「土壌・地下水汚染とその修復」
近年、有機塩素化合物、重金属類、石油系炭化水素、農薬類などによる土壌・地下水汚染の問題が顕在化しております。例えば、トリクロロエチレン(TCE)やテトラクロロエチレン(PCE)などの有機塩素系溶剤は半導体、精密機械などのハイテク産業やあるいはドライクリーニングなどで広く利用されてきましたが、タンクや配管の破損により地中に漏洩した場合、自然分解性や生分解性が低いため長期間にわたり地中に残存し土壌・地下水汚染を引き起こしてしまいます。2003年の土壌汚染対策法の施行により我が国でも本格的に土壌汚染対策が実施されるようになってきました。しかし、その内容は掘削除去が主体であり、対策費用が高くなることや汚染土壌の拡散の恐れがあることが問題となっています。原位置でのリスク低減措置(オンサイト処理)の技術がひつようとなっていますが、地下環境中に広範囲に拡散した汚染物質を環境に負荷を与えることなく効果的に除去する方法は、まだ確立されたといえる状況にはありません。そこで、井上研究室では以下のような研究を行なっています。

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1.バイオレメディエーション (微生物による環境浄化)
微生物が持つ多様な有機物を分解する機能を利用した環境修復技術、バイオレメディエーションが着目されています。微生物が担う反応は常温常圧で行われるため、省エネルギー・低環境負荷プロセスとしての利用が期待できますが、ブラックボックスとされがちな微生物生態系の動態や微生物反応の中身を解き明かし、反応を阻害する要因を取り除いていく必要があります。井上研究室では、石油系炭化水素中の難分解成分の微生物分解、有機塩素化合物からの脱塩素などの研究を行なっています。

・石油系炭化水素中の難分解成分の微生物分解
石油は古くから地球上に存在する物質であるため、石油系炭化水素を分解する細菌は土壌に普遍的に棲息しています。そのため、石油系炭化水素のバイオレメディエーションは比較的実用化が進んでいますが、石油成分毎の分解性を見ていくと、ほとんどの石油分解細菌はn-アルカン類はよく分解するものの、多環芳香族炭化水素類やイソアルカンなどは分解を行いません。また、BTEX(ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン)に代表される単環芳香族炭化水素類を分解する細菌も数多く知られていますが、n-アルカン類が共存する場合には健康リスクが高いBTEXよりもn-アルカン類を優先的に分解してしまいます。井上研究室では油田周辺から採取した土壌サンプルからn-アルカン類よりも低分子芳香族炭化水素を優先的に分解する集積培養を獲得しました。この集積培養は継代培養を繰り返しても安定な分解性が維持されており、遺伝子解析の結果、4種の土壌細菌が主体で構成されていることが明らかにされています。現在この集積培養中で芳香族類の優先的な分解に関与している細菌(類)の同定と、共存する細菌群の役割について検討を行なっています。

・有機塩素化合物の嫌気分解
トリクロロエチレン(TCE)やテトラクロロエチレン(PCE)などの有機塩素系溶剤は半導体、精密機械などのハイテク産業やあるいはドライクリーニングなどで広く利用されてきましたが、タンクや配管の破損により地中に漏洩した場合、自然分解性や生分解性が低いため長期間にわたり地中に残存し土壌・地下水汚染を引き起こしてしまいます。
その一方で、これらの有機塩素化合物を脱塩素する能力を持つ微生物も見つかっており、特にTCEの嫌気性細菌群による脱塩素は多くの研究が行われています。TCEからエチレンまで完全に脱塩素を行える唯一の細菌として、Dehalococcoides属細菌が知られていますが、この細菌の単離と純粋培養は困難です。井上研究室ではTCE汚染サイトより採取した地下水サンプルから、短時間でTCEをエチレンまで完全に脱塩素する安定した集積培養系を確立しています。また、この集積培養系を解析を進め、Dehalococcoides属細菌の他、メタン生成古細菌や水素生成細菌などで構成されていること、Dehalococcoides属細菌の増殖にメタン生成古細菌が関与していることなどを明らかにしています。

2.鉄粉

3.ファイトレメディエーション (植物による環境浄化)
ファイトレメディエーションは様々な植物を使用し、土壌や水から汚染物を分解・抽出・含有・固定化する進出の技術であり、有害廃棄物サイトで使用され確立されている処理法に対して、画期的で費用効率の良い代替法として注目を集めている。ファイトレメディエーション(Phyton+remediation)という用語は1991年に比較的新しく造られ、その基礎的な知識は、造成湿地、油の流出、農業植物の重金属の蓄積を含む研究領域等から得られている。
ファイトレメディエーションの研究は、主にメカニズムの解明とクレームの評価に大別される。メカニズムに関する研究では、ファイトレメディエーションの理論的限界や実際のフィールドで観察される結果の説明が中心に行われている。パイロットスケールのフィールド試験は両方とも進行しており、その後ラボスケールの試験による説明付けが行われている。また、長期的な汚染浄化のフィールド試験は、実際のファイトレメディエーションの効果・費用・植物と汚染物の相互作用を予想するモデルを構築するために重要である。
アメリカなどでは有機塩素化合物の浄化に関する研究が盛んに行われているが、井上研究室では重金属類等、特にヒ素を対象としていくつかの植物のヒ素の取込¹), ²)・蓄積³)に関する研究・取込後の挙動、フィールド試験を行っている。

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4. 重金属挙動

・土壌中の自然由来重金属類の拡散リスクの評価法の開発
自然由来重金属類による土壌汚染が大きな問題となっています。この自然由来重金属汚染をもたらすと考えられる代表例が海成堆積物です。一般的に、海成堆積物中には、硫化鉄などの硫化鉱物が含まれており、これが風雨にさらされ酸化することにより硫酸酸性水が生じ、そのことでより一層、重金属類の溶出が促進されます。一方で、海成堆積物より溶出した重金属類は、新たに生成される鉄やマンガンを主体とする水酸化物,酸化物により吸着除去されることで、拡散防止機構がはたらくことも考えられます。海成堆積物中における自然由来有害元素の化学形態、および化学的風化等により予想されるその形態変化を特定し、海成堆積物からの重金属類溶出の中長期的リスク評価法の開発を行っています。

・石炭灰中の重金属類封じ込め技術の開発
2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震に伴う福島第一原子力発電所の事故により、わが国では火力発電の電力需要が飛躍的に上昇しました。石炭は、火力発電における最も重要な燃料の一つですが、石炭火力発電では大量に生じる石炭灰が大きな問題となります。石炭灰中には、ヒ素、ホウ素、フッ素、鉛などの有害元素が濃集しており、そのうちの一部は、水と接することだけで簡単に溶出します。わが国では、当分の間、火力発電の需要は大きく変動することは無いと考えられるので、石炭灰の処理は一層大きな問題となっていくと考えられます。このような背景から,より簡便、安価な石炭灰中の重金属類の封じ込め技術の開発を行っています。

・酸性温泉中に含まれる有害元素、レアメタルの河川流域への分布調査
近年、酸性温泉中にインジウム、レアアース等のレアメタルが含有されていることが報告されています。一方で、酸性水そのものが環境負荷を与えるだけでなく、酸性温泉中にはヒ素などの有害元素も多く含まれています。わが国を代表する群馬県草津温泉、秋田県玉川温泉が流入する河川の広域調査を行い、河川流域の有害元素が濃集する地域の特定、および人工レアメタル鉱床形成の可能性の評価を行っています。