Doc:Radiation/Contamination
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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
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土壌汚染
- まとめ
- まずは文部科学省による埼玉県及び千葉県の航空機モニタリングの測定結果 をご覧ください（2011年9月29日)
- 福島県内の高濃度汚染地域と同レベルに汚染された地域は、栃木県や群馬県内にも存在します
- チェルノブイリ事故において土壌が「汚染」されたとする指標は
- チェルノブイリ近辺では、上記の汚染地域には立ち入り禁止になっています (長期的に住むことは健康被害の可能性が高い)
- 群馬県、栃木県、福島県では、上記の汚染基準よりも高い放射線量が観測されています[1]
土は有機物と無機物からできている
土には岩石由来の無機物（大きく分けて砂と粘土）と、生物由来の有機物が含まれます。植物は根によってミネラル等の栄養素を無機物からも有機物からも吸収します。例えば種々の金属イオンに加え、有機酸、アミノ酸、糖などを根から吸収します。
植物を用いて土壌中の重金属等を選択的に蓄積、除去する手法をファイトレメディエーションといいます。セシウムは植物にとって不要の元素ですが、カリウムと誤って取り込まれることが知られています。しかし、カリウムが十分にある状態ではセシウムを吸収しにくくなることも知られています（ファイトレメディエーションの項を参照）。 土壌がセシウムを強固に吸着するとファイトレメディエーションを難しくしますが、逆に農作物にもセシウムが含まれにくくなります。土壌の性質をよく理解することは汚染地域の浄化や農業においてたいへん重要です。
汚染の程度
3月20日の報道によると、原発から北西に約40kmの福島県飯舘村で163000 Bq/kg 土壌の、Cs-137による汚染が見つかっています。この、kg土壌あたりのベクレル値に対し、国連やチェルノブイリ関係の資料では、通常1m2あたりのベクレル値が使われます。換算の目安として、同じ朝日新聞記事に、京都大原子炉実験所の今中哲二助教（原子力工学）の換算で1m2あたり3,260,000 Bq[4]、金沢大の山本政儀教授（環境放射能学）の換算（1m2×5cm, 土壌密度1.5程度と仮定）でセシウム濃度約12,000,000 Bqという算定があります[5]。山本教授の値は今中助教の値よりもずっと大きく、またセシウムがすぐに土壌 5cm に浸透することは考えにくいのですが (ファイトレメディエーションのページを参考にしてください)、1m2あたりのベクレル数を求めるのにkgあたりのベクレル数を20∼75倍する換算法は下限値および上限値の見積もりとして妥当と思われます。
飯舘村の汚染度について4月6日の時点では、水田でおよそ15000 Bq/kg が計測されています。これは長期的に居住するには適切でない、大変高い値です。
稲わらから推測される土壌汚染
7月に入って次々報道される稲わらの汚染状況は、上記の土壌汚染よりもずっと高い値を示しています。(7月26日産経新聞によると栃木県那須塩原市で10万6千ベクレル、茨城県高萩市で6万4千ベクレルなど）これは、原子力発電所から離れたところでもスポット的に高濃度のセシウムが存在していることを示唆しています（周囲の土壌は稲わらと同程度に汚染されているはずです）。
こうしたデータをより詳細にとることは大変重要です。稲わらを食べる牛だけでなく、稲わらを集めた地域に住んでいる人が放射線の危険にさらされているからです。
- 参考情報
- ↑ 福島県における放射性物質の測定結果
- ↑ 旧ソ連では事故がおきた翌月1987年5月には30km圏内にいた5万の牛, 1万3千の豚, 3300の羊, 700の馬を移住させています。同時に2万の家畜や犬猫が埋められました。しかし、移動した家畜を安定して飼うこともできず、その後7月までに移住させた家畜も含み95500の牛, 23000の豚が埋められました。(Nadtochiy P, Malinovskiy A, Mogar AO, Lazarev N, Kashparov V, Melnik A. Experience of liquidation of the Chernobyl accident consequences. Kiev: Svit; 2003)
- ↑ IAEA. International Atomic Energy Agency. Environmental consequences of the Chernobyl accident and their remediation: twenty years of experience. Report of the UN Chernobyl Forum Expert Group “Environment” (EGE). Vienna, IAEA; 2006
- ↑ これはkgあたりのベクレル数を20倍して1m2あたりにしています
- ↑ これはkgあたりのベクレル数を73.6倍して1m2あたりにしています
土壌汚染を防ぐには
表土を入れ替えるという措置は、コストが非常に高いため農地にはおこなえないという報告[1]があります。表土をどこに廃棄するかも問題になります。産業廃棄物の業者を手配して安全な廃棄場所を確保する必要性や、ウクライナにおいてさえ徹底して表土を入れ替える措置がわずか 1000 ha 程度にしか施されていないことを考えると、日本において今回汚染された土壌のほとんどは現状のまま利用するしかありません。また、ファイトレメディエーションは放射性セシウムに対して有効ではありません。この状況を考えると、
土壌からセシウムをいかに取り除くかを考えるよりも、土壌中のセシウムをいかに農畜産物に混入させないかを考えるべきでしょう。
セシウムを吸収させない手段
- 表土の入れ替え (skim and burial ploughing)
- 表土5cm部分を中間部分はそのままに地下45cm に移します。単に耕すことで植物に取り込まれる放射性元素は1/2に減りますが、この入れ替え手法で1/15-1/20に減らせるとあります [2]。セシウムが雨などにより土壌に浸透していく速さは年間わずか1cmほどなので、地下水に入り込む心配をする必要はありません。
- 土を中性に保つ
- セシウムやストロンチウムは酸性土壌で植物に吸収されやすくなるので、石灰を撒くなどして中性にします[3] 1 haあたり2-10トンの消石灰を施すと、植物に取り込まれる放射性元素が2/3から1/3に減少します。
- ミネラル性の肥料を施す
- セシウムはカリウムの代わりとして取り込まれるため、Cs:K 比をできるだけK側に偏らせることが重要です。植物がセシウムをとりこまないための最適の肥料成分は N:P:K = 1:1.5:2 という比率です[4]。 チェルノブイリ近隣国で利用しているカリウム肥料の平均量は60 kg/ha K2Oで、肥料が足りない時には農作物中におけるセシウム量が増加しました。
アンモニウムイオンがセシウムイオンを追い出すため、硝酸アンモニウム肥料により芝草 (ryegrass) のセシウム吸収が一時促進するという報告もありますが、研究があまり進んでおらずアンモニア肥料とセシウムの関係は良くわかっていません（ファイトレメディエーションの項も参考に）[5]。チェルノブイリにおける経験からは、NPK肥料と特にカリウムを多くすることでセシウム量を大幅に減らせているので、窒素肥料を施さない理由は無いと思われます。[6]
- 大幅な土壌改良をほどこす
- チェルノブイリ周辺国でとりわけ汚染が激しい部分は、生えている植物をすべて取り除き、耕してから、石灰と施肥、再度撒種するという大幅な土壌改良もおこなわれました（特にウクライナでは800ヘクタールに及ぶ）。この手法は、肥沃な部分が浅い土壌（耕すとその層が失われてしまう）や傾斜地、川沿いには適用できませんが（侵食や土砂崩れの可能性があるため）、土地の種類によって1/2から1/15にまで植物のセシウム吸収量を抑えることができています。
- セシウムをよく吸収する(可能性のある）作物は植えない
- セシウムの吸収率は植物によって大幅に異なります。吸収率が高いとされているアカザ科、ヒユ科[7]の作物は植えないようにします。植えるべきではない作物名はたとえば、ホウレンソウ、カラシナ、ホウキグサ（ニワクサ）、オカヒジキ、アマランサス、フダンソウ、ビートです。 また、きのこ類も一般に重金属を多く蓄積するので、きのこは栽培しないほうがよいでしょう。サトウダイコン（ビート）はヒユ科ですが、砂糖を取るために栽培するのであれば、精製時にセシウムが排除されるので栽培して問題ありません。
- 菜種、菜の花を植える
- ベラルーシでは、セシウムとストロンチウムの吸収量が少ない菜種 (rape seed)の耕作地を22000ヘクタールに増やしました。菜種は油が採れる上に家畜の飼料になり、広範囲におよぶ汚染地域の場合、有効な利用法になります。（菜種油にすることでセシウム量は0.004倍に減ります。）植物によるセシウムの吸収を抑えるために、ヘクタールあたり6トンの石灰と肥料を施します。
セシウムを吸収させる手段
飯館村のように退去勧告が出された地域は、耕作も放棄しなくてはなりません。こうした放棄地や耕作地以外では、セシウムを積極的に回収する方法が有効かもしれません。
- 表土を集めて処理する
- 植物によってセシウムを濃縮させる（ファイトレメディエーション）
いずれも回収した土や植物体からどうやってセシウムを抽出するかが問題ですが、汚染された面積から考えると立ち入り禁止区域を設けてそこに廃棄していくのが一番現実的だと思います。またこうした場所に植える植物には手間をかけることが出来ませんから、農作物よりは雑草のような植物が適していると思われます。可能性のある植物についてはファイトレメディエーションをご覧ください。
ゼオライトは有効でない
原発事故の汚染水を浄化するのにゼオライトが用いられて脚光を浴びていますが、ゼオライトを土壌に混ぜると放射性セシウムやストロンチウムの植物による吸収量が下がることも報告されています[8]。しかし、福島の土壌ではゼオライトはそれほど有効では無さそうです。
セシウム吸着の程度は土壌によって異なる
- まとめ
- 雲母類を含む土壌では、雲母の末端破壊部 (FES: frayed-edge sites) が極めて強固にセシウムを吸着する
- バーミキュライトやスメクタイト（いずれも膨張性の2:1型層状ケイ酸塩鉱物）を含む土壌では、層と層の間にある負電荷にセシウムが強固に吸着される
- 粘土鉱物を含まない土壌（砂地、泥炭土など）は、セシウムを固定しにくい（植物がセシウムを吸収しやすい）
- 日本の土壌はセシウムを固定しやすい
土壌におけるセシウム固定には、粘土鉱物 (clay minerals) と呼ばれる成分が大きな役割を果たします。粘土鉱物は金属イオンとケイ酸が連結したシート（二次元）からなる構造を特徴とし、層状ケイ酸塩 (phyllosilicate) とも呼ばれます[9]。具体的には、珪素 (Si) とアルミニウム (Al) が四面体をとる層と八面体を取る層の繰り返しからなり、四面体層：八面体層比が 1:1 の粘土（カオリナイトなど）と、2:1 の粘土（イライト、スメクタイトなど）に分けられます。
最近話題に上がるゼオライト（沸石）というのは多孔質のアルミノケイ酸塩で、構造が三次元です。つまり粘土というより（石英などに同じ）石の部類になります。
| 総称 | 代表的名称 | 性質 | 層比 | X線回折のピーク |
|---|---|---|---|---|
| 1:1型粘土鉱物 | カオリナイト (kaolinite)、ディッカイト (dickite) など | 様々な構造をとりうるが、層荷電を持たないためセシウムの吸着力は小さい | 1:1 | 0.7 nm |
| 雲母類 | 雲母 (mica) 、イライト (illite) | 層の間にカリウムなど金属イオンを強固に吸着。末端破壊部(FES)は、とりわけセシウムを強固に吸着[10] | 2:1 | 1.0 nm |
| 膨張性の2:1型粘土鉱物 | バーミキュライト (vermiculite) 、スメクタイト (smectite) など | 四面体層に由来する荷電が多いほどセシウムを強固に吸着 | 2:1 | 1.4 nm[11] |
| その他の2:1型粘土鉱物 | クロライト (chlorite)、滑石 (talc) など | 膨張性を持たない | 2:1 | 1.4 nm |
日本の土壌環境では化学風化が進みやすいため、母岩（土壌のもととなる岩）に元々含まれる雲母（イライト）の一部が風化してバーミキュライトやスメクタイトに変化しています。こうしたスメクタイトなどの層間は負に大きく帯電しており、濃度依存的に金属イオンを吸着します[12]。
セシウムを固定する能力はスメクタイト土壌により異なります。日本のスメクタイト土壌は表面荷電が四面体層に由来し、セシウム吸着後に雲母型の構造を取って、他の陽イオンでは極めて置換されにくくなります。つまりセシウムを選択的に固定します。これに対して、チェルノブイリ事故があったウクライナのスメクタイト土壌は表面荷電が八面体層に由来すると推測され、セシウムに対して強い選択性を示さず、いったん吸着されたセシウムも他種の陽イオンによって置換されやすくなります[12][13]。ただし、ウクライナの土壌でも雲母が土壌に含まれる場合は、セシウムを極めて強固に固定します。（雲母の末端破壊部 (FES: frayed-edge sites) に堅く結びついたセシウムはスメクタイトに固定された場合よりも溶出しにくい。）また、日本の土壌であっても、層間に水酸化アルミニウムのポリマーが入りこむ場合は、セシウムを吸着する能力を失います[14]。
スウェーデンなどにおける粘土鉱物を含まない泥炭質 (peat) の土壌では、植物におけるセシウム吸収が時間とともに減少し難いことが観測されています[15]。これはセシウムが土壌に吸着されず、いつまでも植物体が利用しやすい形で残っているためと思われます。
セシウムを選択的に吸着する能力が重要
セシウムの吸着材としてゼオライトが注目されていますが、ゼオライトは様々な金属イオンを吸着する能力を持ちます。汚染土壌といってもカルシウム、カリウム、アンモニア、マグネシウムなどの金属はセシウムよりも高濃度に存在するため、この中からセシウムを選択的に吸着する能力に注目しなくてはなりません。スウェーデンの土壌（泥炭質）にゼオライトを混ぜた場合、もともと金属イオンを吸着する成分が無いところに吸着材を導入するために、植物によるセシウム吸収を抑えられます[15]。
しかし日本の土壌のようにセシウムを強固に吸着する素地がある場合、様々な金属イオンを吸着できるゼオライトをわざわざ購入して追加するメリットについては検討が必要です。ゼオライト（例えばクリノプチロライト）を有効量使うにはヘクタールあたりトン単位で投入しなくてはなりません[16]。有効性が確かめられてから試すべきでしょう。
福島の土壌にゼオライトは効きそうにない
福島県の代表的土壌は、花崗岩質、灰色低地および黒ボクです。（自分の住む地域の土壌を知りたい方は、農業環境技術研究所の土壌情報閲覧システムで調べることができます。おおまかな様子はジオテック株式会社の福島県の地形・地盤にも記述があります。） このうち花崗岩質土壌と灰色低地土は鉱質でセシウムを吸着しやすく、とりわけ雲母 (mica) に吸着したセシウムはほとんど溶出しません。その吸着度合いはゼオライトよりも強固なため、ゼオライトを混入させるよりも雲母と結合させるほうが植物による吸収を妨げるのに適しています[10]。
こうした土壌にゼオライトを土壌改良剤として入れても (0-50 g/kg)、ゼオライトに固定されたセシウムは塩化アンモニウム等で溶出しやすくなります。もともと土壌に含まれる雲母により固定してもらうほうが、セシウムを固定する目的にかなうことが報告されています[17]。
- 参考
- ↑ Jacob P, Fesenko S, Firsakova SK, Likhtarev IA, Schotola C, Alexakhin RM, et al (2001) Remediation strategies for rural territories contaminated by the Chernobyl accident. J. Environ Radioact 56:51–76
- ↑ J. Roed, K. G. Andersson and H. Prip (1996) The skim and burial plough: A new implement for reclamation of radioactively contaminated land J Environ Radioactivity 33(2):117-128 journal PDF
- ↑ Alexakhin RM. (1993) Countermeasures in agricultural production as an effective means of mitigating the radiological consequences of the Chernobyl accident. Sci Total Environ 137:9–20
- ↑ RIARAE (1991) Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology. In: Alexakhin RM, editor. Recommendations. Guide on agriculture administrating in areas subjected to contamination as a result of the accident at the Chernobyl NPP for 1991–1995. Moscow: State Commission of the USSR on food and purchases
- ↑ J. Lembrechts (1993) A review of literature on the effectiveness of chemical amendments in reducing the soil-to-plant transfer of radiostrontium and radiocaesium The Science of The Total Environment 137(1):81-98 a journal PDF
- ↑ 代表的な化学肥料である硫安、硝安、などの安とはアンモニアを意味し、尿素も土壌中ですみやかに炭酸アンモニウムに変化します。窒素分は有機肥料に含まれるアミノ酸等でも賄えますが、有機分が多い土壌ではおおむねセシウムの吸収が促進されています。
- ↑ 最新の植物分類体系APG-IIでは、アカザ科はヒユ科に含まれます。ヒユ科の植物であるカラシ菜は土壌中の重金属を回収するために用いられる代表的植物です。学名で言うとAmaranthus属の植物が、多くのファイトレメディエーション研究で用いられています。
- ↑ 英文の簡単な総説 Mumpton FA (1999) "La roca magica: Uses of natural zeolites in agriculture and industry" Proc Natl Acad Sci U S A 96(7):3463-3470 に多くの文献が引用されています。ゼオライトがチェルノブイリやスリーマイル事故でも用いられたことは多くのウェブサイトでも報じられています。とりわけクリノプチロライト (clinoptilolite) と呼ばれる天然ゼオライトのカチオン吸着度は
Cs > Rb > K > NH4 > Ba > Sr > Na > Ca > Fe > Al > Mg > Li
となっているため、セシウムのような大きなカチオンには有効とされています。（通常はアンモニアNH4を吸着させるために用いられます。）
- ↑ ウィキペディア英語版 Clay minerals
- ↑ 10.0 10.1 Komarneni S, Roy R "A cesium-selective ion sieve made by topotactic leaching of phlogopite mica" Science 239(4845), 1286-128 PMID 17833215
- ↑ バーミキュライト以外が主体だとグリセロール添加で 1.5-1.8 nm に広がる。高い電荷を持つ場合、カリウム過剰にすると 1.0 nm に移動する。低い電荷の場合はカリウムを加えても移動しない。
- ↑ 12.0 12.1 舟川晋也 "Removal of 137Cs from ecosystems using phytoremediation in former Soviet Union" 2001-2002年度科学研究費補助金（基盤研究（B)(2)）研究成果報告書 (英語全文)
- ↑ 粘土鉱物の分類およびセシウムに対するスメクタイト成分の詳しい解説は、京都大学 大学院農学研究科 舟川晋也先生、環境科学技術研究所 環境動態研究部 中尾淳先生に丁寧に教えて戴きました。ありがとうございます。
- ↑ Nakao A, Funakawa S, Kosaki T (2009) Hydroxy-Al polymers block the frayed edge sites of illitic minerals in acid soils: studies in southwestern Japan at various weathering stages European Journal of Soil Science 60, 127-138
- ↑ 15.0 15.1 Shenber MA, Johanson KJ "Influence of zeolite on the availability of radiocaesium in soil to plants" Science of The Total Environment 113(3), 287-295 PMID 1325669
- ↑ おそらくヘクタールあたり数十万円以上かかります。これまでゼオライトのセシウム吸着能が大きく報道されていますが、殆どがセシウムが主成分となる水溶液にゼオライトを大量にいれるなど、現実的ではない実験条件下での値なので注意が必要です。
- ↑ Seaman JC, Meehan T, Bertsch PM "Immobilization of Cesium-137 and Uranium in Contaminated Sediments Using Soil Amendments" J Environ Quality 30(4) 1206-1213 (PDF)
