【日本SJWP大賞】 第23 回 日本水大賞
藻類を活用した福島の汚染水処理システムを考える～放射性物質の海洋放出から海を守るために～
学校法人福島成蹊学園

福島成蹊高等学校

チームSC

1．はじめにこの研究は、10年前の震災後に先輩たちがはじめた微小生物調査が発端である。当時は屋外活動が制限されており、私たちの周りで何が起こっているのかわからず不安だった。特に、放射性物質の問題が連日報道さ

図1 ミカヅキモ
（Closterium moniliferum ）図2 シャジクモ（Chara braunii ）れ、放射線の影響を考えない日はなかった。そのなかで放射線の影響を受けやすいのは微小生物ではないかと先輩たちは考え、微小生物調査を学校近くの茶屋沼にて開始した。
調査を開始し、茶屋沼には四季を通して様々な微小生物がいることがわかり、採集した微小生物のなかで先 輩が着目したのが 藻類の一つであるミカヅキモ

図3 イシクラゲ（Nostoc commune ）（Closterium moniliferum 図1）である。ミカヅキモの文献でミカヅキモの末端空胞部分でバリウムイオンを分離固定する仕組みがあり、同じアルカリ土類金属であ処理水が敷地内のタンク（図4）に貯蔵されている。現るストロンチウムイオンも分離固定するという記述を見在も、1日に約140トンもの汚染水が増え続け、それにつけ、ミカヅキモを利用して汚染水中のストロンチウム伴い処理水も増え続け、敷地内のタンクも1061基存在イオンを回収できるのではと考え、研究を開始した。次している。政府により、2021年4月13日に正式に海洋に着目したのが、採集したシャジクモ（Chara braunii

放出による汚染水の処理が決定された。決定に至るま

図2）である。シャジクモについて文献を調べたところ、での多核種除去設備等処理水の取扱いに関する小委

シャジクモの細胞壁外にカルシウムイオンを炭酸カル

員会では、海洋放出と水蒸気放出が、前例があるとのシウムとして吸着させる性質があることを知り、同じア理由で現実的とされ、実績より海洋放出の方が確実にルカリ土類金属であるストロンチウムイオンも吸着させ実施可能とされた。また、水蒸気放出による風評被害るのではないかと考え、研究を開始した。最後に着目したのが、採集したイシクラゲ（Nostoc commune 図3）である。イシクラゲの文献調査では、イシクラゲが細胞および細胞外基質の両方でストロンチウムおよびセシウムを吸収・蓄積していることを知り、自重の30倍の質量の水を吸収することのできるイシクラゲを用いて現在も問題となっている原発敷地内に残る汚染水処理に活用できないかと考え、研究を開始した。
現在、10年前の福島第一原子力発電所の事故により、放射性物質を含む大量の汚染水が発生し、ALPS等の浄化設備を用いて処理しているが、トリチウムは取り除くことが出来ず、残されたトリチウムを含むA LPS

図4

処理水タンクの様子（Google earth）

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は海洋放出より風評被害が幅広いと結論づけられている。海洋放出については、地元の漁業関係者を中心に。
からOH -を排出している（HCO3− → CO2＋OH−）

海洋放出による風評被害を懸念し、反対の声が上がっこれにより、シャジクモ周辺がpH7～ 9と塩基性になている。2021年1月3日の朝日新聞による海洋放出決り、細胞表面にてアルカリバンドが形成される。このア

定前の世論調査においても処理水の海洋放出についルカリバンド内で、環境中の①Sr2＋とHCO3−、又はては、反対55％、賛成32％であった。近隣諸国におい②Sr2＋とCO2が結合し、細胞壁外にSrCO3が吸着すても韓国、中国は反対の立場を表明している。

ると考えた（① Sr2＋＋HCO3− → SrCO3＋H＋（）②

そこで私たちは、現在、原発敷地内にあるタンク内のCO2＋Sr2＋＋H2O → SrCO3＋2H＋）。

処理水を藻類の力で減少させたいと考えている。先輩方の研究で、シャジクモがストロンチウムを吸着する現象を観察した。そこで、より効率の良い吸着条件の解明を目指し研究に取り組んだ。また、ミカヅキモについて
は、先輩方の研究にて、Srの吸収において赤色LEDが有効であることが明らかとなったので、Srの吸収に光合成が関係しているのか調べた。イシクラゲについては、吸収した水の挙動を調べようと、容器にイシクラゲを入れ、水を加えてその質量変化を測定し、容器内に目視できる水が減少するとともに全体の質量が減少していくことを確認した。トリチウム水の処理にこの現象を

図5

Srを吸着するメカニズム応用できないかと考え、この一日当たりの減少量を増やす条件の解明に取り組んだ。

2．本 研究の目的

そこで、文献に記載されているアルカリバンドを観察した（図6）。その結果、アルカリバンドを形成しやすいのがシャジクモの先端部分であること、赤色、白色、青

本研究では、藻類を活用して敷地内のタンクに貯蔵色、緑色のLEDを用いて観察を行ったところ、赤色がされる処理水からALPS等の浄化設備でも回収できな最もアルカリバンドが形成されやすいことが確認さかった放射性物質を回収し、残ったトリチウム水を減れた。

少させるシステムを考案するために、3種類の藻類による溶液中のSr2＋の吸着・吸収、溶液全体の重量の減少について検証した。まず、シャジクモでは、光の波長や光量子量を変化させ、Srを細胞壁外に吸着させる条件について調べた。次に、ミカヅキモでは光合成阻害剤を用いてSr2＋の吸収と光合成の関係について調べた。
最後に、イシクラゲでは、トリチウム水の処理を想定して、イシクラゲに水を加え、イシクラゲ，水を含む全体の質量の減少量と加えるイシクラゲの乾燥重量の関係を調べた。

3．本研究（1）シャジクモを活用したSrの吸着【先行研究】

図6

シャジクモのアルカリバンド（赤色LEDを照射）（1）−Ⅰ．赤色LEDを用いたシャジクモ表面に吸着したアルカリ土類金属を含む結晶の観察
文 献によると、光 合成 阻害 剤を加えた寒 天 培地

文献のシャジクモのCaの吸着現象をもとに、Srを吸（CaCl2aq 10mM，NaHCO3aq 0.2 mM，アガロー着する際のメカニズム（図5）を予想した。まず、シャジス0.5％）にシャジクモを移して観察したところ、炭酸クモはHCO3−を利用して光合成を行い、特定の場所カルシウムの結晶が形成されにくいとの記述があっ100た。そこで、光合成を活発にさせることにより、吸着量が増 加 す る と 予 想 し、赤 色
LEDを用いて、前 記の寒 天
培 地 とCaCl 2aq（10m M）をSrCl 2aq（10mM）に替えた寒 天培地を作 製し、観 察を行った。
図7

照射波長と照射距離

図918日目の状態

図1028日目の状態【実験方法】① 100mLのスクリュー管に精製水87mL投入し、スターラーを入れて撹拌を行った。
② 撹拌をしながらアガロースを0.5g投入した。
③ ラップをかけ、電子レンジで沸騰をするまで加熱した。
（600wで約1分40秒）④ ③ を再 度 撹 拌し、フェノールレッド（10mM）を10mL、NaHCO3（0.2mM）を1mLを加えた。
⑤ ④にCaCl2aq（10mM）、SrCl2aq（10mM）を添SrCl2aq（10mM）の寒天培地に埋め込んだシャジ加した。
⑥ シャーレに③を加え、固まった後に先端から5cmに切ったシャジクモを埋め込んだ。

クモからは、6日目に結晶が確認（図11）され、16日目になると6日目に観察された結晶が大きくなっているこ⑦ 赤 色LEDを37cmの距離で明期：暗期12時間：12とを確認した（図12）。さらに、分枝が集まっている部時間で照射し（図7）、実体顕微鏡を用いて毎日、同分に結晶が多く観察された。その後も継続して観察すじ部分の観察を行った。

ると、SrCl2aq（10mM）のシャジクモは26日目には図13のような細胞状態の悪化が見られた（図13）。

【結果・考察】光学顕微鏡での観察の結果、CaCl2aq（10mM）の寒天培地に埋め込んだシャジクモからは、7日目に結晶が観察された（図8）。また、18日目に分枝が集まっている部分に多くの結晶が観察された（図9）。さらに、28日目の細胞状態は、良好であった（図10）。

図8

図11

6日目の状態

図12

16日目の状態

7日目の状態101【結果・考察】
どちらのサンプルでも、投入時にできていたCaの結晶が大きくなることは確認されなかった （① 図14，15，16）（② 図17，18，19）。
① S rCl2aq（10mM）＋NaHCO3aq（2.0mM）に加えたサンプル

図13

26日目の状態

赤色LED照射することで光合成が活発に起こり、仮説の通り吸着量の増加が観察された。また、先端部分の分枝の集まっている部分に多くの結晶が観察されていることから、先端部分でアルカリバンドが形成されやすいこととも関係していることが明らかとなった。CaとSrによる結晶の形成については、4週間毎日観察した結果、Caのシャジクモは何層も重なるような形で結晶が形成されていくのに対し、SrのシャジクモはCaの図140日目の細胞状態

図15

11日目の細胞状態

図16

16日目の結晶の様子

ような層状のような結晶は観察されず、観察された結晶が徐々に大きくなった。Caのシャジクモは4週間細胞状態が良好であったが、Srのシャジクモは2週間前後から細胞の一部で劣化が始まり、4週間後は細胞状態がさらに悪化していた。Srがシャジクモに対して有害な物質である可能性が示された。
（1）−Ⅱ．C aを含む結晶を吸 着させたシャジクモを
SrCl2aqに浸漬後の細胞表面の観察
シャジクモの細胞表面にCaを吸着させ、吸着させたCaCO3を核にして溶液中のSrを除去できるのか調べるために、CaCO3を吸着させたシャジクモをSrCl2aqに加え、さらに細胞表面にSrを含む結晶が生成されていくのか観察した。
【実験方法】① C aCl2aq（10mM）＋NaHCO3aq（①2.0mM，②5.0mM）を含む寒天培地にシャジクモの一番先端の節を加え、1週間観察し、結晶の有無を確認した。
② 結晶を吸着したシャジクモを寒天ごと切り出した。
③ ②のシャジクモをSrCl2aq（10mM）＋NaHCO3aq（①2.0mM，②5.0mM）に加えた。
④赤
 色LEDを照射距離10cm（光量子量16µmolm−2s−1）で明期：暗期 12時間：12時間で照射し、実体顕微鏡、光学顕微鏡を用いて観察を行った。

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② S rCl2aq（10mM）＋NaHCO3aq（5.0mM）に加の部分を観察すると6日目に細胞表面に結晶が観察された（図22、23）。寒天培地内で結晶が観察されず、まえたサンプルた、寒天培地外に成長してすぐ結晶が観察され、結晶が観察されるまでの時間が最も短かったことから、この原因について考えた。成長するまではCaCl2aq（10mM）＋NaHCO3aq（5.0mM）の寒天培地中にこの部分はあり、寒天培地を突き破って出てきた環境は、寒天培地からの距離が近く，寒天培地の影響と寒天培地の外を満たしているSrCl2aq（10mM）＋NaHCO3aq（5.0mM）の影響を直接受ける環境にあることが結晶を生成させたのではないかと考えた。
図17

図18

図190日目の細胞状態

図20

0日目の細胞状態

図21

2日目の細胞状態

図22

6日目の細胞状態

7日目の細胞状態

16日目の結晶の様子

このことから、Caを含む結晶を核にしてSrを含む結晶が生成されないことが明らかとなった。また、観察していたSrCl2aq（10mM）＋NaHCO3aq（5.0mM）に加えたサンプルの中に、図20のような寒天培地中に未成長の部分を持つシャジクモがあり、日数が経つにつれ図21のような成長が見られた。結晶の有無についても調べたが、結晶を確認することはできなかった。この部分はさらに成長し、寒天培地の外まで成長した。そ

図2316日目の結晶の様子

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図24

図25

照射したLEDの波長と、その照射距離（cm）、光量子量（μ・molmｰ2sｰ1）

実験に使用したサンプルとコントロールに投入する条件（2）ミカヅキモを活用したSr2＋吸収

図26 実験条件
照射距離（cm）と光量子量（μ・molmｰ2sｰ1）

子顕微鏡（SEM−EDX）での観察を行う前に、光学顕本研究では、ミカヅキモがSr2＋を効率よく吸収する微鏡を用いてミカヅキモの細胞の観察を行い、ヨウ素方法や条件を明らかにするために、高分解能走査型電溶液に染色されない顆粒が確認されるのか検証した。

子顕微鏡（SEM－EDX）による光合成阻害剤（DCMU）を用いたミカヅキモの観察を行った。

【実験条件】
先行研究の結果を踏まえ、SrCl2aqにミカヅキモを【先行研究】
先輩方は、ミカヅキモを用いたLEDの波長の違いによるSr2＋吸収量の比較を行い、赤色（640nm）、白色、加え、赤色LED（640 nm、照射距離 37cm、光量子
量7.5µ・molm−2s−1、20℃±3℃、明：暗12時間：12時間）を照射し、48時間静置した（図26）。

青色（450nm）、緑色（525nm）の4色のLEDの照射距離を変え、どの波長で最もSrを吸収するのか調べた【実験方法】（図24）。

① ミカヅキモをSrCl2aq（0.10mM）に加え、48時間その結果、赤色で吸収量が最大となった。そのため、多くのSr2＋吸収には赤色の波長が関係していることが明らかとなった。

静置した。
② メンブランフィルターでミカヅキモをろ過し、精製水で数回洗った。
③ ② のフィルターを時計皿にのせ、シャーレの中に入（2）−Ⅰ．高 分解能走査型電子顕微鏡（SEM－EDX）による光合成阻害剤（DCMU）を用いたミカヅキモの観察
ミカヅキモの効率の良いSr2＋吸収には光合成が関係するのか検証するために、光合成阻害剤（DCMU）を用いて作製したサンプル（図25）を福島大学に依頼し、高分解能走査型電子顕微鏡（SEM−EDX）によるミカヅキモの観察を行った。また、高分解能走査型電104

れ乾燥機（40～ 50℃）で十分乾燥させた。
④ 白金でコーティングし、高分解能走査型電子顕微鏡（SEM−EDX）で観察した。

【観察結果】

図27

サンプル①の光学顕微鏡写真

図28

サンプル①の電子顕微鏡写真

図29

サンプル①の電子顕微鏡写真

図30

サンプル②の光学顕微鏡写真

図31

サンプル②の電子顕微鏡写真

図32

サンプル②の電子顕微鏡写真

図33

サンプル③の光学顕微鏡写真

図34

サンプル③の電子顕微鏡写真

図35

サンプル③の電子顕微鏡写真

観察の結果、サンプル①（図27～ 29）のミカヅキモからは末端空胞部分でBaが確認され、サンプル②（図30～ 32）のミカヅキモとサンプル③（図33～ 35）のミカヅキモからは、末端空胞部分でSrが確認された。
また、サンプル②のミカヅキモ（図32）よりサンプル③のミカヅキモ（図35）の方が確認されたSrの割合が少なく、Baの割合については大差はなかった（図36）。これは、光合成阻害剤（DCMU）の影響だと予想される。
また、光合成阻害剤（DCMU）を添加したサンプルの

図36

各サンプルでのBa・Srの質量濃度【％】の比較

ミカヅキモから確認されたSrの割合が少なかったた
め、Sr2＋の吸収には光合成が関係していることが明ら

水30gにイシクラゲ（乾燥状態）1.0gを加えるサンプルかとなった。と加えないサンプルを用意し、自然光のあたる場所に放置して、毎日イシクラゲ，水を含む容器全体の質量を（3）
イシクラゲを活用した容器内の水の減少条件の検証測定し、水の減少していく様子を観察した。容器内の（3）−Ⅰ．予備実験

水の質量については、前日の全体の質量から測定した

イシクラゲは乾燥状態であれば自重に対して約30倍の水を吸収する性質を持つ。この性質を利用して、全体の質量の差とした。また、赤色LEDと青色LEDを連続照射し、前記同様に観察した。

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【結果・考察】
イシクラゲ有りのサンプルはイシクラゲ無しのサンプルより4日程早く水の質量が0gとなり、その後、重量変化は見られなくなった（図37）。この結果より、イシクラゲを用いれば、原発敷地内にあるタンク内の処理水を減少させることができるのではと考えた。さらに、LEDの連続照射実験により、青色LEDが有効であることが明らかとなった。
図37

イシクラゲの有無による日ごとの水の質量（3）−Ⅱ．イ シクラゲの乾燥重量と容器全体の質量（イシクラゲ、水含む）の累計減少量の変化
予備実験より、イシクラゲに水を加えて容器全体の質量変化を調べると、青色LEDを連続照射することで容器全体の質量が早く減少し、質量が一定となることが明らかとなった。そこで、この容器全体の質量の一日当たりの減少量をさらに増やすための条件を検討することにした。検討するに当たり、予備実験の際に、イシクラゲの一部が浮いてきたりしたサンプルがあったた
め、最初に、ステンレスの網をイシクラゲの上に置き、イシクラゲを完全に沈めたサンプルとステンレスの網を置かないサンプルの容器全体の質量の累計減少量の

図38 （3）−Ⅱの実験条件変化を調べた。また、加えるイシクラゲの乾燥重量を増やせば、一日当たりの減少量が増えると予想し、加える【結果・考察】イシクラゲの乾燥重量を0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g

図39より、イシクラゲ有りと無しのサンプルで比較と変化させ，イシクラゲを水に完全に沈め、容器全体

すると、イシクラゲ有りのサンプルがすべて一日当たりの質量変化を調べ、イシクラゲの乾燥重量と容器全体の減少量がイシクラゲ無しより多かった。また、イシクの質量の累計減少量の変化を調べた。

ラゲを完全に沈めたサンプルと一部浮いていたサンプ
ルとの容器全体の質量の累計減少量を比較すると、グ【実験方法】

ラフのようにほぼ一致し、7日目の値についても20.4g、① 容器に乾燥状態のイシクラゲ0.1gと精製水30gを20.2gとほぼ一致していた。このことから、イシクラゲ加え、水中に沈めるサンプルにはステンレスの網をが水中内、一部水中外にあっても質量の減少量がほとイシクラゲの上に置いた。

んど変化しないことが明らかとなった。

② 図38のように青色LEDを照射距離10cmで連続照射し、7日間、毎日容器全体の質量を測定した。
③ 容 器に乾 燥 状 態 のイシクラゲを0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5gを測り取り、精製水をそれぞれ30g加え、ステンレスの網をイシクラゲの上に置いた。
④ 図38のように青色LEDを照射距離10cmで連続照射し、5日間、毎日容器全体の質量を測定した。

106

図39

日ごとの容器全体の質量の累計減少量

また、図40の5日目の結果より、イシクラゲの乾燥重量が0.2gのサンプルの容器全体の質量の累計減少量の値が最も大きく、18.5gであった。それに対して最も値が小さかったのは、イシク
ラゲの乾燥重量が0.1gのサンプルで16.2gであった。予想していた乾燥重量が大きいサンプルほど減少量が多くなると考えていたが、残りのサンプルについても5日目の累計減少量を示すと、

図40

イシクラゲの乾燥重量と容器全体の質量の累計減少量

乾 燥 重 量0.3g、0.4g、0.5gの 順 に17.7g、16.8g、16.8gとなった。これは、0.3g以上のサンプルではイシクラゲが水を吸収して広がり、青色LEDを上からのみ照射していたので、容器の下にあるイシクラゲには十分光が当たらず、青色LEDの効果が十分得られなかったためと考えられる。

4．展望
私たちは、先輩たちから引き継いできた研究を元に、
現 在、原 発 敷 地 内に大 量にあるトリチウムを 含 む
A LPS処理水を、私たちの考える藻類を活用した汚染水処理水システム（図41）で減 少させたいと考えている。
原発事故前の福島第一原子力発電所では、トリチウムを含む処理水を海洋放出（年間約2.2兆Bq）、大気放出（年間約1.5兆Bq）で処図41

理してきた実績がある。このことから、私たちも科学的に安全な濃度に希釈した処理水について、前記の処理をすることは現状を考えると理藻類を活用した汚染水処理システム

謝辞

解できる。一方で、地元福島県民としては、海洋放出に本 研究は、高分 解能 走 査 型電子 顕微 鏡（SEM−

よるさらなる風評被害を考えると政府の決めた処理水EDX）を使用し、観察指導をして頂いた福島大学の難の海洋放出を容認できない。私たちが現在考えている

波謙二先生、高瀬つぎ子先生、ミカヅキモの採取方法、システムにおいてもトリチウムだけを大気放出したとし培養方法、光学顕微鏡による観察方法を教えて頂いたても、風評被害を避けては通れない。トリチウムの半

島根大学の大谷修司先生、Srの定量に関するアドバイ

減期が12.3年なので十分減衰させれば，トリチウムにス、実験器具のご提供頂いた福島大学の杉森大助先ついては安心して処分できる。
「トリチウムの分離技術

生、大橋弘範先生、光合成阻害剤（DCMU）を用いたで今すぐに実現できるものはない」との報告もあるが、実験のアドバイス等を頂いた東京薬科大学の都筑幹夫

海洋放出による汚染水の処理はもう少し慎重に検討す先生など多くの方のご協力があって本研究を遂行いたる必要がある。私たちが10年間代々先輩方から引き継しました。これらのご支援、ご指導に対してこの場を借いで行ってきた研究を継続し、さらに良い技術が考案りて厚く御礼申し上げます。

できるように取り組みたい。

学校法人福島成蹊学園
福島成蹊高等学校 チームSC107