JP2011045875A - カドミウムおよび亜鉛回収のためのＴｈｌａｓｐｉｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ亜種 - Google Patents

Abstract

【課題】土壌からカドミウムおよび亜鉛を除去するための方法を提供すること
【解決手段】 本発明は、カドミウムおよび亜鉛をハイパーアキュムレートするＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ由来の亜種、ならびに植物抽出技術を使用して、土壌からカドミウムおよび亜鉛を除去するための方法、および必要であればカドミウムおよび亜鉛を回収するための方法に関する。この方法は、地上組織にカドミウムおよび亜鉛を蓄積する少なくとも一種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ由来の亜種を、カドミウムおよび亜鉛を含む土壌で栽培する工程を包含する。
【選択図】 なし

Description

（発明の背景）
連邦政府後援の研究および開発の下でなされた発明の権利に関する陳述
本発明の開発の間になされた研究の一部は、米国政府基金を利用した。米国政府は、本発明において特定の権利を有する。

（発明の分野）
本発明は、カドミウムおよび亜鉛をハイパーアキュムレート（ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｅ）する植物、ならびに土壌からカドミウムおよび亜鉛を回収するためのその使用に関する。

（関連分野）
採鉱、精錬、および製造廃棄物の処理のような産業上の実施は、環境における毒性金属の濃度を増加させてきた。例えば、多くの亜鉛採鉱および精錬の用地では、土壌中の亜鉛およびカドミウムのレベルが非常に高くなったので、わずかな植物しか残存せず、局所的な生態系の深刻な崩壊を生じた。一旦、亜鉛およびカドミウムが土壌に入ると、それらは比較的不動であり、かつより毒性のない物質へ分解しないので、それらの除去は難しい。精錬および採鉱廃棄物により影響を及ぼされる面積の大きさは、通常、非常に大きいので、土壌の除去および交換のような土壌改善の工学方法は非常に高価で実践的でない（Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍら，Ｔｒｅｎｄｓ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏl．１３：３９３−３９７（１９９５））。

特定の植物種の、金属を含有する土壌において生長する能力、およびその組織中に重金属を活発に蓄積する能力は、金属を回収し、そして／または土壌を除染するために、土壌から金属を抽出するためのこのような植物を用いることへの関心を引き起こした。例えば、ハイパーアキュムレーター（ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）は、採鉱廃棄物から堆積する稲田におけるカドミウムのレベルを減少させるために用いられ得る。汚染された田畑で生産された米粒の長期消費は、たとえカドミウム濃度が低くてもヒトおよび動物の健康を害し得る。もし、米がカドミウムを吸収する能力をほとんど有しない土壌で生長すると、約１．０ｐｐｍの低い濃度のカドミウムが、害を及ぼし得る。さらに、例えば工業上の事故により堆積した高いレベルの土壌の金属は、ハイパーアキュムレーターを用いて除去され得る。このような除去は、経済的に可能である。

汚染された土壌で、汚染物質を抽出するために植物（作物を含む）を栽培することは、植物抽出（ｐｈｙｔｏｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）といわれる。この方法は、土地の肥沃と風景を保護しながら、崩壊および分散をほとんど引き起こさないので、特に、汚染された耕作に適した土壌において有効である。

特定の型の土壌および地質材料（蚊紋石、ラテライト蚊紋石、超苦鉄質土壌および隕石が衝突した土壌を含む）が、ニッケルおよびコバルトならびに他の金属に富むことは、長い間公知である。これらの土壌は都合良く、金属を蓄積する植物と共に採鉱または耕作され得る。このような鉱物を含む（地学的な（ｇｅｏｇｅｎｉｃ））土壌から金属を抽出するために植物を使用することは、植物採鉱（ｐｈｙｔｏｍｉｎｉｎｇ）といわれる。

Ｔｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ（アルプスグンバイナズナ）（アブラナ科の非収穫性の一種）は亜鉛およびカドミウム寛容性であり、非常に高レベルの両金属を苗条組織（ｓｈｏｏｔ ｔｉｓｓｕｅ）に蓄積する。しかしながら、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの土壌改善のための有益性は、その大きさが小さいこと（高さ約１５ｃｍ）、成長速度が遅いこと、およびロゼット型の生長傾向（これらは機械的収穫を困難にする）により制限されると考えらる。６ヶ月の栽培期での乾燥重量収穫高は、１ヘクタール当たり５ｔと見積もられた（Ｃｈａｎｅｙら，Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｏｐｉｎｉｏｎ ｉｎ Ｂｉｏｔｅｃｈ，８：２７９〜２８４（１９９７））。予備的な温室および実地研究での結果に基づき、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓを用いた亜鉛汚染土壌の植物改善のために必要な時間は、１３年から２８年の間であると見積もられた。

Ｂｒｏｗｎら，Ｓｏｉｌ Ｓｃｉ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｊ．５９：１２５〜１３３（１９９５）は、２年間の実地研究を行い、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ、Ｓｉｌｅｎｅ ｖｕｌｇａｒｉｓ（シラタマソウ、亜鉛寛容性の非ハイパーアキュムレーター）およびレタスを成熟期までまたは２．５〜４．５ヶ月の間、少なくとも１３年前に３つの異なるバイオソリッド処理を受けた土地で栽培した。より低い土壌ｐＨおよびより高い土壌ｐＨに対して最大限の土地がこの野外に存在するように、それぞれの土地のｐＨは２つのレベル（約ｐＨ５．０および約ｐＨ６．５）に調節した。研究のため、それぞれの土地の３つの複製に植え付けた。バイオソリッド処理された土壌の金属成分は、それぞれ１１９、１４４および１８１ｍｇ／ｋｇの亜鉛、ならびに１．０、３．０および５．５ｍｇ／ｋｇのカドミウムであった。苗条の亜鉛濃度はＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓにおいて最も高く、最大で４４４０ｍｇ／ｋｇであった。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓのカドミウム濃度（最大金属濃度および最小ｐＨを有する土壌で最大値２８ｍｇ／ｋｇに達した）は、レタスのカドミウム濃度と有意には異ならないが、Ｓ．ｖｕｌｇａｒｉｓのカドミウム濃度（１８ｍｇ／ｋｇのカドミウム）よりは高かった。しかしながら、著者らはＳ．ｖｕｌｇａｒｉｓがカドミウムの植物改善のためのより良い選択であり得ることを提案する。なぜなら、Ｓ．ｖｕｌｇａｒｉｓはＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓより低い濃度のカドミウムをその苗条組織に蓄積するものの、Ｓ．ｖｕｌｇａｒｉｓのより活発な生長が、定着し、そして収穫することを容易にするからである。

Ｉｎ Ｓｉｔｕ Ｂｉｏｒｅｃｌａｍａｔｉｏｎ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
ａｎｄ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｅｄ Ｓｉｔｅ Ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ，Ｒ．Ｆ．ＨｉｎｃｈｅｅおよびＲ．Ｆ．Ｏｌｆｅｎｂｕｔｔｅｌ（編），Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ−Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ，Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ，６００〜６０５頁（１９９１）におけるＢａｋｅｒら，「Ｉｎ ｓｉｔｕ Ｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｍｅｔａｌ Ｐｏｌｌｕｔｅｄ Ｓｏｉｌｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃｒｏｐｓ ｏｆ Ｍｅｔａｌ−ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ Ｐｌａｎｔｓ−Ａ Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ」は、温室研究を行った。その研究において、３つのハイパーアキュムレーター（Ｔｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ、Ａｌｙｓｓｕｍ ｌｅｓｂｉａｃｕｍおよびＡｌｙｓｓｕｍ
ｍｕｒａｌｅ）ならびに３つの非ハイパーアキュムレーター（Ｂｒａｓｓｉｃａ ｏｌｅｒａｃｅａ（キャベツ）、ｒａｐｈａｎｕｓ ｓａｔｉｖｕｓ（ラディシュ）およびＡｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ ｔｈａｌｉａｎａ）を、１９４２年から１９６１年まで高金属下水汚泥が適用され、３８０ｍｇ／ｋｇの亜鉛および１１ｍｇ／ｋｇのカドミウムという金属含有量（両者ともヨーロッパ（ＥＣＣ）規制レベル、即ち、３００ｍｇ／ｋｇの亜鉛および３．０ｍｇ／ｋｇのカドミウムを超過している）を生じた土壌で５週間栽培した。しかしながら、ハイパーアキュムレーター植物は、汚染された土壌から経済的に有益なレベルの金属を蓄積をしなかった。例えば、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ中に残った亜鉛含有量は、乾燥重量１ｋｇ当たり約２０００ｍｇであり、そして、カドミウム含有量は乾燥重量１ｋｇ当たり約２０ｍｇであった。

実地研究において、Ｂａｋｅｒら，Ｒｅｓｏｕｃｅｓ，Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ １１：４１〜４９（１９９４）は、２つのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ集団を含むハイパーアキュムレーター６種および３つの非アキュムレーター種（Ｂｒａｓｓｉｃａ ｎａｐｕｓ（ナタネ）およびラディッシュを含む）を、４４４ｍｇ／ｋｇの亜鉛および１３．６ｍｇ／ｋｇのカドミウム（ｐＨ６．６）を含む下水汚泥で汚染された土壌で５〜６ヶ月栽培した。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの地上のバイオマスにおける亜鉛の最大濃度は、６５００ｍｇ／ｋｇであった。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓは、土壌からの最大の亜鉛除去率を有し、１ヘクタール当たり３０ｋｇの亜鉛を抽出する。

亜鉛およびカドミウムをハイパーアキュムレートする公知の植物を用いて得られた結果の観点から、植物抽出について、価格について、そして土壌除染についてより効率良く、土壌からより多くの金属を除去し得る、大きくおよび／またはより活発なハイパーアキュムレーター植物を所有することが所望される（植物からの金属回収は費用有効的ではないが、そのプロセスは土壌汚染を効果的に除去する）。一般的に、植物改善のためおよび／または植物抽出のために、土壌は約１．０ｐｐｍより多く、約１０，０００ｐｐｍまでのカドミウム、および／または約３００ｐｐｍより多く、約１００，０００ｐｐｍ〜１５０，０００ｐｐｍまでの亜鉛を含む。

Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍら，Ｔｒｅｎｄｓ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏl．１３：３９３−３９７（１９９５） Ｃｈａｎｅｙら，Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｏｐｉｎｉｏｎ ｉｎ Ｂｉｏｔｅｃｈ，８：２７９〜２８４（１９９７）

本発明は、上述した先行技術の課題を解決する。

（発明の要旨）
従って、本発明は、亜鉛およびカドミウムをハイパーアキュムレートする植物、ならびに植物抽出技術を用いて亜鉛およびカドミウムのような金属を回収するシステムに関する。

カドミウムおよび／または亜鉛を、カドミウムおよび／または亜鉛を含む土壌から回収する好ましい方法は、地上組織中にカドミウムおよび亜鉛を蓄積し、そして必要に応じて生成されたカドミウムおよび亜鉛を回収する、少なくとも１種類のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を栽培する工程を含む。

好ましい実施形態において、その少なくとも１種類のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、地上組織中に乾燥重量ベースで約０．０１％（１００ｍｇ／ｋｇ）から約０．６％（６０００ｍｇ／ｋｇ）のカドミウム、および／または地上組織中に乾燥重量ベースで約０．５％（５０００ｍｇ／ｋｇ）から約３．０％（３０，０００ｍｇ／ｋｇ）の亜鉛を蓄積する。

より好ましい実施形態において、その少なくとも１種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇ当たり約１０００〜約６０００ｍｇのカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇ当たり約１５，０００〜約３０，０００ｍｇの亜鉛を蓄積する。

１つの実施形態において、少なくとも１種類のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は金属の蓄積後、バイオマス材料として収穫され、そして金属はバイオマス材料から回収される。

別の実施形態において、金属は、存在する有機物質を酸化し、そして蒸発させるように、収穫されたバイオマス材料を乾燥し、燃焼することにより回収される。

別の実施形態において、金属は、収穫されたバイオマス材料から、エネルギー回収を伴って灰となる焼却および還元により回収され、カドミウムおよび／または亜鉛を含む鉱石を生じる。

別の実施形態において、土壌は酸性にされるか、または少なくとも１種類のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物の栽培の前に、少なくとも１種類の塩化物塩が土壌に添加される。

本発明はさらに、カドミウムおよび／または亜鉛を含む土壌を除染する方法に関し、その方法は、乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇ当たり約１００から約６０００ｍｇまでのカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇ当たり約５０００から約３０，０００ｍｇまでの亜鉛を蓄積する少なくとも１種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を、その少なくとも１種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物がこのような量のカドミウムおよび／または亜鉛を蓄積するのを許容するのに充分な条件下で栽培する工程を含む。

本発明はさらに、カドミウムおよび／または亜鉛を含有する土壌で栽培され、地上組織中に、組織の乾燥重量１ｋｇ当たり約１００ｍｇから組織の乾燥重量１ｋｇ当たり約６０００ｍｇまでの濃度でカドミウムを蓄積し、そして／または地上組織中に、組織の乾燥重量１ｋｇ当たり約５０００ｍｇから組織の乾燥重量１ｋｇ当たり約３０，０００ｍｇまでの濃度で亜鉛を蓄積する、単離されたＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物に関する。

本発明はさらに、Ｔｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物の花粉に関する。

本発明はさらに、Ｔｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物の全ての生理学上および形態学上の性質を有する植物に関する。

本発明はさらに、Ｔｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物の増殖物質に関する。

好ましい実施形態において、単離されたＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物はＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５である。

本発明はさらに、栽培されたＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５（その種子は、ＡＴＣＣ受託番号第２０３４３９号に寄託されている）に関する。

本発明によれば、後述するとおりの効果が達成される。

図１は、植物苗条中のカドミウム摂取における遺伝子型の差、を図示する。 図２は、亜鉛およびカドミウムで汚染された土壌から収集されるいくつかのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ遺伝子型の苗条中の、Ｃｄ：Ｚｎ比を示す、図である。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明では、特定の金属が、金属含量の多い土壌から、金属−ハイパーアキュムレーター（ｈｙｐｅｒａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）として分類される植物を使用する植物抽出技術を使用して、選択的に回収され得るということが、開示された。金属含量の多い土壌で選択された植物を栽培することによって、その根によって吸収された高濃度の金属は、地上組織（例えば、茎、葉、花ならびに葉および茎の組織）に転流される。このことは、土壌から抽出される金属の回収を容易にし、その結果金属で汚染された土地は再生させられ得、そしてこれらの金属は随意に収集される。

１つの実施形態では、カドミウムおよび／または亜鉛は、カドミウムおよび／または亜鉛を地上組織に蓄積する少なくとも１つのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を栽培し、そして生成されたカドミウムおよび／または亜鉛を回収することによって、カドミウムおよび／または亜鉛を含む土壌から回収される。

土壌の改善のための好ましい実施形態では、少なくとも１つのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、乾燥重量ベースで地上組織中に約０．０１％（約１００ｍｇ／ｋｇ）から約０．６％（６０００ｍｇ／ｋｇ）のカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織中に約０．５％（５０００ｍｇ／ｋｇ）から約３．０％（３０，０００ｍｇ／ｋｇ）の亜鉛、を蓄積する。

金属回収のための好ましい実施形態では、少なくとも１つのＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、乾燥重量ベースで地上組織中に約０．１％（１０００ｍｇ／ｋｇ）から約０．６％（６０００ｍｇ／ｋｇ）のカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織中に約１．５％（約１５，０００ｍｇ／ｋｇ）から約３．０％（３０，０００ｍｇ／ｋｇ）の亜鉛、を蓄積する。

より好ましい実施形態では、ハイパーアキュムレーターは、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５（Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの亜種）であり、これはその他の亜鉛−アキュムレーターまたはその他のＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ亜種よりも、ずっとより多くのカドミウムを蓄積する（図２）。詳細には、この亜種は、少なくとも約１０００ｍｇ／ｋｇのＣｄ乾燥苗条および少なくとも約１８，０００ｍｇ／ｋｇのＺｎ乾燥苗条、を蓄積する能力を有する（図１）。

栽培の後、ハイパーアキュムレーター植物は、従来の様式（すなわち、この植物を土壌レベルで切ることによって）で収穫され得る。次いで、この収穫された材料は、植物の組織中に存在する大部分の水分を除去するために、アルファルファが乾燥される様式とほぼ同じ様式で乾燥するために、放置され得る。乾燥工程の後、植物組織は、乾草作製の通常の農業慣行によって、圃場から収集され得、焼却され得、そしてエネルギー回収を伴うかまたは伴わないで灰にされ得る。あるいは、乾燥された植物材料は、濃酸で加水分解され得、米国特許第５５，４０７，８１７号、同第５，５７１，７０３号および同第５，７７９，１６４号に従って回収される糖および金属を生成する。次いでこれらの糖は、発酵させられ得、エタノールを生成する。

あるいは、ガス状のＣｄおよびＺｎ金属が、大部分の灰成分から分離される高温ガス（より高温またはより低温で、液体の蒸留および異なる留分の異なる温度での回収と類似の様式で濃縮する）から濃縮されるように、焼却炉からの排出ガス（ｏｆｆ ｇａｓ）の温度は、モニターされ得る。通常の鉱石では、これは、精錬所での第一の処理工程において不可能である。しかし植物抽出の植物の焼却では、蒸留は、燃焼および電力生成の間おそらく効果的である。

またあるいは、生じた乾燥植物材料は、公知の焙焼、焼結または精練方法によってさらに処理され得、これらの方法は、灰または鉱石中の金属が、従来の金属精錬方法（例えば、酸溶解および電解採取）に従って回収されることを可能にする。

従来の約２６０℃から約１０００℃の、精練、焙焼および焼結温度は、乾燥された植物材料を燃焼し、存在する有機材料を酸化および気化させるのに十分である。これにより、金属精練を妨害することで知られる汚染物質をほとんど含まない、蓄積された金属の残渣が残る。さらに、灰中のその他の成分（例えば鉛）の濃度は、従来の採掘された鉱石の濃縮物よりも低いことが期待される。

好ましい実施形態では、植物の組織は収集され、焼却されそしてエネルギー回収とともに灰になる。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの灰中の要素は、灰からのＺｎおよびＣｄの回収の妨害をほとんど生じない。結果として、高品位鉱石の植物灰である。

亜鉛およびカドミウムの植物抽出におけるＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの有用性の評価では、最初に実験研究を行い、ここでＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの２０の遺伝子型を、異なる汚染部位から収集した。１２週間の間、収集された植物を、高濃度の亜鉛およびカドミウム（２０００ｍＭ Ｚｎ、４０ｍＭ Ｃｄ）ならびに低濃度の亜鉛およびカドミウム（３．１６ｍＭ Ｚｎ、０．０６３ｍＭ Ｃｄ）で処理された栄養液システムで評価した。この栄養液システムは、ＦｅをＺｎおよびＣｄ存在下で可溶性にしておくための選択的鉄キレート剤を含む、半強度Ｈｏａｇｌａｎｄ Ｓｏｌｕｔｉｏｎであった。苗条の亜鉛およびカドミウムの濃度、植物のＣｄ：Ｚｎ比ならびに苗条バイオマス（すなわち苗条の収量）について試験された２０の遺伝子型の間で、有意の差を見出した。試験されたいくつかの遺伝子型は、高濃度の亜鉛およびカドミウムに対して低い耐性を有していた。苗条中の亜鉛およびカドミウムの蓄積は、約２０，６００ｍｇ／ｋｇから４４，７００ｍｇ／ｋｇのＺｎ乾燥苗条、および約６２５ｍｇ／ｋｇから約５５１０ｍｇ／ｋｇのＣｄ乾燥苗条の範囲にわたり、広く変化したことを見出した。苗条Ｃｄ：Ｚｎ比（質量ベースでＣｄ濃度をＺｎ濃度で割ったもの）は、遺伝子型の間で、約３．０％から約２２％まで変化した。

続いて、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓのいくつかの遺伝子型を、ペンシルバニア州Ｐａｌｍｅｒｔｏｎの亜鉛精練用地で、試験した。この場所では、亜鉛精練が８０年間行なわれ、精錬所に隣接する地域社会の土壌の甚大な汚染を引き起こしている。選択されたＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ遺伝子型群のこの研究は、異なるＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ遺伝子型から得られた苗条における、広範囲の亜鉛耐性および広範囲のＣｄ：Ｚｎ比を確認した。図１および図２に示されるように、カドミウム蓄積およびＣｄ：Ｚｎ比における顕著な変化を観察した。さらに、低い土壌ｐＨが、亜鉛およびカドミウムの苗条中の蓄積に有利であることを見出した。さらに、「Ｐｒａｙｏｎ」遺伝子型（Ｇ１８）は、約２０ｇ／ｋｇのＺｎ乾燥苗条および約２００ｍｇ／ｋｇのＣｄ乾燥苗条という成果を上げたが、高Ｃｄ：Ｚｎ比遺伝子型の一つ（Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５）は、約１８００ｍｇ／ｋｇのＣｄ乾燥苗条および約１８ｇ／ｋｇのＺｎ乾燥苗条を蓄積した。

一般的に、土壌がＣｄおよびＺｎの両方を含む場合、土壌Ｃｄは、土壌Ｚｎの約０．５％から約２．０％である。例えば、約１５０，０００ｐｐｍ（約１５％）のＺｎを含む土壌は、しばしば約３０００ｐｐｍ（約０．３％）より多くのＣｄを含まない。従って、苗条収量が約２．５％Ｚｎならば、Ｔｈｌａｓｐｉについての大抵の研究で使用される遺伝子型を用いて回収することが期待され得る最高のＣｄは、土壌が典型的なＣｄおよびＺｎレベルを有するという条件で、約０．０２５％である。しかし、遺伝子型Ｇ１５は、単位量のＺｎ当たりさらにＣｄを蓄積する能力を有するため、Ｇ１５は、植物損傷なしで０．６％ｍｇ／ｋｇのＣｄに達し得る。Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５の種子は、ブダペスト条約の規定に基づいて、１９９８年１１月６日に、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｔｙｐｅ
Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ、１０８０１、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｂｌｖｄ．、Ｍａｎａｓｓａｓ、ＶＡ ２０１１０−２２０９に寄託され、ＡＴＣＣ受託番号第２０３４３９号を割り当てられた。

この研究は、０．０５（すなわち約５．０％）より大きいＣｄ：Ｚｎ比を有する金属−アキュムレーターが、０．０５より小さい比を有するアキュムレーターよりも速く、土壌からカドミウムを回収するという事実を支持する。高カドミウム−蓄積遺伝子型は、カドミウム汚染土壌の高速植物改善のために有用である。このカドミウム汚染土壌は、上記のような汚染土壌で栽培されたコメまたはタバコの生活消費者において有害な健康の影響を引き起こす。

Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５が亜鉛およびカドミウムを地上植物組織にハイパーアキュムレートする能力があるが、とりわけ、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓの生長能力は、雑草コントロールによって植物の競合が制限される場合に、かなり増加するので、生長のための肥料および／または雑草コントロールが、特に汚染された土壌において、ハイパーアキュムレーションを増加させるために、使用され得る。好ましい肥料は、アンモニウム含有またはアンモニウム生成肥料である。肥料の使用自体は、周知であり、条件に合った肥料およびプロトコルは、わずかな慣用的な実験で、当業者によって容易に決定され得る。農業または園芸において使用される、Ｐ（全ての植物の生長に必要）、Ｋ、Ｃａ、およびＭｇについての通常の土壌試験値によって、当業者は、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を生長させるための施肥に関する必要な情報を得ることができる。

肥料の使用に加え、土壌酸性化は、上記のように、亜鉛およびカドミウムの摂取を増加させ得る。土壌が規制のＺｎおよびＣｄの限度またはそれに近い量を含む場合、ｐＨは、約４．５から約６．５まで下げられ得、金属の摂取を最大にする。非常に酸性のｐＨでは、土壌中に存在するＡｌおよびＭｎは、可溶性になリ、今度はこれが植物の収量を減少させる。土壌がＺｎおよびＣｄにおいて特に高い場合、確実に植物を生存させるためにｐＨを上昇しなければならない。土壌のｐＨは、約９．０まで高く上げられ得る。従って、好ましい土壌ｐＨは、約４．５から約９．０の範囲である。

土壌を酸性化するために、有機酸および無機酸のような酸が使用され得る。このような有機酸および無機酸の例としては、酢酸、塩酸、水性硫酸などが挙げられる。好ましい実施形態では、無機硫黄が、土壌ｐＨを下げるために使用される。無機硫黄は、土壌微生物によって酸化され、土壌内に硫酸を生成する。土壌ｐＨが低過ぎるならば、塩基（例えば石灰石もしくは苦灰質石灰石、石灰もしくは苦灰質石灰、消石灰もしくは苦灰質消石灰、またはそれらの副生成物（炭酸カルシウム等価物もしくはその混合物を含む））が、土壌ｐＨを上げるために使用され得る。土壌に添加される酸または塩基の濃度は、最初の土壌ｐＨ、所望される最終土壌ｐＨおよび土壌の特質に依存する。当業者は、当該分野で周知の一般の土壌分析方法を使用して、必要な酸または塩基の適切な濃度を、容易に決定し得る。

表１は、Ｔ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓおよび１９９３年産のレタスにおける、亜鉛、カドミウムおよび鉛の蓄積への、肥料および酸性化処理の効果を示す。土壌の初期条件は、２５ｍｇ／ｋｇのＣｄ、４７５ｍｇ／ｋｇのＺｎおよび１５５ｍｇ／ｋｇのＰｂを含み、非常に石灰質であった。試験圃場の土壌は、ミネソタ州Ｓｔ．Ｐａｕｌからの汚泥が、Ｃｄ−Ｎｉバッテリー製造業者由来のカドミウムで非常に汚染された時期の下水汚泥焼却炉由来の灰の適用によって、金属含量が多くなっていた。石灰が汚泥を脱水するために使用されたが、このことは、硫黄処理が土壌を期待される程度に酸性化することを妨げた。植物中の非常に低い濃度の鉛は、鉛のハイパーアキュムレーションが、適切なリンが提供される場合には可能ではないようであるという、大部分の研究者の経験を確かなものにした。リンは根から苗条への鉛の転流、および従って鉛の摂取を阻害する。この阻害は土壌中または根細胞中で形成する不溶性の鉛−リン酸塩によって引き起こされる。さらに、リンの操作は、ＺｎまたはＣｄ植物抽出に影響を及ぼさないようである。

表１．再生圃場（Ｓｔ．Ｐａｕｌ、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）でのＴｈｌａｓｐｉ
ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓおよびレタスの苗条における金属蓄積への、硫黄（Ｓ）および窒素肥料（Ｎ）の処理の効果

通常の肥料のレベルの窒素を、根の近傍のｐＨが、アンモニウム−Ｎの添加によって下げられ、そして硝酸−Ｎの添加によって上げられるため、二つの化学的形状で土壌に添加した。硫黄を、土壌が多くの遊離石灰等価物を含むため、添加した。添加された硫黄の量は、Ｚｎ、Ｃｄ、ＭｎまたはＡｌの毒性で植物を枯らすことなく、ｐＨを有意に下げるのに十分であった。具体的には、１４．５ｔ／ｈａの硫黄を添加した。

汚染された土壌のためのその他の可能な添加物は、金属キレート剤である。金属キレートは、農業において一般的に使用され、生存細胞中に天然に存在する。キレート剤（例えば、ニトリロ（ｎｉｔｏｒｏｌｏ）三酢酸（ＮＴＡ）、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、エチレングリコール−ビス−（β−アミノエチルエーテル−Ｎ，Ｎ，Ｎ，Ｎ−四酢酸（ｐ−ａｍｉｎｏｅｔｈｙｌｅｔｈｅｒ−Ｎ，Ｎ−ｔｅｔｒａａｃｅｔｉｃ ａｃｉｄ））、または当業者にキレート剤として公知の任意の種々のアミノ−酢酸）の土壌への添加は、地上組織への摂取および転流のための、土壌金属の根表面への移動を改善する。好ましいキレート剤は、ＮＴＡまたはＥＤＴＡである。典型的には、キレート剤を、植物が定着した後、約５０ｋｇ／ｈａから約３０００ｋｇ／ｈａの範囲の濃度で添加する。肥料の使用については、キレート剤の最適の濃度は、ただ慣用的な実験で容易に決定され得る。例えば、ＥＤＴＡが好ましくは１ｋｇの土壌当たり１０ｍｍｏｌである場合、ＥＤＴＡ酸が２９２ｍｇ／ｍｍｏｌでありそして１ｋｇの土壌当たり１０ｍｍｏｌのＥＤＴＡに達するためには１ｋｇの土壌当たり２．９２ｇのＥＤＴＡを添加する必要があるので、添加される量は、２．９２ｋｇＥＤＴＡ／ｔまたは２．９２ｔＥＤＴＡ／ｈａである。

Ｃｄ摂取を改善するが、Ｚｎ摂取にはほとんど影響しない代替のものは、土壌中に遊離の塩化物イオンを遊離する塩化物塩の添加である。しかし、土壌に繰り返し添加されるＮａＣｌは、土壌を害し得る。塩化物はＣｄと錯体（植物に耐性がある塩化物レベルで、無機モノクロロ−Ｃｄおよびジクロロ−Ｃｄ−Ｃｄ）を形成し、これはＣｄの根への拡散速度を増加し、そしてＣｄを根へ流れさせる。好ましい塩化物の濃度は、１ｌにつき約１０から約２００ｍｍｏｌ（約１０から約２００ｍＭ）の塩化物を含む土壌溶液を生じる。最高限度では、塩化物はＴｈｌａｓｐｉ植物にさえ毒性であるが、Ｃｄの除去は増加する。

本発明は、植物抽出を介するカドミウムおよび亜鉛の摂取を増加するための植物および方法に関して、特に詳細に記載される。実施可能性のために必要な場合を除いて、これらの特定の材料へのいかなる限定も意図されず、またこのような限定は、本明細書に添付の特許請求の範囲に課されるべきではない。

前述の記載から、当業者は容易に本発明の本質的な特徴を確かめられ得、そしてその精神および範囲を逸脱することなく、種々の用法および条件に過度の実験なしで適合させるために、本発明の種々の変更および改変をし得る。本明細書中に引用される全ての特許、特許出願および刊行物は、その全体が参考として援用される。

本願発明の好ましい実施形態によれば、以下の方法などが提供される。
（項１） カドミウムおよび／または亜鉛を含む土壌から、カドミウムおよび／または亜鉛を回収する方法であって、以下：
（ａ）乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇあたり約１０００ｍｇから約６０００ｍｇのカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇあたり約１５，０００ｍｇから約３０，０００ｍｇの亜鉛を蓄積する、少なくとも一種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を、該少なくとも一種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物がこのような量のカドミウムおよび／または亜鉛を蓄積することを可能にするのに十分な条件下で、栽培する工程；ならびに
（ｂ）該蓄積されたカドミウムおよび／または亜鉛を回収する工程、
を包含する方法。
（項２） 上記項１に記載の方法であって、ここで前記蓄積されたカドミウムおよび／または亜鉛は、前記少なくとも一種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を、カドミウムおよび／または亜鉛の蓄積後にバイオマス材料として収穫する工程、ならびに該カドミウムおよび／または亜鉛を該バイオマス材料から回収する工程によって、回収される、方法。
（項３） 上記項２に記載の方法であって、ここで前記カドミウムおよび／または亜鉛は、存在する有機材料を酸化しそして気化させるために前記収穫されたバイオマス材料を乾燥および燃焼する工程によって、前記バイオマス材料から回収される、方法。
（項４） 上記項２に記載の方法であって、ここで前記カドミウムおよび／または亜鉛は、エネルギー回収とともに焼却および灰にし、亜鉛−および／またはカドミウム−含有鉱石を生じる工程によって、前記バイオマス材料から回収される、方法。
（項５） 上記項４に記載の方法によって生成される、亜鉛および／またはカドミウム含有鉱石。
（項６） 前記少なくとも一種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物がＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５であり、その種子がＡＴＣＣ受託番号第２０３４３９号で寄託されている、上記項１に記載の方法。
（項７） 前記土壌が栽培の前に酸性化される、上記項１に記載の方法。
（項８） 少なくとも一種類の塩化物塩が、栽培の前に前記土壌に添加される、上記項１に記載の方法。
（項９） カドミウム−および／または亜鉛−含有土壌で栽培された、単離されたＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物であって、該Ｔｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物は、地上組織にカドミウムを、該組織の乾燥重量１ｋｇあたり約１００ｍｇから該組織の乾燥重量１ｋｇあたり約６０００ｍｇの濃度で蓄積する、および／または地上組織に亜鉛を、該組織の乾燥重量１ｋｇあたり約５０００ｍｇから該組織の乾燥重量１ｋｇあたり約３０，０００ｍｇの濃度で蓄積する、Ｔｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物。
（項１０） 遺伝子型がＴ．ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５である、上記項９に記載の単離されたＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物。
（項１１） 上記項９に記載の植物の花粉。
（項１２） 上記項９に記載の植物の生理学的および形態学的特徴の全てを有する植物。
（項１３） 上記項９に記載の植物の増殖材料。
（項１４） 受託番号第２０３４３９号を有する、ＡＴＣＣに寄託される、Ｔｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５の種子。
（項１５） 栽培されたＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５であって、その種子がＡＴＣＣ受託番号２０３４３９号で寄託されている、栽培されたＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ Ｇ１５。
（項１６） カドミウムおよび／または亜鉛を含む土壌を除染する方法であって、乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇあたり約１００ｍｇから約６０００ｍｇのカドミウム、および／または乾燥重量ベースで地上組織１ｋｇあたり約５，０００ｍｇから約３０，０００ｍｇの亜鉛を蓄積する、少なくとも一種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物を、該少なくとも一種類のＴｈｌａｓｐｉ ｃａｅｒｕｌｅｓｃｅｎｓ植物がこのような量のカドミウムおよび／または亜鉛を蓄積することを可能にするのに十分な条件下で、栽培する工程、を包含する方法。

Claims (1)

1. 本願明細書または図面に記載の発明。

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