光散乱法によるフミン酸-重金属複合体のゼータ電位および粒径測定

はじめに

カーデニングで腐葉土という言葉をよく耳にします。腐葉土の主成分は植物の葉や茎が腐食してできた有機成分で腐食物質（フミン物質）と呼ばれています。フミン物質は地球上において土壌や天然水中に広く分布しており、植物に対する栄養分の供給に大きな影響を及ぼしていると言われてきました。その農学的な重要性から分画・分離に関する研究が1760年代から行われてきています。近年では、土壌学以外の科学、地球化学、生物学、環境化学、医学などの分野で研究者の興味を引き、その物質、役割、応用などについて研究が活発になってきました。
現在ではフミン物質の性質や環境における様々な作用について次のようなことが明らかにされています。

[生物への影響]

植物の成長を促進し、微生物増殖作用を持つ
不溶性のマンガンや鉄の酸化物と光化学反応すると、これらの金属を還元・イオン化して溶解するため、金属の生物摂取性が増加する。
農薬などの合成有機物とさまざまな機構で相互作用して化合物の毒性を軽減する場合がある。
一方では水に溶けにくい農薬を吸着し、分散させる場合がある。
抗血液凝固性、抗ウイルス性などの生理活性がある。

[環境における作用]

海洋中のフミン物質には界面活性があり、海上に流出した油などの分散を促進させる。
水中のフミン物質は水処理過程において、トリハロメタンなどの有機塩化物の生成に関与していると考えられる。
フミン物質には金属イオンと複合体をつくる作用が認められる。

我々は、このようなフミン物質が持つ作用の中で、環境における作用としてあげられている金属イオンとの複合体形成作用に注目しました。フミン物質の一つであるフミン酸と各種金属イオンの間で形成させた複合体の粒子径測定およびゼータ電位測定を行い、フミン酸への各種金属イオンの吸着能の違い、複合体の安定性について興味深い結果が得られましたのでご紹介します。

フミン物質について

フミン物質は、土壌（農地、森林、山岳）、ピート（泥炭）、石炭、石油、水（海水、河川水、湖沼水、天然水、地下水、排水、河口水）、堆積物（海底、湖沼底）などあらゆるところに存在し、移動しています。それぞれ陸系フミン物質、河川系フミン物質、海洋系フミン物質と呼ばれています。このようにフミン物質は地球上に大量に存在する有機物質であり、地球環境に対してさまざまな作用があります。しかし、フミン物質は混合物であり、採取場所によって構造が異なり、それぞれ特徴的な性質をもっていると言われています。

１）フミン物質の分類
フミン物質の定義は、国際腐植物質学会（International Humic Substances Society，略称IHSS）において以下のように定められています。「土壌をNaOHなどのアルカリで抽出した分画、あるいは天然水でXAD樹脂に吸着し希アルカリ水溶液で溶出される分画のことをいい、この分画したものをさらに酸により沈殿する分画をフミン酸、沈殿しない分画をフルボ酸と呼んでいます。」
フルボ酸（fulvic acid）は、pHに関係なくすべての溶液によく溶ける物質で、河川や湖沼、海水、地下水など水系に存在するフミン物質の多くを占めており、河川に溶けている有機物の４割を占めています。フミン酸（humic acid）は、pHが2以下の強酸性では水に溶けませんが、強アルカリでは溶解します。フルボ酸より分子量が高く、色が濃く、土壌、堆積物、ピートなどに多く含有されており、有機炭素成分の大部分を占めています。

２）フミン物質の構造 *
主な構成元素は炭素、酸素、水素、窒素で硫黄やリンも含まれています。炭素と酸素の割合が多く、全体の約50％および約30％（wt％）を占めています。フミン物質は混合物なので、平均分子量や分子量分布について研究されています。報告されている平均分子量はかなりの幅がありますが、およそ500～数万と言われています。
その分子構造は採取地域の特有性があり、かつ複雑なため明確になっていませんが、代表的なフミン酸の化学構造を図１に示します。

*(注)XAD樹脂
スチレンまたはアクリルとジビニルベンゼンの共重合体でMR構造（Macro Reticular structure，巨大網目構造）を有する合成吸着剤。イオン交換樹脂に類似した白色の不透明球状粒子。
イオン交換樹脂と異なり官能基を持たないので化学的に極めて安定しており、アルコールやアセトンなどの有機溶媒中でも使用することができる。

３）フミン物質の応用分野

農業への応用
フミン物質の応用研究においては農業分野が一番進んでいると言われています。理論的な面ではよくわかっていないことも多いが、フミン物質の界面活性力が農作物の水や養分の吸収を促進します。
また、金属との複合体形成作用や不溶性金属の溶解力を持つことから、土壌中の作物必要元素の保持、運搬を促進します。
水産業への応用
フミン物質の界面活性作用や金属複合体形成作用は水質改善に利用できます。
畜産業への応用
フミン物質やその水溶液を飼料に混合することで家畜の肉質改善、対病性向上、糞尿臭抑制に効果があります。
健康関連への応用
フミン物質は医薬品や医薬部外品ではありませんが、フミン物質の水溶液を服用したり、
肌に塗布したりすることは一般的な使用方法であり、多くの改善例が報告されています。

４）フミン物質の研究機関
フミン物質の世界的な研究機関としては、国際腐植物質学会があります。日本では、世界腐植物質研究会をベースに日本腐植物質学会（国公私立の大学や研究機関・大手企業研究所・民間腐植物質研究家など71団体加盟）で、各種研究が行われています。日本腐植物質学会では年1回、年会が開催されています。

５）フミン酸への金属の吸着
フミン物質は上述したように重金属と複合体を形成することが良く知られ、環境分野で土壌改良や水質改善に利用することが期待されています。今回、フミン物質の中でも土壌、堆積物、ピートなどに多く含まれるフミン酸を取り上げました。
フミン酸への各種重金属の吸着能については、図２に示すようにpHにより異なりますがPb,Cr, Cu＞Cd,Zn,Ni＞Co,Mnの順に高くなることが報告されています^２）。

また、図１に示すその構造からカルボキシル基を多く有し、マイナスに帯電しており，各種重金属の陽イオンと容易に結合して複合体を形成することがわかります。このようにして形成される複合体のゼータ電位や粒子径を測定し、吸着能の違いなどについて考察を行いました。

参考文献
　1） Stevenson,F.J.：Humic Chemistry: Genesis, Composition,Reactions,
　　　2nd ed., John Wiley Sons Canada (1994)
　2） Kerndorf,H.,Schnizer, M.: Geochimica et Cosmochimica Acta, 44,
　　　1701-1708 (1980)

フミン酸と重金属イオンの複合体のゼータ電位および粒径測定

（１）測定条件
フミン酸（和光純薬工業社製）を0.1-NaOH水溶液で溶解させ、5wt％水溶液を作成しました。この溶液を蒸留水で希釈して10ppm溶液を作成し、0.1N-HClでpH5に調製しました。図２に示した各金属の中から吸着能が異なる3種類の金属イオン－ Cu²⁺,Zn²⁺,Mn²⁺（和光純薬工業社製原子吸光用標準物質、すべて硝酸塩）－を選び、各濃度（1～100ppm）に調製しました。この溶液とフミン酸10ppm溶液を混合し、pH5に調整後、ゼータ電位および粒子径測定を行ないました。
ゼータ電位測定には、大塚電子（株）製レーザーゼータ電位計を、粒径測定には、大塚電子（株）製ダイナミック光散乱光度計（Arレーザー仕様）を用い動的光散乱法で測定を行ないました。

（２）測定結果および考察
図３に各金属イオンの濃度を変えた溶液とフミン酸10ppm溶液を混合後、ゼータ電位測定した結果を示します。すべての金属濃度領域でゼータ電位はマイナスの値を示しますが、金属イオン濃度が濃くなるにつれてその絶対値は小さくなり、金属陽イオンと複合体を形成するため電荷がゼロに近づくことがわかります。また、各金属イオンのゼータ電位は、金属イオン濃度が10ppmぐらいまではその絶対値がMn²⁺＞Zn²⁺＞Cu²⁺の順となり、図２に示した吸着能が低い順に良く対応しています。これは、マイナスの電荷を持つフミン酸へ吸着能が高い金属ほど、その金属陽イオンの作用により電荷がゼロに近づくことが考えられます。
図４には同様にして測定した平均粒径の測定結果を、図５にはCu²⁺の場合の粒径分布を示します。
粒径の場合は金属イオン濃度5ppmぐらいまでは、各金属イオンで顕著な差は見られませんが、金属イオン濃度が10ppmぐらいになると平均粒径も大きく、また粒径分布もシャープな１ピーク分布からブロードな分布となり、複合体形成さらに複合体同士の凝集により粒径も大きくなることがわかります。

各金属イオンにおける粒径は、金属イオン濃度が10ppm～20ppmでは顕著にCu²⁺＞Zn²⁺＞Mn²⁺の順となり、フミン酸への吸着能が高い金属イオンほど平均粒径も大きくなることがわかります。しかし、過剰に加え過ぎると、粒径分布にも見られるように大きな凝集体を作り、沈殿することが予想されます。ところが金属イオン濃度が50ppm近くなると逆に平均粒径が小さくなります。これは、粒径があまりにも大きくなり過ぎ、沈降した後の浮遊している粒子を測定している可能性が考えられます。

ゼータ電位は、金属イオン濃度が比較的低い10ppm以下でも、各種金属イオンの間に差が見られ、反対電荷の金属イオンが吸着することによってフミン酸の表面電位の絶対値が徐々に減少しています。逆に粒径は、金属イオン濃度が低い領域では、複合体は形成しているにもかかわらず顕著な差が見られず、ある濃度から急激に大きくなる現象が見られ、複合体どうしが凝集する可能性を示唆したものと考えられます。

終わりに

最近、「土のコロイド現象」^３）という書籍が発刊されました。これは、土をコロイド科学という観点から見直し、土壌を理解するベースとしてコロイドの安定性やレオロジーを位置づけることを試みています。今回のフミン酸と各種金属との複合体のゼータ電位測定や粒径測定も、土（フミン物質）をコロイド粒子として取り扱った測定例です。このようなサンプルは、今まで光散乱測定では測定対象物と見なされていませんでしたが、研究対象と成りうるサンプルであることが充分証明されたように思われます。

腐植物質、この物質は自然の循環サイクルとして生まれてきたものですが、いまだ学術的に充分に研究されていないことを思うと、自然現象の奥深さは計り知れないものだと改めて考えさせられます。

参考文献　3）足立泰久、岩田進午編著：「土のコロイド現象－土・水環境の物理化学と
　　　　　　　工学的基礎－」学会出版センター（2003）

（2008/01）