産業排水に含まれる非鉄金属及び有機物の生物を利用した処理法の有効性の検討

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16F16750
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 浅枝 隆 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (40134332)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): AMIRNIA SHAHRAM 埼玉大学, 理工学研究科, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2016-11-07 – 2019-03-31
• Keywords: ファイトレメディエーション / 金属除去 / シャジクモ / 炭酸カルシウム / ヒ素 / マンガン / 炭酸水素イオン / 光合成

Outline of Annual Research Achievements

本研究の最終的な目標は、植物による重金属除去の機構解明と効率的な方法の開発にある。植物による重金属の捕捉には、植物体内に取り込まれるabsorptionと植物体表面にadsorptionの二つの機構が存在する。研究では、当初、この二つの機構の詳細の解明を目的としていた。ところが、議論を重ねるうち、当研究室で研究を行ってきていた車軸藻を用いた重金属除去が機構的に最も効率的であろうという結論になり、当初の目的を多少変更して、車軸藻による重金属除去の機構解析を行うこととした。
車軸藻は、カルシウムイオンの豊富な水中では、水中の二酸化炭素が欠乏すると炭酸水素イオンを利用して光合成を行う。その際に、車軸藻の表面に、水中のカルシウムイオンと炭酸水素イオンから炭酸カルシウムを沈着させる。他方、この炭酸カルシウム中に、水中の重金属イオンを取り込む。そのため、多くの重金属イオンは炭酸カルシウムにキレートとして取り込まれるため、車軸藻自身が枯死し、分解しても水中に回帰することはなく、半永久的に土壌中に捕捉され続けることになる。研究では、この現象に着目し、金属イオンの捕捉の形態、捕捉量を実験によって求めることにした。
平成28年度は、時期的に車軸藻が生長する時期ではことから、次年度に向けて、文献調査と実験の準備に充てた。これまでの研究のレビューは以下のようなものである。
炭酸カルシムの生成に関する研究は、これまでいくつか行われているものの、その機構についえては、最終的な結論が得られていない。また、炭酸カルシウムによる重金属の捕捉の研究については、当研究室を中心に、カドミウム、セシウム、クロム等のイオンについて行われ、捕捉の形態についても、炭酸カルシウムによる捕捉、有機物による捕捉、表面の付着のみといくつかの形態に分けられて、その割合が求められている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績に記したように、本研究に進めるにあたって、当初の、absorptionとadsorptionの差異の解明から、車軸藻による重金属イオンの捕捉の解明に目的を変更したことから、進捗に関しては多少遅れを取っている。しかし、車軸藻による重金属の捕捉に関しては、当研究室は極めて多くの経験を有していることから、必ずしも大きな遅れではない。
車軸藻の生長時期ではないことから、実験については準備の段階に留まったが、文献調査より、以下の様な点が明らかになった。
まず、炭酸カルシウムの車軸藻表面への沈着は、車軸藻にとってはストレスとして働く。ところがマグネシウムイオンの付加によって、ストレスの度合は緩和される。カルシウムイオンは炭酸カルシウムとして車軸藻の表面に留まるのに対して、マグネシウムイオンは車軸藻体内に取り込まれ、栄養素として利用されるためと考えられる。また、類似したイオンであるにもかかわらず、カルシウムイオンは細胞外に留まり、マグネシウムイオンは細胞内に取り込まれるなど、微妙な差で捕捉の形態が異なる事も明らかになった。
カドミウム、クロム等の有害金属については、炭酸カルシウム自体に捕捉される割合は全体の３０％程度にとどまる。しかし、こうした割合も炭酸カルシウムの生成量に依存することが考えられる。
また、ストレス強度の測定に関しては、従来は生長量等から評価することが主体であったが、活性酸素量等を利用した評価方法もあり、利用が考えられる。

Strategy for Future Research Activity

車軸藻による重金属の捕捉は、炭酸カルシウムの沈着に依ることから、炭酸カルシウムの沈着量を評価することが重要な課題になる。これには、二酸化炭素、重炭酸イオンが重要な要素になるが、これらは空気との接触の度合い、他の植物群落の有無、ｐＨが影響するものの、表流水の場合、多く存在している場合が多い。わが国のように軟水を基本とする地域では、むしろ、カルシウムイオン濃度が律速になると考えられる。そのため、まずは異なるカルシウムイオン濃度の下での、炭酸カルシウムの生成率を求めることが必要になる。
細胞内にもしくは細胞膜に取り込まれた重金属は、様々な形で、細胞膜等に捕捉されていると考えられる。この形態に関しては、これまでほとんど解明されてきていない。本研究では、電子顕微鏡等を利用して、この形態を可視化、検証することが必要になる。
炭酸カルシウムの沈着は、車軸藻にとってはストレスになると考えられるが、ストレス強度の測定に関しては、従来は、長期間モニタリングを行って、その生長量等から求めることが主体であった。ところが、そのために長期間のモニタリングを必要とし、必ずしも効率的とはいえない。そのため、本研究では、ストレス下で細胞内に生成される活性酸素、その中でも特に支配的な過酸化水素濃度を指標として、ストレス強度を評価することを考える。この方法であれば、1週間程度でストレス強度を評価できることから、様々な条件下での培養サンプルの比較が可能になる。