走査型透過 X 線顕微鏡（STXM）が拓くサイエンス

走査型透過 X 線顕微鏡を用いて環境試料中の有機物を調べることの重要性
光延

聖1，菅

大暉2，高橋嘉夫3

1愛媛大学農学部生物環境学科〒7908566 松山市樽味 3572広島大学大学院理学研究科地球惑星システム学専攻
3東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学専攻〒7398526 東広島市鏡山 131〒1130033 東京都文京区本郷 731

フレネルゾーンプレート（Fresnel Zone Plate; FZP）による集光系を備えた走査型透過 X 線顕微鏡（STXM）は，
30 nm 程度の空間分解能で多種の元素の化学種解析を行うことができる。特に軟 X 線領域に吸収端がある炭素，

窒素，酸素などの官能基別のマッピングが可能な点は，他の手法にはない特徴である。一方，有機物は環境中に普遍的に見出される物質であるため，STXM は環境化学地球化学分野において不可欠な手法になりつつある。本■要
旨稿では，このような STXM を用いた環境化学の研究の例を 2 つ示した。最初の例では，有用金属元素を多量に含む硫化鉄を微生物で効率的に溶解できる機構の解明に STXM を適用した。その結果，微生物が分泌する酸性多糖
類と鉄の錯生成が，硫化鉄の溶解を促進することが明らかになった。2 つ目の例では，放射性セシウムの水圏での水懸濁粒子間の分配に与える有機物の影響を STXM で調べた。その結果，環境水中の懸濁粒子を腐植物質が被覆することで，放射性セシウムが溶存態として存在し易くなることが示された。これらの研究例から，STXM を利用した有機物の官能基マッピングは，環境中の物質循環における化学的素過程を解明する上で重要な役割を果たす
ことがお分かり頂けるであろう。

素を，というのが XAFS を用いた地球化学環境化学に

1. はじめにおいて重要な課題となってきた。これらの要請に応えられ

放 射 光 源 を 用 い た XAFS 法 に よ る 元 素 の 化 学 種 解 析る手法の 1 つが，本特集号の主題である STXM である。

（スペシエーション）は，天然の岩石，鉱物，土壌，エア

筆者の一人（高橋）は，2004年の Chan らの「微生物が作ロゾルなどに含まれる様々な元素が受けた化学素過程を明る酸化鉄」に関する論文4) で STXM の存在と有用性を知らかにするため，地球や環境で起きる現象を化学的に解明

り，その国内への導入の必要性をいくつかの機会で強調しする上で不可欠な手法となってきている13) 。これまで硬て き た5) 。 こ う し た 中 で ， 2012 年 に な っ て よ う や く

X 線を用いた XAFS は，様々な元素を対象にし，環境化

UVSOR6) で ， 続 い て PF で STXM7) が 稼 動 す る に 至 っ

学分野において多彩な研究成果を生み出してきた。特に近た。世界的にみても， STXM のマシンタイムはどこでも年では， K B ミラーを用いて得た mm 程度の X 線を用い窮乏しているのが実状で，日本で 2 台の STXM が稼動した局所領域での元素のスペシエーションが，多くのビーム始めたことは特筆すべきことであり，本特集号で触れられ

ラインで行えるようになっている。通常の岩石や土壌を相ている関連分野の発展に大きく貢献するものと期待される。

手にした場合， 10 mm 程度の大きさは 1 次鉱物を分析す

本稿では， STXM を環境化学的研究に応用した例を示る上では十分な空間分解能であり，環境化学地球化学的す。上述のように，環境化学ではより高い空間分解能でよな研究に広く利用されている。しかし，さらに小さな二次

り軽い元素をみることが有効であり，それが活かされた 2鉱物（粘土鉱物など）や微生物を相手にするには，mm 程つの研究例（「STXM をもちいた微生物による鉱物溶解現度レベルの空間分解能は必ずしも十分ではない。

象（バイオリーチング）の直接観察」と「放射性セシウム

一方，硬 X 線領域の XAFS を用いたスペシエーション
は，実験的な制約が小さい原子番号の大きな元素（例えばの粘土鉱物への吸着に及ぼす腐植物質の影響」）について，
以下で解説したい。

カルシウム以上）について多く用いられてきた。しかし，天然物を調べる場合に重要な炭素などの軽元素は，実験的な制約の大きな軟 X 線領域に吸収端があるため，その重要性にも関わらず， XAFS を用いた環境化学的研究は多2. STXM をもちいた微生物による鉱物溶解現象（バイオリーチング）の直接観察
バイオリーチング（ bioleaching ）とは，バクテリアなくない。
これらのことから，より高い空間分解能で，より軽い元

どの微生物の代謝活性による各種鉱物の溶解作用および鉱294 ● 放射光 Nov. 2016 Vol.29 No.6
(C) 2016 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research特集 ■ 走査型透過 X 線顕微鏡（STXM）が拓くサイエンス物に含まれる金属浸出作用を意味する。これまでに，種々鉱物のバクテリアリーチング機構解明に STXM を応用しの有価金属（銅，亜鉛，鉄，金，ウラン等）を含む鉱物がた我々の研究をもとに，新たに明らかになった機構の一端

微生物の作用で溶解されることが報告されている8)。バイを紹介する。

オリーチングの歴史は古く，紀元前から地中海沿岸では鉱山の排水中に銅が存在することが経験的に知られていた。

2.1

鉱物溶解に微生物が密接に関与していることが科学的に証STXM による微生物鉱物境界面における生体分子種の特定

明されたのは比較的新しく，1947年に Colmer らが米国の本 研 究で は ， 代 表 的な リ ー チ ン グ バ ク テ リ ア で あ る

炭坑の酸性鉱廃水から鉄酸化細菌 Acidithiobacillus ferroox-

Acidithiobacillus ferrooxidans （ ATCC 23270 株）による黄idans を単離したことによる9) 。チリやオーストラリアの鉄鉱（ pyrite, FeS2）の酸化溶解実験に着目している。 A.

銅鉱床では，バイオリーチングによる金属製錬が実用化さ

ferrooxidans は，好気性化学独立栄養バクテリアであり，れており，現在，世界の銅生産量の約 20 がバイオリー

pyrite に含まれる 2 価鉄を酸素で酸化してエネルギーを得

チング法により生産されている8)。

る鉄酸化バクテリアである。STXM 分析は，UVSOR BL

バイオリーチング作用の大きな特徴として高い鉱物溶解4U お よ び Photon Factory BL 13A に て 実 施 し た 。

速度が挙げられる。無菌状態で非生物的な反応によってのSTXM 分析用試料は，窒化ケイ素の薄膜（50～100 nm）

み硫化鉄の酸化反応が進む場合，酸性溶液中での Fe2＋ のに滴下した微生物試料を乾燥させて作製した。

酸化反応速度は小さいことが知られているが，酸化反応に

Fig. 1 は，バイオリーチング実験前(a)と実験後( b)にお微生物が関与するとその反応速度は一変する。これまでのける pyrite 表面の電子顕微鏡（ SEM ）写真である。リー

研究では，A. ferrooxidans 等の微生物の存在によって，反チング実験後の pyrite 表面には，析出物だけでなく，細応速度が無菌状態の数十倍から数万倍速くなることが報告

胞サイズの窪みが複数個所で観察される。この窪みはエッされている10,11)。

チピット（ etching pit）と呼ばれ， A. ferrooxidans による

それでは，微生物はどのような機構によって鉱物溶解速硫化 鉄リ ーチ ングで は， 頻繁に 観察さ れる 腐食孔 であ度を加速させているのだろうか。微生物は鉱物に含まれるる12)。pyrite 付着面で鉱物溶解することで生成される。こ

還元態鉄など無機元素の酸化反応によってエネルギーを獲のことは，本実験でも，A. ferrooxidans が pyrite 表面に付得している。固体である鉱物中の元素を利用するには一旦着し，その場で鉱物を溶解する直接的な酸化機構が存在す

溶解させる必要があり，微生物は不溶性鉱物を効率よく溶ることを支持する。

解するための種々の戦略を持つと考えられる。この戦略とFig. 2b には，微生物細胞の生体分子と考えられるタンパ

して，単純な細胞膜タンパクを介した電子伝達反応だけでク 質 （ protein ）， 酸 性 多 糖 類 （ alginate ）， 中 性 多 糖 類

なく，微生物が金属溶出や酸化還元反応を促進する生体外（ agarose ），核酸（ DNA ），脂質（ lipid）の炭素 K 吸収端物質を能動的に産生することなどが推測されている（例えXANES スペクトルを示している。各標準物質間でピーク

ば，金属錯生成能をもつ有機酸，導電性物質等の産生）。

エネルギーが変化することから（ピークエネルギーに対応

しかし，どのような物質，機構によって微生物が鉱物を溶す る 官 能 基 と 電 子 遷 移 は Table 1 参 照 ）， 炭 素 K 吸 収 端解しているのかについては未解明な点が多く，バイオリー

XANES スペクトルを用いることで微生物由来の有機物種

チングの実用化や高効率化の妨げとなっている。未解明なを同定できる。また Fig. 2 は，リーチング30日目の固相試点が多い最大の理由は，分析上の問題点に起因する。バイ料に含まれる pyrite 粒子に付着した A. ferrooxidans 細胞

オリーチングは微生物鉱物付着面という数 100 nm 程度の炭素イメージングおよび XANES スペクトルを示しての局所領域で起きており，直接分析がきわめて難しい。加いる。下部の黒い部分は pyrite 粒子であり，その上方中

えて，バイオリーチングは金属と有機物が絡んだ代謝反応

央の 白く抜け た部分は pyrite 粒子 の表面に 付着し た A.

であり，反応機構が複雑であることも一因である。
これらの問題に対して，前述の STXM は高空間分解能（＜ 50 nm ）や元素汎用性元素選択性が高く，金属と有機物の同時分析が可能なことに加えて，測定チャンバー内で高真空を必要とせず，生体試料のような水を含む分析にも応 用でき る， などの 優れ た利点 を有す る。 これ らのSTXM の利点は，上に述べたバイオリーチング研究における分析上の問題点を打開できる可能性がある。とくに，空間分解能が50 nm 程度と高いため，数 mm という微生物
細胞サイズを考慮しても，十分に反応場（微生物鉱物付着面）の直接分析が可能であり，不明な点が多いバイオリーチング機構を直接的に解明できる。本稿では，硫化鉄

Fig. 1

SEM images of pyrite particles after 4 weeks incubation
without A. ferrooxidans (a) and with A. ferrooxidans (b).
Black and white arrows in images (b) stand for rod-shaped
pits and A. ferrooxidans cells on the pyrite surface,respectively17).

放射光 Nov. 2016 Vol.29 No.6 ● 295

Table 1

Major organic functional groups present in model compounds and samples (summarized data from Keiluweit etal.6))

peak Energy(eV) Transition
a
b

285.2
287.3

c
d
e

288.2
288.6
289.3

Fig. 3Functional grouparomatic C
1 s→p
C ＝C
1 s→3p/s aliphatic C
1 s→pCamide C (peptide bond)＝O
1 s→pCcarboxyl C (acidic polysaccharide)＝O
1 s→3p/s O-alkyl C(Color online) Color-coded compositional image. Images
collected at each speciˆc absorption edge (polysaccharide:288.6 eV, protein: 288.2 eV, lipid: 287.3 eV) were merged in
the image14).

ことを示唆する。
微生物鉱物付着面の生体分子種イメージングを RGB
Fig. 2

STXMbased C image and C Kedge XANES spectra ofmodel compounds and A. ferrooxidans cells on the pyrite in
2 weeks incubation samples. Absorption edge peaks wereidentiˆed as aromatic C at 285.2 eV (a), aliphatic C at 287.3
eV (b), amide C at 288.2 eV (c), carboxylic C at 288.6 eV(d), and Oalkyl C at 289.3 eV (e)17).

（ red, green, blue ）に色分けして示した結果が Fig. 3 である。その結果，タンパク質（ green ）および脂質（ blue）
は細胞中心部に多く観察され，多糖類（ red）は細胞外縁部と pyrite 粒子表面に多く存在することが示された。これは， XANES スペクトルで得られた結果と調和的であり，やはり細胞
鉱物付着面で有機物種には局在性があり，
A. ferrooxidans の付着面で多糖類に富む細胞外有機物を産

ferrooxidans 細胞が観察される。全細胞領域の XANES で生していることを示している14) 。またイメージング結果

は（ Fig. 2b の whole cell ）， aromatic （ 芳香 族） 285.2 eVから，多糖類に富む領域の厚みは 150 200 nm 程度であ( a )， aliphatic （脂肪族） 287.3 eV ( b )， peptide （ペプチり，この領域が A. ferrooxidans による pyrite 溶解の反応

ド）288.2 eV (c)，carboxyl（カルボキシル）288.6 eV (d)場であると考えられる。 Mangold らは，原子間力顕微鏡のピークが観察され，標準試料との類似性も考慮すると，（AFM）をもちいて，A. ferrooxidans が pyrite 表面に生成タンパク質，多糖類，脂質，核酸が A. ferrooxidans 細胞する細胞外有機物を可視化している15) 。彼らの研究ではに含まれていることがわかる。これは，バクテリア（大腸

細胞外有機物の厚みが 150 nm 程度であることを報告して菌 E. coli ）の炭素 XANES 分析をおこなった既往研究とおり，本研究で得られた観察結果とも調和的である。

も調和的な結果である13) 。これに対して， pyrite 細胞付
着面および細胞外縁部の炭素 XANES スペクトル（Fig. 2bの interface 1 と interface 2 ）は，主に酸性多糖類に由来

2.2

STXM による微生物鉱物境界面における鉄化学種の特定するピークが卓越していた。この結果は，A. ferrooxidans

炭素の STXM 分析から， A. ferrooxidans による酸性多が付着面で酸性多糖類に富む細胞外有機物を産生している糖類に富む細胞外有機物の産生が示された。一般的に酸性296 ● 放射光 Nov. 2016 Vol.29 No.6

特集 ■ 走査型透過 X 線顕微鏡（STXM）が拓くサイエンス

多糖類は金属錯生成能が高いため，細胞外有機物の役割と

XANES スペクトルは，pyrite とは異なるスペクトル形状

して pyrite の水溶解性を増加させることが予想される。

を有し，硫化物態の 2 価鉄は含まれていないと考えられこの仮説を明らかにするために，STXM による微生物鉱る。これらの結果から，A. ferrooxidans 細胞には，酸素配物付着面における鉄の化学種分析をおこなった。鉱物付着

位の 2 価と 3 価の両方の価数が含まれていることが示唆面に存在する鉄が有機錯体として存在していれば，A. fer-

された。また， A. ferrooxidans 細胞のスペクトルは，鉄rooxidans が産生する細胞外多糖類に錯生成能があること

有機錯体の標準試料であるアルギン酸鉄のスペクトルと類を示す証拠となる。標準試料およびバイオリーチング試料似しており，細胞中に含まれる鉄の大部分は，酸性多糖をの鉄 L 端 XANES スペクトルを Fig. 4d に示す。標準試料

配位子とした有機錯体として存在していることを示していのうち，2 価鉄と 3 価鉄のピークトップエネルギーはそれる。このことは，A. ferrooxidans が産生する細胞外有機物

ぞれ707.5 eV, 709.1 eV であった。酸素配位の鉄の場合，が鉄 と錯 生成 能を有 する ことを 強く支 持す る。ま た，

価数を反映してピークトップのエネルギーがシフトするこ

pyrite 付着細胞の鉄のイメージングの結果，鉄は細胞外有と を 示 し て い る 。 Pyrite の よ う な 硫 化 鉄 や 緑 泥 石

機物に富んだ細胞pyrite 境界面に濃集していることも，（chlorite）のようなケイ酸塩鉱物に鉄が取り込まれている

細胞外有機物（酸性多糖類）による鉄の有機錯体生成およ場合は，2 価鉄であっても若干のエネルギーシフトが観察

び pyrite に含まれる鉄の溶解性増加を示唆している（ Fig.

され，純粋な酸素配位の 2 価鉄とは異なるエネルギーに4c ）。 し た が っ て ， STXM に よ る 鉄 L 端 XANES と イ

ピークトップが観察されることが報告されている16) 。一

メージング結果から，A. ferrooxidans が金属錯生成能をも方，鉄有機錯体の標準試料として選択したアルギン酸鉄

ち，鉱物溶解と金属浸出を加速する生体分子（酸性多糖類）（ 2 価および 3 価）のスペクトルでは，酸素配位の 2 価鉄を鉱物表面で生成することが示された17)。

と 3 価鉄と同じエネルギー位置にピークトップがあることも明らかとなった（ Fig. 4d ）。 A. ferrooxidans 細胞領域

2.3 A. ferrooxidans の pyrite 溶解モデルの鉄 XANES スペクトルには，2 つのピークが観察され，これらの結果からバイオリーチングのモデル微生物であ

それらのエネルギーは酸素配位の 2 価と 3 価の鉄と同じる A. ferrooxidans に よ る pyrite 溶 解 反 応 の 解 明 を 試 みエネルギー位置に観察された。また，細胞領域の鉄た。微生物鉱物境界面における炭素，鉄の局所化学種分

Fig. 4(Color online) STXMbased Fe image and Fe L2,3 XANES spectra of model compounds and A. ferrooxidans
cells on the pyrite. Vertical lines were displayed to show the speciˆc Fe(II) and Fe(III) peaks at 707.5 and 709.1
eV, respectively17).

放射光 Nov. 2016 Vol.29 No.6 ● 297

の各地の放射能は，物理的減衰を超えて減少する一方，福島県や宮城県の太平洋岸の河川の河口域などで空間線量率の増加が認められる。これらは，粒子に吸着した放射性セシウムが河川により運搬されたことを示唆している。こうした元素の環境中での挙動は，突き詰めれば原子分子レ
ベルの化学種や化学的素過程に左右されており，その把握なしに今回の事故による放射性核種の移行挙動の正しい理
解や将来予測はできない。このような観点から，本節では水圏での放射性セシウムの挙動を支配する化学プロセス，
特に腐植物質の影響について， STXM を用いて行った研究を紹介したい。
Fig. 5

Schematic representation of possible chemical and biologicalinteractions at A. ferrooxidans cell-pyrite interface within acontact leaching process.

3.1

放射性セシウムの層状ケイ酸塩への吸着

今回の福島第一原発の事故において，放射性セシウムは
主にエアロゾルとなって大気中を拡散したと考えられる。
このエアロゾル中のセシウム（ Cs ）の化学形態として，
放射性セシウムを高濃度に濃縮したシリカに富む粒子が存析 に よ っ て ， 次 の よ う な A. ferrooxidans に よ る バ イ オ

在することが分かっている2123) 。この粒子からの放射性リーチングモデルが提唱できる（ Fig. 5 ）。 A. ferrooxidans

セシウムの溶出割合は低いと考えられているが，一方で事は pyrite に付着し，錯生成能を有する酸性多糖類を細胞故当時に採取されたエアロゾルフィルターに捕集された放外に産生する。産生された酸性多糖類は，pyrite 中に含ま

射性セシウムは，その5090が水溶性であった24)。した

れる鉄との錯生成反応によってみかけ上 pyrite の溶解度がって，地表に沈着後の放射性セシウムの挙動は，主に水を上昇させる。pyrite からの鉄の溶出過程は，バイオリーに溶けるか，環境中の固相表面に吸着するかのいずれかの

チング微生物による鉄酸化反応の律速段階であるたプロセスに支配されると予想される。

め18) ，細胞外多糖類の産生が鉄酸化反応および鉱物溶解
反応全体の速度を増加させることに繋がる。

セシウムはアルカリ金属で，そのイオンは水に溶け易い性質を持つ一方で，雲母や 21 型粘土鉱物などの層状ケ

これの成果は，バイオリーチングの反応場である微生物

イ酸塩に特異的に安定に吸着されることが知られている。

鉱物境界面において，鉱物溶解を促進する有機配位子のそれは，最も大きな陽イオンであるセシウムイオンが，層存在を実証した初めての知見であり，高空間分解能で化学状ケイ酸塩が形成するケイ酸塩 4 面体シートが層間側に種解析が可能な STXM による反応場の直接分析によって形成する 6 員環にサイズ的に適合し，ケイ酸塩 4 面体

のみ明らかにできた知見といえる。細胞外有機物の新たなシー トと 直接 結合を 持つ （内圏 錯体） ため と説明 され機能“鉱物中の鉄との錯生成能”を有機物および鉄の化学

る2527) 。実際に福島地域の土壌や河川堆積物を懸濁した

種分析によって分子レベルで実証した点は重要であり，本溶液にセシウム溶液を添加し，得られた土壌や河川堆積物

研究によって複雑なバイオリーチング機構の一端を明らか中のセシウムの EXAFS スペクトルを測定すると，第 2にできた。また，バイオリーチングの実用化をさらに進め

近接原子の寄与が観察され，このような内圏錯体が形成さるには，金属浸出効率の向上が不可欠とされており，本研れていることが分かる（Fig. 6)26,27)。

究成果は遺伝子組み換え技術による多糖類産生能を強化しこのような吸着態が安定であることは，これまで数多くたリーチング微生物の開発など今後のバイオリーチングの報告されている土壌中の放射性セシウムの鉛直分布におい

高効率化に資する知見と言える。

て，沈着した放射性セシウムの90以上が表層 5 cm 以内に存在しており，その傾向は梅雨などの多雨な時期を経て

3. 放射性セシウムの粘土鉱物への吸着に及ぼす腐植物質の影響も変化しなかったことからも理解される28,29)。こうして土壌表層に固定された放射性セシウムは，浸食をうけて河川に流入し海洋に運ばれる。河川水を様々な孔径のメンブラ

東京電力福島第一原子力発電所（以後，福島原発と略）

ンフィルターでろ過し，ろ液に残った放射性セシウムを定の事故によって，大量の放射性物質が主に大気経由で放出量すると，おおよそ70以上の放射性セシウムが0.45 mm

輸送され，重大な環境汚染を引き起こした19,20)。今回の以上の懸濁粒子中に存在した30) 。つまり福島において放事故で放出された放射性核種で比較的半減期が長いのは放射性セシウムは，河川水中の微小な懸濁粒子に吸着された射性セシウム（主に 137Cs および 134Cs ）であり，多くのまま移動していると考えられる。

研究がなされている。事故直後に沈着した放射性セシウム

298 ● 放射光 Nov. 2016 Vol.29 No.6

特集 ■ 走査型透過 X 線顕微鏡（STXM）が拓くサイエンス

Fig. 6

Radial structural function (RSF; phase shift uncorrected) of
cesium L3edge EXAFS spectra of hydrated Cs ion in water(a) and Cs adsorbed on vermiculite (b), on soil in Fukushima (c), and on sediment in Fukushima (d). Solid lines arespectra obtained by experiments and dotted lines are ˆtted
spectra by curve-ˆtting analysis26,27).

3.2

放射性セシウムの層状ケイ酸塩への吸着に及ぼす有機物の影響Fig. 7(Color online) RSF of cesium L3
edge EXAFS adsorbed onvermiculite (V) in the absence or presence of humic acid
(HA). (a) Cs adsorbed on vermiculite (Cs concentration
72.1 mg/g), (b) Cs adsorbed on vermiculite (Cs concentration: 54.1 mg/g) when Cs was added before addition of
humic acid in the solution (HA concentration: 80 mg/L),(c) Cs adsorbed on vermiculite after addition of humic acid(Cs concentration: 35.8 mg/g; HA concentration: 80 mg/
L), and (d) Cs adsorbed on vermiculite with addition of alarger amount of humic acid after adsorption of Cs (Cs concentration: 54.1 mg; HA concentration: 500 mg/L)27,33).

一方， 1986 年のチェルノブイリ原発事故の際に，原発のそばを流れるプリピャチ川中の放射性セシウムは 70 

プリピャチ川で懸濁粒子へのセシウムの吸着が弱いことの以上が溶存態であり，福島とは正反対の傾向を示し原因と考えられる。そこで，プリピャチ川で採取された懸た31) 。この地域の周辺土壌は泥炭地であり，プリピャチ

濁粒子にセシウムを添加し，上と同様にして得た L3 吸収

川に含まれる溶存有機物濃度は 20 mg / L 程度と，福島地

端 EXAFS で は ， 外 圏 錯 体 が 優 勢 で あ る こ と が 分 か り

域の阿武隈川などのおおよそ 5～10倍以上であった。この（ Fig. 6 ），層状ケイ酸塩は存在するものの，内圏錯体の生ような場合，分子量の大きな溶存有機物が懸濁粒子を覆成は顕著にはみられないことが分かった。しかし，この懸い，放射性セシウムの吸着を阻害する可能性がある32)。

濁粒子から過酸化水素処理で有機物を除去した試料にセシ

そこで我々は，まず室内のモデル実験として，セシウム

ウムを吸着させると，内圏錯体の割合が増加した。これを安定に吸着する代表的な層状ケイ酸塩であるバーミキュ

は，腐植物質などの天然有機物が懸濁粒子中に存在するこ

ライトを水に懸濁させ，セシウムを添加した二元系の実験とで，プリピャチ川の懸濁粒子に対するセシウムの内圏錯に加えて，天然有機物の主成分と考えられる腐植物質（こ体の生成が阻害されることを示している。放射性セシウム

こではフミン酸）の存在下でセシウムの吸着挙動がどのよは，こうした有機無機複合体である懸濁粒子が天然で生うに変わるかを調べた27,33) 。その結果，二元系に比べる成した後に人為的に系に加わったと考えられ，この阻害効と，層状ケイ酸塩にフミン酸を添加後にセシウムを加えた果の影響を受ける。その結果，プリピャチ川において放射三元系では，セシウムの吸着率が減少した。これは，層状性セシウムの溶存態の割合が高くなったと考えられる。

ケイ酸塩層間へのセシウムイオンの侵入がフミン酸によって阻害されたことによる可能性がある。そこでセシウム

3.3

粘土鉱物有機物複合体の STXM 観察

L3 吸収端 EXAFS を調べた結果，三元系では内圏錯体のこのような有機無機複合体が実際に生成しているかを生成を示すピークの強度が相対的に減少した。これは，フ

確かめる上で，無機物も有機物も同時に高い空間分解能でミン酸が層状ケイ酸塩を覆ったために，層間に取り込まれ観察できる STXM は，理想的な手法である。実際 STXMて内圏錯体を形成するセシウムの割合が減少したことを示は，海洋中の物質循環において大きな役割を果たしているす（Fig. 7)27,33)。

沈降粒子（やはり有機無機複合体）のキャラクタリゼー

このような腐植物質によるセシウム吸着の阻害効果は，ションにも活躍している34) 。今回の研究では，プリピャ

放射光 Nov. 2016 Vol.29 No.6 ● 299

Fig. 8

(Color online) (a) SEM (secondary electron) image of particulate matters collected from the Pripyat River; (b)Color-coded chemical composite map, derived from cSTXM images (blue: C; red: Al) in the squared area of (a);(c) Carbon Kedge XANES spectrum in the area designated by yellow broken line in (b) and that of humid acid(the Suwanee River Humic Acid) as a reference material33)

チ川で採取された懸濁粒中の炭素，アルミニウム，カリウ

ケールで混合した不均質な物質である。こうした物質を特ムを STXM で観察した。STXM 分析用試料は，河川懸濁

定の元素に着目して調べられる XAFS 法の利点はそのま

粒子を超音波洗浄器で水中に十分に分散させた懸濁液を窒

まに，高空間分解能で有機物の官能基分布まで調べられる化ケイ素の薄膜（ 50 ～ 100 nm ）や TEM 用銅メッシュにのが STXM である。STXM 以上に高空間分解能な透過型

滴下し，乾燥させて作製した。その結果，層状ケイ酸塩に

電子顕微鏡（ TEM ）は，エネルギー損失分光（ EELS ）多く含まれるアルミニウムやカリウムを取り囲むように炭を用いれば化学種解析が可能ではあるが，有機物を対象に素が存在していることが分かった（Fig. 8)33)。またこの炭した場合，電子線による損傷の影響を免れない。そのため，素の K 端 XANES を測定したところ，腐植物質とほぼ同

STXM を用いた局所的（かつ他手法に比べて非破壊で損様のスペクトルを示した。比較として示したフミン酸のス

傷の影響が小さい）な有機物のキャラクタリゼーション

ペクトルと比較すると，プリピヤッチ川の試料では 287

は，環境化学の様々な研究において今後活躍していくであeV 付近のピークが相対的に弱かった。これはフェノール

ろう。

基に含まれる炭素のピークであり，この寄与が小さいもの

ただし， STXM においても利用する X 線が試料に与えは，腐植物質のうちフミン酸よりも水に溶け易いフルボ酸

る損傷は無視できない。こうした試料損傷への対応や，試成分のスペクトルに類似している。いずれにしてもこれら料の前処理作製法の向上は， STXM の利点を活かすたの結果は，プリピャチ川中の懸濁粒子は，層状ケイ酸塩でめにも，重要な技術的課題である。試料損傷への対策としある無機の微細粒子を腐植物質という有機物が覆っているては，クライオ技術が利用されているが35) ，有機物や生形態を示し，それが放射性セシウムの吸着挙動に影響を与

物試 料な どで はクラ イオ 法を用 いても 損傷 （測定 中のえていると解釈できる。

XANES の変化などで検知される）がみられる場合も多い。このような場合，どの程度の X 線の照射量で試料の4.

今後に向けて変質が起きるかを調べ，それ以下の X 線照射量で分析を行うことが推奨される36)。

本稿では， STXM を用いて環境物質中の有機化合物のまた，試料作製法においては， STXM は主に透過法に官能基分布を50 nm 程度の空間分解能で調べることで，微よるため，試料の厚さの調整が必要である。本稿で紹介し生物による鉱物溶解や放射性セシウムの水への溶解などのた試料は元々微小な粒子なのでほぼそのまま観察できた

素過程を解明した研究を紹介した。環境中の多くの物質が，例えば固体の岩石鉱物試料の場合には試料加工が必は，様々な無機物や有機物がサブミクロンやそれ以下のス要になる。その場合，TEM で用いられる手法が参考にな

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特集 ■ 走査型透過 X 線顕微鏡（STXM）が拓くサイエンス

り，固体試料では収束イオンビーム（FIB）を用いた薄膜試料の作製が有効である。ただし， FIB の利用に当たっても，試料に対するダメージを極力小さくする必要がある37) 。一方で，厚さの制約が小さい検出法として，透過法以外に蛍光法や電子収量法の利用も今後重要になるだろう。
これらの技術的な課題を解決しながら STXM の環境試料への応用を発展させることは， 21 世紀において益々重要になる環境科学への放射光の利用を進める上で，大きな貢献をするであろう。

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放射光 Nov. 2016 Vol.29 No.6 ● 301

著者紹介
光延

聖

高橋嘉夫

愛媛大学農学部生物環境学科 准教授
E-mail: mitsunobu.satoshi.dy ＠ ehime-u.
ac.jp
専門環境地球化学［略歴］
2006 年広島大学大学院理学研究科地球惑
星システム学専攻博士後期課程修了，博士(理学)。 2008 年日本学術振興会特別研究員 。 2008 年 静 岡 県 立 大 学 環 境 科 学 研 究所，助教。2015年より現職。

菅東京大学大学院理学系研究科地球惑星科学
専攻 教授
E-mail: ytakaha＠eps.s.u-tokyo.ac.jp
専門地球化学，環境化学，放射化学［略歴］
1992 年東京大学大学院理学系研究科博士課程修了， 1998 年広島大学助手， 2000 年
広島大学助教授， 2009 年広島大学教授，
2014年より現職。

大暉

広島大学大学院理学研究科地球惑星システ
ム学専攻 博士課程 2 年
E-mail: hiro-suga＠hiroshima-u.ac.jp
専門STXM を使った天然試料分析［略歴］
2013 年広島大学理学部地球惑星システム学科卒業。 2013 年広島大学大学院理学研
究科進学，現在同在学中(日本学術振興会
特別研究員 DC1)。

Importance of characterization of organic matterin environmental samples using scanning transmission X-ray microscopy
Satoshi MITSUNOBUFaculty of Agriculture, Ehime University, Matsuyama, Ehime 7908566,
Japan

Hiroki SUGA

Graduate School of Science, Hiroshima University, Higashi-Hiroshima,
Hiroshima 7398526, Japan

Yoshio TAKAHASHI

Graduate School of Science, The University of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113
0033, Japan

Abstract

Scanning Transmission Xray Microscopy (STXM) has become an essential tool for environmental chemistry. The method allows us to obtain mapping of various elements coupled with speciation of the element based on Xray absorption spectroscopy. The method has various uniquecharacteristics such as high spatial resolution (ca. 30 nm), elemental selectivity, and its applicability for the mapping not only for each element but also for chemical species. In particular,
STXM enables us to obtain mapping of each functional group in organic matter. This review
showed two examples of environmental studies using STXM. First study on the direct detection of
Fe(II) in extracellular polymeric substances (EPS) at the mineral-microbe interface in bacterial
pyrite leaching, where STXM revealed presence of iron complex with EPS, which can acceleratedissolution of pyrite. Second study showed the presence of coating of humic substances mattersaround particulate particles in river water by STXM, which in turn inhibits adsorption of radiocesium in the land water. This eŠect showed that humic substances aŠect migration of radiocesium inenvironment. These results showed that characterization of organic matter by STXM is importantto understand various chemical processes in environment.

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