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2020 年度 実施状況報告書

有機農業で生産性向上可能なナノファイバー化技術を用いた廃カニ殼の有効利用技術開発

研究課題

研究課題/領域番号 19KT0010
研究機関鳥取大学

研究代表者

上中 弘典  鳥取大学, 農学部, 准教授 (40397849)

研究分担者 伊福 伸介  鳥取大学, 工学研究科, 教授 (70402980)
遠藤 常嘉  鳥取大学, 農学部, 教授 (70423259)
研究期間 (年度) 2019-07-17 – 2022-03-31
キーワード未利用バイオマス利用 / 廃カニ殻 / ナノファイバー / 有機農業 / 植物 / 土壌 / 病害抵抗性誘導 / 生育促進
研究実績の概要

現在、加工後の廃カニ殻はその豊富な資源量に見合った産業利用がほとんどされておらず、廃棄物として焼却処分されているのが現状である。近年、土壌改良資材として有機農業でも利用されている廃カニ殻の土壌施用で生じる肥料効果と病害抵抗性の誘導能が、物理的な粉砕であるナノファイバー化によって増強されることを発見した本研究では有機農業で生産性向上可能なナノファイバー化技術を用いた廃カニ殼の有効利用技術の開発を最終的な目標とし、ナノファイバー化による廃カニ殻の機能向上とカニ殻による土壌改良に貢献する成分の同定と施用効果を生ずるメカニズムならびに土壌施用に最適なカニ殻由来キチンナノファイバー複合体の形状を明らかにすることを目的に研究を実施した。
カニ殻由来キチンナノファイバー(CNF)複合体は、確立済みの手法を用いて水分散液を作成し、他の研究に継続して供給した。供試土壌として砂質未熟土と黒ボク土の両方を用い、コマツナを供試植物としてCNF複合体水分散液の栽培土壌への施用効果を評価した。その結果、砂質未熟土ではCNF複合体施用による地上部乾物重の増加が確認されたが、黒ボク土では施用効果は認められなかった。乾物重の増加に伴い全窒素量も増加していたことは、窒素の取り込みを促進できるCNFの機能に由来すると考えられる。また、黒ボク土で施用効果が確認できなかったことは、黒ボク土で豊富に含まれる土壌中の微生物がCNF複合体を分解したことによると考えられる。興味深いことに、CNFだけでなくタンパク質とミネラル分を含むカニ殻から直接製造したCNF複合体を施用した砂質未熟土では、可給態リン量が増加していたことから、これらの組み合わせによる栽培がCNF複合体の効率的な機能の発揮に有効であると考えられる。またイネを用いた試験により、病害抵抗性の誘導がカニ殻から直接製造したCNF複合体で最も強く起こることを確認した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

「カニ殻由来キチンナノファイバー(CNF)複合体の作成と加工」に関しては、確立済みの手法を用いてCNFもしくはCNF複合体の水分散液を作成し、前年同様他の研究に供給した。また、「カニ殻由来CNF複合体の土壌施用による植物・土壌環境への影響評価」に関しては、当初予定していたトマトだけでなく、コマツナやイネを用いて成長促進効果と病害抵抗性誘導効果を評価した。その結果、昨年度トマトを用いて実施した研究結果では土壌病原菌に対するCNF複合体の成分の影響は認められなかったが、土壌微生物の有無がCNF複合体の施用効果に大きく影響することが新たに明らかになった。また、キチンだけでなくそれ以外の構成成分による影響が大きいという昨年度の発見をサポートする結果が得られた。
一方で、コロナウイルスの影響による研究活動の制限などが影響し、予定していた一部の植物栽培試験やトランスクリプトーム解析などが実施できなかった。実施予定の研究については現在研究に着手し始めているところであり、次年度には一定の成果が得られると考えられる。

今後の研究の推進方策

本研究での最終目標である「有機農業で生産性向上可能なナノファイバー化技術を用いた廃カニ殼の有効利用技術の開発」を達成するために明らかにする3つの項目のうち、“土壌施用に最適なカニ殻由来キチンナノファイバー(CNF)複合体の形状の決定”に関する研究については完了済みなので、今後は他の2つの項目である“ナノファイバー化による廃カニ殻の機能向上”と“カニ殻による土壌改良に貢献する成分の同定と施用効果を生ずるメカニズム”に関して未着手の研究を中心に実施していく予定である。特に昨年度の結果から真菌叢への影響が顕著であることが明らかになっているので、土壌微生物の有無という点から、どのような真菌類がCNFの施用効果に関わるかを今後明らかにしていきたい。
昨年度得られた「カニ殻による土壌改良に貢献する成分の同定と施用効果を生ずるメカニズム」に関する成果については学術論文を執筆中であり、次年度中には査読付きの学術雑誌へ投稿したい。また、学会発表により成果を公表していく予定である。

次年度使用額が生じた理由

新型コロナ感染拡大の影響により、植物の栽培が必要となる試験の実施時期が大幅に遅れた上、試験回数を制限せざるを得なかった。そのため、栽培のための器具や化学分析実験用試薬の購入分、ならびにトランスクリプトーム解析や土壌菌叢解析に必要な受託研究費が少額となり、次年度使用額が生じた。実施できなかったこれらの試験は次年度に実施するため、前年度に計上していた購入費用は本研究の最終年度である次年度に全て使用する予定である。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 4件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (3件) (うち招待講演 1件) 図書 (2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Thermo-mechanically improved polyvinyl alcohol composite films using maleated chitin nanofibers as nano-reinforcement2021

    • 著者名/発表者名
      Yihun Fantahun Aklog、Ifuku Shinsuke、Saimoto Hiroyuki、Yihun Dagnachew Aklog
    • 雑誌名

      Cellulose

      巻: 28 ページ: 2965~2980

    • DOI

      10.1007/s10570-021-03719-8

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Functional analyses of chitinolytic enzymes in the formation of calcite prisms in Pinctada fucata2021

    • 著者名/発表者名
      Kintsu Hiroyuki、Perez-Huerta Alberto、Ohtsuka Shigeru、Okumura Taiga、Ifuku Shinsuke、Nagata Koji、Kogure Toshihiro、Suzuki Michio
    • 雑誌名

      Micron

      巻: 145 ページ: 103063~103063

    • DOI

      10.1016/j.micron.2021.103063

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improving nitrogen uptake efficiency by chitin nanofiber promotes growth in tomato2020

    • 著者名/発表者名
      Egusa Mayumi、Matsukawa Sumire、Miura Chihiro、Nakatani Shiori、Yamada Junpei、Endo Tsuneyoshi、Ifuku Shinsuke、Kaminaka Hironori
    • 雑誌名

      International Journal of Biological Macromolecules

      巻: 151 ページ: 1322~1331

    • DOI

      10.1016/j.ijbiomac.2019.10.178

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nanofibrillation is an Effective Method to Produce Chitin Derivatives for Induction of Plant Responses in Soybean2020

    • 著者名/発表者名
      Kaminaka Hironori、Miura Chihiro、Isowa Yukiko、Tominaga Takaya、Gonnami Mamu、Egusa Mayumi、Ifuku Shinsuke
    • 雑誌名

      Plants

      巻: 9 ページ: 810~810

    • DOI

      10.3390/plants9070810

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Biological Properties of the Aggregated Form of Chitosan Magnetic Nanoparticle2020

    • 著者名/発表者名
      PAULINO-GONZALEZ ANGEL DAVID、IFUKU SHINSUKE et al.
    • 雑誌名

      In Vivo

      巻: 34 ページ: 1729~1738

    • DOI

      10.21873/invivo.11966

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly Mineralized Biomimetic Polysaccharide Nanofiber Materials Using Enzymatic Mineralization2020

    • 著者名/発表者名
      Yao Jingjing、Fang Wenwen、Guo Jiaqi、Jiao Dejin、Chen Shiyan、Ifuku Shinsuke、Wang Huaping、Walther Andreas
    • 雑誌名

      Biomacromolecules

      巻: 21 ページ: 2176~2186

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.0c00160

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly transparent and flexible surface modified chitin nanofibers reinforced poly (methyl methacrylate) nanocomposites: Mechanical, thermal and optical studies2020

    • 著者名/発表者名
      Yihun Fantahun Aklog、Ifuku Shinsuke、Saimoto Hiroyuki、Izawa Hironori、Morimoto Minoru
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 197 ページ: 122497~122497

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2020.122497

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Effects of surface-deacetylated chitin nanofibers on non-alcoholic steatohepatitis model rats and their gut microbiota2020

    • 著者名/発表者名
      Goto Miwa、Iohara Daisuke、Michihara Akihiro、Ifuku Shinsuke、Azuma Kazuo、Kadowaki Daisuke、Maruyama Toru、Otagiri Masaki、Hirayama Fumitoshi、Anraku Makoto
    • 雑誌名

      International Journal of Biological Macromolecules

      巻: 164 ページ: 659~666

    • DOI

      10.1016/j.ijbiomac.2020.07.184

    • 査読あり
  • [学会発表] キチンにより全身的に誘導されるシロイヌナズナの病害抵抗性と成長抑制2021

    • 著者名/発表者名
      山縣陽咲子、内藤圭吾、高木桃子、吉岡麻衣、江草真由美、假谷佳祐、石原亨、伊福伸介、峯 彰、上中弘典
    • 学会等名
      第62回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] キチンによりイネで全身的に誘導される病害抵抗性の発現メカニズムの解明2021

    • 著者名/発表者名
      高木桃子、 保多盛啓、 内藤圭吾、江草真由美、西澤洋子、伊福伸介、峯 彰、上中弘典
    • 学会等名
      第62回日本植物生理学会年会
  • [学会発表] ニ殻由来のバイオマス「キチン、キトサン」の生理機能と生体接着剤への応用2020

    • 著者名/発表者名
      伊福伸介
    • 学会等名
      第10回CSJ化学フェスタ2020
    • 招待講演
  • [図書] 抗菌・抗ウイルス性能の材料への付与、加工技術と評価2021

    • 著者名/発表者名
      伊福伸介
    • 総ページ数
      582
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-834-0
  • [図書] Handbook of Chitin and Chitosan: Volume 3: Chitin- and Chitosan-based Polymer Materials for Various Applications2020

    • 著者名/発表者名
      Shinsuke Ifuku
    • 総ページ数
      858
    • 出版者
      Elsevier
    • ISBN
      978-0128179666
  • [備考] 鳥取大学農学部生命環境農学科植物分子生物学研究室ホームページ

    • URL

      http://muses.muses.tottori-u.ac.jp/faculty/kaminaka/index.html

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公開日: 2021-12-27  

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