Kahokugata Lake Science 18, 20152011 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋沖地震後の福島県内のバイオマットの特徴

霜島康浩 1・加藤智弘 2・奥野正幸 3・大友幸子 4・田崎和江 5
1

2

株式会社開発技術コンサルタント 〒 951-8133 新潟県新潟市中央区川岸町 3-33-3
株式会社地球システム科学 〒 160-0022 東京都新宿区新宿 1-23-1 新宿マルネビル 7 階
3
金沢大学大学院自然科学研究科 〒 920-1192 石川県金沢市角間町
4
山形大学地域教育文化学部 〒 990-8560 山形県山形市小白川町 1-4-125河北潟湖沼研究所 〒 929-0342 石川県河北郡津幡町字北中条ナ 9-9

要約：2011 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋沖地震後に福島県内 4 カ所のバイオマットについて調査した．そして，それらの形成環境，化学組成，電子顕微鏡観察から，バイオマットの特徴について明らかにした．東北地方太平洋沖地震により津波被害を受けた福島県南相馬市鹿島区烏崎の水田土壌表面に形成した白色バイオマットは，ケイソウにより構成され，ハライト，石こうを生じていた．また，ゲルマニ
ウム半導体検出器を用いた核種分析ではセシウムが検出され，SEM-EDS による半定量分析から特定の元素が微生物に濃集されていることが明らかとなった．福島県南相馬市原町区東ヶ丘公園では，湧水が流れる
水路で鉄酸化細菌 Leptothrix ochracea により形成された赤褐色バイオマットが認められ，SEM-EDS による半定量分析では主に鉄が濃集されていた．さらに，2011 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋沖地震直後に，福島県いわき市内郷高坂町の住宅の土台や水抜き穴から温泉水が噴出した．その 1 カ月後の 4 月
11 日に発生した M7.0 の地震時に，いわき市泉玉露の立坑からも高温の温泉水が噴出した．内郷高坂町では，鉄酸化細菌 Leptothrix ochracea により赤褐色バイオマットが形成された．泉玉露では，イオウシバが繁茂し，還元性細菌によりイオウと石こうが形成された．これら 4 カ所で観察されたバイオマットは，それぞれの地域の環境にあわせて微生物が棲み分けており，また環境変化によりもたらされた特定の元素を濃集する可能性が明らかになった．
キーワード：東日本大震災，バイオマット，電子顕微鏡，細菌

Characteristics of Microbial Mats in Fukushima Prefecture, after
the Paciﬁc Coast of Tohoku Earthquake on March 11, 2011
SHIMOJIMA, Y. , KATO, T. ,OKUNO, M. ,OHTOMO, Y. , TAZAKI, K.
Abstract; The characteristics of microbial mats formed after the 2011 off the Pacific coast of Tohoku
Earthquake (henceforth the 3.11 Earthquake) were clariﬁed by studies of their living environment, chemicalcompositions and microscopic observation at following four study sites. White microbial mats formed in
ﬂooded paddy ﬁelds at Karasuzaki, Kashima, Minamisoma City, Fukushima Prefecture were damaged by salt
water of Tsunami after the 3.11 Earthquake. This microbial mats consist largely of diatom with mineralized
halite and gypsum. Cesium of the radionuclides were detected in microbial mats by using a Ge semiconductor
analyzer. Particular elements concentrated in microbial mats were detected using SEM-EDS. At Azumagaokapark, Haramachi, Minamisoma City, Fukushima Prefecture, reddish brown microbial mats aggregated withiron oxidizing bacteria, Leptothrix ochracea, were found in spring water along a gutter. Iron concentrated in
microbial mats were detected using SEM-EDS. Hot spring water suddenly spouted from a house foundation
located in Uchigo-takasakamachi, Iwaki City Fukushima prefecture after the 3.11 Earthquake. At this site, we
observed reddish brown microbial mats, formed by iron oxidizing bacteria, Leptothrix ochracea. Similarly,

43河北潟総合研究 18‚ 2015very hot spring water spewed out from a shaft of old coal mining situated in Izumi-tamatsuyu, Iwaki City after
the aftershock happened in 11th April 2011. At this site, we observed that sulfur and gypsum were formedin sulfur-turf develop in sulﬁde-containing hot springs water. It could be concluded that the bacteria inhabit
adopting each growing environment selectively forming microbial mats and they concentrate particularelements.
Keywords; The Great East Japan Earthquake, microbial mats, electron microscopy, bacteria

はじめに的な除染方法の研究，地震による温泉噴出のメカニ
ズムや地下水の挙動などの研究は多く認められる．

2011 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋沖地

一方，津波堆積物中の微生物や地震により噴出した震（M9.0）では，大津波が発生し，東北地方太平温泉に生息する微生物により形成されたバイオマッ

洋沿岸に多くの被害を発生させた．東北地方太平洋

トと生成鉱物などについての科学的データは限られ沖地震の震源は，三陸沖で震源の深度は 24 km とさている．

れている（気象庁，2011）．この地震による津波で，本研究では 2011 年 3 月 11 日の地震と津波の被多くの構造物や農地が被害を受けた．なかでも東京害を受けた福島県鹿島区烏崎漁港付近の水田バイオ電力福島第一原子力発電所（以下福島第一原発）でマット，福島県南相馬市原町区東ヶ丘公園のバイオは，津波被害による電源喪失が原因による原子炉損

マット，3 月 11 日の地震直後に噴出した温泉に形傷で広範囲に放射性物質が飛散して，福島県沿岸部

成された福島県いわき市内郷高坂町のバイオマット，の農地では津波と放射能汚染の二重被害が発生して

4 月 11 日の地震により噴出した温泉に形成されたいる（国分ほか，2013；田崎ほか，2014a）．

福島県いわき市泉玉露のバイオマットについて電子

福島県いわき市の常磐湯本温泉地域では 2011 年

顕微鏡観察や化学組成，水質，放射線量からバイオ

3 月 11 日の東北地方太平洋沖地震により，いわき

マットの特徴や形成環境について検討を行ったので

市内郷高坂町の住宅の土台や水抜き孔から温泉が噴報告する．

出した．また，その 1 カ月後の 2011 年 4 月 11 日の

福島県内の調査地と現地の状況

地震により，いわき市泉玉露の旧炭鉱施設の立坑（排気口）からも温泉が大量に噴出した．これらの温泉調査地は，福島県北東部の南相馬市鹿島区烏崎，は 2014 年 1 月現在も噴出している．

南相馬市原町区東ヶ丘公園，福島県南東部のいわき

津波で浸水し，放射能汚染された農地や地震により温泉が噴出したような環境の中においても，微

市内郷高坂町，泉玉露に位置する（Fig.1）．南相馬

生物が大量に棲息していることが明らかにされて市を含む東北地方の太平洋沿岸部では 2011 年 3 月

いる（霜島ほか，2014；田崎ほか，2013a，2013b， 11 日の M9.0 の地震により，大津波に襲われ，多2014a）．これらの微生物は有機物の分解や窒素のくの水田や宅地などが浸水した．試料採取地に最固定 , 微量重金属元素の濃集を通じて生態系の物質も近い相馬市の検潮所では 9.3 m を超える津波が循環のなかで重要な役割をになっている．これらは観測されたと報告されている（気象庁，2011）．ししばしば集合体を作って間欠泉 , 熱水噴出孔，温泉， かし，南相馬市では，10 m を超える津波が押し寄せ，最大の津波は，海岸から約 800 m 離れた標高

鉱山廃水，河川などさまざまな水辺の環境に広く生息し，バイオマット（微生物被膜 Microbial mats） 10.5 m を示す地点で，1.5 m も冠水した（田崎ほか，とよばれる構造物をつくる（田崎，2010）．福島県

2014a）．このように実際の津波は検潮所の記録を超内における地震や津波発生のメカニズムや原発事故えるものであった．
烏崎の試料採取地は，福島第一原発から北へ約による放射性物質の拡散や汚染状況，物理的，化学44

Kahokugata Lake Science 18, 2015

ブロック製の水路となっているものの，ほとんどの区間は土水路となっている．湧水の湧出やバイオ
マットの形成の時期は不明であり，2011 年 3 月 11日の地震前から存在していたものと考えられる．
福島県いわき市では 2011 年 3 月 11 日に発生した
東北地方太平洋沖地震直後に，福島県いわき市内郷
高坂町の住宅の土台や水抜き穴など約 20 カ所から温泉水が噴出し，その周辺に赤褐色のバイオマットが形成された（Fig.2C）．その 1 カ月後の 4 月 11 日に発生した M7.0 の地震時には，いわき市泉玉露の立坑から高温の温泉水が噴出し，白色のバイオマッ
トが形成された（Fig.2D）．
福島県南東部のいわき市浜通りに位置する内郷高
坂町と泉玉露の周辺はかつて，常磐炭田が広く分布

Fig. 1. Locality map of microbial mats in Fukushima,
Japan.
図 1．本研究で扱った福島県内のバイオマットの分
布図．南相馬市烏崎（A），南相馬市原町区東ヶ丘（B），いわき市内郷高坂町（C），いわき市泉
玉露（D），福島第一原発（FDNPP）．

した地域であった．常磐炭田は温泉水を伴う炭田としても知られており，常磐湯本温泉が両調査地域のほぼ中間地点に位置する．いわき市内郷高坂町は，
かつて常磐炭鉱のズリ山となっていた場所で，ズリ山を造成して住宅団地が形成された．噴出した温泉の 2011 〜 2013 年の湧出量は，毎秒 2 〜 6 L，温度は約 27℃である（産業総合研究所地質調査センター，

2013）．2014 年 1 月 12 日の測定では湧出量の多い
29 km 離れた，烏崎漁港に近い水田として利用され数カ所での合計は毎秒 2.8 L であり，湧出量に大きていた平坦地で，広い範囲に津波堆積物の砂が認めな変化は認められない（霜島ほか，2014）．

られる．試料採取地の烏崎は最大の浸水範囲となっいわき市泉玉露は常磐炭鉱の西端にあたり，地下た地域に含まれている．水田跡には白いシート状の約 600 m 坑道から延びる立坑（排気口）跡がある．

物質が津波堆積物表面を薄く覆っている状況が確認

2011 年 4 月 11 日の余震により，立坑から約 60 ℃

され（Fig.2A），一部では水たまりも形成されていの温泉水が多量に噴出し，隣接する河川に排水してる．水田土壌表面には白色〜灰色のシート状の物質いる．温泉の排水口には，白色を呈する糸状のバイ（バイオマット）が数 mm の厚さで覆っており，乾オマットが形成されている．常磐炭鉱では全面閉山

燥が進んだ場所では亀裂が生じ，一部分めくれ上が後は 1979 年にいわき市常磐湯本町に常磐湯本温泉

り，簡単に剝ぐことができた．剝いだ白色バイオマッ

株式会社を設立し，地下約 600 m の温水が湧出する

トは，柔軟で，折り曲げても容易にちぎれない状態

坑道にパイプラインを通して，湯本の温泉街に配湯であった．

するようになった．このパイプラインは泉玉露の立坑まで延びている．

福島県南相馬市原町区の東ヶ丘公園内の湧水が流れる土水路内には，赤褐色のバイオマットが形成さ試料の観察および測定・分析方法れている（Fig.2B）．東ヶ丘公園は，南相馬市の中心街にあたる原町区の丘陵地に位置する自然公園で試料の採取ある．バイオマットは，水中に綿状に形成され，水面にはオイルスリック状の薄膜も確認できる．バイ

福島県南相馬市烏崎の水田跡では , 津波堆積物表

オマットが形成されている水路は公園内に湧出した面に形成された白色バイオマットを剝ぎ取り採取し湧水を処理するためのもので，一部はコンクリート

た．採取した試料は，カッターナイフで表層と砂が45

河北潟総合研究 18‚ 2015

Fig. 2. Field views of microbial mats at paddy ﬁeld in Karasuzaki (A), microbial mats in Azumagaoka Park,
Haramachi (B), microbial mats in Uchigo-Takasakamachi(C) and sulfur turf in Izumi-Tamatsuyu (D).
図 2．南相馬市烏崎の水田のバイオマット（A），南相馬市原町区東ヶ丘公園のバイオマット（B），いわき市内郷高坂町のバイオマット（C）といわき市泉玉露のイオウシバ（D）．

付着する裏面の部分に分け，白色を呈する表層部分

福島県南東部のいわき市内郷高坂町では温泉が噴について観察と分析を行った．水田跡地内の窪地に出する出口付近に付着していた赤褐色バイオマット

できた水たまりの水をポリエチレンビンに採取しを移植ごてで採取した．泉玉露では，隣接する河川

た．烏崎における現地測定は，2013 年 10 月 14 日， の温泉排出口に形成されたバイオマットをステンレ

2014 年 1 月 11 日に実施し，試料採取は 2013 年 10

ス網で採取した．採取した試料は，ろ紙で水分を取

月 14 日に行った．

り除いた後，自然乾燥させたものについて観察と分

福島県南相馬市原町区の東ヶ丘公園内では，土水析を行った．また，それぞれの温泉の排出口から温路内に形成された綿状の赤褐色のバイオマットの表

泉水をポリエチレンビンに採取した．内郷高坂町お層部を移植ごてで水中から掬い取った．採取した試

よび泉玉露における空間線量測定は 2012 年 11 月

料は，ろ紙で水分を取り除いた後，自然乾燥させ14 日，2014 年 1 月 12 日に実施し，試料採取およ

たものについて観察と分析を行った．土水路の水は， び現地水質測定は，2014 年 1 月 12 日に行った．
ポリエチレンビンに採取した．東ヶ丘公園における試料の測定・分析方法

現地測定は 2014 年 1 月 11 日に実施し，試料採取は2013 年 2 月 23 日，2014 年 1 月 11 日に行った．

バイオマット試料はガイガー・ミュラーカウン
46

Kahokugata Lake Science 18, 2015

ター（Aloka GM サーベイメータ TGS-136 計数管， を用いた．採水した水は JIS K 0102 もしくは上水
単位 cpm）を用い，ビニールで保護した検出器を試験方法により主要イオン分析を行い，水質の分類

対象に接触させて放射線量を測定した．また，試料を行った．烏崎の試料は 2013 年 10 月 14 日に採取との比較を行うため，地上 1m の高さで空間線量をした試料を 2013 年 10 月 17 日に，東ヶ丘公園，内測定した．本研究では，金沢大学 RI センターにお137
いて，絶対値（ Cs 線量率校正線源；γ 線のみ）と

郷高坂町，泉玉露の 3 試料は 2014 年 1 月 11 〜 12日に採取した試料を 2014 年 1 月 22 日に水質分析（ Cs 線源 Am: americium；β 線＋ γ 線）をもとに

を行った．

137

して GM サーベイメータ TGS-136 を校正した．なお，

調査及び測定・分析結果

1000cpm は 1.52 μSv/h に相当し，2-3 割の誤差がある．
放射能汚染された烏崎のバイオマット試料につ

現地水質測定結果

いては，ゲルマニウム半導体検出器（CANBERRA

南相馬市烏崎のバイオマット周辺に認められた水GC2520）を用いたγ線スペクトロメトリーによるたまりの水の主要イオン分析の結果，津波による海I，40K，134Cs，137Cs の 4 核種を分水を起源とする Na-Cl 型の水質を示し，2011 年 3

核種分析法で131

析した．分析は 2013 年 10 月 14 日に採取した試料を， 月 11 日の津波被害から 3 年たった現在でも，海水2013 年 10 月 19 日に行った．
採取したサンプルは日立製 S-3400N 型走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて微細形態を観察した．視の影響を受けた状態にある．pH，EC も同様に海水の影響を受けており，pH 7.5-7.8，EC 3480-4520

mS/m（試験室計測値）である（Table1）．

野に対応した微小領域の放射性核種を含む化学組成

東ヶ丘の湧水は，湧水の一般的な水質である Ca分析を行うため，HORIBA 製 EMAX X-act 型エネ-HCO3- 型を示した．現地計測では pH 6.9，EC 36

ルギー分散型分析装置を装着した走査型電子顕微鏡

mS/m，ORP 22 mV である（Table1）．

2+（SEM-EDS）を用いて，加速電圧 15 kV，電流 70-

内郷高坂町の温泉水は Na （Ca ）-SO4 型を示

80 μ A，分析時間 1000 秒で半定量分析を行い，スす．現地 計 測では，pH 7.3-7.8，EC 186-187 mS/

ペクトルを得た．半定量分析は標準試料を用いず各

m，ORP -42 から -82 mV であり，弱還元的である

+

2+

2-

元素の理論強度をもとに実測された強度と比較して （Table1）．
泉玉露の温泉水は Na-Cl 型を示す．現地計測では，元素を求める方法で，分析方法の詳細は田崎ほか（2013a，b）に記述した．

pH 8.0-8.3，EC 480 mS/m，ORP -331 mV であり，本研究で使用したエネルギー分散型・走査型電子

著しく還元的である（Table1）．なお，常磐湯本温顕微鏡装置（HORIBA EMAX X-act）は，少量の泉の泉質は，含イオウ - ナトリウム - 塩化物・硫酸

元素でも，含有の可能性がある場合はマップ上に表塩温泉であり，泉玉露の水質とは硫酸塩濃度がやや示される．予想外の元素の混入や微粒子が点在す異なっている．

る場合も検出し，判別できる（堀場製作所，2010；
接近している元素についてはピーク分離ソフトによバイオマットの放射線測定とゲルマニウム半導体検出器を用いた γ 線スペクトロメトリーによる核種分り処理された計算値が示され，エネルギーウインド析Burgess et al., 2013；小豆川，2014）．エネルギーがのリストが重複している場合はゼロと表示される .

バイオマットの現地放射線量測定では，烏崎のバイオマットの形成環境を推定するため，バイオ

白 色 バ イ オ マ ッ ト で 85-160cpm， 東 ヶ 丘 公 園 でマットを形成する水の水質は，現地において水温

115cpm，内郷高坂町で 60-430cpm あった．泉玉露（℃），pH，電気伝導度（EC），酸化還元電位（ORP） では，白色バイオマットが 80-110cpm であり，温を計測し，ポリエチレンビンに採水を行った．現地

泉水の排水溝が 330cpm であった．また，バイオマッ

測定では，HORIBA 製 B-212 型 pH メータ，B-173

トを乾燥させた後の放射線量測定では，烏崎の白色型電気伝導率計，カスタム製 ORP-6041 型 ORP 計

バイオマットで 140cpm であり，その他 3 か所の試

47

河北潟総合研究 18‚ 2015

Table1. Characteristics of microbial mats and water quality in Fukushima Prefecture, Japan.
表 1．福島県内のバイオマットと水質の特徴．
Location

A：Karasuzaki

SampleWhite microbial
matsCharacteristicsof the water
Temp. (℃ )Water temp. (℃ )pH
EC (mS/m)
ORP (mV)

Na+-Cl- type
Salt water(Tsunami)
1.0
0.1
7.5, 8.0
3480, 4520
79, 94(Oxidative)

Bacteria

DiatomMineral

Gypsum, Halite

B：Azumagaoka
Park
Reddish brown
microbial mats

C：UchigoTakasakamachi
Reddish brown
microbial mats

Ca2+-HCO3- type

Na+(Ca2+)-SO42- type

Na+-Cl- type

Spring water

Hot spring water

Hot spring water

-0.2
7.5
6.9
36
22
(Oxidative)
Iron oxidizing
bacteria
Ferrihydrite

7.0
22.0, 25.0
7.3, 7.8
186, 187-42, -82(Weak reductive)

11.0
59.0
8.0, 8.3
480-331(Reductive)

Iron oxidizing bacteria

Reducing bacteria

Ferrihydrite

Sulfur, Gypsum

料は全て 80cpm であった（Table2）．

D：Izumi-Tamatsuyu
White sulfur turf菌が認められる．そのほか，微細な鉱物粒子や粒径

烏崎の水田バイオマットについて 2013 年 10 月

20-30 μ m の無機物質が点在している．Nitzschia 属

14 日 に 採 取 し た 試 料 を，2013 年 10 月 19 日 に ゲ

は湖沼や河川など淡水域に広く分布しており，好ア

ルマニウム半導体検出器を用いた

I，134Cs，137Cs， ルカリ性，貧塩―不定性流水不安定性，広温性，富131

K，の分析結果を Table2 に示す．134Cs は 400 Bq/

栄養性で，中腐水域までの耐性を持つ（小島ほか

40

kg-dry であり， Cs は 890 Bq/kg-dry であった． 編，1995）．この属の中でも Nitzschia filiformis と137

I は物理的半減期が 8 日と短いため，本研究におNitzschia scalpeliformis はともに淡水から海水までいては全試料で不検出であった． K は少量検出さ広く分布するが，河口域などの汽水域に多い着生種

れた．原発事故から 3 年たった現在， K とIがで，汽水域では中腐水域までの耐性を持つ（小島ほほとんどの試料で不検出であったことは，原発事故

か編，1995）．現地水質測定による測定結果は本属由来の両放射性核種の物理的半減期に合致する．

の棲息環境の範囲にほぼ合致する．

131

40

40

131

さ ら に， 同 地 点 で 2012 年 9 月 15 日 に 採 取 し，

東ヶ丘公園の赤褐色バイオマットの SEM 観察で2013 年 6 月 5 日に測定した水田バイオマット表面

は，太さ 1~2 μm, 長さ 10 μm の長管状物質とその周Cs は 2000 − 2200 Bq/kg-dry であり， Cs は囲に微細な付着物が多数観察される（Fig.3B）．長

の

134

137

4200 − 4300 Bq/kg-dry であった（田崎ほか 2014a）． 管状物質は中空で分岐のない直線的な形態を示して2013 年 6 月 5 日と 2013 年 10 月 19 日の測定結果

いる．中空の長管状物質は，その形態および元素分

Cs は 1 年でともに線量が約析結果から鉄細菌 Leptothrix ochracea により形成さを比較すると， Cs,
134

137

1/5 に減少している．

れ，細胞が抜け出して空になった鞘が集合したものである．

バイオマットの走査型電子顕微鏡観察

内郷高坂町の赤褐色バイオマットの SEM 観察で烏崎の白色バイオマットの表面の走査型電子は，太さ 1~2 μ m，長さ 10 μ m の長管状物質とその顕 微 鏡 観 察 で は， 白 色 バ イ オ マ ッ ト の 最 表 面 に

周囲に微細粒子や粒径 20-30 μ m の無機物が観察さは，ササノハケイソウ（Nitzschia 属）が観察されるれる（Fig.3C）．長管状物質は中空で分岐のない直（Fig.3A）．珪藻殻のまわりには糸状の微生物や球線的な形態を示している．中空の長管状物質は，そ48Kahokugata Lake Science 18, 2015

Table 2. SEM-EDS and Ge semiconductor analysis of microbial mats collected from in Karasuzaki (A),Azumagaoka Park, Haranomachi (B), Uchigo-Takasakamachi (C) and Izumi-Tamatsuyu (D).
表 2．エネルギー分散型・走査型電子顕微鏡装置とゲルマニウム半導体検出器によるバイオマットの分析結
果，南相馬市烏崎（A），南相馬市原町区東ヶ丘公園（B），いわき市内郷高坂町（C），いわき市泉玉露（D）．
A
White microbial
mats
0.00
C
K
Na
K
*
Mg
K
2.06
Al
K
3.13
Si
K
28.08
S
K
2.02
Cl
K
6.58
K
K
0.56
Ca
K
1.13
Mn
K
0.13
Fe
K
2.73
SEM-EDS
Zn
L
7.31
(wt%)
Zr
L
*
Ag
L
0.00
I
L
0.08
Cs
L
0.00
Ce
L
*
Nd
L
0.13
Hg
M
*
Th
M
2.05
U
M
0.17
Np
M
1.00
O
K
42.83
N.D.
I 131
Ge semiconductor
Cs 134400
analysisCs 137890(Bq/kg-dry)
K 40
140
Dry Sample
140
/
11
/
14
2011
―
Radiodosage (cpm)
85-1302013/10/14
2014/1/11-12
160
Methods

Element

B
Reddish brown
microbial mats
0.00
*
0.62
0.00
2.25
0.77
2.83
0.72
2.89
0.23
57.43
6.02
*
0.00
0.02
0.17
0.06
0.03
*
1.66
0.13
0.38
23.77
―
―
―
―
80
―
―
115

C
D
Reddish brown
White sulfur turf
microbial mats
13.34
10.92
1.57
0.15
0.10
ND
2.55
0.09
11.13
2.20
1.56
16.80
0.20
0.10
0.30
0.49
1.03
4.23
0.20
ND
12.15
0.31
0.00
ND
25.22
*
ND
0.85
ND
ND
ND
0.00
0.00
*
ND
*
0.00
1.89
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
30.02
18.27
―
―
―
―
―
―
―
―
80
80
430
Drainage 330
―
―
60-90
80-110Mass concentration, *: Element that is not set, 0.00: Analysis value shows zero, ND: not detected, ―: Not
analyzedとが珍しくない（小島ほか編，1995）．東ヶ丘公園の形態および元素分析結果から鉄細菌 Leptothrix

ochracea により形成された鞘が集合したものである． および内郷高坂町の現地水質測定結果は酸化還元境
Leptothrix ochracea は偏性の微好気性細菌であり， 界に近く，類似しており，好気的から微好気的とい鉄分を含む水中に好んで増殖する．発育最適 pH は， え，pH6.9 〜 7.8 の中性域の環境であり，Leptothrix

6.5 〜 7.5 と中性域である．細胞は，2 〜 4 μ m の円

ochracea の棲息環境の範囲にほぼ合致する．

筒形で，長管状の鞘中に縦に一列に並んで糸状体を泉玉露の白色バイオマットの SEM 観察では，40-形成する．糸状体は直線状でほとんど分岐せず，幅50 μ m の立方体状のケイソウと粒状の物質が認めら

約 2 μ m, 長さは 200 μ m 前後に達することがある． れる（Fig.3D）．形態的特徴および元素分析結果から，糸状体の幅はどの部分をとっても，ほぼ一定である． 白色バイオマットは還元性細菌が温泉成分のイオウ
2分（SO4 や HS など）を取り込んで生育するイオ

細胞が抜け出して空になった鞘のみが検出されるこ49

河北潟総合研究 18‚ 2015

Fig. 3. Scanning electron micrographs of microbial mats in Karasuzaki (A), microbial mats in Azumagaoka
Park, Haramachi (B), microbial mats in Uchigo-Takasakamachi (C) and sulfur turf in Izumi-Tamatsuyu (D).
図 3．走査型電子顕微鏡によるバイオマット観察結果，南相馬市烏崎（A），南相馬市原町区東ヶ丘公園（B），
いわき市内郷高坂町（C），いわき市泉玉露（D）．

SEM 観察による形態や元素分析結果から，鉄細菌

ウシバである．

により水酸化鉄（ferrihydrite）が形成されたと考え
バイオマットの分析電子顕微鏡による化学分析結果られる（Table 1B 下欄）．

烏崎の白色バイオマットにおける SEM-EDS によ

烏崎の白色バイオマットおよび東ヶ丘公園における元素分析では，Si が最も多く，Mg，Al，Cl，Ca，S， る元素分析では Th や U が検出されたものの，これZn も検出された．（Table 2A，Fig.4A）．SEM 観察

らの放射性核種については今後，別の方法によってによる形態や元素分析結果から，Si はケイソウに由の検証を進める．なお，微生物による放射性核種の来するほか，海水 ( 津波 ) 由来の硫酸カルシウムや濃集についてはアメリカやカナダで多くの研究報告

塩化ナトリウムが微生物により石こうおよびハライがあり，U を濃集した微生物細胞の電子顕微鏡写真

トを形成している（Table 1A 下欄）．

が示されている．また，実験により微生物は水溶液
中の U，Th を濃集する（坂口，1996）．

東ヶ丘公園の赤褐色バイオマットにおける SEM-EDS による元素分析では，Fe が最も多く，Si，Cl，

内郷高坂町の赤褐色バイオマットにおける SEM-

Ca，Zn も検出されている．（Table 2B，Fig.4B）． EDS に よ る 元 素 分 析 結 果 か ら は，C，Si，Fe が50

Kahokugata Lake Science 18, 2015

考えられる．独立栄養生物は，太陽の光や酸化還元作用などのエネルギーを得て生息している．酸素をエネルギーとして利用する呼吸細菌の代表的なもの
が S，Mn，Fe を酸化・還元して生きられる微生物である（Tazaki and Hattori, 2009）．ほとんどすべての生命体は体の中にイオウを蓄えており，かつ，硫化鉱物は太古の海底熱水環境に一般的に存在し，触媒としての機能を持っていた．現在も独立栄養化学
合成生物はさまざまな場所に生息し，赤，白，緑，
黒，黄色などのバイオマットを作っている（田崎，2010）．
近年，世界各地における原発事故と水爆実験の影響を反映し，放射線抵抗性細菌についての研究報告が多くなった（Alve and Murray, 1999；Lioyd

and Macaskie, 2000；Yong and Mulligan, 2004；
Mulligan et al., 2007；Krejci et al., 2011；久保ほFig. 4. Energy dispersive X-ray spectra of microbial か，2011；Vysotskii and Kormilov, 2011；Tazaki,
mats in Karasuzaki (A), microbial mats in 2013；田崎，2012；田崎ほか，2013a，2013b；田Azumagaoka Park, Haramachi (B).
崎ほか，2014a，2014b）．実例として，Abdelouas
図 4．バイオマットの蛍光 X 線スペクトル，南相馬
市烏崎（A），南相馬市原町区東ヶ丘公園（B）． （2006）は高濃度の重金属や放射性核種によるウラン鉱床のズリの環境汚染について報告している．汚
226
222
230
染された地下水やズリから U， Ra， Rn， Th，As が放たれ，周囲の土壌，河川水，地下水に影響多く検出された（Table 2C）．SEM 観察による形を及ぼす．その中で，土着のバクテリアは成長し，態 や 元 素 分 析 結 果 か ら， 鉄 細 菌 に よ り 水 酸 化 鉄細胞の周囲に鉱物粒子を付着している電子顕微鏡写（ferrihydrite）が形成されたと考えられる（Table 1C

真が示されている．さらに，ロシアのバイカル湖の下欄）．なお，Zr は試料の蒸着によるものである．

バイオマットには Ca と U が濃集している（Tazaki

泉玉露の白色バイオマットにおける SEM-EDS

et al., 2001）．このように微生物は高放射線量の環による元素分析結果からは，S が最も多く，C，Si， 境下でも繁殖が可能で，放射性元素を濃集する働き

Ca も検出された（Table 2D）．S や Ca は，バイオマッ

がある．

トにより温泉成分からイオウや石こうを形成してい2011 年 3 月 11 日の東京電力福島第一原子力発る（Table 1D 下欄）．なお，SEM で観察されたケイ電所の事故により，多量の放射能核種が放出し，大ソウが存在するため，その主成分である Si も検出

気中のみならず海洋にも流出し，3 年たった現在でされた．

も放射能汚染は深刻な状態である．本研究によりゲ
ルマニウム半導体検出器，ガイガー・ミュラーカウ

考察

ンター（GM 計数管，単位 cpm）を併用することで，烏崎の白色バイオマットでは長半減期の放射放射能と微生物

性核種の存在を知ることができた．微生物は細胞

微生物の代謝活動により生み出された生体鉱物は内に取り込んだ元素を濃縮し鉱物化する作用があ鉱床を作ると同時に，微生物はより高度なものへとる．特に，比表面積が大きく，孔が多い構造をもつ

進化し，生命の維持に必要な構造として生体鉱物化

珪藻や有孔虫に放射性核種が沈着・固定されてい作用（バイオミネラリゼーション）を行っているとる（Tazaki, 2013；田崎ほか，2013a，2013b；田崎51

河北潟総合研究 18‚ 2015

放射能と温泉

ほか，2014a；2014b）．今回の結果は，バイオマッ
トが放射性物質を取り込んでいることを示唆してい秋田県玉川温泉，鳥取県三朝温泉，山梨県増富鉱

る．バイオマットの鉱物化作用により形成された石泉，台湾の北投温泉は放射性物質を産出することで

こう，ハライト，水酸化鉄はいずれも放射性核種と知られている．また，放射能を持つ北投石が微生物

化合物を作りにくいので，放射性核種は微生物・有により作り出されている．これらの微生物は実験室

機物と微量の粘土鉱物に吸着していると考えられる． で培養しなくとも，現地で採取した試料はそのまま
さらに，放射性核種は南相馬市内のバイオマットで電子顕微鏡で観察・分析ができる．かつ，微生物が確認され，いわき市内のバイオマットでは確認され内因や外因により変化する様子を短時間で観察できていない．これは，放射性核種を烏崎の白色バイオるメリットがある．水素イオン濃度が pH 1.2，温マット，東ヶ丘公園の赤褐色バイオマットが取り込

度が 99.5 ℃の強酸性・高温の玉川温泉には赤褐色

み，固定化したものと考えられる．放射性核種の存

バイオマットが広く分布し，その線量は 5000 −在については，今後，SEM-EDX だけではなく別の5700cpm，そして，バライト（BaSO4）が生成して方法によっての検証を進める．

いる（Tazaki and Watanabe, 2004；Tazaki, 2009）．

ウラン鉱床やズリ捨て場において，鉄細菌によりさらに，三朝温泉の黒色バイオマットは温泉水

放射性核種を効率的に回収できる実例が多く報告さが 0.17 μ Sv/h に対して，バイオマットは 11.9 μ Sv/

れている（Waite et al., 1994；Lioyd and Macaskie,h と高く，238U（6.4Bq/kg），226Ra（6.9×104Bq/kg），

2000；Yong and Mulligan, 2004；Mulligan et al.,228

Ra（8.3 × 104 Bq/kg），228Th（8.8×103Bq/kg）を2007；Krejci et al., 2011；Cygan and Tazaki, 2014）． 含んでいる．このバイオマットは低結晶性の水酸化鉄鉱物（ferrihydrite）とマンガンを高濃度に濃縮しさらに，汚染環境における微生物の応用と利用により環境回復した例も報告されており，現地の粘土やている（藤澤・ 田崎，2007）．中性の三朝温泉（pH

土着の土壌微生物の挙動を考慮したバイオレメディ

7.2）のバイオマットの化学組成は Fe が 66.0wt%，

エーションも有望の方法の一つとなっている（田崎， Mn が 15.3wt%，Si が 6.9wt%，Ca が 5.0wt%，As

2010；田崎ほか，2013a，2013b）．

が 4.9wt%，S が 0.5wt%，Sr が 0.2wt% 含まれ，そ

人体にとって有害な重金属汚染地帯や放射線障害の中にはシアノバクテリア，球菌，桿菌が多く生息を与える汚染地域において，微生物によるバイオミ

226している．また， Ra は微生物の狭膜や粘質層なネラリゼーションは持続可能な環境修復法として期

どの細胞外物質をはじめとして，そこに付着してい待される．

る微細な水酸化鉄鉱物粒子に吸着している．

さらに，2013 年 10 月 14 日に烏崎で採取した試以上の実例のように，バイオマット中の非常にRa 値と微生物による濃縮作用は放射性物料で実施したゲルマニウム半導体検出器による放射高い性核種分析は，2012 年 9 月 15 日に採取された試

質の汚染地域における環境修復法を考える糸口

226

料でも実施されており（田崎ほか，2014，2014b）， となる．水酸化鉄鉱物（ferrihydrite）は広い表面
134137
両者の結果を比較すると， Cs， Cs はともに線積（25 × 105 m /kg）を持つため , 有害元素 , 重金

量が約 1/5 に減少している． Cs の物理的半減期は属，放射性核種を鉱物表面に吸着する働きを持つ

2

134

2.06 年で，137Cs のそれは 30.3 年であり，測定結果 （Schwertmann and Fitzpatrick, 1992）．ferrihydrite
による減少量と物理的半減期とは合致しない．このはその鉱物表面に，中性水溶液中の 6 価ウランを吸物理的半減期と 1/5 への減少の違いは微生物の働き着する（Waite et al., 1994）．

による吸着，吸収，固定，鉱物化よる作用によるも地震後に温泉水が噴出したいわき市内郷高坂町おのと示唆され，放射性物質を微生物体内に吸収，固よび泉玉露の温泉水は，温泉水を伴う常磐炭田の範定し，鉱物化作用により遮蔽することで拡散を防ぐ

囲に当たり，地下深部では，類似した酸化還元環境『ミクロ石棺』として役立つ可能性がある．

にあったことが推察される．しかし，地表に噴出する温泉水は，内郷高坂町が泉玉露に比べ酸化的な水質であるのに対し，泉玉露では，著しく還元的であっ52

Kahokugata Lake Science 18, 2015

た．これは内郷高坂町の温泉水がズリ山を崩した埋

木祐恵氏，高橋直人博士には野外調査や討論などで

土内を通過し，酸素に接触することで酸化されたもご協力いただいた．また，匿名の査読者の方々にはのと推察される．一方，泉玉露では炭鉱の坑道内に適切なご意見を頂き，原稿を改善できた．ここに感湧出した温泉水が地上まで通じる立坑から噴出した

謝申し上げる．

ため，還元的な状態にあった．内郷高坂町の温泉水

文は，泉玉露に比べて酸化的環境にあるため，還元性

献

細菌が繁殖せず，微好気性の鉄酸化細菌により温泉
水に溶け込んでいた鉄分を濃集したものと推察され

A b d e l o u a s , A . 2006 . U r a n i u m m i l l t a i l i n g s :る．

Geochemistry, minerarogy, and Environmental

泉玉露の温泉水は 2011 年 4 月 11 日の余震によりImpact. ELEMENTS. 2 : 335-341.
Alve，E. and Murray，J. W., 1999. Marginal marine

常磐湯本温泉のパイプラインが破壊されたために噴出した．泉玉露の温泉水の水質は Na -Cl 型である

environments of the Skagerrak and Kattegat：

が，常磐湯本温泉は含イオウ - ナトリウム - 塩化物・A baseline study of living（stained）benthic

硫酸塩温泉とされ，やや異なる水質を示した．こforaminiferal ecology ． Palaeogeography

れは，温泉水に形成された白色バイオマットが，還Palaeoclimatology Palaeoecology. 146 : 171–193．

+-

元性細菌の作用により温泉成分の SO4 や HS をイ

Burgess, S., Li, X. and Holland, J. 2013. High spatial

オウとして濃集したことを示している．さらに，白resolution energy dispersive X-ray spectrometry

およin the SEM and the detection of light elements

び SO4 から石こうが形成されており，温泉成分のincluding lithium．Microscopy and Analysis. 27

2-色バイオマットでは温泉成分に含まれる Ca

-

+
2

2-

SO4 が減少したもう一つの原因となっている．
2-: S8-S12.

このように，福島県内に形成されたバイオマット

Cygan, R. T., and Tazaki, K. 2014. Interactions

は，環境変化に適応した微生物が棲み分けをし，特of Kaolin Minerals in the Environment.

定の元素を濃集し固定化する作用がある．このよう

ELEMENTS. 10 : 195-200.

なバイオマットによる元素濃集作用は，汚染され藤澤亜希子・田崎和江 . 2007. 温泉水のバイオマッ

た水や水辺の環境回復への活用，放射性元素濃集作トにおける放射性元素の濃集 . 化石研究会誌 .

用は原発事故により長期間にわたって影響が懸念さ

40 : 52-62.

れる放射性物質の除染に活用することが期待できる． 堀場製作所 . 2010. エネルギー分散型Ｘ線分析装置 .
本研究で対象とした微生物による環境回復は大規模

EMAX Energy Dispersive X-ray Micro Analysis．

な機器やプラントを必要としないことから，持続可堀場製作所 . 京都 . 21p.
気象庁 . 2011. 災害時地震・津波速報

能で安価な方法としての利用が期待される．

平成 23 年

（2011 年）東北地方太平洋沖地震．気象庁 . 災

謝辞

害時自然現象報告書 2011 年第 1 号 . 224p．

Krejci, M. R. Wasseman, B. ， Finney, L. and金沢医科大学の竹原照明氏，石垣靖人博士，中川McNulty, I. 2011. Selectivity in biomineralization

秀昭博士には走査型電子顕微鏡観察およびエネル

of barium and strontium．J. Struct. Bio. 176 :ギー分散分析を行うにあたり，便宜を図っていただ

192.

いた．株式会社堀場製作所の宮坂真太郎氏には，エ

小島貞夫・須藤隆一・千原光男編 . 1995. 環境微生

ネルギー分散型・走査型電子顕微鏡装置による化学物図鑑．講談社サイエンティフィック . 東京 .

組成分析において，ご指導いただいた．福島県の常758p.

磐炭鉱温泉株式会社および庄建技術株式会社には現

国分牧衛・南條正巳・日塔明広・塚田祥文・根本圭介・

地調査において便宜を計っていただいた．権上かおPeter Slavich・ 島田和彦・近藤始彦・井上眞理 .

る氏，井本香如氏，石橋矩久氏，根本直樹博士，鈴2013. 東日本大震災からの農業再生と作物生産
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技術．日本作物学会紀事 . 82 : 86-95.
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