1 第14回環境研究シンポジウム 「レジリエントな社会・国土を創る環境研究」 製鋼スラグと浚渫土を活用した アマモ場創生技術の評価 産業技術総合研究所 環境管理研究部門 海洋環境動態評価研究グループ 塚崎 あゆみ National Institute of Advanced Industrial Science and Technology アマモ場とは？ 2 アマモ 沿岸砂泥域（～潮下帯）に おける主要な一次生産者 となる海草 地下茎・根をもつ 日本各地に分布 水質環境 海草（アマモ） 生態系 アマモ場 グリーン（ブルー） レジリエンス 国土保全 海藻 温暖化 緩和 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 河口・沿岸域の主要な浅場生態系 ➡ 多様な生態系サービスの提供 • • • • 水質改善（濁り・富栄養化） 生物多様性の保全（海のゆりかご） 海岸浸食の低減 温室効果ガス (CO2)の吸収・削減 = Blue Carbon 沿岸海洋環境の悪化 3 アマモ場 面積減少 アマモ場の保全・再生 天然アマモ場 25,000 浅場がない場合 浅場造成 22,635 面積 (ha) 20,000 15,000 10,623 10,000 5,574 5,000 7,011 6,381 1978 1989～90 造成土壌となる海砂の 採取制限・禁止 0 1960 1966 1971 瀬戸内海におけるアマモ場面積の推移 出典：1960、1966、1971年：水産庁南西海区水産研究所調査 1989～1990年：第４回自然環境保全基礎調査（環境省） National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 利用可能な 代替材料は？ 産業副産物を有効活用した浅場創生技術の提案 4 ●利用可能な基盤材料＝2つの産業副産物 毎年大量に発生 製鋼スラグ 製鋼スラグ×浚渫土混合土壌に よるアマモ場生態系創生技術 産業副産物の大量活用 ＋ 沿岸環境の修復・創生 製鋼過程の産業副産物 発生量：年間1,150万t 浚渫土 泊地や航路の建設副産物 発生量：年間2,083万m3 産業副産物を活用した レジリエントな沿岸環境創生 製鋼スラグとは？ 鉄鉱石 MnO 銑鉄 製鋼スラグ 鋼 高炉 SiO2 Fe2O3 高炉スラグ 転炉 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 脱硫スラグ 脱リンスラグ 脱炭スラグetc. CaO 製鋼スラグの主要元素組成 産業副産物を活用したアマモ場創生技術の課題 解決すべき課題 造成土壌の強度 科学的な評価に基づいた 産業副産物の海域利用に対する アマモの成長 底生生物群集の定着 社会的受容性の確保 底質・水質環境の汚染の懸念 造成アマモ場の持続性 粒子状有機物 アマモ葉 成長？ 汚染？ 底生生物？ アマモ根 間隙水 固相 造成アマモ場における物質循環 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 造成土壌 5 海水かけ流し水槽を用いた擬似現場実験 6 アマモ水槽実験 擬似現場実験 1. アマモ水槽 2. 柱状コア水槽 産総研阿賀臨海実験場 （広島県 呉市） 試験混合土壌 ・脱リンスラグ 添加率 (w%: 浚渫土に対して) 92%, 85%, 70%, 25% ・対照区: 天然砂 周辺漁協との情報交換 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 柱状コア実験 測定項目 生物 アマモの成長 底生動物 微生物群集組成 化学・物理分析 pH、炭酸系 土壌強度 栄養塩 微量金属元素 造成土壌強度に対するスラグ混合の効果 土壌強度が低すぎる場合： せん断強さ 浚渫土のみ 土壌強度が高すぎる場合： ・アマモの移植が困難 ・アマモ根の成長を阻害 ・埋在性底生生物の移入が困難 (浚渫土100％の硬度を1する) アマモ水槽土壌のベーンせん断試験を 実施 浚渫土のみ 浸食・流出 7 8 6 スラグ 4 天然砂 浚渫土100％ 2 0 0 25 50 75 100 スラグ・天然砂混合率（%） 499日後のアマモ水槽土壌硬度 スラグとの混合により土壌強度が向上 浚渫土の1.8～5.5倍 天然砂混合土壌の1.3～3.3倍 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology スラグの生物影響 8 1.2 スラグでアマモは育つのか？ スラグ 200 92% 85% 70% 25% 100 1.0 アマモ葉生産速度 （g C/m2/day） 株数（本/m2） 300 スラグ 天然砂 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 92% 0 85% 70% 25% スラグ・天然砂添加率 アマモの一次生産速度 株数（本/m2） 300 200 天然砂 92% 85% 70% 25% 100 アマモの成長は ・浚渫土の混合率に依存 ・対照区と顕著な差は認められず スラグ造成土壌においても アマモは順調に生育 0 アマモ株数の経時変化 様々な生物の定着を確認 （二枚貝、軟体動物、甲殻類、棘皮動物等） 柱状コア実験 9 土壌内部および土壌表面ー海水間の 物質循環を詳細に把握 海水 アマモ水槽実験の場合 化学成分の鉛直 分布など経時変化 底生生物の定着 を調べにくい アマモの成長 柱状コア 排水 0～5 cm ：1 cm間隔でコアカット 5～17.5 cm ：2.5 cm間隔でコアカット National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 水槽海水 ・水温 ・酸化還元電位 間隙水 ・pH 固相 ・全炭酸 ・アルカリ度 ・金属元素 ・有機炭素、窒素、リン ・栄養塩 ・微生物群集組成 鉛直分布および経時変化 底質の化学環境 土壌pHの経時変化 0日目 10日目 10 63日目 379日目 スラグ 柱状コア 0～5cm: 1cm 間隔 5～15cm: 2.5 cm間隔 MnO 天然砂 SiO2 Fe2O3 CaO （石灰） スラグの主要元素組成 スラグ・天然砂添加率 • スラグの主成分 (石灰) が溶出し高アルカリ化 • 表層では海水への拡散により速やかに緩和 アマモ根 = 2, 3 cm深 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology アマモの成長阻害はみられず。 底質の化学環境 土壌間隙水の栄養塩濃度（379日後） 11 間隙水中のリン・窒素 ＝ アマモの生育に不可欠な栄養塩 ●リン スラグ表層： 天然砂と同程度 スラグ深層： 天然砂より1-2桁低濃度 スラグ 天然砂 スラグ・天然砂 添加率 ●窒素 NH4>>NO2,NO3 スラグ＞天然砂 微生物による代謝 スラグ 天然砂 スラグ・天然砂 添加率 スラグ 混合率 高アルカリ化 （深層） ➡リン濃度の著しい低下 考えられるリンの除去プロセス • ヒドロキシアパタイト (HAP) の生成 • ストラバイト (MAP) の生成 • ブルサイト [Mg(OH)2] への吸着 2～379日後のスラグコア間隙水の リン vs pHプロット 表層、水柱 ➡アマモへのリン供給 12 細菌群集による窒素循環への影響：メタゲノム解析 15% 40 30 10% 20 5% 0% 50 10 スラグ 75％ 天然砂 75％ 天然 アマモ場 0 20% Kiloniellaceae NH4-N 15% 40 30 10% 20 5% 0% 50 10 スラグ 75％ 天然砂 天然 75％ アマモ場 0 メタゲノム解析結果 細菌群集組成が変化 間隙水の化学分析結果 Clostridiales ＝ 嫌気的分解 NH4-N（アンモニア）増加 ⇒ 有機物（タンパク質など）→ NH3 Kiloniellales ＝ 硝酸還元活性 ⇒ 有機物 ＋ NO3 → CO2 + NH3 細菌群集の代謝に よる物質フローの 変化 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology NH4-N (µM) Clostridiales NH4-N キロニエラ目 Relative abundance 20% Proteobacteria_Alphaproteobacteria_Kiloniellales NH4-N (µM) Relative abundance Firmicutes_Clostridia_Clostridiales クロストリジウム目 周辺環境 (水質) への影響評価 海水への栄養塩溶出 土壌間隙水➡海水の栄養塩溶出速度 水質悪化？ 過剰な溶出は起こらない 深度 (cm) 富栄養化 貧酸素化 0 0 100 200 日数 300 400 溶出速度 (µmol/m2/d) 溶出速度(µmol/m2/d) 2000 溶出速度を算出 土壌間隙水 ＝濃い 200 窒素 4000 濃度勾配などから 溶出 0 -10 cm 6000 -2000 海水 ＝薄い 10 cm 8000 13 リン 150 スラグ 92% 100 スラグ 85% 50 スラグ 70% 0 スラグ 25% -50 0 100 200 300 400 日数 スラグ混合土壌から海水への栄養塩溶出速度の経時変化 ・天然の沿岸海域で報告されている溶出速度の範囲内 ・1年以上経過後も混合土壌内には栄養塩の大部分 (窒素97％, リン99％) が残存 ➡ 水質悪化を引き起こすことなく長期的にアマモの生育を支える施肥機能 14 スラグ造成アマモ場における物質循環 粒子状有機物 C：119-206 g/m2 /年 N：16-29 g/m2 /年 P： 3-6 g/m2 /年 アマモ葉 汚染？ 海水への溶出 C： 1.5-21.2 g/m2 /年 成長？ g/m2 /年 N：0.08-0.95 P：0.01-0.20 g/m2 /年 N：0.66-0.96 g/m2 /年 P：0.03-0.20 g/m2 /年 底生生物？ アマモ根 N：14-52 g/m2 P：222-1827 g/m2 • • • • アマモの成長 底生生物群集の定着 底質・水質環境の汚染 造成アマモ場の持続性 • 粒子状有機物のトラップ ＊ 間隙水 固相＊ N：0.2-8.5 mg/m2 P：1.5-19 mg/m2 造成土壌 *0-10 cm層の積算値 順調に成長 様々な底生生物が定着 汚染なし 栄養塩の溶出は天然海域の範囲内 アマモに対して100年の施肥ポテンシャル 栄養塩と炭素を効率的に堆積 ➡ 造成アマモ場の持続性 ＋ 水質浄化 + CO2吸収 (Blue Carbon) • 土壌強度の向上 海岸浸食の低減 ➡ 国土強靭化（被災藻場復興）、島嶼諸国支援 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology まとめ 産業副産物を活用した土壌によるアマモ場創生技術の評価を おこなった。 ・脱リンスラグ×浚渫土 ➡アマモ場造成土壌 順調なアマモの生育 多様な底生生物の定着 底質・水質への汚染なし 高い施肥ポテンシャル 造成アマモ場の持続性に期待 土壌強度向上 ・脱炭スラグ×浚渫土 高アルカリ化 過度な土壌強度の増加 今後の検討課題： 材料により特性や影響が異なる ⇒ 個別の評価が重要、材料に適した利用法の検討 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 15 製鋼スラグ海域適用例 16 アマモ場 脱リンスラグ 垂直護岸 深堀跡 脱炭スラグ 脱リンスラグ＋浚渫土：アマモ場造成土壌 周辺環境への影響が少ない。 アマモへの長期間の施肥効果をもつ。 脱炭スラグ＋浚渫土：浅場造成基盤土壌 より大量の需要に対応可能（供給とのバランス）。 浚渫土の軟弱性の改善効果が高い。 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology ご清聴ありがとうございました 17 18 室内実験 スラグ・浚渫土の化学特性／安全性評価 脱リンスラグ (mg/kg) 1.E+05 脱炭スラグ 浚渫土 1.E+03 希塩酸等への溶出 試験（土壌汚染対策 1.E+01 法に準拠） Li Na Mg Al K Ca V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga As Rb Sr Ag Cd Sn Sb Ba Hg Pb Bi Th U Si P 1.E-01 ICP-MSによる元素分析 700 500 400 300 200 ➡擬似現場実験の実施へ スラグF スラグE スラグD スラグC スラグB スラグA コムケ湖 陸上土壌 多摩川懸濁物 水島港浚渫土 むつ小川原 バンズ 三津口湾アマモ場 瀬野川河口干潟 可溶性の高いリン 100 好気・嫌気的条件でのpHの 変化および海水溶出試験 • スラグは種類により組成が大きく異なる • スラグのリン含量は天然堆積物の 10-150倍 • スラグや浚渫土からの有害金属の溶出は 認められず Organic P Detrital P Authigenic P Fe(III)-bound P Biogenic P 600 東京湾堆積物 リン含量 (μmolP/g) 800 0 19 連続抽出法によるリンの形態分別 阿賀漁協に 説明 造成土壌から海水への栄養塩のフラックス – 天然堆積物との比較 – DIN フラックス (µmol/m2/day) PO4-P フラックス (µmol/m2/day) スラグ (Day-212, 6月) 48.4～183 2.1～32.2 This study スラグ (Day-379, 11月) -12.3～127 4.1～13.3 This study 珪砂 (Day-212, 6月) 23.3～277 6.4～23.8 This study 珪砂 (Day-379, 11月) -22.8～23.3 2.0～7.8 This study Estuarine sediments 0.0～6410 -54.7～1100 Reef lagoon sediments -154～890 -23～28 Ullman and Sandstrom (1987) Coastal marine sediments 225～833 38～684 Conley et al. (1997) Tropical lagoon sediments -120～1680 -60～300 Grenz et al. (2010) 48～840 -72～1970 Gaertner-Mazouni (2012) Intertidal sediments -13.2～301 -0.1～4.9 Ospina-Alvarez et al. (2014) Seagrass bed sediments 104～305 12.4～37.1 Erftemeijer and Middleburg (1995) n.a. 120～1180 鈴村 他 (2003) Sites & samples Atoll lagoon sediments 東京湾 20 References Fisher et al. (1982) スラグの入った堆積物から栄養塩の極端な放出は見られなかった。 ➡混合土壌が富栄養化の原因となることはない。 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology スラグのアマモ場でどれだけのCO2を固定できるのか？ ・ 7.7×102 ha/年のアマモ場 1年間に製鋼スラグで新たに造成可能な面積 ・ アマモ葉による炭素固定量 1.5-21.2 g C/m2 /年 ・粒子状有機物 119-206 g C/m2 /年 条件 👈👈アマモの葉： 40-600 t CO2/年 粒子状有機物：3330-5770 t CO2/年 150億 t 33億 t 264億 t 81億 t 9-17億 t Blue Carbon 排出されたCO2のゆくえ （IPCC第4次評価報告書、UNEP報告書;2009をもとに作成） 地球上の生物によって固定される炭素のうち55％が海洋生物によるもの （Blue Carbon; UNEP, 2009） 海洋の0.2%の沿岸域が海洋全体で固定されるCO2の約半分を固定。 Blue Carbonの固定速度は熱帯雨林の2-11倍（UNEP, 2009） 21 浚渫土やスラグを使って年間どれだけの藻場を造成できるのか？ ざっくりと見積もると… 条件 ・スラグ70％＋浚渫土30％の混合土壌 ・製鋼スラグ 発生量1150万トン/年 浚渫土 発生量2083万m3/年 をフルに藻場造成に使用可能とする。 スラグ70％＋浚渫土30％の場合だとスラグの発生量が律速となる 7.7×106 m3/年の混合土壌を作成可能 👈👈東京ドーム6.2杯分 ・厚さ2mで敷き詰めてアマモ場を造成 3.9×102 ha/年のアマモ場が造成可能 👈👈1990年の瀬戸内海のアマモ場 面積（6.4×103 ha）の6％ National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 22 メタゲノム解析－細菌群集と化学パラメータとの関係－ RNA Root RNA 次世代シーケンサーを用いて 混合土壌のメタゲノム解析を 行った。 界 門 綱 目 科 属 種 Kingdom Phylum Class Order Family Genus Species National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 23 ミニコア間隙水のリン酸塩濃度の経時変化 Day-0 Day-10 PO4-P (µM) 0 20 40 60 深度 (cm) 製鋼スラグ 0 深度 (cm) 天然砂 スラグ・天然砂 混合率 Day-63 Day-212 Day-379 PO4-P (µM) 0 20 40 60 PO4-P (µM) 0 20 40 60 PO4-P (µM) 0 20 40 60 24 PO4-P (µM) 0 20 40 60 0 0 0 0 5 5 5 5 5 10 10 10 10 10 15 15 15 15 15 0 PO4-P (µM) 20 40 60 0 PO4-P (µM) 20 40 60 0 PO4-P (µM) 20 40 60 PO4-P (µM) 0 20 40 60 0 0 0 0 0 0 5 5 5 5 5 10 10 10 10 10 15 15 15 15 15 92% 70% 85% 25% PO4-P (µM) 20 40 60 92% 70% スラグ表層： 天然砂と同程度 スラグ深層： 天然砂より1-2桁低濃度 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 85% 25% ミニコア間隙水の溶存無機窒素濃度の経時変化 0 0 DIN (µM) 400 800 10 15 15 92% 70% 85% 25% 5 10 15 Depth (cm) 5 DIN (µM) 400 800 15 0 DIN (µM) 400 800 0 10 15 DIN (µM) 400 800 0 0 5 5 10 15 0 Depth (cm) Depth (cm) 10 5 0 10 0 0 5 Depth (cm) Depth (cm) Depth (cm) DIN (µM) 0 400 800 5 15 15 DIN (µM) 0 400 800 0 10 10 15 Depth (cm) 5 Day-379 DIN (µM) 0 400 800 0 0 10 Day-212 DIN (µM) 0 400 800 DIN (µM) 0 400 800 0 5 天然砂 Day-63 Depth (cm) DIN (µM) 0 400 800 Depth (cm) 製鋼スラグ Day-10 Depth (cm) Day-0 25 5 10 15 92% 70% 85% 25% 無機窒素（DIN）のほとんどがアンモニア態窒素 （NH4>>NO2,NO3） 対照区によりスラグ区でアンモニア濃度が高い National Institute of Advanced Industrial Science and Technology スラグ－浚渫土混合土壌の人工アマモ場で見えてきた物質フロー像 スラグ 根圏で吸収： 土壌強度向上 HAP - MAP的作用による 海水への溶出抑制 アマモの成長をサ PO43ポート 溶出 NH4 リン イオウ代謝の抑制 スラグ （青潮・貧酸素化） 硫化物抑制？ 硝酸還元 鉄 アミノ酸 硫酸還元 SO42有機物 H2 S 浚渫土 有機物 イオウ酸化 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 有機酸 フルボ酸 発酵的作用 窒素代謝に係る有機 物分解プロセスの加 速：アンモニア産生 26 微生物群集のメタゲノム解析手法とは？ 27 メタゲノム解析： メタゲノミクス。環境サンプルから直接に回収されたゲノムDNAを取り扱う手法。従来の微生物のゲノム 解析では単一菌種の分離・培養過程を経てゲノムDNAを調製していたが、メタゲノム解析は微生物の集団 から直接そのゲノムDNAを調製し、そのヘテロなゲノムDNAをそのままシークエンシングする。そのた め、メタゲノム解析により従来の方法では困難であった難培養菌のゲノム情報が入手可能となった。 地球上に棲息する細菌の99％以上は単独では培養できない菌種であると推察されており、メタゲノム解 析は環境中に埋没する膨大な数の未知の細菌、未知の遺伝子を解明する手法として期待されている。 DNAシークエンシング：DNAの塩基配列解析。従来法では、解析を目的とするDNA断片をテンプレートと し、1塩基ずつPCR再合成する際の蛍光を検出して塩基配列を決定する。 次世代シーケンシング：従来法（サンガー法）では1～96のDNA断片を同時処理するのに対し、次世代 シーケンサーでは数千万から数億のDNA断片に対して大量並列に処理可能。 2007年（次世代シーケンサーの誕生）には１回のランで10億塩基のデータ、2011年には1000億塩基のデータを取得でき、 4年で1000倍の増加。 現在、次世代シーケンサーを使えば１回のランで5名のヒト全ゲノム解析を約10日間、70万円で解析可能。2003年に終了 したヒトゲノムプロジェクトで初めてヒト全ゲノムの解読を行った時は、以前のキャピラリー電気泳動のサンガーシーケン スを用い、配列情報の産出に10年、さらに解析に3年、プロジェクトには3000億円を要した。 27 28 メタゲノム解析による微生物群集の同定 16S rRNA系統解析 16S rRNA系統解析： 細胞内リボソームの小サブユニットのRNA塩基配列を基にした微生物の進化系統を明らかにする方法 リボソーム： あらゆる生物の細胞内に存在する構造であり、mRNAの遺伝情報を読み取ってタンパク質へと変換する機 構である翻訳が行われる場 リボソームRNA： リボソームを構成するRNAであり、RNAとしては生体内でもっとも大量に存在する • リボソームという生物の本質に関わる機能を持ったRNAなので配列の保 存性が高く、極めて関係の遠い生物同士でも配列の比較が可能 • 真核生物、原核生物問わずすべての種に存在し、機能変化に伴う遺伝子 の変異がこれからも起きる可能性が極めて少ない • ゲノム内にコピーが複数個存在しても、塩基配列にほとんど差が無い。 • 遺伝子の長さが適当に長く（16S rRNAの場合、1600塩基対程度）、系 統解析に十分な情報量を持つ • 比較的変異しやすい部位も存在し、近縁な種でも比較が可能である • 細胞内に大量に存在し、PCRの開発がなされる以前から塩基配列の比較 が可能であった • 全生物にわたって完全に保存された部位が三箇所ほど存在し、そうした プライマー（ユニバーサルプライマー）を設計することにより塩基配列 の決定が容易である。 28 各種スラグに含まれるリンの量と化学形 6種類のスラグ National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 沿岸堆積物および懸濁粒子等の 天然試料 29 研究の背景 ー沿岸の環境問題ー 豊かで多様性に富んだかつての 沿岸生態系 30/20 垂直護岸・深掘りにより改変された 都市沿岸生態系 陸からの流入負荷 浮遊生態系 干潟 富栄養化 アマモ場 貧酸素 深堀跡 • 流入負荷が分散 • 多様な水質浄化機能 • 豊かな沿岸生態系 • 浄化機能の消失 • 水質悪化 ➡表層：富栄養化・赤潮・有機汚濁 ➡下層：貧酸素水塊・青潮の発生 • 生態系の喪失（生物多様性の減少） National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 沿岸の環境問題 対応策 ① 水質規制による流入負荷 削減 排出規制 31/20 ② 生態系に対する積極的な修 復・改善技術の適用 貧栄養化 干潟 アマモ場 貧酸素 排出規制の強化 ⇒ 産業活動を抑制 環境省 ・新規の水質基準 (底層溶存酸素量)設置 ・海域の窒素・リンに係る排水基準値見直し ➡産業界 (経団連)・経産省の強い懸念 ➡貧栄養化や砂漠化が顕在化 しかし水質改善には至らず... 排出削減 (規制強化) 干潟・アマモ場創生（浅場造成）、 深堀跡の埋め戻し ➡負荷の分散と浄化機能の強化 ➡生き物生息場の復活 ➡ただし、大量の基盤材料が必要 積極的な生態系修復・改善技術の適用 H27年12月 中央環境審議会→環境大臣 答申、H28年3月 告示 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
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