硝酸塩がウランを地下水に取り込む可能性があることを研究が確認

Jul 13, 2023

2023 年 3 月 22 日 · 5 分で読めます

8 年前、データは健全ではありましたが示唆的なものにすぎず、証拠は強力ではありましたが状況的なものでした。

今回、ネブラスカ大学リンカーン校のキャリー・ウェバーらは、肥料や動物の排泄物に一般的に含まれる化合物である硝酸塩が、天然に存在するウランを地下から地下水へ輸送するのに役立つことを実験的に確認した。

この新しい研究は、高レベルの硝酸塩で汚染された帯水層（ネブラスカ州の下に存在するハイプレーンズ帯水層を含む）には、環境保護庁が設定した閾値をはるかに超えるウラン濃度が含まれていることを示した2015年のウェーバー主導の研究を裏付けるものとなった。 EPA 閾値を超えるウラン濃度は、特に飲料水を介して定期的に摂取した場合、人間に腎臓障害を引き起こすことが示されています。

「ほとんどのネブラスカ州人は飲料水として地下水を利用しています」と生物科学部および地球大気科学部のウェーバー准教授は語る。 「リンカーンでは地下水に依存しています。多くの農村地域では地下水に依存しています。

「したがって、（ウランの）濃度が高い場合、それが潜在的な懸念になります。」

溶解した無機炭素が地下堆積物から微量のウランを化学的に分離し、最終的には地下水への輸送の準備となることが研究ですでに確立されていた。 しかし、2015年の研究では、ハイプレーンズ帯水層の特定地域にEPA基準値の最大89倍のウラン濃度が含まれていることが判明し、ウェーバー氏は硝酸塩も寄与していると確信した。

そこで、ウェーバーは 12 人の同僚の協力を得て、仮説の検証を開始しました。 これを行うために、チームはネブラスカ州アルダ近くの帯水層サイトから、それぞれ幅約2インチ、深さ60フィートの2つの円筒形の堆積物コアを抽出した。 研究者らは、この場所には天然のウランの痕跡が含まれているだけでなく、地下水が東に隣接するプラット川に流れ込むことを可能にしていることを知っていた。

彼らの目的は？ 堆積物のサンプルでその流れを再現し、水に硝酸塩をいくらか添加すると、一緒に持ち去られるウランの量が増加するかどうかを判断します。

「私たちが確認したかったことの一つは、サンプルを収集したときにウランや堆積物、あるいは（微生物の）群集の状態を変えていないことだった」とウェーバー氏は語った。 「私たちは自然条件を守るためにできる限りのことをしました。」

「すべて」とは、抽出したコアに直ちに蓋をしてワックスシールし、気密なチューブに滑り込ませ、それらのチューブをアルゴンガスでフラッシュして酸素を追い出し、氷の上に置くことを意味しました。 研究室に戻ったウェーバー氏らは、最終的に 2 つのコアのそれぞれから 15 インチのセグメントを取り外すことになりました。 これらの部分は、比較的高レベルのウランを含む砂とシルトで構成されていました。

その後、チームは複数の柱をそのシルトで満たし、その後、地下を移動するのとほぼ同じ速度で模擬地下水を汲み上げました。 場合によっては、その水には余分なものが何も含まれていなかった。 他の研究では、研究者らは硝酸塩を添加した。 さらに別のケースでは、硝酸塩と、堆積物に生息する微生物の生化学的活動を停止するように設計された阻害剤の両方を添加した。

硝酸塩を含むが微生物抑制剤を含まない水では、ウランのおよそ 85% を除去することができました。これに対し、水に硝酸塩が含まれていない場合はわずか 55%、硝酸塩と抑制剤を含む水では 60% でした。 これらの結果は、硝酸塩と微生物の両方がウランのさらなる流動化に関与していることを示唆しました。

彼らはまた、微生物によって引き起こされる一連の生化学的現象が、固体だったウランを水に容易に溶解できる形に変化させているという仮説を支持した。 まず、堆積物に生息する細菌が硝酸塩に電子を与え、亜硝酸塩と呼ばれる化合物への変換を触媒します。 次に、その亜硝酸塩が隣のウランを酸化し、電子を奪い、最終的にはウランを固体の鉱物から水性の鉱物に変え、シルトから浸透する水滴を乗り越えられるようにします。

堆積物サンプルに存在する DNA 配列を分析した後、研究チームは硝酸塩を亜硝酸塩に代謝できる複数の微生物種を特定しました。 ウランを流動化する生化学は高度に汚染された地域、つまりウラン鉱山や核廃棄物処理現場で展開することが知られていたが、ウェーバー教授は、今回の研究は同じ流動化プロセスが自然の堆積物でも起こっていることを初めて立証したと述べた。

「私たちが最初にこのプロジェクトに資金提供を受け、これについて考えていたとき、それは二次汚染につながる一次汚染物質でした」と彼女は硝酸塩とウランについて語った。 「この研究は、確かにそれが起こり得ることを裏付けています。」

それでも、ウェーバーが言ったように、「硝酸塩は必ずしも悪いものではない」。 彼女の以前の研究と今後のいくつかの研究は、硝酸塩がウランを動員するのは、その化合物がそれ自体の EPA 閾値である 10 ppm に近づいた場合に限られることを示唆しています。

「以前に発表した内容を振り返ると、そのデータは転換点があることを示唆しています。重要なことは、持ちすぎないことです。」と彼女は言いました。

研究チームはその結果を『Environment Science & Technology』誌に報告した。 ウェーバー氏は、ネブラスカ州のジェフ・ウェストロップ氏、プージャ・ヤダブ氏、アリシア・チャン氏、アンソニー・コーツ氏、オリビア・ヒーリー氏、ダニエル・スノウ氏、PJ・ノーラン氏、ドナルド・パン氏とともにこの研究を執筆した。 米国地質調査所のケイト・キャンベル氏。 インド国立水文学研究所のラジェシュ・シン氏。 SLAC国立加速器研究所のシャロン・ボーン氏とジョン・バーガー氏とともに。