数理モデルによる土壌中の鉱物吸着態有機態素の動態解析

• 研究課題/領域番号: 22KJ1991
• 補助金の研究課題番号: 22J22866 (2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分63010:環境動態解析関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 北川 夏子 京都大学, 農学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 2,500千円 (直接経費: 2,500千円); 2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円); 2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: 土壌有機態窒素 / 土壌鉱物 / アミノ酸吸着 / 土壌有機物 / 有機体窒素動態 / 同位体測定

研究開始時の研究の概要

有機態窒素循環メカニズムの解明により、土壌に現存する窒素を有効に活用する方法についての理解が深まる。また、本研究のモデルは施肥効果のシミュレーションにも応用できる。そのため、肥料投入量が少なく環境負荷の小さい農業技術開発や、AI に る土壌診断の精度向上に大きく貢献する。特に今後有機農業の普及に伴い、農地ごとの土壌型に対する有機肥料の有効的な使用量や適した施肥についても提言でいるようになる。

研究実績の概要

昨年度は、国際学会で審査ありの口頭発表をオーストリア、ウィーンで開催されたEGU学会で行った。現在、論文を執筆中である。
Kitagawa, N., Watanabe, T., Sawada, K., Kunito, T., Funakawa, S. Sorption reduces alanine mineralization in volcanic soils. European Geoscience Union, General assembly, April 2023, Vienna.

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

本研究では、有機体窒素の土壌中での動態の特徴を明らかにすることである。これまで、タンパク質や複素環に含まれる高分子有機態窒素の脱重合反応が有機態窒素の土壌中での循環の律速になっていると考えられていたが、本研究の特徴としては、脱重合化されたのちの単量体有機体窒素（例えば、アミノ酸など）が土壌鉱物に吸着していることが律速になっているのだと考えた。培養実験とモデルを組み合わせることにより、脱重合と吸脱着がどのような関係にあり、どのような場合にどちらの反応がより律速になるのかを明らかにしたいと考えていた。一方で、アミノ酸の吸着実験を通して明らかになったこととして、アミノ酸の性質と土壌鉱物の性質だけでなく、土壌中に存在する有機物の量もアミノ酸の土壌への吸着に大きく影響していることである。
そこで、土壌の有機体窒素の動態を正しく理解するためには、アミノ酸の吸着様式をより詳しく見ていくことが必要だと考え、当初想定していたよりもアミノ酸の土壌中の吸着に着目した実験を進めることとなった。これまでの実験では、アミノ酸は一般的に正に荷電しているものの方が土壌鉱物によく吸着する傾向がある一方で、火山灰土壌などの変異荷電を多く持つ土壌では正、負、どちらの荷電を持つアミノ酸でもよく吸着されることが明らかになった。
さらに、土壌粘土鉱物の種類や土壌化学特性の違いに関係なく、有機物が多い土壌では、吸着力も弱いことがわかった。これは、アミノ酸の種類に関係がないことからも、土壌鉱物に直接吸着しているのではなく、土壌鉱物に吸着している有機物に2次的に吸着しているためだと考えている。

今後の研究の推進方策

これまで、研究の進捗がよくなく、つまずく点が多かったが、成果のみを老いも飲めるのではなく、研究する意義、私の研究が社会のもたらす貢献、なぜこの研究を進めるのかなどについて、深く考える時間を取ることができた。
また、研究手法に関しても、かなり多くの時間を割いて、自分が目指す結果を得るためにどのような実験を行うべきかについても、文献をもと様々な予備実験を行って進めてきた。
このように、目先の成果を追い求めるのではなく、じっくり考えて研究に向き合える時間を持てたのはよかったが、残り1年となった今では、これまでに立て直して研究計画をもとに実験と論文執筆に邁進する所存である。

研究成果

• [雑誌論文] Positive priming effects through microbial P-mining in tropical forest soils under N₂-fixing trees (2023)
  • 著者名/発表者名: Sawada Kozue、Kunito Takashi、Watanabe Tetsuhiro、Kitagawa Natsuko、Lyu Han、Nguyen Ho Lam、Toyota Koki、Funakawa Shinya
  • 雑誌名: Soil Science and Plant Nutrition 巻: 65 号: 4 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1080/00380768.2023.2199777
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Sorption reduces alanine mineralization in volcanic soils (2023)
  • 著者名/発表者名: Natsuko Kitagawa
  • 学会等名: European Geoscience Union
  • 国際学会
• [学会発表] Sorption and desorption controls on alanine bioavailability in volcanic soils (2022)
  • 著者名/発表者名: Natsuko Kitagawa
  • 学会等名: 8th International Symposium on Soil Organic Matter
  • 国際学会
• [学会発表] 火山灰性土壌における粘土鉱物への吸着によるアラニン無機化の抑制 (2022)
  • 著者名/発表者名: 北川夏子
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会