Characteristic bio-geochemical processes of heavy metals and actinoid elements in severe pH water areasls

• Project/Area Number: 17K00518
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Environmental dynamic analysis
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Sugiyama Masahito 京都大学, 人間・環境学研究科, 教授 (10179179)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2017: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: pH / アクチノイド元素 / ケイ酸重合体 / 重金属 / 生物地球化学過程 / 貧酸素水域 / 強アルカリ性 / 強酸性 / 強アルカリ性水 / 強酸性水 / 無酸素深水層 / 酸性湧水 / ｐH / ケイ酸 / 河川 / 湖沼 / 極端ｐH

Outline of Final Research Achievements

We have elucidated that silicates dissolve as polymeric silicates in the pore waters of bottom sediments in seasonally anoxic freshwater lakes. This discovery is possibly the first report for polymeric silicate dissolving in natural waters in world scientific history. We have concluded the following 2 processes from field surveys and laboratory experiments. 1) Dissolved silicates are adsorbed onto hydrous iron oxides formed in oxic lake environment and changed to polymeric silicate for its aging in the oxides. 2)Polymeric silicates dissolves into the pore water of lake sediment by the reductive dissolution of hydrous iron oxides under seasonally anoxic lake environment. However, polymeric silicate does not exist in the pore water of anoxic bottom sediment of brackish lakes at all. Sodium chloride interfere the formation of polymeric silicates in the lake. Analytical methods of U and Th is now on investigating for the study of their bio-geochemical processes in lakes and rivers.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ケイ酸が自然水中で重合体としても存在することの真偽は、以前から多数の研究者の興味を集めていた。我々は、淡水湖の無酸素水域に着目して調査・研究することにより、その存在の確証を示した。この成果は地球化学・環境化学からだけでなく、ケイ酸の物理化学を研究するうえでも、画期的な成果と言える。なぜなら、ケイ酸を含む酸素酸イオンの重合体の研究に新たな側面を拓いたからである。
ケイ酸は稲藁の主成分でもある。そして、水田土壌は無酸素になりやすい。重合体ケイ酸は単量体ケイ酸に比べ、生物利用能が極めて低いとされる。このため、重合体ケイ酸の化学を明らかにすることで、稲の生育化学にも寄与するところ大であると考えられる。

Research Products

• [Journal Article] Mechanism of silicate elution by hydrogen sulfide from bottom sediment in a brackish lake (2020)
  • Author(s): Ja Yeong Park, Shogo Sugahara, Michiko Egawa and Yasushi Seike
  • Journal Title: Limnology Volume: 21 Issue: 2 Pages: 197-205
  • DOI: 10.1007/s10201-019-00601-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 間隙水中での重合体ケイ酸の形成とその安定性について (2019)
  • Author(s): 朴 紫暎
  • Journal Title: 総人・人環フォーラム Volume: 38 Pages: 19-19
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Comparative study of polymeric silicate formation and decomposition in pore waters of freshwater and saline areas (2020)
  • Author(s): Jayeong Park, Shogo Sugahara, Yasushi Seike, Masahito Sugiyama
  • Organizer: Ocean Sciences Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 九州での湧水と河川水中でのケイ酸の化学種分布 (2019)
  • Author(s): 朴紫暎、杉山雅人
  • Organizer: 日本陸水学会第84回大会
• [Presentation] Adsorotion and polymerization of silicate and decomposition of its polymeric species in lake sediments (2018)
  • Author(s): Jaeyong Park, Masahito Sugiyama
  • Organizer: International Society of Limnology XXXIV Congress (34th SIL)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 間隙水中での重合体ケイ酸形成とその安定性について (2018)
  • Author(s): 朴紫暎、杉山雅人
  • Organizer: 日本陸水学会 第83回大会
• [Presentation] 夏季成層期におけるイシク・クル湖の微生物相 (2018)
  • Author(s): 程木義邦、中野伸一、Mukherjee Indranil、岡崎友輔、齋藤圭、大久保賢治、Satylkanov Rysbek、朴紫暎、杉山雅人
  • Organizer: 日本陸水学会 第83回大会
• [Presentation] 強塩基性・高アルカリ度なイシク・クル湖の化学過程 (2018)
  • Author(s): 杉山雅人、望月陽人、朴紫暎
  • Organizer: 日本陸水学会 第83回大会
  • Invited
• [Presentation] Formation and decomposition of polymeric silicate in pore water (2018)
  • Author(s): Jaeyong Park, Masahito Sugiyama
  • Organizer: 17th the World Lake Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 堆積物間隙水中での重合体ケイ酸の形成および分解 (2018)
  • Author(s): 朴紫暎、杉山雅人
  • Organizer: 日本陸水学会近畿支部会第29回研究発表会
• [Presentation] 堆積物間隙水中での重合体ケイ酸の存在と、その形成および分解機構 (2017)
  • Author(s): 朴紫暎、杉山雅人、管原庄吾、江川美千子、清家泰
  • Organizer: 日本地球化学会第64回年会
• [Book] 2-1-1 湖沼 2-1 地球での存在 2 リンの地球価額「リンの事典」 (2017)
  • Author(s): 杉山雅人
  • Total Pages: 360
  • Publisher: 朝倉書店
  • ISBN: 4254141041