バイオクロッギング

バイオクロッギング（）は、土壌の間隙に微生物のバイオマス（微生物そのものと微生物が分泌する細胞外高分子物質のような物質）が目詰まりをする現象である。微生物のバイオマスは土壌間隙の水の通り道をブロックして、土壌中に一定の厚さの難透水層を形成し、水の浸透速度を著しく低下させる。生物的目詰まり（）とも言う。

バイオクロッギングは、水が浸透する様々な現場で観察される。たとえば、ため池、浸透トレンチ、灌漑水路、下水処理場、廃棄物処分場における遮水ライナーなどである。また、透過反応壁 (PRB) や微生物利用石油増進回収法 (MEOR) などにおいて、帯水層における地下水の流れにも影響する。適度な水の浸透速度を保つことが必要とされるような現場では、バイオクロッギングが問題となって、定期的に水を抜くなどの対策が取られることがある。一方で、難透水層を作って浸透速度を低下させるために、バイオクロッギングが利用されることもある。

現象の説明

透水性の時間変化 
バイオクロッギングは、浸透速度の低下として観察される。地下水を涵養する池や農地への散水において、浸透速度が時間とともに低下する現象が1940年代に観察された。そして、土壌を連続的に水が浸透するときに、飽和透水係数の3段階の変化が生じることが、次のように説明された。
 おそらくは土壌構造の物理的変化による10日から20日程度の透水性の低下。
 土壌間隙中の封入空気が浸透水中に溶解することによる透水性の上昇。
 団粒の分散と、微生物の細胞と微生物が生産する粘性多糖類のような物質による生物的目詰まりによる2週間から4週間の透水性の低下。

バイオクロッギングの現場では、必ずしもこの3段階が明瞭に観察されるわけではない。2段階目が明瞭ではないときには、透水性はずっと低下を続ける。

クロッギングの種類 
透水性の時間変化は様々な現場で観察される。現場の条件に応じて、透水係数変化の原因には様々なものがあり、次のようにまとめられる。

 物理的原因: 浮遊物質による物理的目詰まり、あるいは団粒構造の破壊のような土壌の物理的変化による透水係数の低下。土壌間隙中に封入されている空気が浸透水中へ溶解することは、透水係数が上昇する物理的な原因となる。
 化学的原因: 液相の電解質濃度あるいはナトリウム吸着比 (SAR) の変化による粘土粒子の分散 (dispersion) と膨潤 (swelling) によって、透水係数が低下する。
 生物的原因: バイオクロッギングは、通常は次の1番目を意味するが、広い意味では以下のすべてを含む。
 微生物の細胞（たとえば細菌、藻類、糸状菌）と、微生物が分泌する細胞外高分子物質のような物質が、土粒子表面にバイオフィルムあるいはマイクロコロニーを形成する。これが、透水係数低下の直接的な原因となる。
 メタン菌が生成するメタンのような気体が気泡となって土壌間隙を目詰まりさせることも、透水係数低下の原因となる。これも微生物による生成物なので、バイオクロッギングである。
 鉄バクテリアが水酸化鉄の沈殿を促進し、土壌間隙を目詰まりさせることがある。これは微生物による透水係数低下への間接的な影響である。

現場での観察

湛水浸透におけるバイオクロッギング

現場での問題と対策 
バイオクロッギングは、地下水涵養のためのため池や浸透トレンチ (percolation trench)のような湛水条件下での連続的な浸透で観察されている。浸透水が流入する土壌表層で微生物が増殖することによって進行するバイオクロッギングによる浸透速度の低下は、そのようなシステムの効率を低下させる。バイオクロッギングの影響を少なくするためには、あらかじめ浸透水の浮遊物質、栄養源、有機物を除去したり、定期的に水を抜いたり、目詰まりした層を取り除いたり、といったような対策が有効となる。そのような対策を施したとしても、土壌表層で微生物が増殖することで、バイオクロッギングが起きる可能性がある。

浄化槽の排水地 (septic drain field) でも、栄養が豊富な汚水が連続的に流れ込むため、バイオクロッギングが起きやすい。浄化槽を目詰まりさせる物質は、しばしばバイオマットと呼ばれる。水をろ過によって前処理するか、流入負荷量を低減することで、バイオクロッギングを遅らせることができる。緩速濾過でもバイオクロッギングが起きるため、上記の対策に加えて、定期的に砂層表面を削り取る作業をすること、あるいは砂の洗浄や水の逆流 (backwashing) によってバイオフィルムを除去して、砂の透水性を回復させることがある。

川のバイオクロッギングは、特に渇水が生じる乾燥地において地下水涵養に影響を与える。

バイオクロッギングの利点 
バイオクロッギングは良い効果をもたらすこともある。たとえば、畜産汚水処理の酸化池（安定化池）では、バイオクロッギングによって効果的に池の底からの漏水が防がれる。灌漑用水路の浸透制御のために、藻類や細菌を植え付けることもできる。

廃棄物の最終処分場の底を遮水するために使われる遮水ライナー (landfill liner) の一種である粘土ライナーでも、バイオクロッギングが有利に働く。粘土ライナーは、処分場において汚染水の土壌環境への浸出を低減するために敷かれるものである。粘土ライナーの透水係数は、浸出水中の微生物による粘土間隙のバイオクロッギングによって初期の値よりも小さくなる。現在、バイオクロッギングを地盤工学に応用するための研究がされている。

帯水層のバイオクロッギング

井戸からの採水 
バイオクロッギングは、井戸を使って帯水層から地下水を採取するときに観察されることがある。何ヶ月そして何年間と連続して井戸を使っていると、バイオクロッギングのようなクロッギングによって透水性が低下する。

バイオレメディエーション 
生物分解性が高い汚染された地下水を浄化するときに、バイオフィルムを利用するバイオレメディエーションが有効である。透過反応壁 (PRB)によって、地下水をバイオクロッギングで遮断して閉じ込めるとともに、微生物によって汚染を分解することができる。バイオクロッギングによって透過反応壁内に選択流が生じて浄化効率が低下する可能性があるため、汚染水の流れを注意深く解析する必要がある。

石油回収 
油田からの石油の回収量を増やすための様々な技術を石油増進回収法 (EOR) と言う。注入井戸から注入された水が、貯留層に溜まっている石油と置換して、回収井戸から石油が回収される。貯留層の透水性は均一ではないため、注入された水は貯留層内の透水性の高い場所を通過し、透水性の高い場所での石油が回収されつくしてしまった後に、石油が残っている透水性の低い場所を通過しなくなってしまう。このような状況では、透水性の高い場所に細菌を注入してバイオクロッギングを起こさせて水の流れ道を変える細菌プロファイル変更技術が適用可能である。これは微生物利用石油増進回収法 (MEOR) の一種である。

関連項目 
 バイオフィルム
 浄化槽
 緩速濾過

参考文献 

土壌
土壌物理学
微生物学