2017/09/29

チェルノブイリと福島の河川水中の放射性セシウムの水への溶け易さの違いを解明

 

高橋 嘉夫(地球惑星科学専攻 教授)

 

発表のポイント

  • 放射性セシウムの河川水中の水溶解性は、チェルノブイリの方が福島より高い。これは放射性セシウムの生態系への移行のし易さなどを考える上で重要な知見である。
  • 泥炭地であるチェルノブイリ地域の河川では、天然有機物(腐植物質)の影響で放射性セシウムの懸濁粒子への吸着が阻害され、水溶解性が高まることが分かった。
  • X線顕微鏡による観察により、福島地域とは異なりチェルノブイリ地域の河川中では、粘土鉱物と腐植物質が安定な複合体を形成していることが分かった。これはチェルノブイリ地域が泥炭地で有機物濃度が高いことと、炭酸塩地域であるため河川中のカルシウム濃度が高いために、粘土鉱物-腐植物質の複合体が生成し易いためと考えられる。

発表概要

原発事故で放出された放射性セシウムなどの放射性核種の河川などにおける水溶解性は、それらの生態系への移行や河口域での凝集よる除去などを考える上で重要なプロセスである。この河川水中での水溶解性は、懸濁粒子への吸着反応によって支配され、放射性セシウムの場合特に懸濁粒子中の粘土鉱物が重要な吸着媒となる。本研究では、チェルノブイリ地域のPripyat川と福島地域の口太川における放射性セシウムの水溶解性を比較した。その結果、チェルノブイリ地域では放射性セシウムの溶存成分の割合が70%程度であるのに対して、福島地域では30%程度であり、前者で水溶解性が高いことが分かった。またその原因として、チェルノブイリ地域では、懸濁粒子中の粘土鉱物への放射性セシウムの吸着が、天然有機物(腐植物質)により阻害されるためであることが、X線吸収法(XAFS法)などの分析から分かった。さらに放射光を用いたX線顕微鏡(STXM)による分析により、チェルノブイリ地域では粘土鉱物と腐植物質が安定な複合体を作っていることが分かり、その原因として、両地域の地質や土質の違いが考えられた。チェルノブイリ地域は、泥炭地で覆われて腐植物質の供給量が多く、炭酸塩が主体の地質であるため河川中のカルシウム濃度が阿武隈水系の4倍程度高い。高いカルシウム濃度は粘土鉱物-腐植物質複合体を安定化させる効果があるため、最終的にチェルノブイリ地域で粘土鉱物への吸着が起きにくくなる。一方で、口太川周辺の表層は風化花崗岩が主体であり、河川水中の有機物濃度やカルシウム濃度は低く、粘土鉱物と腐植物質の複合体は生成しにくいため、放射性セシウムは懸濁粒子に吸着され易いと考えられる。本研究から、こうした地質・土質環境の違いが最終的には放射性セシウムの水溶解性やその生態系への移行を支配することが示唆された。

発表内容

【研究の背景・先行研究における問題点】
原発事故で放出された放射性セシウムなどの放射性核種の河川などにおける水溶解性は、それらの生態系への移行や河口域での凝集による除去などを考える上で重要なプロセスである。この河川水中での水溶解性は、懸濁粒子への吸着反応によって支配され、放射性セシウムの場合には、特に懸濁粒子中の粘土鉱物が重要な吸着媒となる。これまでの研究から、福島地域の河川では放射性セシウムの殆どが懸濁粒子に吸着されて移行することが分かっていたが、チェルノブイリ地域との違いなどについては十分な研究がなされてこなかった。

【研究内容】
そこで本研究では、チェルノブイリ地域(Pripyat川)と福島地域(口太川)の両河川を調査し、その固液分配を調べると共に、採取された懸濁粒子(粘土鉱物を含む)へのセシウムの吸着挙動や、粘土鉱物と腐植物質の複合体の生成などについて研究を行った。その結果、河川調査から福島地域での放射性セシウムの溶存態は30%以下であるのに対して、Pripyat川では70%以上が溶存態であることが分かった。これは、放射性セシウムを吸着・固定する懸濁粒子の性質の違いと考えられたので、さらに研究を進めた。

X線回折では、腐植物質を除去した場合、両地域共に2:1型の粘土鉱物/雲母のピークが確認されたが、特に福島地域でその強度は強かった。放射光を用いたセシウムL3吸収端のX線吸収法によりこれら懸濁粒子に吸着されたセシウムの局所構造を調べたところ、福島地域の懸濁粒子は粘土鉱物に対する安定な内圏錯体の生成がみられるが、チェルノブイリ地域では外圏錯体の寄与が大きいことが示唆された(図1)。

 

 

この結果から、前者の方がより安定にセシウムを固定できることが分かる。しかし、有機物を除去した懸濁粒子の場合、チェルノブイリ地域の懸濁粒子でも内圏錯体の生成がみられた。これらのことから、チェルノブイリ地域では、粘土鉱物と腐植物質が複合体を作ることで、放射性セシウムの吸着が阻害されていることが示唆された。

そこで、高エネルギー加速器研究機構の放射光科学研究施設(Photon Factory)に設置された最新鋭のX線顕微鏡(STXM)を用いて、両地域の懸濁粒子を観察した。その結果、チェルノブイリでは、粘土鉱物(カリウム、アルミニウム)と腐植物質(炭素)の分布が相関しており、粘土鉱物と腐植物質が安定な複合体を生成していることが分かった(図2)。

 

一方、福島地域では、粘土鉱物(カリウム、アルミニウム)と腐植物質(炭素)の分布が相関しておらず、粘土鉱物は腐植物質により覆われていないことが分かった。また、炭素のX線吸収スペクトルから、これら有機物が腐植物質であることが確認された。以上の結果からも、チェルノブイリ地域では粘土鉱物と腐植物質が複合体を作ることで、放射性セシウムの吸着が阻害されていることが理解される。

このような違いの原因として、両地域の地質や土質の違いが考えられた。チェルノブイリ地域は泥炭地で覆われて天然有機物の供給量が多く、炭酸塩が主体の地質であるため河川中のカルシウム濃度が阿武隈水系の4倍程度高い。高いカルシウム濃度は粘土鉱物-腐植物質複合体を安定化させる効果があるので、チェルノブイリ地域では粘土鉱物-腐植物質複合ができやすいことが分かる。一方で、口太川周辺の表層は風化花崗岩が主体であり、河川中の有機物濃度やカルシウム濃度は低く、粘土鉱物と腐植物質の複合体は生成しにくい。そのため、福島地域では放射性セシウムは懸濁粒子中の粘土鉱物に強く吸着されると考えられる。

本研究から、このような周辺地域の地質や土質の環境の違いが、懸濁粒子への放射性セシウムの吸着の強さを生み、最終的には水圏における放射性セシウムの水溶解性やその生態系への移行を支配することが示唆された。

【社会的意義・今後の予定】
原発事故により福島周辺地域に沈着した放射性セシウムは、表層土壌で浸食を受けて河川に入り、河川を経由して太平洋に移行する。このプロセスの中で、放射性セシウムの河川などの水圏における水溶解性は、生体への取り込みや海洋への移行を考える上で重要な因子である。一方、この水溶解性は、福島地域よりもチェルノブイリ地域で高いことが分かり、福島地域ではより懸濁粒子に吸着されたまま河川を移行しやすいことが分かった。これをチェルノブイリと比較すると、福島地域では放射性セシウムが生体に移行しにくく、また河口域で凝集・沈殿し易いことを示すと考えられ、放射性セシウムの移行を理解する上で重要な知見となる。

 

発表雑誌

雑誌名 Scientific Reports(日本時間9月29日掲載)
論文タイトル Comparison of Solid-Water Partitions of Radiocesium in River Waters in Fukushima and Chernobyl Areas
著者 Yoshio Takahashi, Qiaohui Fan, Hiroki Suga, Kazuya Tanaka, Aya Sakaguchi, Yasuo Takeichi, Kanta Ono, Kazuhiko Mase, Kenji Kato, and Vladimir V. Kanivets
DOI番号 10.1038/s41598-017-12391-7
論文URL https://www.nature.com/articles/s41598-017-12391-7

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―