著者 岸上 佳史, 桜山 和美, 田崎 和江, 上島 雅人, 渡 辺 弘明
著者別表示 Kishigami Yoshifumi, Sakurayama Kazumi, Tazaki Kazue, Ueshima Masato, Watanabe Hiroaki
雑誌名 地球科学
巻 53
号 1
ページ 19‑28
発行年 1999‑01‑25
URL http://doi.org/10.24517/00061688
doi: 10.15080/agcjchikyukagaku.53.1_19
±也球 毒斗学53巻
,
19〜
28 〔1999年)Earth Science 〔Chikyu Kagaku) vol
.
53,
19−
28.
1999尾 小屋 鉱 山
にお け る Cu と Fe の 微生物 に よ る 固定 岸 上 佳史
*・ 桜山和美
田 崎和 江
*・
’ * ・上 島 雅 人
渡 辺 弘明
*Bacterial
fixation
ofCu
andFe
in
Ogoya
Mine
,Ishikawa
Prefecture .
Yoshifumi
Kishigami
*,Kazumi
Sakurayama
’,Kazue
Tazaki
’・
” ,Masato
Ueshima
“and
Hiroaki
Watanabe
’Abstract
Ogoya
Mine
in
lshikawa
Prefecture
,Japan
,is
one of thefissure − filling
vein type copperdeposits
in
theGreen
Tuff
region.
The
mine containspyrite ,
chalcopyrjte,galena
and sphalerite. Heavy
metalions
dissolveed
from
abandoned metal−
mine are commonin
waste waterpool
andstream
.
In
the metal mining area,Fe,
Cu ,
Zn
andCd
are releasingfrom
dumping
area to theKakehashi
River.
The
drainage
water containsFe
(26 . 85
mg/ 1
), Cu
(3 . 97
mg/ 1
), Zn
(23 . 94
mg/
Dand
Cd ( 0 、 09
mg/ D . ln
this mine,
various colored microbial mats (biomats
>aregrown
around theNo . 6p
{tdrainage
systemAbundant
brown
biomats
covered withgreen
biomats
have
fixed
heavy
metals on
the
drainage
channeldown
thepithead.
These
biomats
are observedby
both
optical and scanning electron microscopes( SEM
). Minerals
in
thebiomat
and their chemical compositions were analyzedby
X −
raydiffraction ( XRD )
,X −
ray 月uorescence( XRF )
and energydispersive
X −
rayanalyzer
( EDX
). The
reddishbiomats
fix
Cu
selectively 丘omdrainage
water,
whereasthe
dark
green biomats
fix
Fe .
Microorganisms
, such asbacteria
and algae,
capture most ofheavy
metals asFe −
andCu −
mineralsin /
on thecell」tis
clarified that copper and cuprite areformed
in
reddishbiomats
, and thatgoethite
and maghemite areformed
in
thebrown
biomats .
Key
veords :heavy
metal,
Fe ,
Cu
,fixation
,biomineralization
, microbial mats , optical microscope ,SEM − EDX ,
TEM ,
XRD
,Ogoya
Mine .
は じめ
に日本で は戦前
・
戦 後の 工業の発 展に ともない鉱 山の開発 も進ん だ
.
と こ ろ が,
近 年鉱石は鉱 物 資 源が豊富でコス トの安い外 国か ら の輸入 に依存す る よ うになっ た.
そのた め 日本の鉱山は 次々 と閉 山に追い込ま れ た.
し か し, 操業 中の採 掘 や 製錬の過 程な ど で排出され た廃 水 や 煙によ り汚染された周辺の環境はす ぐに元に戻る こ と は困難で あっ た.
そ れ ばか りか, 閉 山後に昔の坑口 を埋め戻し て も, 坑内に浸透 し て き た地 下 水は大 量の重 金 属 イオンを含 ん だ強酸性廃水と し て坑道の外へ 湧 出し, 周 辺 の土壌
・
水質 を汚 染 し続 けてい る (久保田 ほか1997
>.
この よう な鉱山廃水の処理が ほ と ん どの鉱 山の半永 久 的 な問題と なっ
てい る
.
重 金属には, クロ ム (
Cr
), マ ンガン (Mn
), 鉄 (Fe
), コ バ ル ト (Co
),
銅 (Cu
),
亜鉛 (Zn
)な どがある.
これら は微 量ではあるが, 生体に とっ て必須元素でもある.
しか し, 必須 微量元素と さ れ る重金属もまたそ の化学的形態や濃度に よっ ては著 しい毒性を示 す
.
鉱 山 廃 水中には高濃度の重 金属が溶存して おり
,
周 囲の土壌・
水質を汚染し,
生態系を変化さ せ る こ とが問題と なっ ている (大竹
1996
).
尾 小屋 鉱山も例外で はな く, 1972年に鉱 山は閉 山した もの
の周 辺の重金 属 汚染は閉 山 以 前から問題となっていた
.
本 鉱 山 は多い時で月産 20Dtの粗銅を生産し,
石川県で最も大きな鉱 山で あっ た.
そ の活動に と も ない, 周 辺に は重 金属を含ん だ鉱1998年3月25日受付
.
1998年11月9
日受理.
*金 沢 大学理学部地球 学科
,
〒920−
1192 金沢 市角間町,
Department of Earth Sciences
,
Kanazawa University,
Kakumu,
Kanazawa 92G.
U92,
Japan* *北 陸支 部
(
19
>2D 岸 上 佳 史
・
桜 山和 美・
田崎和江・
上島 雅 人・
渡 辺 弘 明山廃水 (坑 水 )によ る 土壌
・
水鷺鷺裂 が
広がっ てい た.
1969年に尾小 屋 鉱 山地区か ら流下す る梯 川の中
・
下 流で水 田 土 壌 中にカ ド ミ ウム汚染が見 出され, その後 その汚 染が本格的に問 題視され始め た.
石 川 県は,
旧atr
[1
の坑水や ズ リ捨て場に対する公 害 防 止工事 を計 画 し
,
水田の土壌汚染の機構解明と対策につ いて検 討を行っ た
,
そ し て1977
年に対 象 面 憤・
170ha に対 する農用 地 土壌汚染対 策工事が始 まり,1989
年に完了し た(梯川 流域 汚染機構解 明 調 査会 1974;石
lIr
県環 境 部梯川流 域 汚 染 防止 対 策 室1975
).
しか し, そ れ で根本的な問題が解 決した わ けで は なく,
現在で も坑口 から湧 出 してくる毎 分 約ltの坑 水はpH3, 5
の強 酸性水であ り,
Fe,
Cu,
Zn
な どの重 金 属イ ォンを大 量に含ん で い る.
そのた め現 在で も坑水の中和処理 が 続 け られてい る.
一
搬に,
強酸 性の鉱山廃水中に は, 好酸 性 細 菌 などの微 生 物 が 生息し て毒 性の高い重 金 属に対して1耐性を持っ てい るこ とが 知 られている (田崎 1994).
また,
微 生物によ る重金 属固定に 関 して はい くつ か の報告例が ある.
例え ばFerris
et a1.
(1987)は
,
微生物に よ るMn
(IV
)の酸 化によるマ ンガン鉱 床の生成につ い て報告し ている.
更に,
走 磁 性 細 菌は細 胞 内に 磁 鉄 鉱 を 形 成 し,
いわ ゆ るBCM
(biologically
controlledmineralization )の代表例と し て そ の形 成 過程や鉱 物 学 的 特 性
に つい て多くの研 究例が あ る (Bazylinski et al
.
1988;Malm
et al
,
1984).
そして, こ のような微 生 物を利 用し た環 境 浄 化 が 実 際に行 われてい る.
岩 手 県の「目松尾鉱 山で は, 好酸性化学 独立栄養の鉄酸化細菌が自ら粘性多糖を生 産して, 粘性 糸 状バイ オマ ッ トを形 成し てい る (若 尾 1995)
.
また 自然 界の環境浄 化の例と して, 島根県の旧宝 満 山 銅鉱 山では 昔のグ リッ トに赤 褐 色のバイ オマ ッ トが広 く形成して お り, 電子顕微鏡観察に よ り繊維状シア ノバ ク テ リアが水 酸 化 鉄の球 粒 を細 胞 壁に作 り,
ま た珪 藻 が細胞壁 な どに水酸 化 鉄 鉱 物 を形 成して いるのが認め られた (
Tazaki
et al. 1994
>.
こ の よ う に
,
微生物は そ の環境に順 応し,
自然 界の様々な 汚 染環境の浄化を行っ ている.
尾小屋鉱山に おい て もこのよ う な 微生物の働きが予想さ れ, その効 果 を探るために微 生 物 相を中 心に水 質 調 査,
バイオマッ トの電 子 顕 微 鏡観察を行っ た.
そ の 結果, 微生物の コ ロ ニー
の周囲に, 自然銅, 赤 銅 鉱, 針 鉄 鉱
,
マグヘ マ イ 】
・
な どの鉱 物 が 認 め られ,Cu
お よ びFe
が固定され ているこ とが明らかとなっ た
.
それ らの生成 物に つ いて報 告 する.
試 料
尾 小屋鉱山
本 鉱 山は石 川 県 小松 市の南東
,
梯川の支流,
郷 谷1
「「の上 流に位置す る
.
南西の方角には白山連 峰が存在し, 周 辺 は緩やかな 山間部によっ て構成されて い る (第 1図 ).
本 鉱 山周辺の地層 は主に,
第三紀 中 新 統のグリー
ンタフか ら な る.
鉱脈は主と して石英脈からなっ て お り, 火山活 動によっ て生 じた 断層 や 裂 け 目に熱水が入 りで き た
,
裂 罅 充 填型 浅 熱 水 性 鉱 床である.
脈幅37 ’
36
第1図
.
尾小 屋鉱山 (▲)の位 置 図.
は数セ ンチメ
ー
トル か ら1メー
トル に渡り,
平行もしくは雁 行 状に配 列して いる.
採 掘され てい た主要 鉱 石 鉱 物 とその粗鉱百 分 率 は,
主に黄鉄釦、 (5. Owt .
%), 黄銅鉱 (6 . 5wt ,
%),
方鉛 鉱 (0, 5wt ,
%),
閃亜鉛鉱 (1. 5wt ,
%) で あ る (紬
野1993
; 地 質 調査所1956
:北 陸土 木 地 質 図編 纂委 員 会1990
).
サンプ リング地点
尾小屋鉱 山では, 閉山後 は第 六立坑を除いて すべて の坑凵を 閉鎖したの で, 坑 道 内に浸 透し た地 下水や雨水は重 金属を含 ん
だ坑 水として坑 内 を充 墳してい る
.
そ の た め第六 立 坑か ら坑 水 を湧 出さ せ てい る.
現在でも毎分 約1t の坑 水が湧 出し てい る.
これ らの坑 水は雨水 などの表層水と は混じ ら ないように水路 を 設け てあり
,
途中で石灰水を混入 させ沈殿 池で溶 存 して い る重 金 属 イオンを沈 殿さ せ た後, 上澄み部分だ け を放 流 している (第2図)
.
本研究に 用い た試 料の採 取地 点は
,
坑水の湧出凵であ る第 六 立坑のPOINTl ,
坑水が流れ てい る谷川のPOINT
2で ある(第
2
図 ).P
⊂)INTI
で は比較的 流 れの 少 ない部 分か ら,POINT
2
で はバ イ オマ ッ トが最も繁殖し てい る場所か ら試 料尾小屋鉱山 に お け る重金 属の微 生 物によ る固定
21
’
昌
伽t
第2図
.
尾 小屋鉱 山の水系 図と サ ンプル採 取 地 点(POINT /およ び
2
).
を採取し た (第
3
図 ).
観察 ・分 析方法
本 研 究で行っ た観 察お よび分析に用いた装置は以 下の通 りで ある
.
・
plI計 (堀場製D −13
電極 6350)・
酸 化 還 元電 位 計 (堀 場製D13
電極6861−
10C)・
微 分 干渉お よび落射蛍光顕微鏡 (Nicon
製 optiphoto− 2
)・X
線粉末回折 分 析 装 置 (理 学 電機製RINTI20
型);XRD
・
蛍光X
線分析装置 (理学電機 製 system3270 型 );XRF・
走 査型 電子顕微鏡 (日本電子製JSM −5200LV
);SEM
・
エ ネル ギー
分 散 分析 装 置 (フ ィ リッ プス 社 製
EDAX .
PV9800STD
型 );EDX
・
透 過型 電 子 顕微鏡 (日本 電 子 製JSX −
3200);TEM上述の
POINT1
, 2の現場で採取したバ イ オマ ッ ト試料はそのま まスライ ドガラスに塗布し, 光学顕微鏡お よび蛍光 顕 微 鏡で観察し た
.
ま た,
細胞のDNA
を染色す るDAPI
(4
,6−
diamido−2−phenylindole
)を用い て 生息して い る微 生物の存 在 を 確 認 した.
更に細 胞のDNA
やRNA
を 染色するAO
(
Acridine
Orange
) を用い て微 生 物の形 態や大き さ を観察し た,
バ イ オマ ッ ト試料は乳鉢でペ
ー
ス ト状にし, そ れ をス ラ イド ガ ラスに厚 く塗布し, 乾燥さ せ た後, 管電圧
40kV ,
管電 流第3図
.
第六立 坑か ら 沈殿 池に続く谷1「「.
本研究で 用いたバイ オマ ッ ト と坑 水の サ ンプル採集地 点 (POINT 2)を矢EI亅で 示 す.
30mA
でX
線粉末回折分析 (XRD
)を行っ た.
POINT2 で堆積し てい る茶色のバ イ オマ ッ ト と そ こに流れ る坑 水にっい て蛍 光X 線分析 (
XRF
) を行っ た.
茶色のバ イ オマ ッ トは自然 乾 燥 後に,
坑 水 は蒸 発乾 固 させた後にそれぞれ を乳鉢で粉末に し,
管竃 圧 50kV,
管電流20mA
で分 析 を行っ た
.
走 査 型 電 子 顕 微 鏡 (
SEM
) 試料は まずアル ミ の試料台に カー
ボンテー
プをは り,
その上に バ イオマ ッ トを少 量の せ て自然 乾燥あるいは凍結乾燥 (鈴木ほ か1995
)を行い,
炭 素蒸着を 施し,SEM
で観察し た.
これ に よ りバ イ オマ ッ トの微 細 形 態 や構 成生 物相な どを観察した.
同 時にSEM
に取 り付けられ たエ ネルギ
ー
分 散 分 析 装 置 を 用いて加速 電 圧15kV
で定 性 分 析 を行っ た.
SEM
で は観察不可能なバ ク テ リ ア の細胞 内部や表面の状態 を透 過 型 電 子 顕 微 鏡 (TEM
> を用いて加 速 電 圧200
kV
およ び 160kV で観察した.
また
,POINT
2
に おいて 河床を覆っ てい る緑 色の バ イ オマッ ト の付 着速度 (過程)を 調べ る た め に, ス ラ イ ドの枠に
OIIP
シー
トを挟 んだ ものを現 地に取 り付 け,
その付 着状 況 を 観察し た.
設置場所は,
深緑色のバ イオマ ッ トが発 生して いる 流速の緩や か な ところ を選 び, 絶えず水面か らOIIP
シー
ト部分 が出ることのないよ うにして, 河 床 面に水 平に設 置 した
.
な お,
上 流から土砂の流 入 を防 ぐた めに,
ス ライド枠を載せ てある プレ
ー
トの周辺には発泡スチロー
ルで 壁 を作り, 直 接 的に土 砂を被るこ と のない ようにした
.
実験は ’97
年 11月10
口〜’ 97
年
12
月10
目 まで の 1ヶ月 間行った.
また坑水中の元素の定量分析は二種類の方法で行っ た
.ICP
発光 分 光 分析装置 (ICP . AES
;SPS
7SeO
)による分 析はセ イコ
ー
電 子工 業 に, エ ネル ギ
ー
分 散型 蛍光X
線 分 析(
EDXRF
;JSX −3200
)による分 析は日本 電子 に依 頼 した.
(
21
)22
岸 ヒ佳 史・
桜 山 和美・
田崎 和江・−h
島 雅人・
渡 辺 弘 明結 果
1997
年7
月工9
日 に行っ た現 地で の水 質の調 査結果を第1
表に示す
.
また,POINT
1の坑 水のICP
AES
, EDXRF 分 析 結 果 を第2表,
第3
表に,POINT2
の坑 水のXRF
分 析 結 果 を第 4 表に示す,
POINT
1
にお け るバイ オマ ッ トの付着状況
POINT
1
の坑口 の構造上比較的流れ の少ない ところ に,
局 所的かっ 特異的にピンク色のパイ オマ ッ トが認め ら れ た.
ピンク色バイ オマ ッ トは葉の葉 脈の部 分や木の折れ [ な ど に比較的 多く認 め られ る
.
ま た,
深 緑色の バイ オマ ッ トが全体 的に存 在 して いる.
これ は,
浮遊物が多く集まっ ている場 所の葉の裏,
木の表 面
,
坑[[の壁の壁 面な ど に普遍 的に見 られる.
X
線粉 末 回折分析 (XRD
)結果 (POINT
])ピン ク色バ イ オマ ッ トを
XRD
分析すると,
強い 自然 銅(
2. 09A ,1. 81A
)と石 英 (3. 34A ,
4.
26A ),
弱 い 赤 銅 鉱(
2. 46A
,2. 12A
)の ピー
クが 認められ た (第4
図 ).
ま た深 緑色バ イオマ ッ トを分析し た と こ ろ, 石膏の ピー
ク (7, 61A
) や 弱い石 英 (3. 34A
>の ピー
クが 認めら れ た.
な お2. 5A
付第
1
表,
尾小屋鉱 山 (POINT
1および2)に おけ る水 質 調査 結果 (WT ;水 温,
測定;1997.
7.
19).
PQINTpHEh (mV )EC (μ S/cm )DO (mg /
DWT
(℃) 13.
5370 O.
86 1.
4 15 23.
9370 1.
04 7.
6 18第2表
.
尾 小 屋 鉱 山 (POINT 1)に おけ る坑水の ICP−
AESによ る重 金 属の分析結果
.
Fe Pb Cu Zn Cd
36 0 . 4 10 50 tr.
mg /
1
第3表
.
尾小屋鉱 山 (POINT l)におけ る坑 水のEDXRF による化 学 分析結果 (tr
.
;微星,
N.
D,
;検 出せず ),
NaM AlSiSClKGa
<
114tr , tr. 518N . D . 227 MnFeNiCuZnBrPb
412N . D . 635N . D . N . D ,
鯉
蕘 豆
,乙: 瀧
1 尉
30D
l : :
CuK
α
2θr
] 第4図.
P〔)INT 1か ら採 取 したピンク色バ イオマ ッ トのX線粉末回折パタ
ー
ン.
近には
,
マ グヘ マ イ ト,
針 鉄 鉱,
レ ピ ドクロー
サイトといった鉄 鉱物に対 応 する弱い ピ
ー
クが 認められた.
光学顕微鏡観察結 果 (pOINT
1
)光学 顕 微 鏡 観察によ る と ピンク色お よび深緑色バイ オマ ッ ト 中に は, 緑藻, 藍 藻
,
珪藻な どの藻 類や, バク テリア がコ ロ ニー
を形成 してい る の が認め られ る.
特に, ピンク色の バイ オマ ッi・
中に は藻 類の数 は少 な く,
バ ク テリアのコ ロ ニー
が顕 著に見 られ た
.
ま た,
バ クテ リア のコ ロニー
中に黒 色の不 透 明物質が多く存在し ているのが認め ら れ る (第
5
図A
矢 印).
顕微鏡の透 過光 源の光を さ ら に強くし て観察すると, 繊維状に広がっ
た藻類の コ ロニ
…
中にも銅赤 色の物 質 (1
〔〕μm 程度)が存在してい る (第
5
図B
矢 印).一
方,
深緑色の部分に は褐 色の物 質が存 在す る
.DAP
工染色に よ る紫外線 ド観 察で は, バ イ オマ ット中に見られ た藻 類は クロ ロフ ィ ル を持つ こと が認め ら れ た
.
走 査型電子顕微鏡 観 察 (SEM
)お よびエ ネルギー
分 散 分析(
EDX
)結 果 (POINT
1)ピンク色のバイ オマ ッ トの
SEM
観 察によ る と, 多く の針状 物質 (第6
図A
矢 印 ) と多面体結 晶 (第6
図A , C
)が認めら れ, EDX 分析に よ る と
,
強いCu
の ピー
ク を 示 す (第6図B
).
これ らはXRD
分析の自然銅と赤銅鉱に対 応 す ると考 えられ る
.
多面体結 品の表 面には多 くの空 隙が認め ら れ た.
こ のCu
を含む物 質の周 辺に は糸状 菌と桿 菌が多数存 在して い る(第
6
図C
).
こ の糸状菌の表 面をEDX により分 析 する と,S
を 主 成 分 と し
,Fe
,Cu
,Si
,P
,Cl
な どの元 素が存 在する(第
6
図D
>.
なお, 糸状 菌の他にも珪藻 や緑藻が確認さ れ た. ・
方, 深 緑 色バ イ オマ ッ トには
SEM
観察に よ り, 緑 藻,
藍 藻,
珪藻が多数 認め られ た.
第4表
. POINT2
で採取した坑 水と茶色のバ イ オマ ッ i・
のXRF 分 析 結 果
.
SCaFe ECu Zn 蒸 発 乾 固 さ せ た 抗 水
’30.
26424.
763 35.
8茶 色のバイ オ マ ッ ト 4
.
11.
O140.
814.
0、
3透過型電子 顕微鏡観 察 (
TEM
)結果 (POINT
1
)ピ ンク色のバ イ オマ ッ トを
TEM
に よ り観察す ると,
大きさ約 1
〜
1.
5μ 1/1の桿菌や長さ約3
μm の繊 維 状のバ ク テリ ア が 見 られ た (第7
図A
).
それらの表 面に は大き さ 10〜
150cps