フジタ技術研究報告第 47 号 2011 年

ハクサンハタザオを用いたカドミウム含有土壌の浄化方法の開発
その 2 カドミウム除去能の評価試験と圃場での実証試験

概菅 原 玲 子

北 島 信 行 ＊1

久 保 田 洋矢 島聡

要

食の安全という観点から問題となっているカドミウムを含有する農用地土壌を浄化する技術として、カドミウム超集積植物ハクサンハタザオによるファイトレメディエーション（植物浄化）の開発を行っている。ハクサンハタザオのカドミウム除去能の評価試
験と圃場での実証試験を実施し、実際に農用地を修復する技術として適用性について検討を行った。
ポット栽培での繰り返し栽培試験では、ハクサンハタザオ栽培後の土壌中カドミウム濃度は減少し、土壌中カドミウムの減少量とハクサンハタザオが除去したカドミウム量はほぼ一致していた。圃場での実証試験では、1 作で 3,039g・ha-1 のカドミウムが除去され、土壌中の全カドミウム濃度は 42%減少した。ハクサンハタザオが土壌からカドミウムを吸収し、土壌中のカドミウム濃度を低減させうることが実証された。ハクサンハタザオは秋から春にかけて栽培が適しており、施肥などの栽培管理によって生産量は向上し、カドミウム除去量を増加させることが可能であった。

Phytoremediation of Cd-contaminated soil using Arabidopsis halleri ssp. gemmifera
PartⅡ：Estimation of Cd absorption potentials of Arabidopsis halleri ssp Gemmifera in pot
experiments and field trials

Abstract

The authors have studied phytoremediation of Cd contaminated soil using Arabidopsis
halleri ssp. gemmifera. This is one of the techniques for cleaning-up the Cd- contaminatedfarmland and reducing the risk of producing Cd contaminated food crops. The purpose of thisstudy is to investigate the technique’s practical applicability.
Plants were cultivated repeatedly in pots filled with contaminated soil. Cd soil
concentrations decreased after each cultivation, and absorption by the plant broadly matched theobserved Cd reduction in soil. In field trials, the shoots of the plants absorbed 3039g Cd ha-1
from soil over one growing season – decreasing soil concentrations by 58%. These results
suggest that Arabidopsis halleri ssp. gemmifera is able to steadily reduce Cd soil concentrations.
This plant was planted in autumn and cropped in spring. The biomass of harvested
plants was increased by application of fertilizer. We concluded that Cd is removed from soil
efficiently, and the amount removed can be increased through changes in the cultivation process(such as the application of fertilizer).

キーワード： ファイトレメディエーション、*1 建設本部 土壌環境部

ハクサンハタザオ、カドミウム－27－フジタ技術研究報告 第 47 号

§１．はじめに§２．ポット栽培での繰り返し栽培試験

1.1 背景2.1 試験方法

FAO 及び WHO により設置された国際食品規格などの同じ土壌でハクサンハタザオの栽培を繰り返し行い、ハク策定を行うコーデックス委員会において、米を含む穀類やサンハタザオによる土壌中カドミウム濃度の低減を検討する野菜等の農産物のカドミウム基準値が、2001 年から 2006ための試験を実施した。

年にかけて順次、採択された 1)。この動きを受けて国内では

1） 条件

食品安全委員会で検討が行われ、その後、厚生労働省薬試験は 2 つの転換畑由来の土壌（Soil-ⅰ･Soil-ⅱ）を用事・食品衛生審議会食品衛生分科会食品規格部会においいて、各処理区 3 連で実施した。植物栽培用のポット（直径て、米中のカドミウム含有量の基準値を現行の玄米中 1.0140×高さ 110 mm）に土壌を 1 kgDW 充填し、ハクサンハ

mg・kg-1 未満から玄米及び精米中 0.4タザオの苗を移植した。人工光型ファイトトロン（12～17 ℃、mg・kg-1 以下に改正することになり、2011 年 2 月 28 日より新基準が施行され照明時間 10 時間、10000 lx）で栽培した。栽培期間中、潅た 2)。米以外の品目については国内基準値は定められてい水は土壌表面からの給水で行った。水分条件は最大容水ないが検討が継続して行われている。

量の 50～80 ％で維持管理し、系外への流出水は極力抑えた。施肥は 1 週間に 1 回、1000 倍希釈した Hyponex を

わが国では、食品経由のカドミウム摂取リスクを低減するための対策として、「農用地汚染防止法」に基づき、客土等100ml 与えた。

による汚染農用地の復元が実施されてきた。基準値改定後

2 ヶ月間栽培を行った後、植物体の地上部を収穫した。の 2011 年 8 月には「コメ中のカドミウム濃度低減のための土壌はポットから取り出し、風乾させ 2 mm で篩った後、サ実施指針」が策定された 3)。この指針では、土壌中に含まれンプリング（30 g/回）を行い、残りの土壌は同じポットに再度るカドミウムを除去し水稲の生産環境のカドミウム濃度を下充填した。土壌中に含まれる植物の根はそのまま残し、試げる対策として「植物浄化」と「客土」が、土壌からのカドミウ

験期間中取り除かなかった。土壌を再充填したポットに新しム吸収の抑制する対策として「湛水管理を中心とする吸収いハクサンハタザオの苗を移植し再び栽培試験を行った。

抑制対策」が示された。

この栽培試験を 5 回繰り返した（図 1）。
植物サンプル

1.2 植物浄化技術（ファイトレメディエーション）の開発
ファイトレメディエーションとは植物を意味する phyto-と修復を意味する remediation を結びつけた言葉で、植物によ土壌サンプルる汚染物質の除去や分解、安定化などの作用によって環境を修復する技術のことである。重金属を対象としたファイトレメディエーションでは植物中の重金属濃度と植物の収穫量によって重金属除去量が決まる。国内でもこのような特性を

図 1 繰り返し栽培試験

持つ植物の探索や実用性の評価に関する研究が盛んに行われている 4)。

2）

分析

筆者らは、カドミウムと亜鉛を植物体内に高濃度に吸収サンプリングした植物体は 80 ℃で 2 日間乾燥させた後、蓄積するハクサンハタザオをファイトレメディエーションに使乾燥重量を測定した。植物体 0.5 gDW に濃硝酸 5 ml 加え用する植物として選定し、その吸収能を確認した 5) 。ハクサ

た後、過酸化水素（30 ％）を分解助剤として加え 120 ℃24

ンハタザオ（Arabidopsis halleri ssp. gemmifera）はアブ時間で分解し、ICP-AES（PerkinElmer、Optima5300）

ラナ科シロイヌナズナ属の越年生一年草植物である。このでカドミウム濃度の分析を行った。
土壌中の全カドミウム濃度の分析は、土壌 1 g に濃硝酸 5ハクサンハタザオを用いて、農用地を対象とした植物浄化技術の開発を進めている。本稿ではポット栽培による繰り返ml を加え 95 ℃に加温し、茶色のフュームが出なくなるまでし栽培試験と圃場での実証試験で、土壌中カドミウム濃度硝酸を 2～3 回添加した。その後、試料を冷却し過酸化水の減少量やハクサンハタザオによるカドミウム除去量、ハク素（30 %）を加え、過酸化水素による発泡が収まってきたとサンハタザオの栽培条件の検証を行い、実際に農用地をころで、10 ml 濃塩酸を添加し 95 ℃、15 分間加温した。こ

修復する技術としての適用性について検討を行ったので報れをろ過し検液とした。農地のカドミウム汚染指標に用いら告する。

れる 0.1 mol・L-1 塩酸抽出カドミウムは、土壌 2 g に対し、0.1 mol・L-1 塩酸 10 ml 加えて 1 時間振とうした後、ろ過し－28－

カドミウム超集積植物ハクサンハタザオによるファイトレメディエーションたものを検液とした。それぞれの検液に対して ICP-AES を

土壌カドミウム濃度の高い Soil -ⅱ区の方が Soil-ⅰ区で用いてカドミウム濃度の分析を行った。

栽培した植物体よりも高いカドミウム濃度を示す傾向が見られた。Soil-ⅱ区の個体で最高 510mg・kg-1、Soil-ⅰ区2.2 試験結果

で最高 390mg･kg-1 のカドミウムが集積されていた。両区

1）ともに栽培回数が増えるに従って地上部のカドミウム濃度

試験土壌のカドミウム濃度

栽培試験開始前の土壌中カドミウム濃度を表１に示した。

は減少していく傾向が見られた。同様にカドミウム集積量

国内の自然環境中での農用地の 0.1 mol・L-1

も栽培回数が増えるに従い 1 回あたりの集積量は減少す

塩酸抽出

カドミウム濃度は 0.228mg・kg-1 であり 7）、両土壌とも農用る傾向が見られた。

地としては比較的カドミウム濃度が高い土壌であった。

3）

図 2 に土壌中の全カドミウムと 0.1 mol・L-1 塩酸抽出カ

表１ 栽培前の土壌中カドミウム濃度

全Cd

Soil‐ⅰ(mg･kg-1）
4.3

Soil‐ⅱ(mg･kg-1）
5.0

3.0

3.6

0.1mol・L-1塩酸抽出Cd

繰り返し栽培による土壌中カドミウム濃度の推移

ドミウム濃度の推移を示した。栽培回数が増えるに従い全カドミウム濃度は確実に減少しており、初期の全カドミウム濃度と 5 回栽培後を比較してみると、Soil-ⅰ区で 60％、Soil-ⅱ区で 80％の減少が見られた。初期濃度は Soil-ⅱ

2） 植物体の乾燥重量･カドミウム濃度・カドミウム集積量区の方が高いが、栽培 5 回後では Soil-ⅱ区の方が低く

表 2 に栽培 1 回から 5 回目までの植物体の乾燥重量、なる結果となった。0.1 mol・L-1 塩酸抽出カドミウムでも全カドミウムと同様の傾向であった。

地上部カドミウム濃度およびカドミウム集積量を示した。

栽培回数

表 2 栽培回数ごとの植物体の乾燥重量･カドミウム濃度・カドミウム集積量
Soil-ⅰSoil-ⅱ
乾燥重量
地上部Cd濃度
Cd集積量
乾燥重量
地上部Cd濃度

1回目
2回目
3回目
4回目
5回目

gmgkg-1DW

3.0 (0.49)
3.5 (1.6)
1.7 (0.13)
2.5 (2.2)
2.5 (0.91)

320 (54)
230 (50)300 (10)110 (3.5)
120 (29)

0.97
0.74
0.49
0.26
0.27(0.30)(0.33)(0.06)(0.23)(0.03)

土壌C d濃度 (mgkg-1 DW)

3.0
2.0
1.00.0mg

3.6 (0.44)
390 (97)
1.4
1.8 (0.15)
310 (51)
0.56
1.9 (0.30)
310 (31)0.57
3.6 (0.17)
210 (10)0.75
1.8 (0.80)
150 (97)0.19（ ）内は、各データの標準偏差
6.0

4.0

Cd集積量

mgkg-1DWg

So il-ⅰ5.0(0.30)(0.08)(0.12)(0.01)(0.02)

So il-ⅱ

5.04.03.02.01.00.0

植栽前

1 回目

2 回目

全Cd0.1mol/L塩酸抽出Cd

3 回目

4 回目

5 回目

植栽前

1 回目

2 回目

全Cd

図 2 繰り返し栽培による土壌中カドミウム濃度の推移
6.0

6.0

Soil-ⅰ

5.0

3 回目

4 回目

5 回目

0.1mol/L塩酸抽出Cd*エラーバーは標準偏差

Soil-ⅱ

5.0

Cd量（mg/pot）

Cd量（mg/pot）

土壌C d濃度 (mgkg-1 DW)

6.0

mg

4.0
3.0
2.0
1.0

4.0
3.0
2.0
1.0

0.00.0
植栽前 1回目

2回目

3回目

4回目

5回目

植栽前 1回目

2回目

3回目

4回目

土壌中C d量

土壌中C d量

植物が除去したCdの積算量

植物が除去したCdの積算量図 3 繰り返し栽培におけるカドミウム収支－29－*エラーバーは標準偏差5回目

フジタ技術研究報告 第 47 号

4）

施肥は化成肥料（N-P-K 16:10:14）を用いた。基肥窒素

繰り返し栽培におけるカドミウム収支

図 3 にカドミウムの収支を示した。栽培終了ごとに土壌量を 3.2kgN・10a-1 とし、追肥区では 11 月と 3 月に基肥と中に残存しているカドミウム量とそれまでに植物体により同量の追肥を行った。基肥のみの栽培区は無追肥区とし除去されたカドミウム量の総和をそれぞれの棒グラフで示た。

している。この結果より 5 回の栽培試験を通じて、カドミウム総量は大きく変化しておらず、植物以外の要因による系外への流出がほとんど無いことが示された。このことか
ら土壌中のカドミウムはハクサンハタザオのカドミウム集積により除去されたことが確認された。
5） 植物体カドミウム濃度と土壌中カドミウム濃度
図 4 に各栽培前の土壌中の全カドミウム濃度と栽培した植物体のカドミウム濃度の関係を示した。土壌中のカドミウム濃度が高い時ほど植物体カドミウム濃度が高くなる正の関係性が認められた。浄化対象の土壌カドミウム濃度に応じてハクサンハタザオによるカドミウム除去量が変化

植物体Cd濃度（mg・kg‐1 ）すると推察された。
600

写真 1 プラグ苗の移植

y = 80.02x + 5.56
R² = 0.69

500
400
300
200
10000.02.04.06.0

土壌中全Cd濃度（mg・kg‐1 ）図 4 植物体カドミウム濃度と土壌中カドミウム濃度§３．圃場での実証試験
3.1 試験方法

写真 2 越冬前の生育状況（追肥区）

一定規模の圃場の栽培試験を行い、ハクサンハタザオのカドミウム除去能の検証を行った。また、野草であるハクサンハタザオの栽培体系確立を目的として、追肥の有無が生育量とカドミウム除去量に与える影響も合わせて調査した。
１）

栽培条件

ハクサンハタザオの自生地におけるライフサイクル調査に基づき検討を行い作成した栽培歴に基づいて圃場での栽培をおこなった。
牧草地として利用されていた褐色低地土（pH5.3）の圃場400 ㎡で栽培試験を実施した。土壌を耕耘した後、10 月にハクサンハタザオのプラグ苗を移植した（写真 1）。冬期に積雪があったがハクサンハタザオは越年草であるため、ロゼット状の形態で冬越しした（写真 2）。3 月頃から花芽が抽だいし、翌年 4 月下旬から 5 月上旬にかけて白い花が開花した（写真 3）。満開期に地際から地上部を刈り取りとった。

－30－

写真 3 刈り取り前の生育状況

カドミウム超集積植物ハクサンハタザオによるファイトレメディエーション

2）減少した。差分として算出されたカドミウム濃度の変化はほ分析方法

植物体は各畝の中心に 1 ㎡の枠を設置し、その中の植とんどなく、主に 0.1mol・L-1 塩酸抽出カドミウム濃度が減少

物をすべて刈り取り、乾燥重量を測定して生産量を求めたしていた。

（各処理区 n=12）。また刈り取った試料について繰り返し栽

2） 深度別の土壌中カドミウム濃度
深度別に採取した試料の全カドミウム濃度を図 6 に示し

培試験と同様の方法で植物体中のカドミウム濃度を測定した。表層から 20cm の深さまでの全カドミウム濃度は対照区た。
土壌は栽培前後に作土層として 0～15cm の深さまでのでは 4mg・ｋｇ-1 以上あったのに対し、ハクサンハタザオを栽土壌を均一に採取し試料とした。また栽培後に追肥区と対培した追肥区では 2mg・kg-1 以下であった。土壌断面の観照区（栽培なし）で、表層から 10cm ごとに深さ 40cm までの察結果から、ハクサンハタザオの根は深さ 30cm 付近まで深度別の土壌試料を採取した。

達しており、特に表層から深さ 20cm 程度までが根の密度

土壌中のカドミウム濃度は、繰り返し栽培試験と同様の方が高く、追肥区のカドミウム濃度の減少はハクサンハタザオ法で分析を行い、全カドミウム濃度と 0.1mol・L-1 塩酸抽出によるカドミウムの吸収が大きく寄与していたと考えられた。

カドミウム濃度を測定した。

ハクサンハタザオのカドミウム除去能が圃場でも実証された。

試験結果

1）

植物体のカドミウム濃度、カドミウム除去量

追肥区

表層からの深度(cm）3.2

表 3 に植物体の乾燥重量とカドミウム濃度、カドミウム除去量を示した。植物体の乾燥重量は無追肥区では0.14kg・㎡-1 だったのに対して、追肥区で 0.33kg・㎡-1 となり、追肥によって生産量が倍増した。このときの植物中カドミウム濃度は追肥区で無追肥区より低かったが、植物が除去したカドミウム量は追肥区で3,039g・ha-1 、無追肥区で0-10
10-20
20-30
30-40
0.01,940g・ha-1 と算出され、追肥区でカドミウム除去量が多かった。

0.330.14追肥区
無追肥区2）

-1

Cd濃度
-1

表層からの深度(cm）

kg・㎡

Cd除去量
-1mg・kgg・ha908
1,407

3,039
1,940

4.06.0

対照区（栽培なし）

表 3 植物体の乾燥重量・カドミウム濃度・カドミウム除去量

乾燥重量2.0

全Cd濃度(mg・kg-1）

栽培前後の土壌中カドミウム濃度

図 5 に追肥区作土層の栽培前後の土壌中カドミウム濃度

0-10
10-20
20-30
30-40
0.0

2.0

4.06.0を示した。棒グラフ全体が全カドミウム濃度を示し、そのうち

全Cd濃度(mg・kg-1）

0.1mol・L-1 塩酸抽出カドミウム濃度と全カドミウム濃度との図 6 深度別の土壌中カドミウム濃度差分を色分けして示している。栽培前後で全カドミウム濃度
は 4.5mg・ｋｇ-1 から 2.6mg・ｋg-1 に減少し、0.1mol・L-1 塩酸§４．考察

土壌中全Cd濃度（mg・kg-1 ）抽出カドミウム濃度は 3.4mg・kg-1 から 1.7mg・kg-1 と 50％
4.1 ハクサンハタザオによる土壌中カドミウム濃度の低減

5.04.0

繰り返し栽培試験において、栽培ごとのカドミウム収支は3.0ほぼ一定であった（図 3）。また圃場試験において、植物に2.0より除去されたカドミウム量が 3,039g・ha‐1 だったのに対し1.0て、作土層 15cm（かさ比重 0.9）からのカドミウム減少量を0.0試算すると 2,540g・ha-1 と算出され、深さ 15cm 以下の土壌栽培前からのカドミウム吸収や降水による系外への流出等があるこ

栽培後とを加味すると、おおむね同程度のカドミウムがハクサンハ差分（全Cd－塩酸抽出Cd）
0.1mol/L塩酸抽出Cd

タザオによって除去されたとみなすことができた。ハクサン

図 5 栽培前後の土壌中カドミウム濃度の変化－31－フジタ技術研究報告 第 47 号

引用文献

ハタザオが土壌からカドミウムを吸収し、土壌中のカドミウム

1) Codex : Report of the 29th Session of Codex

濃度を低減させうることが実証された。
4.2 圃場でのカドミウム除去能
国内で実施された他の農用地カドミウム汚染土壌の浄化試験として、Ibaraki et al.

7)のカドミウム高吸収イネの品種である IR8 を全カドミウム濃度 2.52mg・kg-1（灰色低地土）

Alimentarius

Committion,Comission,p. 90. （2006）

Codex

Alimentarius

2) 厚生労働省：食品中のカドミウムの規格基準の一部改正について,

http://www.mhlw.go.jp/shingi/2010/05/dl/s0518-10o.pdf（2010.11.5）

で栽培した実証試験で、657 g・ha-1 のカドミウムをを除去

3) 農林水産省:コメ中のカドミウム濃度低減のための実施指針,した報告や、栗原ら 8)のケナフを全カドミウム濃度 2.5～2.8

http://www.maff.go.jp/j/syouan/nouan/kome/k_cd/pdf/

mg・kg-1（灰色低地土）で栽培した実証試験で

cd_shishin_rice.pdf （2011）

191～347g・ha-1 のカドミウムを除去した報告などがある。今回の圃場4) 茨木ら:農用地における重金属汚染土壌の対策技術の最前試験では土壌の全カドミウム濃度がこれらの試験に比べて線 ４．植物による汚染のうちの修復, 日本土壌肥料学雑高いため単純に比較はできないが、追肥区で 3,039 g・ha-1、誌, 78,627-632．（2007）

無追肥区で 1,940 g・ha-1 のカドミウムを除去しており、他の

5) 永島ら：ハクサンハタザオを用いたカドミウム汚染土壌

浄化用植物と同様に、実際の農用地の修復に適用可能なの浄化方法の開発その１高集積植物の探索と除去能力の評価, フジタ技術研究報告, 41, 69-74．（2005）

カドミウム除去能を有することが確認された。

6) 日 本 土 壌 協 会 ： 土 壌 汚 染 環 境 基 準 設 定 調 査 ,211

また、繰り返し栽培試験の結果では、土壌中のカドミウム濃度が低下するにつれて植物中のカドミウム濃度も低下す（1984）

る傾向にあったが、繰り返し栽培によってカドミウム濃度が7) Ibaraki,T.et al. ： Practical phytoextraction in

低くなった土壌からもカドミウムの除去が可能であることがcadmium-polluted paddy fields using a high

確認された。このことから目標とする土壌カドミウム濃度まで

cadmium accumulating rice plant cultured by

カドミウムを除去するために、ハクサンハタザを連作して栽

eraly drainage of irrigation water，Soil Science and培することや他の浄化植物と組み合わせて用いることが可

Plant Nutrition，55，421-427．（2009）8) 栗 原 ら ： カ ド ミ ウ ム 含 有 水 田 転 換 畑 に お け る ケ ナ フ

能だと考えられた。

（Hibiscus cannabinus）を用いたファイトレメディエーシ
ョンの試み,日本土壌肥料学雑誌, 76, 27-34．（2005）

4.3 ハクサンハタザオの栽培体系
圃場試験を実施し、ハクサンハタザオは自生地でのライフサイクルと同じく、秋から春にかけての栽培が適切である

参考文献ことが確認された。他の浄化用植物であるイネやケナフなど

久保田ら：ハクサンハタザオによるカドミウムのファイトレメが春からの栽培であるのに対して、秋から春にかけての栽

デ ィ エ ー シ ョ ン , 日 本 土 壌 肥 料 学 雑 誌 , 81,118-124 ．

培体系はハクサンハタザオの特徴の一つと見なせる。また（2010）

施肥量の管理によってハクサンハタザオの生産量は大きく

菅原ら：Cd 高集積植物ハクサンハタザオを利用したファイト改善し、カドミウム除去量を向上させうることが明らかとなっレメディエーション（5）圃場栽培試験での土壌中 Cd の低減,た（表 3）。ハクサンハタザオは野草であるが、栽培作物と同

日本土壌肥料学会講演要旨集,54,283 （2008）

じく施肥管理や雑草防除の計画を立て栽培管理を行うことで生産量を増加させることができ、カドミウム除去量の向上を図ることが可能であるといえる。農用地のカドミウム浄化工法としては、さらなる効率化が必須であり、栽培の省力化や病害虫・除草対策などの検討を進めているところである。

ひ と こ と謝辞：本研究は農林水産省委託研究「農林水産バイオ植物浄化法を確立し、農用地の修復リサイクル研究 （H14～H18）の一部として実施しに役立てる技術となるように開発を進

ハクサンハタザオの特徴を生かしたたものであり、関係された方々のご協力に深謝いたし菅原 玲子ます。

－32－

めていきたいと思います。