 たりのよい 場 所 に 生 育 高 さは10~30 cm になる 4 月 から6 月 ごろに 白 い 花 を 咲 かせる
鉛 高 蓄 積 植 物 ソバ(Fagopyrum esculentum Moench) 緑 化 用 の 品 種 キレート 剤 を 併 用 した 場 合 植 物 乾 燥 重 量 あたり 最 大 で 鉛 22,000mg/kg を 蓄 積 ヒマワリ( Helianthus annsu) キレート 剤 を 併 用 した 場 合 植 物 乾 燥 重 量 あたり 最 大 で 鉛 1,000mg/kg を 蓄 積 カラシナ(Brassica juncea) キレート 剤 を 併 用 した 場 合 植 物 乾 燥 重 量 あたり 最 大 で 鉛 2,800mg/kg を 蓄 積
アマランサス(ヒユまたはケイトウ) 類 による 放 射 性 セシウムの 除 去 原 発 事 故 から10 年 後 チェルノブイリ 周 辺 の 土 壌 での 検 討 ( 土 質 はポドソル 放 射 性 セシウムは 地 表 から5cm 以 内 に 蓄 積 ) アマランサス 類 の 移 行 係 数 ( 植 物 体 Cs/ 土 壌 Cs)の 値 :1~2 他 の 植 物 より 高 い 値 を 示 し ヒマワリの10 倍 アマランサス 類 の 植 物 体 中 への 放 射 性 セシウム 蓄 積 量 は 乾 燥 重 量 で1000 3000 ベクレル/kg 程 度 Amaranthus retroflexus (アオゲイトウ) Dushenkov S, Mikheev A, Prokhnevsky A, Ruchko M, Sorochinsky B (1999) "Phytoremediation of Radiocesium-Contaminated Soil in the Vicinity of Chernobyl, Ukraine" Environ Sci Technol 33, 469-475
ヒ 素 高 蓄 積 植 物 モエジマシダ( Pteris vittata ) 亜 熱 帯 で 広 く 自 生 する 多 年 草 植 物 乾 燥 重 量 あたり 最 大 でヒ 素 22,630mg/kg 蓄 積 米 国 ではモエジマシダを 利 用 した 土 壌 浄 化 ビジネスが 開 始 されている わが 国 でも 実 汚 染 土 壌 への 適 用 が 開 始 ( 茅 ヶ 崎 市 )
モエジマシダ (Pteris vittata) 2001 年 にMaらにより フロリダのヒ 素 汚 染 土 壌 より 発 見 されNatureに 報 告 以 降 活 発 に 研 究 ヒ 素 を 高 濃 度 蓄 積 することが 可 能 であり バイオマスも 大 きく 除 去 能 力 が 高 い 最 大 ヒ 素 濃 度 22,630 mg/kg( 乾 燥 重 量 ) 以 上 1,500 mg/kg 模 擬 汚 染 土 壌 で6 週 間 栽 培 年 間 生 産 量 1m 2 あたり1~2 kg DW
モエジマシダを 用 いたファイトレメディエーション 乾 燥 重 量 の2%~を 蓄 積 する hyperaccumulater 90% 以 上 のヒ 素 を 羽 片 に 蓄 積 モエジマシダ (Pteris vittata) 再 資 源 化 バイオマス Asの 回 収 ヒ 素 化 合 物 の 取 り 込 み 弱 毒 と 高 蓄 積 ヒ 素 化 合 物 の 解 毒 地 上 部 の 回 収
津 波 被 害 の 状 況 ( 仙 台 市 ) 仙 台 市 水 田 面 積 5,545ha うち 津 波 被 害 面 積 1,645ha 地 震 による 用 排 水 路 の 崩 落 津 波 による 排 水 機 場 の 機 能 停 止 海 水 の 浸 入 による 塩 害 さらに 津 波 堆 積 物 の 影 響 の 懸 念 仙 台 東 部 道 路 雨 水 幹 線 七 北 田 川 塩 釜 亘 理 線 名 取 川 排 水 機 場
仙台市沿岸部水田の津波堆積物の状況 七郷地区 Na塩の影響で堆積物が固化し ひび割れが発生 津波堆積物 仙台市内のみで約130 万トン発生 がれき量100万トンに匹敵 水田作土の上に5cm程度堆積
海 底 のヒ 素 津 波 で 岸 に 東 北 大 岩 手 宮 城 の36 地 点 ヒ 素 を 含 む 海 の 泥 が 三 陸 沿 岸 に 打 ち 上 げられていることが 東 北 大 の 調 査 でわかった 環 境 基 準 を 超 える 濃 度 を 検 出 したのは 調 査 した 東 日 本 大 震 災 の 被 災 3 県 129 地 点 のうち36 地 点 土 屋 範 芳 同 大 学 院 教 授 は 過 去 に 流 れ 込 んで 海 底 にたまっていたヒ 素 が 津 波 で 巻 き 上 げられた ため とみている 東 北 沿 岸 にはかつて 鉱 山 が 多 く 製 錬 時 にヒ 素 や 重 金 属 が 出 ていた ヒ 素 は 自 然 界 にもあり 2006~08 年 の 東 北 大 調 査 でも 宮 城 県 沿 岸 の 土 壌 から 検 出 されていた ヒ 素 が 溶 けた 水 を 長 期 間 飲 むと 皮 膚 が 黒 ずみ 手 のひらや 足 の 裏 が 硬 くなる 肝 臓 や 腎 臓 の 機 能 が 低 下 することもある 稲 の 生 育 にも 影 響 を 与 える 恐 れがあるという 東 北 大 は6~7 月 岩 手 県 久 慈 市 から 福 島 県 相 馬 市 までの 海 岸 沿 いや 津 波 がさかのぼった 川 岸 で 津 波 で 海 から 運 ばれてきたとみられる 泥 を 採 取 測 定 した ヒ 素 の 環 境 基 準 ( 水 に 溶 け 出 すヒ 素 の 量 が1リットルあ たり0.01ミリグラム 以 下 )を 超 えた 地 点 があるのは 岩 手 宮 城 の 両 県 岩 手 県 の 大 船 渡 港 では 基 準 の5 倍 超 野 田 村 や 宮 城 県 の 岩 沼 市 と 名 取 市 で 約 4 倍 だった 土 屋 教 授 は 神 経 質 になる 必 要 はないが 4~5 倍 の 地 域 では がれき 撤 去 時 に 吸 い 込 まないよう 手 袋 やマスク 手 洗 いは 必 須 という 一 方 最 大 の25 倍 のヒ 素 を 検 出 した 宮 城 県 気 仙 沼 市 の 調 査 地 点 は 1 976 年 まで 金 を 採 掘 していた 大 谷 鉱 山 の 周 辺 製 錬 時 に 出 たヒ 素 を 含 む 鉱 滓 (こうさい)の 堆 積 (たいせき) 場 が 今 回 の 地 震 で 崩 れ 約 4 万 立 方 メートルの 鉱 滓 が 流 出 した 田 畑 や 川 の 下 流 へ 流 れ 落 ち 津 波 で 海 岸 ま で 広 がった 周 辺 では12 倍 と10 倍 の 濃 度 を 検 出 した 地 点 もあり すべ て 回 収 して 堆 積 場 に 戻 し 排 水 処 理 機 能 も 完 全 復 旧 させるには 約 2 年 か かる 見 通 しだ 土 屋 教 授 は 周 辺 の 井 戸 水 を 飲 んだり 地 下 水 や 川 沢 の 水 を 農 業 用 には 使 わないように と 呼 びかけている 今 回 の 調 査 では ほかに 環 境 基 準 を 超 えたカドミウムを1カ 所 鉛 を12カ 所 で 検 出 した 基 準 約 5 倍 の 鉛 を 検 出 した 岩 手 県 宮 古 市 以 外 は 基 準 より 少 し 高 い 程 度 だった ( 中 山 由 美 ) 2011 年 9 月 3 日 朝 日 新 聞 朝 刊 の 記 事
津 波 堆 積 物 の 重 金 属 汚 染 レベル は 土 壌 溶 出 量 基 準 の 数 倍 程 度 津 波 堆 積 物 の 分 析 値 の 一 例 ( 仙 台 市 内 の 試 料 ) ヒ 素 溶 出 量 : 23μg/L ( 土 壌 溶 出 量 基 準 の2.3 倍 ) ヒ 素 全 含 有 量 * :10mg/kg ( 土 壌 含 有 量 基 準 の1/15 以 下 ) * 蛍 光 X 線 分 析 による 測 定 値 農 用 地 の 基 準 は15mg/kg(1mol/Lの 塩 酸 抽 出 すべてのヒ 素 が 溶 けるわけではない) 土 壌 溶 出 量 の 測 定 方 法 ろ 液 を 分 析 固 液 比 1:10で 混 合 6 時 間 連 続 振 とう 遠 心 分 離 後 ろ 過 土 壌 から 地 下 水 への 汚 染 物 質 の 流 出 リスクを 想 定 したもの
植 物 を 利 用 した 津 波 堆 積 物 からのヒ 素 の 除 去 農 用 地 からの 津 波 堆 積 物 の 撤 去 は 困 難 汚 染 のレベルは 高 くないので 比 較 的 時 間 をかけた 浄 化 手 法 が 適 用 可 能 モエジマシダを 活 用 したファイトレメディエーション 東 北 学 院 大 学 遠 藤 銀 朗 教 授 との 共 同 研 究 三 井 物 産 環 境 基 金 (H23-H25 年 度 ) 津 波 による 有 害 無 機 化 合 物 汚 染 土 壌 の 生 物 浄 化 技 術 の 開 発 JST 研 究 シーズ 探 索 プログラム(23 年 度 ) 地 震 津 波 流 出 土 壌 の 生 物 浄 化 技 術 の 開 発
研 究 を 進 める 上 での 問 題 点 モエジマシダがどの 程 度 の 耐 塩 性 を 有 するかが 不 明 津 波 堆 積 物 を 用 いた 栽 培 試 験 実 験 室 での 耐 塩 性 試 験 の 実 施 来 年 度 以 降 実 際 のフィールドでの 栽 培 実 験
まとめ ファイトレメディエーションはヒ 素 汚 染 土 壌 の 浄 化 (モエジマシダを 利 用 )などで 一 部 実 用 化 されている 津 波 堆 積 物 のような 比 較 的 ヒ 素 含 有 量 が 低 い(しかしながら 溶 出 量 が 基 準 を 超 過 する) 土 壌 の 浄 化 には 有 効 な 手 法 である 津 波 堆 積 物 への 適 用 にはモエジマシダの 耐 塩 性 が 問 題 となる