JP4898085B2 - 被汚染媒体からの汚染質除去方法 - Google Patents
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Description
本発明は、カドミウム又は亜鉛によって汚染された土壌、堆積物、廃棄物、水等の被汚染媒体から、植物を用いて汚染質のカドミウム又は亜鉛を除去する方法に関する。
カドミウム（Ｃｄ）や亜鉛（Ｚｎ）によって汚染された土壌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除去したり、客土と交換したりする物理的な処理が行われている。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く、農作地のような場所では、土地や土の性状を著しく損なうおそれがある。しかも、掘削除去した汚染土壌は、別の場所へ移動して地下に埋設するといった処理を行うため、移動先で新たな汚染を引き起こす危険性も指摘されている。
そこで近年、植物による重金属の吸収・蓄積能力を利用して、重金属汚染土壌を浄化する各種のファイトレメディエーション(Phytoremediation)技術が検討されている（非特許文献１参照）。そして、重金属の中で、わが国において特に問題となっているカドミウムに対する高い吸収・蓄積能力を有する植物としては、アブラナ科グンバイナズナ属のThlaspi caerulescens（非特許文献２参照）や、わが国に存在する植物では、シダ植物のヘビノネゴザ（Athyrium yokoscense）が知られているが（非特許文献４参照）、このようなハイパーアキュムレータHyperaccumulator（非特許文献３参照）に該当する植物は、重金属蓄積能力は高いが生産量が非常に少なく、しかも生長速度が遅く、サイズが小さいので（高さが15cm程度）収穫が困難であり、結果的に実用化が難しいといった問題がある。更に、Thlaspi caerulescensは、在来種ではないため、これを用いることは生態系の秩序へのリスクを伴う問題がある。
また、ダイズ、オクラ、ほうれん草といった栽培作物をファイトレメディエーションに用いる試みも行われているが（特許文献１参照）、本来の食用生産作物に対して風評被害を招くといったリスクがある。また、この特許文献１には、カドミウムによる汚染土壌に適用できる植物として、多種多様な野草が示されているが、本願の発明者らの研究によれば、これらの野草の中には、カドミウム蓄積能力の低いものも含まれていることが確認されている。
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、カドミウム又は亜鉛の吸収・蓄積能力を有する植物を用いたファイトレメディエーションによって、カドミウム又は亜鉛で汚染された媒体から汚染質（カドミウム又は亜鉛）を取り除き、効率良く浄化する方法を提供することにある。
発明者の研究の結果、在来種の植物であるハクサンハタザオは、カドミウムや亜鉛に対して、Thlaspi caerulescensに匹敵する吸収・蓄積能力を有することがわかった。そこで、上記技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法は、カドミウム又は亜鉛により汚染された媒体にハクサンハタザオを栽培し、所要の期間生育させた後、収穫して堆肥化し、前記堆肥化によって得られた濃縮培地に、カドミウム又は亜鉛の吸収・蓄積能力をもつ植物を栽培するものである。栽培されたハクサンハタザオは、その生育過程で、媒体中のカドミウム又は亜鉛を多量に吸い上げて体内に蓄積するので、これを掘り取り、又は刈り取って収穫することによって、カドミウム又は亜鉛を媒体から除去することができる。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。
収穫したハクサンハタザオを堆肥化することによってその植物体の容積が減量され、植物体内に蓄積されたカドミウム又は亜鉛が濃縮され、濃縮培地となるので、これにカドミウム又は亜鉛の吸収・蓄積能力をもつ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ると共に、減容化を図ることができる。
本発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法において、好ましくは、栽培したハクサンハタザオの生育を促進し、また汚染質を効率的に植物に吸収されやすい形態に変化させるため、カドミウム又は亜鉛により汚染された媒体に畝を形成し、この畝に沿ってハクサンハタザオを栽培するものである（請求項２）。
本発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法において、好ましくは、栽培したハクサンハタザオの生育を促進し、また汚染質を効率的にハクサンハタザオに吸収されやすい形態に変化させるため、ハクサンハタザオを栽培する媒体を耕耘する（請求項３）。
本発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法において、好ましくは、栽培したハクサンハタザオの生育を促進し、また汚染質を効率的にハクサンハタザオに吸収されやすい形態に変化させるため、ハクサンハタザオを栽培する媒体に暗渠、明渠又は排水材による排水手段を設ける（請求項４）。
本発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法において、好ましくは、栽培したハクサンハタザオの生育を促進するため、ハクサンハタザオの栽培領域上を、温室構造体で覆う（請求項５）。
本発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法において、好ましくは、栽培したハクサンハタザオの生育を促進するため、ハクサンハタザオを栽培する媒体に、ｐＨ調整剤、窒素、リン、カリウム及びキレート化合物から選択された一種類以上の添加剤を添加する（請求項６）。ｐＨ調整剤は、媒体のｐＨをハクサンハタザオの栽培に適した値（ｐＨ６〜７程度）に調整すると共に、汚染質のカドミウム又は亜鉛をハクサンハタザオが吸収しやすくするためのものである。媒体を酸性化することによって、ハクサンハタザオによるカドミウム又は亜鉛の吸収が増加するが、酸性過ぎるとハクサンハタザオの成長が阻害されるため、適切に調整することが好ましい。窒素、リン、カリウムは、生長を促進するための肥料であり、キレート化合物は、カドミウム又は亜鉛をハクサンハタザオに吸収されやすい形態へ変化させるものである。
請求項１の発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法によれば、ハクサンハタザオによって、カドミウム又は亜鉛で汚染された土壌、水底堆積物、廃棄物、及び水などの媒体を、ファイトレメディエーションの手法によって効率良く浄化することができ、植物体内に蓄積されたカドミウム又は亜鉛が濃縮されるので、容易に除去可能であるばかりでなく、抽出・回収によって、有効に再生利用が可能であり、従来の物理的又は化学的処理に比較して低コストで、かつ広範囲で浄化を行うことができる。しかも在来種であるため、生態系への影響を抑制することができ、繁殖が旺盛で、サイズも比較的大きいので、容易に収穫することができる。
ハクサンハタザオは、野生では茎の高さが20〜30cm程度で北海道から九州までの低地や高地に分布し、鉱山跡地等にも自生するものであるため、カドミウム等の重金属に対する耐性が高く、高濃度の重金属汚染地にも適用することができる。
請求項２の発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法によれば、畝にハクサンハタザオを栽培することによって、その生育が促進され、かつカドミウム又は亜鉛が効率的に植物に吸収されやすい形態に変化するため、カドミウム又は亜鉛の吸収促進を図ることができる。
請求項３の発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法によれば、耕耘によって媒体中の通気性が向上すると共に、カドミウム又は亜鉛が効率的に植物に吸収されやすい形態に変化するため、カドミウム又は亜鉛の吸収促進を図ることができる。
請求項４の発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法によれば、排水手段の埋設によって、媒体の透水性が向上し、その結果、栽培されたハクサンハタザオの生育が促進され、カドミウム又は亜鉛が効率的に植物に吸収されやすい形態に変化するため、カドミウム又は亜鉛の吸収促進を図ることができる。
請求項５の発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法によれば、温室構造体で覆うことによって、栽培されたハクサンハタザオの更なる生育促進及びカドミウム又は亜鉛の吸収促進を図ると共に、風雨等による被汚染媒体の拡散を防止することができる。
請求項６の発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法によれば、ｐＨ調整剤、窒素、リン、カリウム、キレート化合物等の添加物によって、栽培したハクサンハタザオの生育が促進され、あるいは媒体中のカドミウム又は亜鉛がハクサンハタザオに吸収されやすくなるため、一層効率良く被汚染媒体の浄化を行うことができる。
図１は、本発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法の第一の形態として、ハクサンハタザオの植栽によって比較的低濃度のカドミウムや亜鉛による汚染土壌を浄化する場合を示す説明図である。この図１において、参照符号１０１は、低濃度の汚染土壌（例えば低濃度のカドミウムや亜鉛で汚染された田や畑など）である。
汚染土壌１０１には、ハクサンハタザオ１が栽培されている。好ましくは、ハクサンハタザオ１は、汚染土壌１０１の外側の、殆ど汚染されていない周辺土壌１００の領域まで栽培される。これは、汚染土壌１０１から周辺土壌１００へ僅かに拡散した汚染質をも吸収させるためである。
汚染土壌１０１は、予め耕耘し、畝を形成してから播種することによりハクサンハタザオ１を栽培するが、分げつによる株分けや、苗の植付けも可能である。また、土壌の透水性によっては、有孔のプラスチック管２を埋設したり、砕石等の農業暗渠用排水材を敷き詰めて埋設するといった、排水用の暗渠を形成することによって、透水性をハクサンハタザオ１の栽培に適するように改善する。
ハクサンハタザオ１の栽培領域は、その土壌ｐＨによっては、ｐＨ調整剤を添加して、ハクサンハタザオ１の生育に適するようにｐＨを調整する。すなわち、ハクサンハタザオ１の栽培に最も適した土壌ｐＨは６〜７であり（ｐＨ５．６でも生育は可能である）、これよりも土壌ｐＨが低い場合は、石灰岩、ドロマイト、消石灰、酸化カルシウム、アルカリ性工業廃棄物及びリン灰岩から選択されたｐＨ調整剤を適量添加して、ｐＨを上げ、逆に土壌ｐＨが高い場合は、塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、ギ酸、硫黄華及び硫黄化合物等の酸性資材から選択されたｐＨ調整剤を適量添加して、ｐＨを下げる。
更に、必要に応じて、窒素、リン、カリウム等の肥料要素や、ＥＤＴＡ、ＮＴＡなどの合成キレート剤及びクエン酸、シュウ酸などの有機酸を添加する。合成キレート剤としては、生分解性のキレート剤を用いることもできる。
ハクサンハタザオは、カドミウムや亜鉛等の吸収蓄積能力が、Thlaspi caerulescensに匹敵するものであり、花が終わって茎が倒伏した後、その腋芽から多くの新苗を出して繁殖するという特性をもちながら、根元から茎が分かれて出てくる分げつも盛んに行われるため、株分けも容易である。このように、栄養繁殖が非常に盛んであるため、土壌等からのカドミウムや亜鉛の大きな収量が期待できる。しかも、クローンを多く生産できるため、ファイトレメディエーションにおいて問題となる個体間の蓄積能力のばらつきを小さくすることができる。
また、カドミウムは、わが国において、農作物で最も汚染が問題となっている重金属である。そして、このカドミウムに対して高い吸収・蓄積能力をもつハクサンハタザオ１を用いてのファイトレメディエーションは、吸収・蓄積能力の低い植物を用いる場合に比較して、キレート剤等の添加量が少なくて済むため、低濃度汚染土壌１０１が農地である場合、この農地へのリスクを小さくすることができる。
栽培されたハクサンハタザオ１は、根から水や養分と共に土壌中の重金属イオンを吸収し、葉や茎、花などの地上組織の各部に蓄積して行く。また、生長につれて、根が伸びると共に根毛が発達し、蓄積部である地上組織も大きくなるので、カドミウムや亜鉛の吸収・蓄積量も増えていく。
ハクサンハタザオ１の栽培は、期間２〜３ヶ月、可能であれば年３〜４作（標高、気象条件などにより変動）で行い、地上部の生産量が十分確保できた時点で掘り取り等によって収穫し、堆積して堆肥化させる。これによって、汚染土壌１０１から植物体に取り込まれたカドミウムや亜鉛が、植物体と共に土壌から除去され、堆肥化によって、植物体が減容されると共に、その内部に蓄積されたカドミウムや亜鉛が濃縮される。
堆肥化によって得られた濃縮培地には、カドミウムや亜鉛の吸収・蓄積能力をもつ植物（例えば本発明で用いているハクサンハタザオでも他の植物でも良い）を栽培することによって、更に高濃度に吸収蓄積させ、減容化を図ることができる。
次に図２は、本発明に係る被汚染媒体からの汚染質除去方法を、比較的高濃度のカドミウムや亜鉛による汚染土壌の修復に適用した第二の実施の形態を示す説明図である。この図２において、参照符号１０２は、高濃度の汚染土壌（高濃度のカドミウムや亜鉛で汚染された工場跡地など）である。
高濃度の汚染土壌１０２から周辺土壌１００への汚染質の拡散を防止するため、周辺土壌１００には、汚染土壌１０２と周辺土壌１００の境界を取り囲むように、遮水シート３が埋設される。また、地上には、高濃度の汚染土壌１０２及び周辺土壌１００を含むハクサンハタザオ１の栽培領域を覆うように、温室構造体４が構築される。温室構造体４の内部には、散水装置５や、図示されていない空調設備等が設けられている。
ハクサンハタザオ１の植栽の方法は、先に説明した第一の形態と同様であって、温室構造体４で囲まれた土壌領域を、予め耕耘し、畝を形成してから播種するか、分げつによる株分け、あるいは苗の植付けによって植付ける。また、必要に応じて、予め有孔のプラスチック管２の埋設や排水材による排水手段を設けたり、ｐＨ調整剤、窒素、リン、カリウム等の肥料要素、キレート化合物を添加することによって、ハクサンハタザオ１の生育に適した環境を創出する。
十分に生長したハクサンハタザオ１は、適時に収穫し、先に説明した処理を行う。
岐阜県の、カドミウム濃度が83mg/kgの土壌から採取したハクサンハタザオの地上組織と、同場所から採取したススキ(Miscanthus sinensis)の地上組織を乾燥させ、硝酸分解した後、ＩＣＰ発光分析法により、これらの植物体のカドミウム含有量を測定した結果を、表１に示す。
秋田県の、カドミウム濃度が3.6mg/kgの土壌から採取したハクサンハタザオの地上組織と、同場所から採取したミゾソバ(Polygonum Thubergii)の地上組織を乾燥させ、硝酸分解した後、ＩＣＰ発光分析法により、これらの植物体のカドミウム含有量を測定した結果を、表２に示す。
これらの結果から、ハクサンハタザオは、表１に見られるように、高濃度のカドミウム汚染地や、表２に見られるように、低濃度のカドミウム汚染地の双方に対して、優れたカドミウム吸収蓄積能力を有することが確認された。
また、従来からカドミウムに対する吸収・蓄積能力の高いことが知られているThlaspi
caerulescensと、ハクサンハタザオの地上組織のカドミウム及び亜鉛の蓄積量を、表３に比較して示す。なお、表３のうち、Thlaspi caerulescensに関するデータはBaker A.J.Mらによる。また、ハクサンハタザオを栽培した土壌はｐＨ5.6で、カドミウム及び亜鉛の濃度は0.1Ｎ ＨＣｌ抽出によるものであるのに対し、Thlaspi caerulescensを栽培した土壌はｐＨ7.1、カドミウム及び亜鉛の濃度は、１Ｍ ｐＨ7の酢酸アンモニウム溶液抽出によるものである。この表３から、Thlaspi caerulescensと同等もしくはそれ以上の高いカドミウム及び亜鉛の蓄積能力を有することが確認された。
caerulescensと、ハクサンハタザオの地上組織のカドミウム及び亜鉛の蓄積量を、表３に比較して示す。なお、表３のうち、Thlaspi caerulescensに関するデータはBaker A.J.Mらによる。また、ハクサンハタザオを栽培した土壌はｐＨ5.6で、カドミウム及び亜鉛の濃度は0.1Ｎ ＨＣｌ抽出によるものであるのに対し、Thlaspi caerulescensを栽培した土壌はｐＨ7.1、カドミウム及び亜鉛の濃度は、１Ｍ ｐＨ7の酢酸アンモニウム溶液抽出によるものである。この表３から、Thlaspi caerulescensと同等もしくはそれ以上の高いカドミウム及び亜鉛の蓄積能力を有することが確認された。
次に、ハクサンハタザオを用いた汚染土壌ポット試験の結果を、表４に示す。比較植物としてはコンフリーを用いた。栽培期間は３ヶ月とした。このポット試験においても、ハクサンハタザオのカドミウム蓄積能力が著しく高いことが確認された。
１ ハクサンハタザオ
２ 有孔プラスチック管（排水手段）
３ 遮水シート
４ 温室構造体
５ 散水装置
１００ 周辺土壌
１０１ 低濃度の汚染土壌（被汚染媒体）
１０２ 高濃度の汚染土壌（被汚染媒体）
２ 有孔プラスチック管（排水手段）
３ 遮水シート
４ 温室構造体
５ 散水装置
１００ 周辺土壌
１０１ 低濃度の汚染土壌（被汚染媒体）
１０２ 高濃度の汚染土壌（被汚染媒体）
Claims (6)
- カドミウム又は亜鉛により汚染された媒体にハクサンハタザオを栽培し、所要の期間生育させた後、収穫して堆肥化し、前記堆肥化によって得られた濃縮培地に、カドミウム又は亜鉛の吸収・蓄積能力をもつ植物を栽培することを特徴とする被汚染媒体からの汚染質除去方法。
- カドミウム又は亜鉛により汚染された媒体に畝を形成し、この畝に沿ってハクサンハタザオを栽培することを特徴とする請求項１に記載の被汚染媒体からの汚染質除去方法。
- ハクサンハタザオを栽培する媒体を耕耘することを特徴とする請求項１又は２に記載の被汚染媒体からの汚染質除去方法。
- ハクサンハタザオを栽培する媒体に暗渠、明渠又は排水材による排水手段を設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の被汚染媒体からの汚染質除去方法。
- ハクサンハタザオの栽培領域上を、温室構造体で覆うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の被汚染媒体からの汚染質除去方法。
- ハクサンハタザオを栽培する媒体に、ｐＨ調整剤、窒素、リン、カリウム及びキレート化合物から選択された一種類以上の添加剤を添加することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の被汚染媒体からの汚染質除去方法。
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