Is direct control of redox reaction possible? -Exploration of possibilities and limitations-

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H02297
• Research Institution: Gifu University
• Principal Investigator: 大西 健夫 岐阜大学, 応用生物科学部, 准教授 (70391638)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 伊藤 貴司 岐阜大学, 工学部, 教授 (00223157) ; 中村 公人 京都大学, 農学研究科, 教授 (30293921) ; 平松 研 岐阜大学, 応用生物科学部, 教授 (90271014)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 酸化還元電位 / 脱窒抑制 / 電圧印加

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、電圧印加により、土壌中の酸化還元電位をどの程度まで制御することができるのか、という問いに答えることにある。2018年度に実施した予備実験を踏まえて、2019年度は、主として室内実験およびモデル化へ向けた解析を行った。実験は次に示す3実験からなる。(1)セルを用いた電圧印加による酸化還元電位とイオン動態の計測実験、(2)開発をした電極素材が溶液の酸化還元状態へ及ぼす影響の評価実験、(3)多点光学式酸素濃度センサーの開発。(1)の実験により、電圧印加により硝酸態窒素濃度の脱窒による減少を抑制する効果が見られる一方、その効果は陰極側の周辺に限定されることがわかった。逆に陽極側の硝酸態濃度減少は電圧を印加しないときに比べて大きくなる傾向がみられるという陰極と陽極とで相反する効果が見られた。この相違がイオンの移流拡散によるものなのか化学的変化によるものなのかは今後の課題である。次に、(2)の実験により、新規開発した電極素材を用いた場合には、効果が現れるタイミングが促進されることがわかった一方、その効果が電極周辺に限定されるという点においては変化が見られなかった。(3)この実験は従前の実験計画には含まれていなかったが、研究を進める中で必要と考えられたため実施した。土壌中の酸化還元電位にならんで酸素濃度も酸化還元状態を判別する重要な指標となる。特に、不飽和土壌においては酸素濃度が決定的である。そのため、電圧印加の効果を飽和土壌のみならず不飽和土壌にも展開して検証するために、多点で計測可能な酸素センサーの開発を行った。開発したセンサーにより、酸素濃度の変動を十分に捉えることができることを確認した。最後に、実験で得られたデータを用いたモデル化をしていくために、Hydrus-HP1を用いたモデル化の方向性を検討した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

過去2年間の研究により、当初定めた研究課題のターゲットがより明瞭になり、2つのより具体的な研究課題が明らかになったと考えている。すなわち、第一に、土壌中における酸化還元電位の制御においては、電極周辺に限定される効果をいかに面的に作用する効果へ拡張するかという点、および、第二に、飽和状態に限定した酸化還元電位制御から不飽和状態まで拡張しての可能性の検討をする意義の発見、である。残り2年間でこれらの課題に取り組みモデル化を進めることにより、当初の研究目的はある程度達成されると見込まれるため、これまでのところ概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

2020年度は、これまでに実施してきた実験を踏まえた発展的実験に加えて、強力にモデル化の作業を進めていきたいと考えている。発展的実験としては、次の2点を計画している。(1)当初の研究計画に含まれていた枠水田を用いた最適な電極配置の検討のための実験、および、(2)不飽和土壌中における電圧印加の効果検証実験、である。(1)においては、電極の数と配置とを変化させ、土壌中のイオン濃度、チャンバー法によるN2Oガスの経時的計測により、電圧印加実験を行う。(2)においては、セル実験により不飽和土壌中の酸化還元電位、酸素濃度、各種イオン濃度の経時的な計測を行い、不飽和時の電圧印加実験を行う。前年度までに取得したデータおよび今年度取得するデータを用いて、電圧印加効果を考慮した土壌中の物質動態のモデル化を進める。Hydrus1D-HP1を基本的なモデルとして採用し、土壌中のイオン濃度の再現性検証を通してモデル化を行っていく。この際に、電圧印加効果は、直接には当該モデルに考慮されていないため、実験結果との間には齟齬が発生すると考えられる。そこで、この齟齬を埋めることを通じて、電圧印加効果を考慮していくことを試みる。具体的には、Hydrus-1Dのコード修正を通してこのことを実現していこうと考えている。