作成： 1999/01/31 有江 力
データ番号 ：160013
放射性核種の土壌から植物への移行における植物種による差、および細胞内小器官・植物器官への分布挙動について
目的 ：放射性核種汚染土壌の植物を用いたリメディエーション系確立のための基礎的知見の蓄積
研究実施機関名 ：理化学研究所微生物制御研究室、理化学研究所無機化学物理研究室、
応用分野 ：環境科学、植物生理学、植物栄養学、土壌学、農学
概要 ：
土壌中の放射性核種のファイトリメディエーション系確立のための基礎的知見を得ることを目的として実験を行った。栽培植物・野草等32種の植物を、マルチトレーサー液施用土壌に栽培し、移行割合を測定したところ、キュウリ、トマト等で移行が多いことが示された。また、キュウリ、ダイズを用いて、細胞内小器官および植物器官への分布挙動を調査した。
詳細説明 ：
1、はじめに
原子力関連施設の事故等に伴い、予期せぬ放射性核種の放出が起こると、土壌環境中に核種が蓄積し耕作地としての利用ができなくなる、あるいは生産した食糧が汚染することが想定される。この様な汚染圃場は、早期に浄化し再利用を可能にすることが求められるが、現状では地域封鎖や土壌除去等の消極的な方策しか取り得ない。本研究では、植物を用いた土壌浄化(ファイトリメディエーション)系の確立を目指しており、そのために必要な基礎的知見を蓄積することを目的として実験を行った。
2、植物種による核種取り込みの差
栽培植物(食用作物、蔬菜、花卉類)・野草等、32種の植物を、137Csを含むマルチトレーサー溶液を施用した土壌に播種、RI実験温室内で栽培し、その移行割合を測定した。植物地上部の乾重当りの移行の解析結果(表1)は、すべての種において、58Co、85Sr、137Csの移行は約1%以下と少なく、83Rbでは比較的多いことを示している。種としては、カリフォルニアポピー(Eschscholzia californica)、アイスランドポピー(Papaver nudicaule)、カーネーション(Dianthus caryophyllus)、アサガオ(Ipomoea nil)、マトリキャリア(Matricaria sp.)の様な花卉類で他の種より多く取り込む傾向が見られた。フダンソウ(Beta vulgaris)、キュウリ(Cucumis sativus)、コムギ(Triticum vulgare)、トマト(Lycopersicon esculentum)は、137Csについては比較的多く取り込んだ。
しかしながら、本研究の目標であるファイトリメディエーションへの応用を考慮すると、乾重当りの取り込みよりも、個体当りの取り込みを指標に考察する必要がある。表2に各核種毎に、乾重当りの取り込みおよび個体当りの取り込みの多い種のリストを示した。この結果は、乾重当たりの取り込みが多い花卉等は生育が遅いため個体としての取り込みは少ないこと、個体としての取り込みは、フダンソウ、キュウリ(cv. 四葉、タキイ種苗)、トマト(cv. 桃太郎、タキイ種苗)で大きいことを示している。従って、これらの種がファイトリメディエーション用の好適種と考えられた。
表1 Accumulation rates of 60Co, 83Rb, 85Sr and 137Cs in different plant species（原論文1より引用）
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Uptake rate(in %/g dry weight of plant material)a
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Plant species common name 60Co 83Rb 85Sr 137Cs
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Brassica campestris L. turnip(Hinona) 0.39±0.19 8.7±0.9 0.66±0.20 0.19±0.10
(rapifera group)
Brassica campestris L. turnip(Komatsuna) 0.26±0.02 10.0±0.6 0.57±0.01 0.21±0.01
(rapifera group)
Brassica campestris L. Chinese cabbage 0.32±0.18 10.1±3.5 0.58±0.22 0.07±0.07
(pekinensis group)
Brassica campestris L. Kyona 0.17±0.02 6.6±1.0 0.67±0.11 0.11±0.04
(Japonica)
Brassica oleracea L. broccoli 0.09±0.04 7.8±1.5 0.54±0.22 0.06±0.02
(Italica group)
Glycine max Merr. soybean 0.01±0.01 1.8±0.2 0.15±0.01 0.05±0.01
Vigna radiata R.Wilcz. mung bean 0.03±0.01 3.4±1.2 0.15±0.11 0.04±0.04
Pisum sativum L. pea 0.11±0.03 5.4±0.9 0.43±0.04 0.29±0.07
Zea mays L. maize 0.03±0.01 7.5±3.6 0.13±0.05 0.21±0.07
Triticum vulgare L. cv. Chihoku wheat 0.02±0.01 12.4±1.4 0.59±0.02 0.33±0.09
Oriza sativa L. cv. Koshihikahari rice 0.11±0.01 7.6±0.7 0.41±0.07 0.07±0.05
Pinnacle sp. pinnacle grass 0.49±0.09 7.9±0.5 0.66±0.01 0.22±0.00
Poa pratensis L. Kentucky bluegrass 0.28±0.11 6.8±0.0 0.89±0.20 0.12±0.01
Beta vulgaris L.(cicia group) chard 0.08±0.01 11.6±1.4 0.22±0.06 0.85±0.03
Salsola komarovii lljin okahijiki 0.30±0.00 12.5±1.9 0.20±0.12 0.14±0.07
Amaranthus mangostanus L. edible amaranthus 0.80±0.08 10.4±1.0 1.01±0.03 0.29±0.03
Apium graveolens L. celery 0.02±0.01 7.1±0.5 0.75±0.02 0.06±0.01
Daucus carota L. carrot 0.19±0.00 9.3±0.9 1.17±0.18 0.21±0.07
Lycopersicon esculentum Mill. tomato 0.44±0.01 11.0±0.3 0.35±0.01 0.61±0.10
Solanum melongena L. eggplant 0.88±0.27 11.6±1.2 1.05±0.29 1.13±0.03
Cucumis sativus L. cucumber 0.11±0.01 8.9±1.2 1.29±0.13 0.66±0.16
Abelmoschus eseculentus Moench okra 0.14±0.03 3.5±0.2 1.22±0.06 0.12±0.01
Eschscholzia califomica California poppy 1.68±0.34 24.7±19.5 1.40±0.04 0.24±0.01
Cham
Papaver nudicaule L. lceland poppy 1.16±0.66 15.7±0.0 0.75±0.00 0.18±0.03
Allium tuberosum Rottler Chinese chive 0.00±0.00 8.8±1.7 0.46±0.10 0.04±0.01
Helianthus annus L. sunflower 0.17±0.03 10.1±1.2 0.80±0.08 0.20±0.15
Matricaria sp. matricaria 0.92±0.23 14.8±5.7 1.61±1.50 0.31±0.14
Campanula medium L. canterberry bells 0.36±0.00 12.2±2.0 1.04±0.01 0.15±0.00
Antirrhinum madium L. snapdragon 0.13±0.01 9.4 ±0.3 0.94±0.08 0.09±0.00
Dianthus caryophyllus L. carnation 1.52±0.55 13.4±1.7 1.43±0.16 0.23±0.05
Ipomoea batatas Poir. sweet potato 0.11±0.01 8.3±0.5 0.65±0.07 0.17±0.03
Pharbitis nill Choisy Japanese morning 1.12±0.84 7.7±1.2 1.37±0.21 0.26±0.10
glory
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表2 List of plant species showing high uptake rates in decreasing order for each nuclide（原論文1より引用）
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A B
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60Co
California poppy Broccoli (1.22±0.01)
Carnation Tomato (1.02±0.01)
lceland poppy Eggplant (0.51±0.22)
Japanese morning glory Chinese cabbage (0.41±0.09)
Matricaria Turnip(Hinona) (0.37±0.17)
Eggplant Turnip(Komatsuna) (0.36±0.08)
Edible amaranthus Sun flower (0.28±0.07)
Pinnacle grass Califonia poppy (0.27±0.07)
Tomato Kyona (0.25±0.03)
Turnip(Hinona) Edible amaranthus (0.22±0.02)
83Rb
California poppy Tomato (25.6±0.1)
Iceland poppy Chard (17.8±3.1)
Matricaria Sun flower (17.2±4.1)
Carnation Cucumber (14.2±2.1)
Salsola(okura) Maize (14.0±6.2)
Wheat Turnip(Komatsuna) (14.0±0.4)
Canterberry bells Chinese cabbage (13.8±1.4)
85Sr
Matricaria Cucumber (2.12±0.33)
Carnation Sunflower (1.36±0.25)
California poppy Kyona (0.98±0.15)
Japanese morning glory Tomato (0.81±0.01)
Cucumber Turnip(Konatsuna) (0.79±0.06)
Okra Chinese cabbage (0.78±0.04)
Carrot Pea (0.77±0.09)
Eggplant Okra (0.74±0.13)
Edible amaranthus Broccoli (0.65±0.19)
Snapdragon Turnip(Hinona) (0.63±0.18)
137Cs
Chard Tomato (1.42±0.27)
Cucumber Chard (1.36±0.27)
Tomato Cucumber (1.09±0.29)
Wheat Pea (0.51±0.10)
Matricaria Maize (0.38±0.14)
Edible amaranthus Sunflower (0.36±0.27)
Pea Turnip(Komatsuna) (0.29±0.03)
Japanese morning glory Turnip(Hinona) (0.18±0.01)
California poppy Soyabean (0.17±0.04)
Carnation Chinese cabbage (0.16±0.05)
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A-Plant species with high"percentage uptake per gram"in decreasing order
(Values are in table 1)
B-Plant species with high"percentage uptake per plant"in decreasing order,
with uptake values in brackets
For each element ten top accumulator plants are given in the table
3、植物器官および細胞内小器官への分布挙動
根から取り込まれたマルチトレーサーの細胞内小器官の分布挙動および植物器官への経時的移行挙動を観察した。供試植物は、キュウリおよびダイズ(Glycine max)である。液耕栽培において養液にマルチトレーサーを添加し、その後植物を無処理土壌に移植して、細胞内小器官および植物器官への分布挙動を測定した。まず、小器官への分布についてであるが、取り込まれた核種のうち、83Rb、85Sr、54Mn、56Co、95Nb、74As、75Se、65Znでは50%以上が上清画分(細胞質等を含む)に、51Crは、20-55%が細胞壁画分に、7Be、88Y、59Feの70%程度が葉緑体画分、46Sc、59Fe、48V、74Asの10%程度がミトコンドリア画分に分布することが明らかになった。
一方、植物器官への移行調査の結果、83Rb、85Sr、65Znが根から地上部へ速やかに移動し、葉や果実、特に83Rb、65Znの場合は種子まで移行すること、54Mn、59Fe、74As、56Coは根および地上部に比較的非選択的に分布すること、48V、88Y、7Be、75Se、95Nb、46Sc、51Cr、88Zrは根に集積されて他の器官への移行が殆ど見られないことが判明した(図1)。
図1 Distribution of 85Sr, 83Rb, 74As and 51Cr in soybean plant parts at different growth stages
4、考察
放射性核種に汚染された土壌のファイトリメディエーションを目的に、有望な植物種の選抜を試みたところ、フダンソウ、キュウリ、トマト等がその候補として選ばれた。これらの種がすべて栽培種であるのは、育種の過程で生育速度や養分吸収能等の性状に基づく選択圧がかかったことが推測され興味深い。しかしながら、原子力関連施設が多く立地している非耕作地・海岸地域・寒冷地の様な条件、また我が国やアジア地域で特徴的な水田を考慮すると、それらの地域で栽培可能な種、すなわち芝草・牧草類、野草やイネ(Oryza sativa)もさらに対象として検討する必要があると考えられる。
土壌-植物への移行には、根圏土壌の物理化学的性状、施肥や根圏微生物など様々なファクターが影響を及ぼすと考えられ、今後これらの因子の移行に及ぼす影響について解析を進める予定である。一方、各核種ごとに、植物器官および細胞内小器官への異なった分布・移行挙動を示した。このうち、地上部、特に種子へ移行する核種については、農業生産における収穫物を通じて、また、ファイトリメディエーションにおける害虫や鳥による食害により食物連鎖系に取り込まれることが想定されるため、今後注意を払う必要があると考えられた。
コメント ：
原子力関連施設の事故などに伴い、土壌の放射性核種による大規模な(国の範囲をも超える)汚染などの事態が起こりうることはすでにチェルノブイリ事故などで明かとなった。幸い、我が国ではかような重大事故は発生していないが、我が国だけでなく国際的に通用する対処法を構築しておく必要性は誰もが認めるところである。
現在のところ、核種による汚染土壌対策として地域封鎖や土壌除去等の方策がとられているが、さらに積極的な土壌環境回復のため、植物を利用したファイトリメディエーションが有効であると思われる。すなわち、汚染土壌に植物を栽培し、核種が移行した植物地上部を刈り取り集積することで、土壌汚染の除去を行う方策である。これまで、土壌中の放射性核種の植物への移行に関しては、食品としての保健学的見地からの研究はすでに行われているが、リメディエーションを目的とした研究は少ない。今後のファイトリメディエーションの可能性を検討するにあたり、土壌-植物の核種移行に関与する因子についての基礎的知見を集積することが重要であると考えられる。
原論文１ Data source 1：
Screening of plant species for comparative uptake abilities of radioactive Co, Rb and Cs from soil
Gouthu, S., Arie, T., Ambe, S. and Yamaguchi, I.
理化学研究所(RIKEN)、埼玉県和光市広沢 2-1
J. Radioanal. Nucl. Chem., 222, 247-251 (1997)
原論文２ Data source 2：
Subcellular distribution and translocation of radionuclides in plants
Gouthu, S., Weginwar, R., Arie, T., Ambe, S., Ozaki, T., Enomoto, S., Ambe, F. and Yamaguchi, I.
理化学研究所(RIKEN)、埼玉県和光市広沢 2-1
Environ. Toxicol. Chem., 18, 2023-2027 (1999)
参考資料１ Reference 1：
Studies on some parameters that may influence the uptake of radioisotopes by plants from soil
Gouthu, S., Arie, T. and Yamaguchi, I.
理化学研究所(RIKEN)、埼玉県和光市広沢 2-1
RIKEN Accel. Prog. Rep., 30, 117 (1997)
参考資料２ Reference 2：
Screening of plants for soil-radionuclide accumulators
Gouthu, S., Arie, T., Ambe, S. and Yamaguchi, I.
理化学研究所(RIKEN)、埼玉県和光市広沢 2-1
RIKEN Accel. Prog. Rep., 31, 145 (1998)
参考資料３ Reference 3：
Possible role of soil-microbes in plant uptake of radionuclides
Gouthu, S., Arie, T., Ambe, S. and Yamaguchi, I.
理化学研究所(RIKEN)、埼玉県和光市広沢 2-1
RIKEN Accel. Prog. Rep., 31, 146 (1998)
キーワード：マルチトレーサー、セシウム、植物種、移行、土壌-植物、リメディエーション
Multitracer, Cesium, Plant species, Uptake, Soil-Plant, Remediation
分類コード：160104, 160304