Doc:Radiation/Phytoremediation
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文責: 有田正規 (東大・理・生物化学） 質問、コメント、誤り指摘、リクエスト等は arita＠bi.s.u-tokyo.ac.jpまで
Contents |
ファイトレメディエーション
植物を利用して土壌中の汚染物質を除去する手法をファイト（植物による）レメディエーション（修復）と呼びます。主に土壌中の重金属や農薬、石油等を対象にしますが、放射性物質を対象にしたファイトレメディエーションもあります[1]。大きく分けて二つの手法があります[2]。
- ファイトエクストラクション ... 成長が早く重金属等を蓄積しやすい植物を植えて、土壌から汚染物質を除く
- リゾフィルトレーション ... 同様の植物を用いて、水中の金属イオン等を水耕栽培により除く
- まとめ
- ファイトレメディエーションは、植物を数年だけ植えて汚染を除去するような技術というよりも、10～20年かけて汚染地の景観美化も含めながら対策を考える技術である
- 土壌中のセシウムはほとんどが表層 5cm にとどまる[3]
- 土壌中のセシウムを、植物を使って除染することは難しい [4]
- セシウムは土壌中のミネラル分と強固に結合してしまうので植物が簡単に利用できない
- 土壌中のミネラルと結合したセシウムを水溶させるには、土壌の酸性化やアンモニウムイオンの添加が有効
- セシウムはカリウム不足のときに植物が誤って取り込むため、肥沃な土地ほど除染は困難
- 植物によって蓄積できる金属の量や種類は大きく異なる (陸上植物葉の元素濃度一覧)
- 除染の効率を総合するとヒユ科（たとえば西洋カラシナ）の植物が優れている
- ヒマワリ(キク科）は、低濃度の汚染水から放射性物質を吸収するのには優れるが地植えは薦められない
- イネ科は地上部を継続的に刈り取れるため、植物を植え続ける必要が無いところが利点
ファイトエクストラクション
鉛 Pb の場合
一般に鉛は植物が吸収できる形で土壌中に存在せず、pH 5.5-7.5 では Pb2+ は 10-8.5 M または 0.6 μg l-1 程度しか植物は利用できません。金属が溶出しやすいように土壌をEDTA (ethylene-dinitrilo-tetra-acetic acid)等で酸性にする必要があります。例えばカラシ菜(Indian mustard)の場合、EDTA等を土壌に加えないで5週間ほど草丈を大きくし、その後EDTAを添加して土壌を酸性にしてから１週間ほど吸収させることで、植物体の乾燥重量にして1%程度の鉛を蓄積できます。
- 用いられる植物
| 植物 | 蓄積量 | 説明 |
|---|---|---|
| Thlaspi rotundifolium (L.) Graud.-Beaup | 新芽に 8200 μg/g の鉛を蓄積[5] | イタリア北部の鉱山に自生する多年草。観賞用にもなる。草丈が 10cm と小さいために実用化は難しい |
| Brassica juncea (L.) Czern. からし菜 Indian mustard |
コントロールされた温室条件下では地上部の2% | 旺盛に成長するため応用が進んでいる |
セシウム Cs の場合
- 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)
Plants were grown at the Northwest border of Chernobyl, Ukraine, approximately 10 km south of the ChNPP reactor. Bioaccumulation coefficient was calculated as a ratio of 137Cs in the plant versus 137Cs in the soil. The soil is a sod podzolic with a loamy-sand texture. Cesium is accumulated in the top 5cm layer and the trial was mede in 1996, 10 years after the Chernobyl accident.
| Species | 植物体Cs／土壌Cs | 除去できた総量 (Bq m-2) |
|---|---|---|
| Amaranthus retroflexus L. cv. PT-95 | 1.50 | 3225 |
| Amaranthus retroflexus L. cv. aureus | 1.90 | 2440 |
| Amaranthus retroflexus L. cv. belozernii | 1.41 | 1392 |
| Amaranthus cruentus L. | 1.32 | 1251 |
| Helianthus tuberosum L. x Helianthus annuus L. | 0.49 | 1221 |
| Amaranthus caudatus L. | 2.03 | 1144 |
| Amaranthus cruentus L. cv. myronivka | 1.07 | 1053 |
| Helianthus tuberosus L. | 0.30 | 846 |
| Amaranthus hybridus L. | 0.60 | 719 |
| Amaranthus retroflexus L. cv. Antey | 1.07 | 641 |
| Amaranthus bicolor L. | 0.59 | 417 |
| Amaranthus cruentus L. cv. paniculatus | 0.53 | 412 |
| Zea mays L. | 0.28 | 409 |
| Helianthus annuus L. | 0.24 | 319 |
| Pisum sativum L. | 0.48 | 244 |
| Brassica juncea (L.) Czern. | 0.47 | 194 |
この報告では、セシウムの蓄積量がヒマワリ (H. annuus) よりもカラシナ (Brassica juncea) のほうが良く、除去できるセシウムの量はアマランサス（ヒユまたはケイトウ）類がヒマワリの10倍優れています。土壌にK+, EDTA, DTPA, Biogumusのような改良剤を入れても吸収量に変化はありません（ただしヒマワリだけはK+を増やすとCs吸収量がゼロに低下、カラシナは逆に向上）。根部には地上部の3∼4倍の放射性物質が蓄積、とあります。植物体の蓄積量は乾燥重量で1000 ∼ 3000 ベクレル/kg程度です。
- Fuhrmann M, Lasat MM, Ebbs SD, Kochian LV, Cornish J (2002) "Uptake of Cesium-137 and Strontium-90 from Contaminated Soil by Three Plant Species Application to Phytoremediation" Plant and Environment Interactions 31, 904-909
植物はブルックハーベン国立研究所にある廃棄物処理の実験場で栽培。表層20cmのセシウム-137濃度は11.8 kBq/kg、ストロンチウム-90は0.06 kBq/kg。砂性の水はけのよい土壌。
| Plant | 植物体Cs／土壌Cs | 植物体Sr／土壌Sr | Csを除去できた割合 |
|---|---|---|---|
| Brassica juncea (L.) Czern. (Indian mustard) | 0.46 | 8.2 | 0.078% |
| Amaranthus retroflexus L. (Redroot pigweed) | 2.58 | 6.5 | 2.1% |
| Phaseolus acutifolius A. Gray (Tepary bean) | 0.17 | 15.2 | 0.040% |
この報告では、植物体の収量が多いRedroot pigweedが最もセシウム除去に適する結果となっており、上記のチェルノブイリにおける栽培結果とも一致しています。また、室内のコントロール下では硝酸アンモニウムを足すことでセシウムの吸収量が上がったのにもかかわらず[6]、屋外の実験では必ずしもそうならなかったと記されています。これはアンモニウムイオンの土壌における滞留時間が短いためと推測されています。カラシナでは土壌中のセシウム濃度がある値を超えると、その量と吸収量が比例しない現象が観察されています。
実験場付近に生育する植物の放射性物質吸収量は、マリーゴールド(Tagetes spp.) 17.7 kBq/kg, ササフラス (Sassafras albidum (Nutt.) Nees) 0.56 kBq/kg, セイタカアワダチソウ (Solidago spp.) 4.7 kBq/kg, その他の草に 2.6 kBq/kg でした。
モデルの妥当性には疑問を呈しながらも得られた結果をもとにファイトレメディエーションを実行した場合、ストロンチウムの（半減期は考慮しないで）半分を回収するのに7年、セシウムの半分を回収するのに18年かかるという見積もしています。
- Entry JA, Watrud LS, Reeves M (2001) "Influence of organic amendments on the accumulation of 137Cs and 90Sr from contaminated soil by three grass species" Water, Air and Soil Pollution 126,385-398
植物はコントロールされた室内条件下で栽培。10x20 cm の排水口が無いプラスチック製容器の中で3ヵ月育てたあとに 3967 Bq Cs-137 または 4373 Bq Sr-90 を 10ml の水に混ぜて散布。土壌の放射線濃度はおおよそ 100+/-8 Bq/g Cs-137, 112+/-7 Bq/g Sr-90 とし、更に3ヵ月栽培して、草丈2.5cmより上を刈り取り。この収穫作業を2ヵ月おきに3回行い、地上部に蓄積されたCs量を計測。最後は根も取り出してCs量を計測。
| 肥料 | 植物 | 地上部に蓄積されたCs (3回の収穫合計)% |
根に蓄積されたCs(%) | Csを除去できた割合(%) |
|---|---|---|---|---|
| なし | Bahia grass | 17.2 | 7.3 | 24.5 |
| なし | Johnson grass | 27.1 | 12.6 | 39.2 |
| なし | Switchgrass | 23.5 | 14.3 | 37.8 |
| ピート | Bahia grass | 29.1 | 14.5 | 43.6 |
| ピート | Johnson grass | 40.8 | 22.0 | 62.8 |
| ピート | Switchgrass | 32.9 | 14.9 | 47.8 |
| 鶏糞 | Bahia grass | 25.3 | 11.2 | 36.5 |
| 鶏糞 | Johnson grass | 67.3 | 32.4 | 99.7 |
| 鶏糞 | Switchgrass | 39.4 | 14.9 | 54.3 |
ピートや鶏糞を施した場合は、植物の乾燥重量(バイオマス)が増え、結果としてセシウムやストロンチウムの吸収総量が増えています。栄養状態が良いと根を密に張り、養分の吸収が良くなるためと考えられます。また多くのセシウム（およびストロンチウム）が地上部に移動するため、刈り取ることで回収できています。数値をみるとセシウムおよびストロンチウムの回収率が極めて高いですが、Entryらは論文の末尾で屋外ではこの数値が達成できないことも記しています。
イネ科の植物は他にも試されており、Saltらは室内環境にあるAgrostis capillarisが土壌中のセシウムの29%を地上部に蓄積することを示しています[7]。この報告では牧草の地上部を家畜が食べることでセシウムの多くを摂取してしまう危険性を指摘しています。またCoughtryらはイギリス北西部・カンブリア地方における10地点の計測結果から1986年冬の時点で、降下したチェルノブイリ由来セシウムの4-19%が植物の地上部に蓄積しているとしています[8]。
リゾフィルトレーション
植物の水耕栽培により水中の汚染物質を除去する手法を、リゾフィルトレーションと呼びます。根の表面積が大きいほうが有利なので、ヒマワリやイネ科の植物など根を密に張る植物が用いられます。
セシウム Cs の場合
- 実験されている植物
| 植物名 | 蓄積量 | 説明 |
|---|---|---|
| Helianthus annus L. ヒマワリ (キク科) |
|
多くの実験はおおよそヒマワリ 1本あたり1リットル以下という大変密度の高い状況でおこなわれています。実際に汚染水を貯蔵した池などで実験をする際には、ポンプ等で汚染水をまんべんなく循環させ、ヒマワリの根に触れさせる必要が生じます。この条件さえ満たせれば、逆に、効率よくセシウムを吸収できるとも考えられます。
セシウムが蓄積される部位ですが、文献[9]では根の部分、文献[10]では若芽など成長が速い部分となっています。これはヒマワリの成長度合いによる差と考えられます。後者の文献では小さなヒマワリを高濃度のセシウム下で育てているため、回収率が前者より低くなっています。 |
| Calotropis gigantea R.Br. (キョウチクトウ科) | 10 ml の汚染水から、5 × 103 kBq/l の 90Sr および 137Cs を168時間後にそれぞれ 97%, 44% 吸収[11] | 南インド・ケララ地方のモナド石が出る地域に自生する多年性植物で、トリウムをよく吸収する（ウィキペディアのリンク）。Milkweedの名の通り、白い乳液（ラテックス）を出す。放射性物質は根の部分に多く蓄積。実験条件は汚染水に対し植物体の量が極めて多く、樹木を用いている点でも実用化は困難と思われる。 |
| Vetiveria zizanoides L. Nash (now Chrysopogon zizanoides) | 10 ml の汚染水から、5 × 103 kBq/l の90Sr および 137Cs を168時間後にそれぞれ 94%, 61% 吸収[12] | Vetiveriaは土壌流出を防ぐために用いられる重要な植物。実験条件は汚染水に対し植物体の量が極めて多い。イネ科の植物は重金属の回収などにもよく用いられる。 |
セシウム回収の難しさ
土壌のミネラル分との関係
セシウム-137の回収を難しくするのは、その不溶性 (< 0.3% が水溶性) です。有機酸や界面活性剤を土壌に混ぜても溶出せず、5 M の硝酸を過剰に加え、ようやく 20.7% を回収できる程度です。
セシウムの多くは土壌中のミネラル類と強固に結合していると考えられます[4]。そのためミネラルの多い粘土質の土地では植物中のセシウム量が少なく、有機分が多く根が張った土壌や砂地では植物中のセシウム量が増えることが一貫して報告されています。ただし、土を耕してセシウムを拡散させると植物体での蓄積量は減ります。また粘土中のミネラル分にセシウムが吸着する度合いは時間と共に進むため、セシウム降下後の約2年間にファイトエクストラクションをおこなうことが重要とロシア語の論文に書かれています。
カリウムおよびアンモニアとの関係
セシウムはカリウムと競合するので、カリウムが多い土壌では植物体における蓄積量が下がることが一貫して報告されています。 アンモニウムイオンが、土壌のミネラル分に吸着されたセシウムイオンを追い出すことも報告されていますが、アンモニア肥料を施すことが植物中のセシウム量を増やすかどうかは報告によって結果がまちまちです[13]。
- 屋内のコントロール条件下で、硝酸アンモニウム、塩化アンモニウムを土壌改良材として用いると、キャベツ、カラシナなど複数の植物でセシウム量が増加すること報告されています。ただし植物の生長も妨げられます
- 屋外では、アンモニウムイオンの効果が観測されません
- 参考文献
- ↑ Dushenkov S (2003) Trends in Phytoremediation of radionuclides Plant and Soil 249:167-175
- ↑ Dushenkov S, Kapulnik Y, Blaylock M, Sorochisky B, Raskin I, Ensley B (1997) "Phytoremediation: a novel approach to and old problem" In Global Environ Biotechnol (D.L. Wise Ed.) 563-572
- ↑ Rosen K, Oborn I, Lonsjo H "Migration of radiocaesium in Swedish soil profiles after the Chernobyl accident, 1987–1995" J Environ Radiology" 46(1), 45-66 journal link
- ↑ 4.0 4.1 日本土壌肥料学会によるセシウムの作物（特に水稲）系での動きに関する基礎的知見も参考にしてください。
- ↑ Reeves RD, Brooks RR 1983 "Hyperaccumulation of lead and zinc by two metallophytes from mining areas in Central Europe" Environ Pollut Ser A 31:277-285
- ↑ Lasat MM, Norell WE, Kochian LV (1997) Potential for phytoextraction of 137Cs from a contaminated soil" Plant Soil 195:99-106
- ↑ Salt CA, Kay JW, Donaldson L, Woolsey JM (1997) "The influence of defoliation intensity, season and leaf age on radiocaesium concentrations in Agrostis capillaris" Journal of Applied Ecology 34:1177-1189
- ↑ Coughtrey PJ, Kirton JA, Mitchell NG, Morris C (1989) "Transfer of radioactive caesium from soil to vegetation and comparison with potassium in upland grasslands" Environmental Pollution 62(4):281-315 PMID 15092335 この文献を後日Entryらが各所で引用する際に4-19%がFestuca/Agrostis属に蓄積されると記述していますが、誤っています。Entryらの論文は表に誤記も多く引用文献も一貫して著者名を間違えています。安易な孫引用には気をつけたほうが良いでしょう。
- ↑ 9.0 9.1 Dushenkov S, Vasudev D, Kapulnik Y, Gleba D, Fleisher D, Ting KC, Ensley B 1997 "Removal of Uranium from Water Using Terrestrial Plants" Environ Sci Technol 31:3468-74
- ↑ 10.0 10.1 Soudek P, Valenova S, Vavrikova Z, Vanek T (2006) "137Cs and 90Sr uptake by sunflower cultivated under hydroponic conditions" J environ Radioactivity 88:236-250
- ↑ Eapen S, Singh S, Thorat V, Kaushik CP, Raj K, D'Souza SF (2006) "Phytoremediation of radiostrontium 90Sr and radiocesium 137Cs using giant milky weed (Calotropis gigantea R.Br.) plants" Chemosphere 65:2071-2073
- ↑ Singh S, Eapen S, Thorat V, Kaushik CP, Raj K, D'Souza SF (2008) "Phytoremediation of 137cesium and 90strontium from solutions and low-level nuclear waste by Vetiveria zizanoides" Ecotoxicology and Environmental Safety 69:306-311
- ↑ Zhu YG, Smolders E (2000) "Plant uptake of radiocaesium: a review of mechanisms, regulation and application" Journal of Experimental Botany 51(351): 1635-1645
