JP5216967B2 - 重金属に汚染された媒体の浄化方法 - Google Patents

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。

また、鉱山や鉱山跡の周辺においては、複数の種類の重金属によって汚染されているケースが多いが、複数の重金属に対して耐性を有する植物は少なく、このような環境で適用できるファイトレメディエーション技術は知られていない。また、河川や沼地のような水の多い環境においても適用できるようなファイトレメディエーション技術も望まれる。

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。

上記の目的を解決するために、本発明の重金属に汚染された媒体の浄化方法は、重金属に汚染された媒体でカヤツリグサ科ハリイ属(Cyperaceae Eleocharis)の植物を栽培し、所要の期間育成させた後に、その植物を採取することを特徴とする。栽培するカヤツリグサ科ハリイ属の植物としては、日本全土にわたって容易に栽培できるマツバイ(Eleocharis acicularis)が特に適している。

さらに、水の多い環境において、全体が水没する状態でマツバイを植え付け、６週間以上１０週間未満の周期で育成したマツバイの採取および新たなマツバイの植え付けを行うことが好ましく、採取された植物を焼却処分することによって、重金属を含む物質の量を極めて小さくすることができる。

この発明の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、カヤツリグサ科ハリイ属の植物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。しかもハリイ属の植物には在来種が多く、それら在来種を使用すれば、生態系への影響を抑制することができる。マツバイなどは、沖縄から北海道まで日本全国に自生している植物であり容易に栽培ができ、日本全国どこでも効率的な浄化が可能である。

マツバイ地上部における重金属含有量の時間変化を示すグラフである。 マツバイ根部における重金属含有量の時間変化を示すグラフである。 土壌中の重金属含有量を示すグラフである。 マツバイ地上部における重金属含有量を示すグラフである。 マツバイ根部における重金属含有量を示すグラフである。

この発明を実施するための最良の形態について説明する。栽培する植物としては、カヤツリグサ科ハリイ属の植物が使用できる。ハリイ属の植物は、沖縄から北海道まで、日本全国に広く自生しており、栽培も日本全国で容易に行える。また、日本以外の国にも広く分布しており、日本以外でも広く実施できるものである。たとえば、クワグロイ、シログロイ、ヌマハリイ、マツバイ、ハリイ、ミスミイなどが利用できる。

浄化する媒体として、土壌、堆積物、廃棄物、水等に適用することができる。ハリイ属の植物は、比較的乾燥した場所であっても生育でき、さらに河川や沼地など水の多い場所においても水生植物として生存する。河川等においてファイトレメディエーションに適用できる植物はこれまで知られておらず、この発明を水の多い場所において実施することは特に意義の大きいものである。

重金属としては、砒素、銅、亜鉛、鉛などを浄化することができ、これらの重金属が複合的に存在する場合でも適用することができる。

汚染された媒体に、カヤツリグサ科ハリイ属の植物を植えつける。これを一定期間栽培することによって、植物の地上部および根部に砒素、銅、亜鉛、鉛などの重金属を吸収する。

所定期間植物を栽培した後に、成長した植物を採取する。地上部にも重金属が吸収されるので地上部のみを刈り取ってもよい。しかし、根部には、より高濃度の重金属を吸収できるので、根部も含めて植物全体を回収することも可能である。

採取した植物体は、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て減容化を図ることもできる。

この発明の第１の実施例について説明する。カヤツリグサ科ハリイ属の植物としてマツバイを使用した。マツバイは沖縄から北海道まで、日本全国に広く自生する多年生の植物である。

浄化対象の媒体として、日本国岡山県内の堆積場のズリ残土を採取した。この残土を水切用パッドに入れ、十分な水を加える。ここに成熟したマツバイを植え付け、栽培・育成した。

７月から１０月後半にかけて、１１０日間、栽培した。この間、定期的にマツバイを採取し、地上部（葉）と根部（地下茎・根）を分け、これを乾燥・粉末化し、ＩＣＰ質量分析（誘導結合プラズマ質量分析）により植物体の重金属濃度を定量分析した。ＩＣＰ質量分析による重金属濃度の測定においては、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。

また、栽培開始直後と、栽培終了時に、土壌中の重金属含有量をＸＲＦ分析で測定した。

図１はマツバイ地上部における重金属含有量の時間変化を示すグラフである。マツバイは長期間にわたって銅を安定に吸収することがわかる。また、砒素も多く吸収し、さらに、亜鉛、鉛も吸収している。一種類の重金属を吸収する植物は知られているが、このように多種類の重金属を吸収する植物はこれまで知られていない。

砒素などの吸収は、栽培開始直後に盛んであり、２週間後をピークとして、その後は減少する。この砒素の吸収量のカーブは、マツバイの成長の様子とほぼ対応する。マツバイは栽培開始直後に盛んに成長するが、２週間を過ぎてからは徐々に黄色く変色する葉が現れる。これは、重金属を多く吸収した葉が、その毒性によって枯れ始めると考えられる。そして、８〜９週間経過した時点より新たな葉が成長し始める。すなわち、重金属で汚染された環境下では、マツバイの葉は６から１０週程度の周期で交代していく。これは、ファイトレメディエーションにとって有利な条件であり、短期間で浄化の効果が得られる。たとえば、６週間以上１０週間未満の周期で、育成したマツバイの採取および新たなマツバイの植え付けを行うことによって、速やかに重金属を除去することができる。

図２はマツバイ根部における重金属含有量の時間変化を示すグラフである。地上部のデータと類似した曲線を描く。しかし、吸収量は、いずれの重金属においても根部の方が大きい。したがって、地上部だけでなく、根部を含む植物全体を採取する方が、重金属を除去する効果は高い。

図３は土壌中の重金属含有量を示すグラフである。鉛、銅、砒素、亜鉛のいずれにおいても、栽培後の含有量は顕著に減少している。したがって、１１０日という短期間の実施例であるが、ファイトレメディエーションによる浄化効果は確認された。

ついで、この発明の第２の実施例について説明する。日本国岡山県内の堆積場を流れる河川の底質にマツバイを栽培した。１０月から１２月にかけて５０日間栽培し、その期間の終了時にマツバイを採取して、マツバイ中の重金属濃度を分析した。分析方法は、第１の実施例と同様である。

河川の底質にマツバイを植え付けるに際しては、マツバイが完全に水没するように植えることが、葉先を傷めることがなくて好ましいことがわかった。５０日後には、新たな葉が成長していた。

図４はマツバイ地上部における重金属含有量を示すグラフであり、図５はマツバイ根部における重金属含有量を示すグラフである。５０日間と短期間であるが、銅、亜鉛、砒素、鉛を吸収・蓄積することがわかる。やはり、根部においてより多くの重金属を吸収・蓄積する。このように、マツバイを湿地・河川・水田・湖・池など水の多い環境に植えて、重金属を除去することができる。特に、水を浄化する作用は重要である。

さらに、この発明の第３の実施例について説明する。日本国四国内の堆積場付近の湿地にマツバイを栽培した。この場所は、もともと、イグサ以外の植物はほとんど生えていない状態であった。７月末から１２月下旬にかけて栽培した。この間、マツバイは順調に生育した。その期間の終了時にマツバイを採取して乾燥させ、マツバイ中の重金属濃度を分析した。また、マツバイを植えつけるときに、この場所の土壌の重金属濃度も分析した。

植えつける前のマツバイ中の銅の濃度は１ｐｐｍ程度であったが、栽培後に採取したマツバイからは２１８．７ｐｐｍの銅の濃度が検出された。これより、マツバイが銅を効果的に吸収することが確認される。また、土壌中の銅の濃度は１６９．７ｐｐｍであるので、マツバイは銅を濃縮している。

この発明は、カヤツリグサ科ハリイ属の植物によってファイトレメディエーションを行うので、日本全国および日本以外の多くの地域において実施できる環境浄化方法として利用できる。乾燥した地域だけでなく、水の多い環境においても実施できる環境浄化方法として利用できる。銅、砒素、亜鉛、鉛などの重金属の除去に利用でき、これらの重金属が複合的に存在する環境でも実施できる。

Claims (4)

1. 重金属に汚染された媒体でカヤツリグサ科ハリイ属（Ｃｙｐｅｒａｃｅａｅ Ｅｌｅｏｃｈａｒｉｓ）の植物を栽培し、所要の期間育成させて重金属を吸収・蓄積させた後に、その植物を採取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. 栽培するカヤツリグサ科ハリイ属の植物がマツバイ（Ｅｌｅｏｃｈａｒｉｓ ａｃｉｃｕｌａｒｉｓ）である請求項１に記載の重金属に汚染された媒体の浄化方法。
3. 水のある環境において全体が水没する状態でマツバイを植え付け、６週間以上１０週間未満の周期で、育成したマツバイの採取および新たなマツバイの植え付けを行う請求項１または請求項２に記載の重金属に汚染された媒体の浄化方法。
4. 採取されたカヤツリグサ科ハリイ属の植物を焼却処分する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の重金属に汚染された媒体の浄化方法。

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