2022 Fiscal Year Research-status Report
Creation of high functional soil aggregates for wastewater treatment imitated by soil structure modification abilities of soil animals
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21K05874
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
佐藤 邦明 島根大学, 学術研究院環境システム科学系, 准教授 (60533289)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 土壌団粒 / 土壌式水質浄化 / 生物模倣技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
土壌を利用した水質浄化法で最も重要なことは浄化の核心部である土壌団粒へ，いかに有効に汚水を接触浸透させるかであると示してきた。そこで，耐水性の水質浄化用土壌団粒を作成し，土壌への汚水の接触を極限にまで高めようと考えた。自然界における土壌団粒の形成には土壌動物の働きが大きく関与し，土壌食性の大型土壌動物は糞の排出，巣や坑道の作成によって土壌構造を改変している。温帯広葉樹林や熱帯雨林では大型土壌動物が多く, これらの森林での高い生産力を土壌動物が維持しているとの指摘がある。この生産力の高さは循環能が高いことも意味すると考えられ，土壌動物の作る土壌構造は高い環境浄化能を有する可能性がある。そこで本研究では，土壌動物の土壌構造改変能を模倣してサイズや形状の異なる人工土壌団粒を作成し，その水質浄化能の評価を試みる。そして，土壌の持つ水質浄化機能を極限にまで引き出す土壌団粒構造の確立を目指す。
令和4年度では，土壌動物の土壌構造改変能を模倣した土壌団粒として，令和3年度より開始したサイズの異なる粒状団粒による水質浄化試験を継続して行った。そして，浄化試験後の粒状団粒を対象にアンモニウム及び硝酸吸着量の測定と16SrRNAのV4領域を対象としたアンプリコンシーケンス解析を行った。また，ヤスデ糞の形状を模倣した窪み状団粒について，3Dプリンタにより鋳型を作成し，高さの異なる2種類の団粒を作成した。窪みの無い団粒も比較対象とし，水質浄化試験を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
土壌動物の土壌構造改変能を模倣した土壌団粒の創製を目指し，粒状団粒と窪み状団粒を作成した。
粒状団粒については，赤黄色土と黒ぼく土をベースとしてゼオライトを配合し，押出造粒後に整粒を行い，それぞれ4サイズ（2～4㎜，4～5.6㎜，5.6～8㎜，8～9.5㎜）作成した。そして，円筒カラムによる通水試験を実施して水質浄化性能の評価を行った。有機物除去に関して2～4 mmの団粒で高い処理性能を示す傾向にあった。粒径の小さな土壌団粒ではカラムの充填密度が高く，接触効率が高くなる為，処理が進みやすかったと考えられた。リン除去について，黒ボク土は赤黄色土に比べ浄化能力が高い結果となった。また，粒径が小さいものほど除去率が高かった。また，黒ボク土の方で硝化が進行しやすい傾向にあった。特に，黒ボク土の2～4 mmでは，硝酸態窒素の値が他のカラムよりも高かった。粒径の小さい団粒ではアンモニウムが吸着されやすく，硝化が進行しやすい環境だったと考えられた。浄化後資材を対象としたアンプリコンシーケンス解析からは，赤黄色土と黒ボク土で微生物群集構造に違いが見られ，赤黄色土では粒径によって優占する微生物種が異なった。
窪み状団粒について，高さの異なる2種類の窪み状団粒を作成し，窪みの無い団粒も比較対象として水質浄化試験を開始した。窪みのある団粒の方がCODの除去率が高くなった。また，高さの低い窪み団粒ではリンとアンモニアの除去率が高かった。高さの低い窪み団粒の方が充填密度は高く，窪みの影響が出やすかったと考えられた。
令和3年度では新型コロナウィルスに対する大学の規制も影響して，粒状団粒および窪み状団粒の作成に時間がかかったが，引き続きミミズが作り出す坑道や糞塔を模倣した円筒団粒の作成と水質浄化試験を実施していく。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度に作製し水質浄化試験を開始した窪み状団粒について，令和5年度も引き続き浄化試験を継続し，有機物・窒素・リン除去性能について評価を行う。そして，原水負荷の違いによる処理性能への影響評価も実施する。また，ミミズが作り出す坑道や糞塔を模倣した円筒状団粒を作製するために，3Dプリンタによって鋳型を作成する。異なるサイズの円筒状団粒を作製し，水質浄化試験を行うことで，サイズの違いや中空形状の有無による処理性能の違いを評価する。
浄化試験終了後に人工団粒の浄化メカニズムを評価するため，浄化後資材を対象に理化学性の分析や微生物性の評価を行う。これらの結果と水質浄化能との関係から人工団粒のサイズや形状について評価し，土壌の水質浄化機能を極限にまで引き出す土壌団粒構造の確立を目指す。
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| Causes of Carryover |
令和3年度において，新型コロナウィルスの影響で人工土壌団粒の作成に時間がかかり，水質浄化試験の開始が計画よりも遅れることとなった。また，令和3年度に発表した学会がオンラインでの開催となったため旅費が発生しなかった。
次年度に実施する水質浄化試験や浄化後資材の解析に係る経費，データ解析のための書籍の収集に本経費を活用する。また，研究成果を学会で発表するための旅費や論文投稿費にも使用する計画である。
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