放射性セシウムの存在形態と陸域環境におけるふるまい
Physicochemical fraction of radiocaesium and its behavior in theterrestrial environment

塚田 祥文
土壌中放射性セシウム

なぜ放射性核種の存在形態に関する知見が必要？
Why is research on fractions?

⇩粘土

有機物

農業用水中放射性セシウム

Cs
Cs+

溶存無機態
20171205

存在形態によって環境中でのCs
Cs
Cs
Cs
移動、植物や動物への移行
溶存有機態
結合態粒子
有機態粒子が異なる！
Cs
Cs
Cs

Cs

Cs+

Mobility depends on the fractions!
交換態粒子
第9回放射線計測フォーラム福島

1

土壌から作物への放射性セシウムの移行
土壌の種類

土壌の種類によっても植物に移行する放射性セシウムの割合は異なる。
なぜ？
イネへの移行率20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

2

3000
1963年

2000
チェルノブイリ原発事故（136）

1000

19901985

1980

1975

1970

1965

主に1950年代～1960年代に行わ0れた大気圏核実験により日本に降ってきた放射性セシウム
年
1960

137

2

Cs年間降下量 (Bq/ m )青森市における1960-1994年のセシウムは土壌中でどのように存在しているのか？
137Cs年間降下量の推移

1m

年間降下量（Bq/m2）(Hiroseら、 1987; Aoyamaら、 1991; NIRS、 1979-1997から作成)

フォールアウト137Cs：大気圏核実験由来の放射性137Csは、土壌に沈着後数十年が経過
20171205

第9回放射線計測フォーラム福島3未攪乱土壌における大気圏核実験由来の137Csの深度分布（2003年採取）
137Cs (Bq kg-1)

1963年
5 cm
深さ (cm)

40年経過して約5 cm下方へ移動

青森県六ケ所村

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

4なぜ土壌の粒子中に137Csは強く結合するか粘土粒子
0.002 mm以下の
土壌粒子

拡大断面図
KK++水和陽イオン

137Cs+

Cs+

層間のクサビフレイド・エッジ（FES）にセシウム吸着

電子顕微鏡写真
0.002 mm以下の小さな土壌粒子

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

黒色部分にCsが結合

5

3%
100%

拡大
2%
1%
0%

02

土壌から水に溶け出る割合（抽出率）

土壌から水に溶け出る割合（抽出率）

土壌から水に溶け出る137Csの割合（実験データ）

4

3%
2%
1%0%
0200

400

600

137Csを土壌に加えてからの経過日数（日）4時間後20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

6土壌粒子におけるセシウムの存在
土壌粒子拡大図（2：1型層状ケイ酸塩鉱物）

層間
ケイ素
四面体
シート

ケイ素四面体シートのケイ素、あるいはアルミニウム八面体シートのアルミニウムの一部が、正電荷量の少ない別の元素に置き換わると、シートで正電荷が不足⇒負電荷が発現⇒層間に陽イオンを保持

層内部を平面に対して垂直方向から見た図

アルミニウム八面体シート

負電荷－

セシウムイオンカリウムイオン陽イオン（カルシウムイオンなど）
水和水

フレイド・エッジ・サイト（FES）－

カリウム・セシウムイオンとほぼ同じ大きさの穴（六員環）が開いている

－

－

固定態

交換態
－

有機物の持つ
負電荷

－
COO-

－

－
COO－－－－－－－－－－－－－－－－

粘土鉱物構造末端等の持つ負電荷HO

セシウム保持力
時間の経過
20171205

O－O－
弱い

2：1型層状ケイ酸塩鉱物

風化雲母
バーミキュライト
イライト

中間

強いスメクタイト第9回放射線計測フォーラム福島7土壌における放射性137Csおよび90Srの存在画分の分析
交換態画分
F1 = E1

粒子結合態画分

有機物結合態画分
F2 = E2-E1

F3 = E3-E2
ふるい・沈降法E1E2C（S）

FS

CS

E3

抽出形態画分

粒径分布

 E1:１M酢酸アンモニウム

 C： 粘土（<0.002 mm)

 E2:過酸化水素+硝酸+酢酸アンモニウム

 S： シルト（0.002～0.02 mm)

 E3：全濃度

 FS：細砂（0.02～0.2 mm)
 CS：粗砂（0.2～2 mm)

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島8土壌中フォールアウト137Csの存在形態
分析土壌： 11試料

残渣画分中に存在する放射性セシウムは、強固に結合しており、水への溶出は難しく、植物への移行も困難である。

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

9添加した85Srおよび137Cs、ならびに大気圏核実験由来の90Srおよび137Csの1 M酢酸アンモニウムによる無施肥土壌からの抽出率の経時変化○ 85Sr× 137Cs● 90Sr (fallout) × 137Cs (fallout)

実験データ
フィールドデータ

90Sr(0.52)

約30年20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

10東電福島第一原発事故から5年後の耕作地と未耕作地における放射性137Csの鉛直分布
土壌における137Cs濃度の鉛直分布 (Bq/kg)

耕作により均一に分布
5年が経過しても表層0～10 cmに約90%が存在

原発から55 km北西

20171205

原発から35 km北西

第9回放射線計測フォーラム福島

原発から1.1 km南西

11

土壌中形態別137Csの存在割合の経時変化（採取地点：福島県伊達市小国）“交換態”とは：作物に移行する可能性のある存在形態
20171205

第9回放射線計測フォーラム福島1212

土壌の酸性化でセシウムは移動しやすくなるか？
長期連用試験区（十和田藤坂、設定1940, 2001年8月試料採取）
F-plot（化学肥料, N:P:K = 12:15:10 g m-2 y-1）

030 kmFC-plot（化学肥料＋堆肥, 1100 g m-2 y-1）
FCL-plot（化学肥料＋堆肥＋石灰, 75 g m-2 y-1）

十和田
長期連用圃場
バレイショ

ダイズ

トウモロコシ18 m

F plotFC plot

F-plotpH 4.1 FC-plot
pH 4.720171205

FCL plot
36 m

FCL-plot
pH 6.2
第9回放射線計測フォーラム福島

13

藤坂連用圃場土壌における137Cs濃度の鉛直分布
137Concentration (Bq/kg)
Cs 0 2 4 6 8 100Depth (cm)204060
ND80

FFC
FCL10020171205

第9回放射線計測フォーラム福島

14

藤坂連用圃場の表層土壌における137Csの存在形態分布

F区, pH 4.1; FCL区, pH 6.2

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島15放射性セシウム捕捉ポテンシャル(Radiocesium Interception Potential, RIP)
RIP（mmol/kg）＝ KcEFS(Cｓ-K) × [FES]
フレイド・エッジにおける 土壌1 kg当り
CsのKに対する吸着選 の フ レ イ ド ・択係数
エッジ量
透析チューブに土壌を入れ、RIPを分析

RIP値は、土壌における放射性Cs保持力の脆弱性を示す指標であり、値Cs, K の吸着がFESのみで起こると仮定+で、それ以外の交換サイトをCa2+で飽和）が大きいほど捕捉する能力が大きく、（FESはK値が小さければ捕捉力が弱い。
(Cremers et al., 1988; Wauters et al., 1996)
20171205

第9回放射線計測フォーラム福島16福島県の農地土壌におけるRIPの分布および農地土壌図（農環研との共同研究）
凡例
土壌グループ
有機質土壌
低地土壌
褐色森林土
台地丘陵地土壌黒ボク土壌

20171205RIP(mmol/kg乾土)
0- 500500-1000
1000-1500>1500

第9回放射線計測フォーラム福島17福島県の土壌グループ別RIP値の頻度
RIP（mmol kg-1）

低地土壌

1,900±1,500(n=358)

黒ボク土壌

1,600±1,600(n=102)

その他

2,800±2,300(n=48)

頻度

土壌グループ

500 mmol kg-1 以下の土壌は、黒ボク土壌グループで多い

安心して営農継続のためには、資材の施用が必要

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島18

陸水における放射性セシウム
1価の陽イオン

溶存態

微小コロイド

陸水

交換態
有機物結合態

溶存
Dissolved

強固粒子結合態

Cs

Cs

Cs

粒子強固結合態

有機物結合態

微小コロイドCs
Cs+

1価陽イオン
20171205

Cs

Cs

Cs

懸濁
Suspended

懸濁態

Cs

Cs+

Cs

交換態
第9回放射線計測フォーラム福島

19

水と土壌から玄米への放射性セシウムの移行
土壌から玄米への移行率に比べ、農業用水からの放射性Csの移行率は高い
移行率は10,000倍の差

農業
用水

土壌

農業用水から玄米への移行率（玄米中濃度 (Bq/kg)／水中濃度 (Bq/L)）～10（ポット栽培試験からの予測値、溶存態）≫土壌から玄米への移行率（移行係数）（玄米中濃度 (Bq/kg)／土壌中濃度 (Bq/kg)）～0.001（伊達市小国の実測値）

うわ根
20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

20農業用ダム、ため池、河川

福島県の圃場面積の約7割が水田として利用され、灌漑用として約3700のたため池め池などが存在する。
ため池
ダム

ため池

河川

ため池
ため池
20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

21

陸水中放射性セシウムの分離と形態分析
陸水試料｜
ろ過 (0.45 µm, 40 L)｜
ろ液
ろ過液中存在形態｜
溶存態（TD） Csラドディスク（３M)（蒸発濃縮）|
溶存無機態 微小コロイド（Dinorg）（Dorg=TD–Dinorg）

20171205

連続高速遠心分離 (2000～4000 L)｜
懸濁物質 懸濁物質中存在形態｜
粒子態（SM）
懸濁物質の形態分析（逐次抽出法）①交換態（SMex）②有機物結合態（SMorg）③粒子結合態（SMpart）(SM= SMex+ SMorg+ SMpart)

第9回放射線計測フォーラム福島22

伊達市小国の試料採取地点
平成23年度：玄米中放射性セシウム濃度が一部の圃場で500 Bq/kgを超え
平成24年度：作付禁止
平成25年度：作付再開 → 玄米中放射性セシウム濃度は基準値（100 Bq/kg）を大きく下回る（福島大学の調査結果：平均値 8.0 Bq/kg, n=29）

灌漑水（N 3745’09,43”；E 14034'06,48"；標高152 m）

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島23

連続遠心分離法による懸濁物質の採取
高速遠心分離法によって農業用水中懸濁物質を採取

捕集時間： 4～6時間

ローター内壁に付着した粒子状物質

ろ過流量： 12.5 L/min
捕集量 ： 2～20 g

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島24伊達市小国における灌漑水懸濁態137Csの形態別存在割合
有機物結合態

交換態

存在割合(%）
distribution
Percentage

粒子結合態

Sampling date
採取日
存在割合（%）

平均値

最小値

最大値

交換態

1.2

0.90

―1.5

有機物結合態

2.91.8―

4.5

粒子結合態

9694―97

水への溶解もなく植物へ移行しない
20171205

第9回放射線計測フォーラム福島25

80 km圏内における農業用水の調査地点（n=54）
採取地点
50 km

市町村区分
南相馬市（16）、飯館村（13）、富岡町（5）、浪江町（5）、双葉町（5）、大熊町（4）、郡山市、相馬市、伊達市、二本松市、川内村、楢葉町の54地点

利用区分
ため池（42）、ダム（2）、河川（10）20 km

原発からの距離50 km圏内，51地点；20 km圏内，27地点
採取時期
2014/4/7～2014/10/16

懸濁態 (Bq/L)
溶存態 (Bq/L)

懸濁態からのイネへの移行は限定的

サンプル数 算術平均値 最小値
最大値
5415
0.67 ± 2.1 0.0068
540.0075
6.70.66 ± 1.2 （空間線量率：2013年11月19日現在）

イネ中放射性セシウム濃度が70 Bq/kg
20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

大熊町(原発立地)26

FDNPSから80 km圏内における溶存態137Cs濃度と137Cs+濃度の関係

溶存態137Cs濃度に対する137Cs+濃度の比： 0.88 ± 0.15
20171205

第9回放射線計測フォーラム福島27

安定133Cs、主要元素、電気伝導率とKd値の関係

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島28溶存態炭素とKd値の関係

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島

29

まとめ
✔ 環境中での放射性セシウムの挙動を理解するためには、存在形態の情報が不可欠である。
✔ 土壌中では、交換態、有機物結合態および強固結合態として存在する。そのうち強固結合態で多く存在し、粘土鉱物の特異的な層間であるフレイド・エッジに強く吸着しており、水への溶出、植物への移行はきわめて限定的である。
✔ 水中では、懸濁態および溶存態として存在する。懸濁態では、交換態、有機物結合態および強固結合態として存在している。溶存態としては、1価の陽イオンと微小なコロイドとして存在しているが、多くが陽イオンとして存在する。

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島30

ご清聴ありがとうございました
Thank you very muchfor your attention!

20171205

第9回放射線計測フォーラム福島31