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報告書

超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2017年度)

福田 健二; 渡辺 勇輔; 村上 裕晃; 天野 由記; 林田 一貴*; 青才 大介*; 熊本 義治*; 岩月 輝希

JAEA-Data/Code 2018-021, 76 Pages, 2019/03

JAEA-Data-Code-2018-021.pdf:3.78MB

日本原子力研究開発機構は岐阜県瑞浪市で進めている超深地層研究所計画において、研究坑道の掘削・維持管理が周辺の地下水の地球化学特性に与える影響の把握を目的とした調査研究を行っている。本データ集は、超深地層研究所計画において、2017年度に実施した地下水の採水調査によって得られた地球化学データ及び微生物データを取りまとめたものである。データの追跡性を確保するため、試料採取場所、試料採取時間、採取方法および分析方法などを示し、あわせてデータの品質管理方法について示した。

論文

Hydrogen-based metabolism as an ancestral trait in lineages sibling to the Cyanobacteria

Carnevali, P. B. M.*; Schulz, F.*; Castelle, C. J.*; Kantor, R. S.*; Shih, P. M.*; Sharon, I.*; Santini, J.*; Olm, M. R.*; 天野 由記; Thomas, B. C.*; et al.

Nature Communications (Internet), 10, p.463_1 - 463_15, 2019/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:17.48(Multidisciplinary Sciences)

The metabolic platform in which microbial aerobic respiration evolved is tightly linked to the origins of Cyanobacteria (Oxyphotobacteria). Melainabacteria and Sericytochromatia, close phylogenetic neighbores to Oxyphotobacteria comprise both fermentative and aerobic representatives, or clades that are capablee of both. Here, we predict the metabolisms of Margulisbacteria from two distinct environments and Saganbacteria, and compare them to genomes of organisms from the related lineages. Melainabacteria BJ4A obtained from Mizunami site are potentially able to use O$$_{2}$$ and other terminal electron acceptors. The type C heme-copper oxygen reductase found in Melainabacteria BJ4A may be adapted to low O$$_{2}$$ levels, as expected for microaerophilic or anoxic environments such as the subsurface. Notably, Melainabacteria BJ4A seems to have a branched electron transport chain, with one branch leading to a cytochrome d ubiquinol oxidoreductase and the other one leading to the type C heme-copper oxygen reductase. Both these enzymes have high affinity for O$$_{2}$$, thus are adapted to low O$$_{2}$$ levels. These contemporary lineages have representatives with fermentative H$$_{2}$$-based metabolism, lineages capable of aerobic or anaerobic respiration, and lineages with both. Our findings support the idea that the ancestor of these lineages was an anaerobe in which fermentation and H$$_{2}$$ metabolism were central metabolic features.

論文

Characterization and thermodynamic study of humic acid in deep groundwater at Horonobe, Hokkaido, Japan

紀室 辰伍*; 桐島 陽*; 長尾 誠也*; 斎藤 拓巳*; 天野 由記; 宮川 和也; 秋山 大輔*; 佐藤 修彰*

Journal of Nuclear Science and Technology, 55(5), p.503 - 515, 2018/05

 被引用回数:2 パーセンタイル:16.17(Nuclear Science & Technology)

高レベル放射性廃棄物から溶出した放射性核種が地下水中の天然有機物の一種である腐植物質と錯生成することで、放射性核種の移行が促進される可能性が指摘されており、腐植物質と金属イオンの錯生成を定量的に記述する試みがなされてきた。腐植物質は、組成不均質性を持つ高分子電解質であり、その性質は起源や履歴によって大きく異なる。本研究では、北海道幌延町の深度350m地下水中に溶存している腐植物質を抽出し、幌延腐植物質のプロトン化反応における反応機構を調べ、また、腐植物質の分子量および流体力学径を取得し、単純有機物やIHSSの標準腐植物質のそれらの結果と比較した。その結果、幌延の腐植物質は、表層の腐植物質に見られるような複雑な組成不均質性を持たない、より単純な構造を持ち、その反応メカニズムもより単純であることが分かった。本成果は、腐植物質の特性がその起源により大きく異なることを明らかにしたものであり、核種移行を考えるうえで、この点を考慮すべきであることを示唆している。

論文

坑道閉鎖試験に基づく坑道掘削・閉鎖時の化学環境変化プロセスの考察

林田 一貴; 加藤 利弘*; 久保田 満*; 村上 裕晃; 天野 由記; 岩月 輝希

地球化学, 52(1), p.55 - 71, 2018/03

坑道の建設・操業により乱された地質環境の坑道閉鎖後の定常化過程の確認を目的として、岐阜県瑞浪市の瑞浪超深地層研究所において深度500mの花崗岩中に模擬実験坑道を建設・閉鎖し、地下水の溶存成分や酸化還元電位、pHの経時変化の観測を行った。その結果、坑道建設時には坑道周囲の割れ目を介した地下水流動状態の変化に伴い坑道周囲の地下水水質が変化した。また坑道から坑道周囲の岩盤中への酸素の侵入により、酸化還元電位が上昇することが確認された。坑道閉鎖後は、微生物の還元作用により坑道内の地下水の酸化還元電位が低下するとともに、坑道周囲では岩盤中から還元的な地下水がもたらされることによって酸化還元電位が回復した。一方で、吹付コンクリートなどセメント材料の影響で坑道内の地下水がアルカリ化することが確認された。このアルカリ化に消費されたセメント材料はわずかであることから、その影響はセメント使用量に応じて長期的に続くと考えられた。

論文

Ecological and genomic profiling of anaerobic methane-oxidizing archaea in a deep granitic environment

伊能 康平*; Hernsdorf, A. W.*; 今野 勇太*; 幸塚 麻里子*; 柳川 克則*; 加藤 信吾*; 砂村 道成*; 広田 秋成*; 東郷 陽子*; 伊藤 一誠*; et al.

ISME Journal, 12(1), p.31 - 47, 2018/01

岐阜県瑞浪市の超深地層研究所において、深度300メートルの地下水を地下坑道から採取し、地下微生物の生態系を調査した。その結果、花崗岩深部でマグマ由来のメタンに依存した微生物生態系が存在することを明らかにした。

論文

The Succession of bacterial community structure in groundwater from a 250-m gallery in the Horonobe Underground Research Laboratory

伊勢 孝太郎; 佐々木 祥人; 天野 由記; 岩月 輝希; 南條 功*; 浅野 貴博*; 吉川 英樹

Geomicrobiology Journal, 34(6), p.489 - 499, 2017/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:64.06(Environmental Sciences)

幌延深地層研究センターの250m水平坑道に掘られた09-V250-M02 and 09-V250-M03ボアホール中における微生物群集変化について調査を行った。09-V250-M02において、掘削直後に採取したサンプルについてクローンライブラリー解析を行ったところ、$$varepsilon$$-Proteobacteriaが最も優占していた。$$varepsilon$$-Proteobacteriaは硫化物を硫黄に酸化して増殖する独立栄養細菌であることが知られている。4年経過後の微生物群集は大きく変化し、OP9やChloroflexiなどの深海底において検出されることが多い種が優占していた。これらのことから、掘削直後には空気による酸化の影響が大きく見られたが、時間経過とともに微生物群集は深海底などで検出される微生物群集と似た構造と変化することが示された。

論文

Characteristics of naturally grown biofilms in deep groundwaters and their heavy metal sorption property in a deep subsurface environment

天野 由記; 岩月 輝希; 長沼 毅*

Geomicrobiology Journal, 34(9), p.769 - 783, 2017/03

 被引用回数:1 パーセンタイル:81.48(Environmental Sciences)

バイオフィルムが重金属元素の移行に及ぼす影響を明らかにするために、東濃地域において掘削されたボーリング孔の嫌気的環境下で形成された、2試料のバイオフィルムを採取した。堆積岩および花崗岩地下水中で形成されたバイオフィルムについて、地球化学的および微生物学的特性調査を行い、それらの重金属収着能力について評価した。バイオフィルム中の微生物群集組成について、クローン解析手法を用いた16S rRNA遺伝子解析の結果から、地下水中の微生物群集とバイオフィルム中の群集組成は全く異なることが示された。さらに、堆積岩と花崗岩環境下で形成されたバイオフィルムも、それぞれ全く異なる群集組成を有し、多様性に欠けていることが明らかになった。バイオフィルム中にはFe, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Pb, Th, and Uのような重金属元素が高濃度に濃集されており、その収着特性は元素によって異なることが示された。これらの結果は、バイオフィルムの重金属収着能力に関する重要な知見である。

論文

Potential for microbial H$$_{2}$$ and metal transformations associated with novel bacteria and archaea in deep terrestrial subsurface sediments

Hernsdorf, A. W.*; 天野 由記; 宮川 和也; 伊勢 孝太郎; 鈴木 庸平*; Anantharaman, K.*; Probst, A. J.*; Burstein, D.*; Thomas, B. C.*; Banfield, J. F.*

ISME Journal, 11, p.1915 - 1929, 2017/03

AA2016-0002.pdf:2.21MB

 被引用回数:20 パーセンタイル:2.68(Ecology)

地層処分システムにおける微生物影響の可能性を評価するために、北海道の幌延深地層研究センター地下施設を利用して、堆積岩地下の生態系における微生物群集構造と代謝機能について調査を行った。全体として、微生物生態系は多様な系統群からなる微生物種で構成されており、その多くはこれまで培養されていない生物門に属していることが示された。大部分の微生物種は、酸化型[NiFe]ヒドロゲナーゼあるいはフェレドキシンをベースとする代謝経路を可能にする電子分岐型[FeFe]ヒドロゲナーゼを介して水素代謝をおこなうことが明らかになった。水素代謝と関連して、多くの微生物が炭素,窒素,鉄および硫黄を代謝することが推定された。特に、ANME-2dというメタン酸化を行う古細菌として知られている未培養微生物が、鉄関連の代謝反応を行う可能性が示唆された。得られた結果から、幌延堆積岩環境における微生物群集の生態学的概念モデルを推定した。

論文

Determination of dissolved natural thorium and uranium in Horonobe and Mizunami Underground Research Laboratory groundwater and its thermodynamic analysis

佐々木 隆之*; 鴻上 貴之*; 小林 大志*; 桐島 陽*; 村上 裕晃; 天野 由記; 水野 崇; 岩月 輝希; 笹本 広; 宮川 和也

Journal of Nuclear Science and Technology, 54(3), p.373 - 381, 2017/03

本研究では、幌延深地層研究センター及び瑞浪超深地層研究所の両地下施設を利用し、原位置の地下水中におけるウラン及びトリウムの存在状態について、ろ過径の異なるフィルターを用いて調査した。また、ろ過後の地下水の分析結果をもとに、熱力学的な解析を行い、溶解度制限固相について考察した。その結果、幌延の地下水では、ウラン及びトリウムともに溶存状態で存在する成分に加え、コロイドとしても存在していることがわかった。また、溶存状態で存在するウラン及びトリウムの濃度は、UO$$_{2}$$(cr)及びThO$$_{2}$$(cr)の溶解度でそれぞれ近似される可能性が示唆された。一方、瑞浪の地下水中のウラン・トリウムについては、幌延と比べるとコロイドとして存在する可能性は低く、地下水のウラン・トリウム濃度については、明確な制限固相を特定することが困難であった。これについては、さらなる研究が必要である。

論文

Interaction of rare earth elements and components of the Horonobe deep groundwater

桐島 陽*; 久野 温*; 雨宮 浩樹; 窪田 卓見*; 紀室 辰伍*; 天野 由記; 宮川 和也; 岩月 輝希; 水野 崇; 佐々木 隆之*; et al.

Chemosphere, 168, p.798 - 806, 2017/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:83.76(Environmental Sciences)

高レベル放射性廃棄物地層処分における性能評価上重要な核種である3価マイナーアクチニド(MA(III))は、天然の地下水中に存在する懸濁粒子や溶存イオン、コロイドなどと吸着反応や錯形成反応などの相互作用を起こし、見かけ上の溶解度が増加する可能性が知られている。このため、これらの放射性核種と地下水中に含まれる物質との相互作用を理解しておくことは、地層中でのこれらの放射性核種の移行評価を行う上で重要である。本研究では、堆積岩地域である幌延地域の深部地下水を用いて、MA(III)のナチュラルアナログである希土類元素(REEs)を添加し、フィルターでろ過することにより、REEsの天然地下水中における挙動を調べた。その結果、イオン半径の小さいREEsほど地下水中に多く溶存している傾向が明らかになった。また、比較的大部分のREEsはリン酸塩として存在している可能性が強く示唆された。この結果は、高レベル放射性廃棄物の廃棄体から遠い将来に放出されると予想されているMA(III)の移行挙動を予測する上で、リン酸陰イオンが重要な役割を果たすことを示唆している。

論文

Age and speciation of iodine in groundwater and mudstones of the Horonobe area, Hokkaido, Japan; Implications for the origin and migration of iodine during basin evolution

東郷 洋子*; 高橋 嘉夫*; 天野 由記; 松崎 浩之*; 鈴木 庸平*; 寺田 靖子*; 村松 康行*; 伊藤 一誠*; 岩月 輝希

Geochimica et Cosmochimica Acta, 191, p.165 - 186, 2016/10

 被引用回数:7 パーセンタイル:35.46(Geochemistry & Geophysics)

ヨウ素の地層中での移行挙動を理解するうえで、化学状態(価数及び局所構造・結合状態)を把握することは重要である。ヨウ素は環境中で一般的には陰イオンの形態を取りやすく、地層への収着性が低い元素であるとともに、陰イオンの他にさまざまな化学形態をとり、各形態で挙動が異なるため、移行挙動の予測は極めて難しい。そこで、本研究では固液両相の化学形態を分析し、表層土壌圏及び地下岩石圏でのヨウ素の挙動解明を試みた。その結果、有機物が熟成される過程でヨウ素イオンが地下水中に溶出されることが示唆された。また、表層で有機態として固相へ分配されたヨウ素は、深層で無機態となって液相へと溶出するが、一部は有機ヨウ素として固相に残ることが明らかとなった。

論文

A New view of the tree of life

Hug, L. A.*; Baker, B. J.*; Anantharaman, K.*; Brown, C. T.*; Probst, A. J.*; Castelle, C. J.*; Butterfield, C. N.*; Hernsdorf, A. W.*; 天野 由記; 伊勢 孝太郎; et al.

Nature Microbiology (Internet), 1(5), p.16048_1 - 16048_6, 2016/05

 被引用回数:387 パーセンタイル:0.02(Microbiology)

生命の系統樹は生物学において最も重要な中心テーマの一つである。遺伝子調査によると、莫大な数のブランチの存在が示唆されているが、フルスケールに近い系統樹でさえわかりにくいのが現状である。本研究では、これまでに報告されてきた配列情報に加えて、新たに取得した未培養生物のゲノム情報を用いて、バクテリア,アーキア,真核生物を含む系統樹を更新した。系統樹の描写は、全体的な概容とそれぞれの主要な系統における多様性のスナップショットの両方について行った。その結果、バクテリアの多様化の優勢性が示され、培養されていない生物種の重要性とともに主要な放射構造においてそれらの生物種の重要な進化が集中している現象が強調された。

論文

土壌微生物群集によって誘引される炭素鋼腐食とそのメカニズムの解析

平野 伸一*; 長岡 亨*; 伊勢 孝太郎; 天野 由記; 松本 伯夫*

材料と環境, 64(12), p.535 - 539, 2015/12

本研究では、土壌環境微生物を対象として腐食ポテンシャルおよびそのメカニズムについて知見を得るために、一般的な湖沼底泥を植菌源として炭素鋼とともに培養を行った。その結果、いずれの培養条件でも炭素鋼を腐食、減損する活性が見られ、特に有機物添加・汽水培地において硫酸還元活性、メタン生成活性とともに高い腐食活性が得られた。土壌埋設設備への微生物の腐食影響を適切に評価するためには、硫酸還元菌, メタン生成菌などの相互作用を踏まえた評価が必要と考えられる。

論文

地層処分事業にかかわる地球化学分野の技術者が継承すべき知見のエキスパート化; 文献調査から精密調査段階における地球化学解析手順について

岩月 輝希; 水野 崇; 國丸 貴紀; 天野 由記; 松崎 達二; 仙波 毅

原子力バックエンド研究(CD-ROM), 19(2), p.51 - 63, 2012/12

高レベル放射性廃棄物の地層処分は長期に渡って世代の異なるさまざまな技術者がかかわる事業であり、その技術にかかわる知見の継承やプロジェクト監理にかかわる意思決定過程の追跡性を担保するための情報管理の仕組みが必要となる。筆者らは、地層処分にかかわる地下深部の地質環境特性調査の手順,ノウハウ,留意点などの情報管理技術としてウェブ上で情報を利用(保管・閲覧)可能なエキスパートシステムを構築した。なお、本報告では、その概要とエキスパートシステムに収録した知見の一例として、文献調査から精密調査段階における地球化学解析の手順などについて述べる。

論文

北海道幌延地域における深部地下水調査; 地上からの地球化学調査の妥当性評価と地下施設建設に伴う地球化学特性変化

天野 由記; 南條 功; 村上 裕晃; 藪内 聡; 横田 秀晴; 佐々木 祥人; 岩月 輝希

地下水学会誌, 54(4), p.207 - 228, 2012/11

北海道幌延町において、堆積岩を対象とした深地層の研究施設を利用して、地上からの地球化学調査技術の妥当性を検証した。また、地下施設建設が周辺の地球化学状態に及ぼす影響について考察した。地上からのボーリング調査数量と水質の深度分布の推定品質の関係を整理した結果、3本程度の基本ボーリング調査と断層・割れ目帯など高透水性の水理地質構造を対象とした追加ボーリング調査により、数キロメータースケールの調査解析断面の水質分布について不確実性も含めて評価できることが明らかになった。地下施設建設に伴う地下水の塩分濃度,pH,酸化還元状態の擾乱を観察した結果、一部の高透水性地質構造の周辺において、地下坑道への湧水により水圧や塩分濃度の変化が確認された。この変化量は事前の予測解析結果と整合的であった。これらの成果は、他の堆積岩地域における地上からのボーリング調査や地下施設建設時の地球化学調査の計画監理にも参照可能と考えられる。

論文

北海道幌延地区における地下水中の有機酸のメタン生成微生物の基質としての可能性

玉村 修司*; 遠藤 亮*; 清水 了*; 岩月 輝希; 天野 由記; 大味 泰*; 五十嵐 敏文*

Journal of MMIJ, 128(10,11), p.570 - 575, 2012/10

北海道幌延地区の第四系と新第三系の声問層を帯水層とする地下水中で、微生物の競争排除則とメタン生成反応の非平衡度に基づき、ギ酸及び酢酸がメタン生成微生物の基質となっている可能性を評価した。微生物の競争排除則では、声問層を帯水層とする地下水中で酢酸が基質となっている可能性が示唆され、非平衡度による評価では、還元的なすべての地下水中で、両有機酸が基質となっている可能性が示唆された。これらのことから、還元的な環境では両有機酸がメタン生成微生物の基質となっていること、特に新第三系声問層を帯水層とする地下水中では、酢酸濃度は微生物の競争排除則により規定されている可能性が指摘された。

報告書

幌延深地層研究計画; 平成23年度調査研究成果報告

中山 雅; 天野 健治; 常盤 哲也; 山本 陽一; 大山 卓也; 天野 由記; 村上 裕晃; 稲垣 大介; 津坂 仁和; 近藤 桂二; et al.

JAEA-Review 2012-035, 63 Pages, 2012/09

JAEA-Review-2012-035.pdf:12.23MB

幌延深地層研究計画は、「地上からの調査研究段階(第1段階)」、「坑道掘削(地下施設建設)時の調査研究段階(第2段階)」、「地下施設での調査研究段階(第3段階)」の3つの段階に分けて実施されている。平成23年度は、「幌延深地層研究計画平成23年度調査研究計画」に従って、調査研究及び地下施設の建設を継続した。研究開発は従来通り、「地層科学研究」と「地層処分研究開発」に区分して実施した。具体的には、「地層科学研究」では、地質環境調査技術開発、地質環境モニタリング技術開発、深地層における工学的技術の基礎の開発、地質環境の長期安定性に関する研究という研究課題を設定し、「地層処分研究開発」では、人工バリアなどの工学技術の検証、設計手法の適用性確認、安全評価モデルの高度化及び安全評価手法の適用性確認という研究課題を設定している。本報告書はそれらを取りまとめたものである。幌延深地層研究計画の成果は、原子力機構における他の研究開発拠点での成果と合わせて一連の地層処分技術として、処分事業や安全規制に適宜反映していく。

報告書

幌延深地層研究計画平成22年度地下施設計測データ集

稲垣 大介; 澤田 純之; 常盤 哲也; 津坂 仁和; 天野 由記; 新沼 寛明*

JAEA-Data/Code 2012-019, 137 Pages, 2012/09

JAEA-Data-Code-2012-019.pdf:8.25MB
JAEA-Data-Code-2012-019-appendix(DVD-ROM)-1.zip:1396.83MB
JAEA-Data-Code-2012-019-appendix(DVD-ROM)-2.zip:876.34MB
JAEA-Data-Code-2012-019-appendix(DVD-ROM)-3.zip:1053.87MB
JAEA-Data-Code-2012-019-appendix(DVD-ROM)-4.zip:853.24MB
JAEA-Data-Code-2012-019-appendix(DVD-ROM)-5.zip:657.5MB

幌延深地層研究計画では、換気立坑,東立坑及び140m, 250m水平坑道の掘削とともに、第2段階の調査研究を実施している。本調査研究では、計測データを当該切羽や後続施工箇所の設計・施工にフィードバックする情報化施工プログラムを実施しており、毎掘削断面において、岩相及び割れ目などの壁面観察や、簡易弾性波探査・シュミットハンマー反発度試験・エコーチップ硬さ試験及び点載荷試験等の原位置試験を行い、特定断面では地中変位測定・ロックボルト軸力測定・吹付けコンクリート応力測定及び覆工コンクリート応力測定等のデータを取得している。また、第1段階で実施した地下施設の坑道掘削に伴う湧水量の予測解析結果の妥当性を確認することを目的とし、掘削工事の進行に伴う湧水量や水質の変化に関するデータを取得した。本報告書は、2010年度(平成22年度)に実施した東立坑(GL-210mから-250mまで)、並びに250m水平坑道で得られた調査・計測データをとりまとめたものである。

報告書

MSB-2号孔・MSB-4号孔における地下水の間隙水圧及び水質観測; 2004年4月$$sim$$2006年3月

水野 崇; 岩月 輝希; 天野 由記; 濱 克宏

JAEA-Data/Code 2012-004, 30 Pages, 2012/06

JAEA-Data-Code-2012-004.pdf:3.68MB
JAEA-Data-Code-2012-004-appendix(CD-ROM).zip:3.7MB

研究所用地内の地表から掘削したボーリング孔(MSB-2号孔及びMSB-4号孔)にMPシステム(Westbay instruments社製)を設置して、地下水の間隙水圧測定及び水質観測を2003年度から月1回の頻度で実施している。本報告書では、2004年度及び2005年度に両孔において取得された地下水の間隙水圧及び水質データを共有し、散逸を防止することを目的としてとりまとめた。なお、本報告書内において使用したデータについては、電子ファイルとしてCD-ROMに収録した。

論文

Redox buffer capacity in water-rock-microbe interaction systems in subsurface environments

天野 由記; 笹尾 英嗣; 新里 忠史; 岩月 輝希

Geomicrobiology Journal, 29(7), p.628 - 639, 2012/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:85.35(Environmental Sciences)

堆積岩における水-岩石-微生物相互作用システムの酸化還元緩衝能力を評価するために、培養試験を実施した。培養過程における溶液の化学分析,微生物増殖及び群集組成の変化について分析を行った。培養液中に微生物を添加した直後から、溶存酸素濃度及びORP値は著しく減少したが、一方で微生物を添加しない実験系においては、ORP値はほとんど変化しなかった。微生物群集組成の変化から、硝酸還元菌及び硫酸還元菌が、リグナイトを多く含む有機物を利用した還元反応に重要な役割を果たしていることが示唆された。これらの結果は、堆積岩環境における酸化還元緩衝能力において、微生物の役割が極めて重要であることを示している。

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