VOC・重金属複合汚染に対するスーパーヤナギの反応機構解明とバイオマス利用法確立

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K06349
• 研究機関: 秋田県立大学
• 研究代表者: 石川 祐一 秋田県立大学, 生物資源科学部, 准教授 (60315603)
• 研究分担者: 木口 倫 秋田県立大学, 生物資源科学部, 准教授 (70457761) ; 栗本 康司 秋田県立大学, 木材高度加工研究所, 教授 (60279510) ; 高橋 正 秋田県立大学, 生物資源科学部, 教授 (80132009) ; 早川 敦 秋田県立大学, 生物資源科学部, 准教授 (10450280)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: スーパーヤナギ / 耕作放棄地 / バイオマス利用 / 環境修復 / カドミウム / 1,4-ジオキサン

研究実績の概要

課題1.荒廃湿地・耕作放棄地分布の時空間変動解析：秋田県内の中山間地域において数値標高モデルや1:25000地図を用いて空間的評価を行った。その結果、標高10m以下には荒廃農地が存在せず、道幅は狭いほど荒廃農地が多い傾向があり、単独の荒廃農地よりも2筆以上の地点がより多い傾向にあった。
課題2.荒廃湿地・耕作放棄地でのスーパーヤナギによるバイオマス資源化：再萌芽試験も含めた長期栽培試験結果から、皆伐再萌芽前の全体収量と比較して、皆伐・再萌芽後にあたる21年度の収量は大きく低下した。獣虫害が大きかった系統は更新時に根の食害が大きく再更新に負の影響があったことから、病虫害耐性も生産を制限する大きな要因となる。
課題3.複合汚染土壌での重金属・VOC除去法確立：以前に設営した圃場試験において皆伐を実施し、再萌芽プロセスにおいて葉の寿命も含めたモニタリングを行った。その結果、Cd含量は生葉・葉リター共に大半が5月に展葉した葉で最大となった。萌芽更新初年目では初期成長の養分吸収に付随し重金属吸収も増加することが示唆された。
課題4. スーパーヤナギによるVOC除去メカニズムの解明：今年度は、室内実験系において、安定同位体を用い、20年度と異なる系統のVOC動態をより詳細に明らかにした。その結果、夏季の成長・蒸散が盛んな時期において蒸散がVOC減少量全体の69%を占めるのに対して代謝が19%、その他根圏域での物理的生物的な除去が11%を占めた。
課題5.収穫物の品質評価と高度利用法の検討：今年度は課題2で収穫したスーパーヤナギを炭化しバイオチャーとしての性能を評価した。マメ科植物のバイオチャーとほぼ同様の化学性を持つバイオチャーを製造できた。バイオチャーの利用法としてトマトの養液栽培の培地としての利用を検討し、標準的な培地であるロックウールと比較して収量の低下は見られず糖度の向上に寄与した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

課題1.荒廃湿地・耕作放棄地分布の時空間変動解析：研究開始当初想定していた計画は概ね完了することができたため、順調に進捗することができたと判断している。
課題2.荒廃湿地・耕作放棄地でのスーパーヤナギによるバイオマス資源化：研究開始当初想定していた圃場の一部を終了することになり、新しい圃場の開拓が進まなかったことから、計画の規模を縮小せざるを得なかった。
課題3.複合汚染土壌でのスーパーヤナギによる重金属・VOC吸収除去法確立：分析のプロセス最適化を試み分析速度を上げることに成功し、20年度には3,4ヶ月おきの含量測定であった分析系が毎月の含量測定を行うことができたことから計画を順調に進めることができた。
課題4. スーパーヤナギによるVOC除去メカニズムの解明：コロナ禍に伴う物流停滞により安定同位体が安定して入手できなかったことに加えて、実施額に合わせて対象とするヤナギの系統を減らしたため、計画を縮小せざるを得なかった。
課題5.収穫物の品質評価と高度利用法の検討：バイチャーとしての利用法を検討し、養液栽培という新たな利用法への展開の糸口を見いだせたことからおおむね良好に進捗したと判断した。

今後の研究の推進方策

課題1.荒廃湿地・耕作放棄地分布の時空間変動解析：今年度は課題2～5を中心に研究を実施するが、余裕があればLandsat8やSential2などフリーで入手可能な衛星画像を使用して同等の解析が可能かどうか比較検討する。
課題2.荒廃湿地・耕作放棄地でのスーパーヤナギによるバイオマス資源化：今年度は現有圃場での栽培を継続するとともに、他実施主体による栽培試験とも連携をはかり、より多様な条件での栽培試験データを取得することを試みる。
課題3.複合汚染土壌でのスーパーヤナギによる重金属・VOC吸収除去法確立：今年度はバイオチャーなどの土壌改良資材を加えた栽培試験を行うことで現地スケールでの環境修復を促進することが可能かどうか検討する。
課題4. スーパーヤナギによるVOC除去メカニズムの解明：今年度は他の系統ならびに異なる生育ステージでの栽培試験を行い、栽培期間全体を通した除去メカニズムの解明を進める。
課題5.収穫物の品質評価と高度利用法の検討：22年度は引き続きバイオチャーのトマトの養液栽培の培地としての評価を進めるとともに、昆虫食の飼料としての利用等高度利用法の検討を進める。

次年度使用額が生じた理由

発表並びに参加を予定していた学会の年次大会がオンライン開催となったため、旅費の支出を削減できた。翌年度分として22年度末に開催が予定されている国際学会への参加・発表を計画している。

研究成果

• [雑誌論文] Beyond the Tsunami Disaster: Ten Years’ Activities to Use Uncultured Fields after the Great East Japan Earthquake in Miyagi, Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuichi ISHIKAWA, Hideo SUGIMOTO, Yasunobu MATOBA, Toshio OSHIDA, Atsushi FUKUDA, Hisao USHIKI, Tetsu NISHIOKA, Yuji AOKI, Takahiro MIYAI, Shunsuke KIKUCHI, Ryo FUJITA, Satoshi WAKAMIYA, Shota SASAKI, Shota NAGASAWA, Moe SATOH, Sachiko YABUKI, Hitoshi KANNO, Hidetsugu MORIMOTO, et al.
  • 雑誌名: Journal of Arid Land Studies 巻: Special issue ページ: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physicochemical properties of biochar derived from wood of Gliricidia sepium based on the pyrolysis temperature and its applications (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Wakamiya, Y. Kurimoto, H. Sugimoto, Y. Aoki, S. Kato, M. Ogasawara, N. Kanazawa, N. Hosokawa, A. Hayakawa, T. Takahashi and Y. Ishikawa
  • 雑誌名: Journal of Soil and Water Conservation 巻: 77 ページ: 322-330
  • 査読あり
• [雑誌論文] Basic Study on the Mechanism of 1,4-Dioxane Phytoremediation by Willows: A Comparison of Three Willow Species (2022)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Miyai, Osamu Kiguchi, Tadashi Takahashi, Naoyuki Miyata, Atsushi Hayakawa, Yuichi Ishikawa
  • 雑誌名: Journal of Arid Land Studies 巻: Special issue ページ: -
  • 査読あり
• [学会発表] 早生ヤナギの落葉に伴う重金属元素の輸送と蓄積に関する研究（第2 報）- 生育ステージ間での比較- (2021)
  • 著者名/発表者名: 石川 祐一, 菊地 俊介, 佐々木 祥太, 早川 敦, 高橋 正
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会