元素組換え雲母を利用した放射性セシウム土壌‐植物間移行制御機構の解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H02090
• 研究機関: 京都府立大学
• 研究代表者: 中尾 淳 京都府立大学, 生命環境科学研究科, 准教授 (80624064)
• 研究分担者: 矢内 純太 京都府立大学, 生命環境科学研究科, 教授 (00273491) ; 奥村 雅彦 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究主幹 (20386600) ; 小暮 敏博 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (50282728) ; 和穎 朗太 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農業環境研究部門, 上級研究員 (80456748) ; 山口 瑛子 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究職 (80850990)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 吸着選択性 / フレイドエッジサイト / 元素置換 / 放射性セシウム / 密度汎関数法 / 根圏風化 / X線回折分析

研究実績の概要

放射性セシウム（Cs）の土壌-植物間移行を抑制するには，土壌固相が，１）高いCs選択的吸着能を持つことで固液分配比が高く保たれることと，２）高いカリウム（K）放出能を持つことで植物根圏の土壌溶液でのCs/K比が低く維持されること，の2点が重要である。
この2つの機能，すなわちCs吸着能とK放出能の両面において重要な役割を果たしているのが，雲母系鉱物（雲母）である。ただしこれまで，雲母が持つ2つの機能が放射性Csの土壌-植物間移行に及ぼす影響を分けて評価することが出来なかったため，本研究ではK-Rb元素置換処理によってK放出能を失活させた雲母を作製し，Cs吸着試験や根圏を模擬した栽培試験を行うことで，雲母の放射性Cs動態制御機能の包括的な理解を目指した。
まず，層間収縮層（d001 = 1.0 nm）の層間イオンがKもしくはRbである風化白雲母モデルを構築し，密度汎関数法による半膨潤層間（d001 = 1.0~1.4 nm）でのCsとKまたはCsとRbのイオン交換反応のエネルギー評価を行ったところ，収縮層のイオン種によらずd001 = 1.15 nm程度の膨潤状態において最もCsが安定化する一方で，同じ膨潤状態であればRb型の方がCsの安定性が大きく低下することが確かめられた。この傾向は化学的にKとRb元素置換を施した風化黒雲母を用いた放射性Cs吸着試験でも同様であった。
この結果を踏まえると，Rb型の風化黒雲母に吸着したCsの方が植物に移行しやすい可能性が想定された。そこで， Rhizotestと呼ばれる根圏栽培システムを用いて5 wt%のRb型またはK型の風化黒雲母を混入させた黒ボク土を培地としてライグラスの栽培を行ったところ，想定とは逆にK型の風化黒雲母の方が吸着Csの移行係数が大きい結果となった。おそらく植物によるK吸収圧が高い根圏では，収縮層のKの層間からの溶出が促進されるため，Csを安定化させる構造自体が維持されにくいことが想定された。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Molecular geochemistry of radium: A key to understanding cation adsorption reaction on clay minerals (2024)
  • 著者名/発表者名: Akiko Yamaguchi, Yuichi Kurihara, Kojiro Nagata, Kazuya Tanaka, Shogo Higaki, Tohru Kobayashi, Hajime Tanida, Yoshiyuki Ohara, Keiichi Yokoyama, Tsuyoshi Yaita, Takashi Yoshimura, Masahiko Okumura, Yoshio Takahashi
  • 雑誌名: Journal of Colloid and Interface Science 巻: 661 ページ: 317-332
  • DOI: 10.1016/j.jcis.2024.01.120
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 放射性セシウム捕捉ポテンシャルから推定されるKd値と実測Kd値との誤差要因の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宇野功一朗，中尾淳，奥村雅彦，山口瑛子，小暮敏彦，矢内純太
  • 雑誌名: 日本土壌肥料学雑誌 巻: 5 ページ: 376-384
  • DOI: 10.20710/dojo.94.5_376
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 元素置換型黒雲母を用いたCs, Kの土壌植物間移行メカニズムの解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 宇野 功一郎, 中尾 淳, 奥村 雅彦, 小暮 敏博, 山口 瑛子, 武田 晃, 丸山 隼人, 信濃 卓郎, 矢内 純太
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会愛媛大会
• [学会発表] 系統的な第一原理計算による粘土鉱物吸着構造決定要因の推定 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 瑛子、高橋 嘉夫、奥村 雅彦
  • 学会等名: 日本原子力学会2023年秋の大会
• [学会発表] 粘土鉱物吸着構造の系統的理解-EXAFS実験と第一原理計算の相補利用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 瑛子、高橋 嘉夫、奥村 雅彦
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会愛媛大会
• [学会発表] Factors controlling adsorption structures of cations on clay minerals investigated by EXAFS measurement and ab initio calculation (2023)
  • 著者名/発表者名: 山口 瑛子、奥村 雅彦、高橋 嘉夫
  • 学会等名: Water-Rock Interaction (WRI-17)/ Applied Isotope Geochemistry (AIG-14)
• [備考] Researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/vermiculite_xrd