JP2007203146A - 重金属に汚染された媒体の浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】植物を用いたファイトレメディエーションによって、ヒ素などの重金属で汚染された媒体を効率良く浄化する方法を提供する。
【解決手段】ヒ素等の重金属により汚染された媒体１に、イネ科ノガリヤス属及び（又は）タデ科ギシギシ属の植物３を栽培する。ノガリヤス属やタデ科ギシギシ属の植物３は、生育過程で、媒体１中のヒ素などの毒性によって生育を妨げられるようなことがなく、このような重金属を、根３ｂから多量に吸い上げて高濃度で蓄積するため、所要の期間生育させた後、地上部３ａを刈り取って収穫することによって、重金属を媒体１から除去する。
【選択図】図３

Description

本発明は、重金属によって汚染された媒体、例えば自然由来のヒ素等の重金属によって汚染された土壌、堆積物、廃棄物、水等の媒体を、植物を用いて浄化する方法に関する。

重金属によって汚染された媒体を浄化する方法としては、従来から、例えば汚染土壌全体を掘削して管理型処分場で処理する方法や、セメントによる固化（例えば特許文献１参照）、化学薬品による不溶化処理、あるいは土壌洗浄といった手段が主流である。しかしこれらの処理方法は、高濃度の汚染地に対しては有効であるが、多量のエネルギー投入と、膨大なコストが必要であるため、低濃度の汚染地に対しては効率的ではない。

また、他の浄化方法としては、植物による重金属の吸収・蓄積能力を利用したファイトレメディエーション(Phytoremediation)技術が検討されている。ファイトレメディエーションは、環境要因の影響が大きく、すなわち植物の生育が気候に左右されやすく、浄化に長い時間を要するため即効性が低いなどの問題はあるが、低コストでしかも殆ど労力がかからず、環境調和型の技術であるといった点で、注目されている。

ところで、重金属のなかでも、無機ヒ素は極めて毒性の強い汚染物質であり、しかも発ガン性があることや、胎児に奇形を引き起こしたり突然変異の要因となることなどが指摘されているため、ヒ素により汚染された媒体の浄化は重要である。そして、ヒ素により汚染された媒体の浄化に好適なファイトレメディエーション技術としては、シダ植物Pteris属を用いた浄化方法（例えば特許文献２参照）が知られている。しかしながら、Pteris属は生育速度が緩慢で、耐寒性にも乏しく、寒冷地での栽培は困難であるため、適用できる期間や地域が限られているといった問題が指摘される。

特開２０００−５３９６１号公報 特開２００２−５４０９４３号公報

ところで近年、トンネル工事などの掘削工事によって、自然由来の重金属を含む掘削土から環境基準を超過して有害重金属や酸性水が流出する事例が確認されている。自然由来のヒ素等の重金属を含む地殻は、海生の泥岩等の堆積岩や、熱水変質の影響を受けた火山岩などに多くみられ、国内各地に存在している。そして、このような自然由来のヒ素等の溶出値が環境基準を超過する地殻を掘削すると、汚染残土が大量に発生するため、その処分及び管理方法が問題となる。

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、植物を用いたファイトレメディエーションによって、ヒ素などの重金属で汚染された媒体を効率良く浄化することができる方法を提供することにある。

上述の技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法は、重金属により汚染された媒体にイネ科ノガリヤス属（Calamagrostis）の植物及びタデ科ギシギシ属（Polygonaceae）の植物のうち一方又は双方を栽培し、所要の期間生育させた後、収穫することを特徴とするものである（請求項１）。なお、ここでいう媒体とは、土壌、水底堆積物、廃棄物、及び水などを総称するものである。

イネ科ノガリヤス属及びタデ科ギシギシ属の植物は、北海道を含む全国各地に自生する多年草であり、発明者の研究によれば、生育過程で、媒体中の重金属の毒性によって生育を妨げられるようなことがなく、このような重金属（典型的にはヒ素）を、根から多量に吸い上げて、根、葉、茎、及び種子などに高濃度で蓄積する能力があることが確認された。したがって、一定期間栽培した後、これを収穫することによって、重金属を媒体から除去することができる。

またイネ科ノガリヤス属の植物は、種子からの栽培が可能で、吹付けによって播種できるので、植付けが容易であり、高い植栽密度でもよく生育するので、被汚染媒体の表面を覆うように密生させることができ、このため風雨による汚染物質の拡散を抑制することができる。一方、タデ科ギシギシ属の植物は地下茎によって周囲に広がり群生する性質をもつので、種子からの栽培のほか、地下茎による増殖が可能である。

本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法において、一層好ましくは、栽培した植物の収穫を、地上部の定期的な刈り取りにより行うものである（請求項２）。

すなわち、イネ科ノガリヤス属及びタデ科ギシギシ属の植物は多年草であるため、播種あるいは苗の移植によって、浄化対象の媒体に植え付けた後は、地上部の定期的な刈り取りによって継続的に媒体の浄化を行うことができる。

本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法において、一層好ましくは、栽培するイネ科ノガリヤス属の植物が、シコクガリヤス、ヤマアワモドキ、コバナノガリヤス、ノガリヤス、サイシュウノガリヤス、キリシマノガリヤス、クジュウガリヤス、イワノガリヤス、アオイワノガリヤス、ヒナガリヤス、ザラツキヒナガリヤス、ヤマアワ、カニツリノガリヤス、シロウマノガリヤス、オニノガリヤス、イワキノガリヤス、ヒメノガリヤス、ヒゲノガリヤス、オオヒゲノガリヤス、ヤクシマノガリヤス、ムツノガリヤス、オオミネヒナノガリヤス、チシマノガリヤス、オニビトノガリヤス、ホッスガヤ、ミヤマノガリヤス、タカネノガリヤス、タシロノガリヤスから一種類以上選択される（請求項３）。

本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法において、一層好ましくは、栽培するタデ科ギシギシ属の植物が、ヒメスイバ、スイバ、タカネスイバ、ヌマダイオウ、カラフトダイオウ、ノダイオウ、アレチギシギシ、ギシギシ、ナガバギシギシ、キブネダイオウ、マダイオウ、コガネギシギシ、エゾノギシギシ、コギシギシから一種類以上選択される（請求項４）。

これらイネ科ノガリヤス属及びタデ科ギシギシ属の植物のうち、とくにヒメノガリヤスやヒメスイバは耐酸性が高く、したがって例えばヒ素を含む硫化鉄鉱などは、破砕された表面が空気に曝されると酸化し、硫酸を生じてヒ素の溶出が加速されるが、このような酸性条件の媒体でも十分に生育し、ヒ素等の除去が可能である。

本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法において、媒体は、例えば土壌、堆積物、又は廃棄物である（請求項５）。

また、本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法において、媒体が、土壌、堆積物、又は廃棄物からの浸出水である場合、栽培が、この浸出水を集水して行われる（請求項６）。

請求項１〜６の発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法によれば、ヒ素などの重金属で汚染された土壌、水底堆積物、廃棄物、及び水などの媒体に、イネ科ノガリヤス属の植物及びタデ科ギシギシ属の植物のうち一方又は双方を栽培することによって、低コストで汚染物質を除去することができる。しかもノガリヤス属の植物は在来種であるため、生態系への影響を抑制することができ、寒冷地での栽培も容易で生長速度も速いので、雪融けの遅い地域でも効率的な浄化が可能である。

以下、本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、浄化対象の掘削残土を示す説明図、図２は、浄化対象の掘削残土の表面にイネ科ノガリヤス属の植物の種子を播種した状態を示す説明図、図３は、イネ科ノガリヤス属の植物が生育した状態を示す説明図、図４は、イネ科ノガリヤス属の植物を刈り取った状態を示す説明図である。

各図において、参照符号１は、トンネル工事などの掘削工事によって発生した掘削残土（ズリ）で、自然由来のヒ素等の重金属を、環境基準を超える濃度で含むものであり、請求項１に記載された「汚染された媒体」に相当する。この掘削残土１は、まず図１に示されるように適当な高さに盛土する。

次に、図２に示されるように、掘削残土１の表面に、イネ科ノガリヤス属の植物（例えばヒメノガリヤス）及び（又は）タデ科ギシギシ属の植物（例えばヒメスイバ）の種子を混入させた泥土等からなる吹き付け材２を散布する。図３に示されるように、この種子から発芽した植物３は、３ヶ月程度で掘削残土１の表面を覆うように生長する。そしてその生長過程で、根３ｂから水や養分と共に掘削残土１から溶出したヒ素などの重金属を吸収し、葉や茎、花などの地上部３ａ及び根３ｂあるいは地下茎などの各部に蓄積して行く。また、植物３の生長につれて、根３ｂが伸びると共に根毛が発達し、地上部３ａも大きくなるので、重金属の吸収・蓄積量も増えていく。

なお、図示の例では、吹き付けにより播種するものとして説明したが、苗の移植によって植え付けても良い。吹き付けによる方法では、高い植栽密度にすることができ、しかも吹き付け材２で掘削残土１が覆われるので、その表面の酸化が抑制されると共に、風雨による汚染物質の拡散が防止される。また、栽培した植物３の生長を促進するための肥料などを散布することも好ましい。

３ヶ月程度の栽培によって、植物３の地上部３ａが十分に大きくなったら、この地上部３ａを刈り取って収穫する。これによって、掘削残土１から植物体地上部３ａに取り込まれた重金属が、この地上部３ａと共に掘削残土１から除去されることになる。

刈り取った植物体は、堆肥化すれば、減容することができると共に、内部に蓄積された重金属を濃縮することができる。この場合、堆肥化が十分に進んだら、これを焼却施設へ運搬して焼却等の処理を行う。また、他の処理法としては、酸分解によって汚染質の重金属を抽出したり、あるいは、堆肥化によって濃縮培地をつくり、これにイネ科ノガリヤス属及び（又は）タデ科ギシギシ属の植物を栽培することによって、更に高濃度に吸収蓄積させ、減容化を図ることもできる。

地上部３ａを刈り取っても、図４に示されるように、根３ｂあるいは地下茎は地中に残っており、イネ科ノガリヤス属やタデ科ギシギシ属の植物は多年草であるため、図４の状態から継続して地上部３ａが生長し、３ヶ月程度で再び図３のように繁茂する。したがって、積雪寒冷地でも、地上部３ａの定期的な刈り取りによって掘削残土１の浄化を継続的に行うことができる。

図５は、本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法の好ましい他の実施の形態として、掘削残土からの浸出水を浄化する方法を示す説明図である。すなわち、この図５において、参照符号１は、地盤に敷設した遮水シート４上に盛土された掘削残土で、請求項１に記載された「汚染された媒体」に相当し、自然由来のヒ素等の重金属を環境基準を超える濃度で含むものである。掘削残土１の表面は、風雨によって汚染物質が拡散しないように、泥土等からなる覆土５が所要の層厚で施される。

掘削残土１の下層部には所要数の排水管６が埋め込まれており、その外端が、掘削残土１の法尻に沿って形成した排水溝７の上に開口している。また、排水溝７の下流には集水池８が設けられ、この集水池８には、イネ科ノガリヤス属（例えばヒメノガリヤス）及びタデ科ギシギシ属（例えばヒメスイバ）のうち一方又は双方の植物３を栽培する。なお、集水池８の周囲には、部外者の立ち入りを禁止するための措置９を施す。

すなわち、この形態において、降雨による掘削残土１への浸透水には、掘削残土１からヒ素などの重金属が溶出する。このような汚染物質を含む浸透水は、遮水シート４によって地盤への浸透を遮断され、排水管６により排出され、排水溝７を介して集水池８に流れ込む。この集水池８で所要の密度で栽培されるイネ科ノガリヤス属あるいはタデ科ギシギシ属の植物３は、先に説明したように、生長過程で、水中のヒ素などの重金属を吸収し、蓄積するので、集水池８に流れ込んだ水が浄化される。

なお、掘削残土１の表面の覆土５は、例えば先に説明した図２のように、イネ科ノガリヤス属あるいはタデ科ギシギシ属の植物の種子を混入させた吹き付け材２によって形成したり、これらの植物の苗を移植して栽培すれば、先に説明した実施の形態との併用によって、一層効率の良い浄化を行うことができる。

北海道にある、高濃度のヒ素を含む硫化鉄鉱鉱床のズリ山から採取したヒメノガリヤス、ハルガヤ、ススキの地上部分を分解して、ＩＣＰ質量分析（誘導結合プラズマ質量分析）により植物体のヒ素含有量を測定した。なお、前記ズリ山は、硫化鉄鉱を採掘していた鉱山から発生した掘削残土を堆積した山である。

また、ＩＣＰ質量分析によるヒ素含有量の測定においては、前処理として、まず分析試料の植物体２０ｍｇに６１％硝酸を４ｍＬ加えて摂氏１２０度で加熱し、乾燥して固化させた。その後、３％硝酸を２ｍＬ加え、分析前に試料２０ｍＬをポリエチレンボトルに移し、３％硝酸で希釈した。分析確度・精度の検定は、国立環境研究所で調整したＮＩＥＳ Ｎｏ．１リョウブ（pepperbush）を用いた。ＩＣＰ質量分析装置は、ＥＬＡＮ６０００（パーキンエルマー社製）を用いた。

表１に示されるとおり、この測定結果、ヒメノガリヤスは、ハルガヤやススキに比較して数百倍のヒ素を吸収・蓄積することが確認された。

褐鉄鉱鉱床が崩壊し再堆積した、ヒ素を含む酸性硫酸塩土壌より採取したヒメノガリヤスとヒメスイバの地上部分を分解して、ＩＣＰ質量分析により植物体のヒ素含有量を測定した。土壌ｐＨは2.1と強酸性であった。

表２に示されるとおり、この測定結果、ヒメノガリヤス及びヒメスイバは、酸性土壌でもヒ素を高濃度で吸収・蓄積することが確認された。

ヒ素を含む海生の堆積泥岩の粉砕物を培地として、ポットを用いたヒメノガリヤスの栽培を行い、２ヶ月後、地上部を収穫して分解し、ヒ素濃度を水素化物発生法で測定した。

表３に示されるとおり、この測定結果、ヒメノガリヤスは、地上部における葉や穂にヒ素を高濃度で蓄積することが確認された。しかも、ヒ素濃度が低い培地でも、それよりも高い濃度でヒ素を吸収・蓄積可能であることがわかった。

ヒ素濃度が２１．７ｍｇ／Ｌの酸性鉱山廃水でヒメノガリヤスとヒメスイバを２週間水耕栽培した。その後、根と地上部を分けてそれぞれ分解し、ヒ素濃度を水素化物発生法で測定した。

表４に示されるとおり、この測定結果、ヒメノガリヤスとヒメスイバは、ヒ素を含む酸性の水溶液からヒ素を高濃度で吸収・蓄積することが確認された。しかも、水溶液のヒ素濃度よりも高い濃度でヒ素を吸収・蓄積可能であることがわかった。

上述の各種測定結果から、ヒメノガリヤス及びヒメスイバは、ヒ素の毒性によって生育を妨げられるようなことがなく、しかも耐酸性にも優れ、媒体中のヒ素を多量に吸い上げて、体内に高濃度で蓄積することが確認された。したがって、ヒ素により汚染された媒体をファイトレメディエーションによって浄化するのに好適な、ハイパーアキュムレータ（Hyperaccumulator）として利用し得ることが確認された。また、ヒメノガリヤス及びヒメスイバは、廃水から多量のヒ素を吸収・蓄積することが確認された。このため、水耕栽培によって廃水からヒ素を除去する廃水処理手段や、図５のような汚染土からの浸出水の処理手段としても有効であることがわかった。

浄化対象の掘削残土を示す説明図である。 本発明の浄化方法において、浄化対象の掘削残土の表面にイネ科ノガリヤス属の植物の種子を播種した状態を示す説明図である。 本発明の浄化方法において、イネ科ノガリヤス属の植物が生育した状態を示す説明図である。 本発明の浄化方法において、イネ科ノガリヤス属の植物を刈り取った状態を示す説明図である。 本発明に係る重金属に汚染された媒体の浄化方法の好ましい他の実施の形態として、掘削残土からの浸出水を浄化する方法を示す説明図である。

符号の説明

１ 掘削残土（媒体）
２ 吹き付け材
３ 植物
３ａ 地上部
３ｂ 根
４ 遮水シート
５ 覆土
６ 排水管
７ 排水溝
８ 集水池

Claims (6)

1. 重金属により汚染された媒体にイネ科ノガリヤス属（Calamagrostis）の植物及びタデ科ギシギシ属（Polygonaceae）の植物のうち一方又は双方を栽培し、所要の期間生育させた後、収穫することを特徴とする重金属に汚染された媒体の浄化方法。
2. 収穫を、地上部の定期的な刈り取りにより行うことを特徴とする請求項１に記載の重金属に汚染された媒体の浄化方法。
3. 栽培するイネ科ノガリヤス属の植物が、シコクガリヤス、ヤマアワモドキ、コバナノガリヤス、ノガリヤス、サイシュウノガリヤス、キリシマノガリヤス、クジュウガリヤス、イワノガリヤス、アオイワノガリヤス、ヒナガリヤス、ザラツキヒナガリヤス、ヤマアワ、カニツリノガリヤス、シロウマノガリヤス、オニノガリヤス、イワキノガリヤス、ヒメノガリヤス、ヒゲノガリヤス、オオヒゲノガリヤス、ヤクシマノガリヤス、ムツノガリヤス、オオミネヒナノガリヤス、チシマノガリヤス、オニビトノガリヤス、ホッスガヤ、ミヤマノガリヤス、タカネノガリヤス、タシロノガリヤスから一種類以上選択されることを特徴とする請求項１に記載の重金属に汚染された媒体の浄化方法。
4. 栽培するタデ科ギシギシ属の植物が、ヒメスイバ、スイバ、タカネスイバ、ヌマダイオウ、カラフトダイオウ、ノダイオウ、アレチギシギシ、ギシギシ、ナガバギシギシ、キブネダイオウ、マダイオウ、コガネギシギシ、エゾノギシギシ、コギシギシから一種類以上選択されることを特徴とする請求項１に記載の重金属に汚染された媒体の浄化方法。
5. 媒体が、土壌、堆積物、又は廃棄物であることを特徴とする請求項１に記載の重金属に汚染された媒体の浄化方法。
6. 媒体が、土壌、堆積物、又は廃棄物からの浸出水であり、栽培が、この浸出水を集水して行われることを特徴とする請求項１に記載の重金属に汚染された媒体の浄化方法。

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