(57)【要約】  保肥性が改善され、かつ効率よく硝酸態窒素を栽培植物に供給することができる人工土壌培地を提供する。  アンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換可能な人工土壌培地１００であって、少なくとも、アンモニウムイオンを担持可能な陽イオン交換体１と、アンモニウムイオンを硝酸イオンに酸化する硝化菌４とを含有する。人工土壌培地１００は、陽イオン交換体１を含む人工土壌粒子５０ａ（５０）と、硝化菌４を含む人工土壌粒子５０ｂ（５０）とを含有する。人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）は、かさ比重が０．１〜０．７ｇ／ｃｃの多孔質構造体であり、空隙ピーク径が５０ｎｍ〜１００μｍである。硝化菌４は、少なくとも、アンモニア酸化細菌と、亜硝酸酸化細菌とを含有する。
2017110385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換可能な人工土壌培地であって、
少なくとも、アンモニウムイオンを担持可能な陽イオン交換体と、前記アンモニウムイオンを硝酸イオンに酸化する硝化菌とを含有する人工土壌培地。
【請求項２】
前記陽イオン交換体を含む人工土壌粒子と、前記硝化菌を含む人工土壌粒子とを含有する請求項１に記載の人工土壌培地。
【請求項３】
前記人工土壌粒子は、かさ比重が０．１〜０．７ｇ／ｃｃの多孔質構造体であり、空隙ピーク径が５０ｎｍ〜１００μｍである請求項２に記載の人工土壌培地。
【請求項４】
前記硝化菌は、少なくとも、アンモニア酸化細菌と、亜硝酸酸化細菌とを含有する請求項１〜３の何れか一項に記載の人工土壌培地。
【請求項５】
前記アンモニア酸化細菌は、ニトロソモナス属、ニトロソコッカス属、ニトロソスピラ属、ニトロソロバス属、ブレビバチルス属、及びザンソモナス属からなる群から選択される少なくとも一種であり、
前記亜硝酸酸化細菌は、ニトロバクター属、ニトロコッカス属、及びニトロスピラ属からなる群から選択される少なくとも一種である請求項４に記載の人工土壌培地。
【請求項６】
前記アンモニア酸化細菌と前記亜硝酸酸化細菌との菌数の比は、１：１０００〜１０：１である請求項４又は５に記載の人工土壌培地。
【請求項７】
前記硝化菌は、アンモニウムイオンを硝酸イオンに直接酸化する従属栄養性細菌である請求項１〜３の何れか一項に記載の人工土壌培地。
【請求項８】
前記従属栄養性細菌は、アルスロバクター属、バチルス属、オクロバクテリウム属、デルフティタ属、及びステントロホモナス属からなる群から選択される少なくとも一種である請求項７に記載の人工土壌培地。
【請求項９】
前記硝化菌の含有量は、１０５〜１０９ＣＦＵ／ｇである請求項１〜８の何れか一項に記載の人工土壌培地。
【請求項１０】
最大保水量が３０ｃｃ／１００ｃｃ以上であり、保水量が３０ｃｃ／１００ｃｃであるときの気相率が２０〜６０％である請求項１〜９の何れか一項に記載の人工土壌培地。
【請求項１１】
温度が１０〜４０℃であり、かつｐＨが４．０〜７．５である環境で使用される請求項１〜１０の何れか一項に記載の人工土壌培地。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、根菜類、花卉、観葉植物等の栽培に使用する人工土壌培地に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工土壌は、これまで屋内緑化や植物工場での野菜の栽培等に利用されてきたが、近年、人工土壌に対するニーズが多様化し、例えば、人工土壌を使用して観葉植物や花卉等の様々な植物が栽培されるようになってきている。【０００３】
人工土壌の開発にあたっては、天然土壌と同等の植物育成力を達成しながら、保肥性を適切に維持、管理できる機能が求められる。特に、人工土壌培地に適切な量の肥料を吸収、保持させることは、植物の種類に応じた最適な栽培スケジュールを実現するために必要なことである。【０００４】
植物の成長には、窒素、リン、カリウムの三要素が必要であることが知られているが、その中でも、特に窒素は、植物体を構成するための重要な要素である。植物は、養分としての窒素成分（窒素養分）の多くを硝酸態窒素（以下、硝酸又は硝酸イオンともいう）の形態で取り込んでいる。一般に、有機肥料等に含まれている窒素養分はアンモニア態窒素（以下、アンモニア、又はアンモニウムイオンともいう）として存在しているが、アンモニア態窒素は土壌中に存在する硝化菌により硝酸態窒素へ変換（酸化）される。植物は、この酸化された硝酸態窒素を体内に取り込んで利用している。【０００５】
植物工場において、天然土壌に代えて人工土壌を使用する場合、植物に与える窒素養分として、アンモニア態窒素ではなく硝酸態窒素を与える必要がある。これは、アンモニア態窒素は、窒素養分として植物に吸収され難いためである。人工土壌にアンモニア態窒素を含ませたとしても、人工土壌には天然土壌に常在する硝化菌が存在しないため、アンモニア態窒素を硝酸態窒素に酸化することはできない。【０００６】
従来の人工土壌培地の例として、特許文献１には、ポリビニルホルマール樹脂多孔質体を用いた人工土壌が提案されている。特許文献１の人工土壌は、保水性に優れ且つ微生物保持能が高いことから化学肥料を使用しなくても植物の生育に優れる新規人工土壌を提供することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−１４３９３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の人工土壌は、栽培植物に肥料を供給するため、ポリビニルホルマール樹脂多孔質体以外に土や有機資材が使用されている。土や有機資材は天然のものであるため、含まれる細菌の数や種類、及び肥料の含有量等にバラつきがある。このため、人工土壌に含まれる土や有機資材の量や種類によって、保水性や保肥性が変化するため、必ずしも高い保肥性が得られるものではない。このように、従来の人工土壌培地は、保肥性の点で改善の余地があった。【０００９】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、保肥性が改善され、かつ効率よく硝酸態窒素を栽培植物に供給することができる人工土壌培地を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明に係る人工土壌培地の特徴構成は、
アンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換可能な人工土壌培地であって、
少なくとも、アンモニウムイオンを担持可能な陽イオン交換体と、前記アンモニウムイオンを硝酸イオンに酸化する硝化菌とを含有することにある。【００１１】
本構成の人工土壌培地によれば、陽イオン交換体がアンモニウムイオン（アンモニア態窒素）を取り込むことにより、アンモニウムイオンは人工土壌培粒子中に保持され、保持されたアンモニウムイオンは硝化菌によって硝酸イオン（硝酸態窒素）に効率よく酸化される。このプロセスによって生成した硝酸イオンは、人工土壌粒子から放出され、栽培植物の養分となる。このように、本発明の人工土壌培地は、優れた保肥性を実現しながら、効率よく硝酸イオンを栽培植物に供給することができ、その結果、栽培植物の成長を促すことができる。【００１２】
本発明に係る人工土壌培地において、
前記陽イオン交換体を含む人工土壌粒子と、前記硝化菌を含む人工土壌粒子とを含有することが好ましい。【００１３】
本構成の人工土壌培地によれば、陽イオン交換体を含む人工土壌粒子及び硝化菌を含む人工土壌粒子の二種類の人工土壌粒子を含むため、人工土壌粒子に含まれる陽イオン交換体にアンモニウムイオンが取り込まれると、そのアンモニウムイオンは別の人工土壌粒子に含まれる硝化菌により酸化されて硝酸イオンとなる。このとき、硝酸イオンは陰イオンであるため、硝酸イオンは陽イオン交換体を含む人工土壌粒子から積極的に放出されるようになる。一方、栽培植物の根から根酸が排出されると、根酸に由来する水素イオンは人工土壌粒子中の陽イオン交換体に取り込まれているアンモニウムイオンと交換される。その結果、アンモニウムイオンは人工土壌粒子から放出され、その後、別の人工土壌粒子に含まれる硝化菌により酸化されて硝酸イオンとなる。このようなプロセスで硝酸イオンが生成される結果、栽培植物に硝酸態窒素が供給される。【００１４】
本発明に係る人工土壌培地において、
前記人工土壌粒子は、かさ比重が０．１〜０．７ｇ／ｃｃの多孔質構造体であり、空隙ピーク径が５０ｎｍ〜１００μｍであることが好ましい。【００１５】
本構成の人工土壌培地によれば、人工土壌粒子は、かさ比重が０．１〜０．７ｇ／ｃｃの多孔質構造体であり、空隙ピーク径が５０ｎｍ〜１００μｍであるため、人工土壌粒子中の空隙において硝化菌が繁殖し易く、硝化菌の移動も容易なものとなる。【００１６】
本発明に係る人工土壌培地において、
前記硝化菌は、少なくとも、アンモニア酸化細菌と、亜硝酸酸化細菌とを含有することが好ましい。【００１７】
本構成の人工土壌培地によれば、硝化菌がアンモニア酸化細菌と、亜硝酸酸化細菌とを含有することから、アンモニア酸化細菌は、陽イオン交換体に取り込まれたアンモニウムイオンを亜硝酸イオンへ酸化でき、かつ亜硝酸酸化細菌は、亜硝酸イオンを硝酸イオンへ酸化できる。【００１８】
本発明に係る人工土壌培地において、
前記アンモニア酸化細菌は、ニトロソモナス属、ニトロソコッカス属、ニトロソスピラ属、ニトロソロバス属、ブレビバチルス属、及びザンソモナス属からなる群から選択される少なくとも一種であり、
前記亜硝酸酸化細菌は、ニトロバクター属、ニトロコッカス属、及びニトロスピラ属からなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。【００１９】
本構成の人工土壌培地によれば、アンモニア酸化細菌、及び亜硝酸酸化細菌として、上記の適切な細菌を組み合わせることで、陽イオン交換体に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンへより確実に酸化できる。【００２０】
本発明に係る人工土壌培地において、
前記アンモニア酸化細菌と前記亜硝酸酸化細菌との菌数の比は、１：１０００〜１０：１であることが好ましい。【００２１】
本構成の人工土壌培地によれば、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌との菌数の比を上記の範囲に設定していることから、各硝化菌は、陽イオン交換体に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンへより効率的に酸化できる。【００２２】
本発明に係る人工土壌培地において、
前記硝化菌は、アンモニウムイオンを硝酸イオンに直接酸化する従属栄養性細菌であることが好ましい。【００２３】
本構成の人工土壌培地によれば、アンモニウムイオンを硝酸イオンへ一段階で酸化する菌を用いることから、少なくとも一種類の菌を含有させることにより陽イオン交換体に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンへ酸化できる。このため、人工土壌粒子の原料として用いられる菌の種類を減らすことができる。【００２４】
本発明に係る人工土壌培地において、
前記従属栄養性細菌は、アルスロバクター属、バチルス属、オクロバクテリウム属、デルフティタ属、及びステントロホモナス属からなる群から選択される少なくとも一種であることが好ましい。【００２５】
本構成の人工土壌培地によれば、従属栄養性細菌として、上記の適切な細菌を選択することで、陽イオン交換体に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンへより確実に酸化できる。【００２６】
本発明に係る人工土壌培地において、
前記硝化菌の含有量は、１０５〜１０９ＣＦＵ／ｇであることが好ましい。【００２７】
本構成の人工土壌培地によれば、硝化菌の含有量を上記の範囲に設定していることから、陽イオン交換体に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンへより確実に酸化できる。【００２８】
本発明に係る人工土壌培地において、
最大保水量が３０ｃｃ／１００ｃｃ以上であり、保水量が３０ｃｃ／１００ｃｃであるときの気相率が２０〜６０％であることが好ましい。【００２９】
本構成の人工土壌培地によれば、人工土壌培地の気相率を上記の範囲に設定していることから、好気性菌である硝化菌の活動が活発になり、人工土壌培地内でアンモニウムイオンを硝酸イオンへ迅速且つ十分に酸化できる。【００３０】
本発明に係る人工土壌培地において、
温度が１０〜４０℃であり、かつｐＨが４．０〜７．５である環境で使用されることが好ましい。【００３１】
本構成の人工土壌培地によれば、人工土壌培地が上記環境で使用されるため、硝化菌の活動が十分に活発化される。従って、硝化菌は、人工土壌培地内でアンモニウムイオンを硝酸イオンへ迅速且つ十分に酸化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明に係る人工土壌培地の模式図である。
【図２】図２は、人工土壌培地に含有される第１人工土壌粒子の模式図である。
【図３】図３は、人工土壌培地に含有される第２人工土壌粒子の模式図である。
【図４】図４は、人工土壌培地中における硝酸イオンの生成の説明図である。
【図５】図５は、人工土壌培地中における硝酸イオンの生成の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明に係る人工土壌培地に関する実施形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態や図面に記載される構成に限定されることを意図しない。
【００３４】
＜人工土壌培地＞
図１は、本発明に係る人工土壌培地を概念的に示した説明図である。図１（ａ）は、複数の人工土壌粒子５０から構成される人工土壌培地１００の模式図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の人工土壌粒子５０において、破線円で囲ってある領域Ａ１の拡大図である。図１（ａ）に示すように、人工土壌培地１００は、複数の人工土壌粒子５０から構成されており、隣接する人工土壌粒子５０の間に一定の隙間Ｓを有している。この隙間Ｓには、主に、空気及び水が通過可能であるため、人工土壌培地１００で栽培される植物３０は、隙間Ｓを利用して生育に必要な酸素や水分を摂取することができる。
【００３５】
図１（ｂ）に示すように、人工土壌粒子５０は、第１人工土壌粒子５０ａ及び第２人工土壌粒子５０ｂを含有する。ただし、人工土壌培地１００は、第１人工土壌粒子５０ａ及び第２人工土壌粒子５０ｂ以外の粒子などを含んでいてもよい。第１人工土壌粒子５０ａは、内部に陽イオン交換体１を含む。陽イオン交換体１はアンモニウムイオン（アンモニア態窒素）を取り込むことにより、第１人工土壌粒子５０ａ内にアンモニウムイオンを保持することができる。第２人工土壌粒子５０ｂは、硝化菌４を含む。アンモニウムイオンは、硝化菌４によって硝酸イオン（硝酸態窒素）へ酸化される。すなわち、人工土壌培地１００において、アンモニウムイオンは人工土壌培地１００中に保持され、保持されたアンモニウムイオンは硝化菌４によって硝酸イオンに効率よく酸化される。このプロセスによって生成した硝酸イオンは、人工土壌培地１００から放出され、栽培植物３０に硝酸態窒素（養分）として供給される。このように、人工土壌培地１００は優れた保肥性を実現しながら、硝酸イオンを栽培植物３０に効率よく供給することができ、その結果、栽培植物３０の成長を促すことができる。なお、アンモニウムイオンは、予め第１人工土壌粒子５０ａ中に取り込まれていてもよく、この場合、後からアンモニア入りの液肥を供給する手間を省くことができる。
【００３６】
人工土壌培地１００は、人工土壌粒子５０どうしの間の隙間Ｓに酸素を取り込むことができるように、最大保水量が３０ｃｃ／１００ｃｃ以上であり、保水量が３０ｃｃ／１００ｃｃであるときの人工土壌培地１００の気相率は２０〜６０％に設定され、好ましくは３０〜６０％に設定される。保水量は、１００ｃｃの人工土壌培地１００が保持可能な水分量（ｃｃ）として表す。本発明の人工土壌培地１００は、保水性が高いものでありながら、所定の気相率を有するため、好気性菌である硝化菌４の活動が活発になり、硝化菌４は人工土壌培地１００内においてアンモニウムイオンを硝酸イオンへ十分に酸化できる。人工土壌培地１００の気相率が２０％未満の場合、硝化菌４の活動が不十分なためアンモニウムイオンの酸化が起こり難くなる。気相率が６０％を超えると、人工土壌培地１００の隙間が大きくなるため、人工土壌培地１００自体の強度が弱くなる。また、硝化菌４によるアンモニウムイオンから硝酸イオンへの酸化もそれ以上大きく向上しない。
【００３７】
硝化菌４が十分に活動できるため、人工土壌培地１００が使用される環境は、温度が１０〜４０℃、好ましくは１５〜３０℃であり、かつｐＨが４．０〜７．５、好ましくは５．０〜７．０に設定される。このような適切な環境下であれば、硝化菌４の活動が十分に活発化され、人工土壌培地１００内においてアンモニウムイオンを硝酸イオンへ十分に酸化できる。人工土壌培地１００の温度が１０℃未満の場合、硝化菌４が活動を停止する虞があり、温度が４０℃を超えると、硝化菌４が死滅してしまう虞がある。ｐＨが４．０未満の場合又は７．５を超える場合、硝化菌４が死滅してしまう虞がある。
【００３８】
＜人工土壌粒子＞
以下、図２及び図３を参照しながら第１人工土壌粒子５０ａ、及び第２人工土壌粒子５０ｂについて説明する。
【００３９】
（第１人工土壌粒子）
図２は、本発明に係る人工土壌培地に含有される第１人工土壌粒子５０ａの模式図である。図２に示すように、第１人工土壌粒子５０ａは、陽イオン交換体１を含有する。第１人工土壌粒子５０ａは、複数の陽イオン交換体１が集合した粒状物として形成されている。陽イオン交換体１は、バインダー等により結合された粒状物として形成されている。なお、図２では、バインダー等は図示を省略してあるが、陽イオン交換体１どうしの接触部分がバインダー等により固結されている。図２に示すように、陽イオン交換体１の間には空隙２が存在する。空隙２には、水分及び養分等を保持することができる。空隙２は、空隙２どうしが連続して空隙２から外部（粒子外）へ通じる連通孔を形成している。一方、陽イオン交換体１は、表面から内部にかけて細孔３を有する。細孔３は空隙２と連通するため、細孔３は連通孔を介して外部（粒子外）へ通じている。このため、外部（粒子外）と細孔３との間で水分及び養分等が流通可能である。例えば、第一人工土壌粒子５０ａに後からアンモニウムイオンを供給する場合、当該アンモニウムイオンは連通孔を介して第１人工土壌粒子５０ａの内部へ入り込む。アンモニウムイオンは陽イオンであるため、第１人工土壌粒子５０ａの内部に存在する陽イオン交換体１に取り込まれる。このようにして、アンモニウムイオンは、第１人工土壌粒子５０ａに含まれる。
【００４０】
第１人工土壌粒子５０ａに含まれる陽イオン交換体１は、第１人工土壌粒子５０ａの内部に十分なアンモニウムイオンを保持できるよう、陽イオン交換能を有する材料又は陽イオン交換能が付与された材料が用いられる。陽イオン交換能を有する材料として、陽イオン交換性鉱物又は陽イオン交換樹脂を使用することができる。陽イオン交換性鉱物は、例えば、モンモリロナイト、ベントナイト、バイデライト、ヘクトライト、サポナイト、スチブンサイト等のスメクタイト系鉱物、雲母系鉱物、バーミキュライト、ゼオライト等が挙げられる。陽イオン交換樹脂は、例えば、弱酸性陽イオン交換樹脂、強酸性陽イオン交換樹脂が挙げられる。これらのうち、陽イオン交換性鉱物であるゼオライト、又はベントナイトが好ましい。陽イオン交換性鉱物及び陽イオン交換樹脂は、二種以上を組み合わせて使用することも可能である。また、陽イオン交換性鉱物及び陽イオン交換樹脂に珪藻土を混合して使用することも有効である。例えば、珪藻土とゼオライトとを適切な配合比で混合したものを使用すれば、比較的安価でありながら、保水性及び保肥性の両方を兼ね備えた第１人工土壌粒子５０ａを設計することができる。また、イオン交換能を有さない多孔質材料（例えば、高分子発泡体、ガラス発泡体等）を別に用意し、当該多孔質材料の細孔に上記のイオン交換能が付与された材料を圧入や含浸等によって導入し、これを使用することも可能である。陽イオン交換能が付与された材料として、陽イオン交換性鉱物、腐植、及び陽イオン交換樹脂が挙げられる。陽イオン交換能が付与された材料は、ＮＨ４＋、Ｋ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋等の肥料、又は根酸の水素イオンを内部に取り込んで保持することができる。
【００４１】
陽イオン交換性鉱物及び陽イオン交換樹脂における陽イオン交換容量は、１０〜７００ｍｅｑ／１００ｇに設定され、好ましくは２０〜７００ｍｅｑ／１００ｇに設定され、より好ましくは３０〜７００ｍｅｑ／１００ｇに設定される。陽イオン交換容量が１０ｍｅｑ／１００ｇ未満の場合、十分に養分を取り込むことができず、取り込まれた養分も灌水等により早期に流失する虞がある。一方、陽イオン交換容量が７００ｍｅｑ／１００ｇを超えるように保肥力を過剰に大きくしても、効果は大きく向上せず、経済的ではない。
【００４２】
（第２人工土壌粒子）
図３は、本発明に係る人工土壌培地に含有される第２人工土壌粒子５０ｂの模式図である。図３（ａ）は、第２人工土壌粒子５０ｂの模式図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の第２人工土壌粒子５０ｂにおいて、破線円で囲ってある領域Ａ２の拡大図である。図３（ａ）に示すように、第２人工土壌粒子５０ｂは、複数の硝化菌４を含有している。図３（ｂ）に示すように、第２人工土壌粒子５０ｂは、無機フィラー５を含む多孔質構造体であり、無機フィラー５や繊維がバインダー等により結合された粒状物として形成されている。無機フィラー５は、無機物であれば特に限定されないが、多孔質鉱物、無機発泡体、無機多孔質骨材等の無機多孔質体であることが好ましい。多孔質鉱物としては、珪藻土、パーライト、バーミキュライト、パミス等が挙げられる。無機発泡体としては、ガラス発泡体、頁岩発泡体、シラスバルーン等が挙げられる。無機多孔質骨材としては、発泡コンクリート、発泡レンガ等が挙げられる。これらの無機多孔質体のうち、多孔質鉱物である珪藻土及びパーライトは、保水性に優れており、外観が白色を呈しているため見栄えがよく、着色性も良好であり、さらには価格的にも安価であるため、大量に使用する人工土壌用材料として特に好ましく使用される。第２人工土壌粒子５０ｂの保肥性を高めたい場合は、無機フィラー５としてイオン交換能を有する鉱物を使用することができる。そのような無機フィラー５として、陽イオン交換性鉱物（例えば、モンモリロナイト、ベントナイト、バイデライト、ヘクトライト、サポナイト、スチブンサイト等のスメクタイト系鉱物、雲母系鉱物、バーミキュライト、ゼオライトなど）、陰イオン交換性鉱物（例えば、ハイドロタルサイト、マナセアイト、パイロオーライト、シェーグレン石、緑青等の主骨格として複水酸化物を有する天然層状複水酸化物、合成ハイドロタルサイト及びハイドロタルサイト様物質、アロフェン、イモゴライト、カオリン等の粘土鉱物など）が挙げられる。なお、上掲の各無機フィラー５は、二種以上を混合したものを使用してもよい。例えば、無機フィラー５として珪藻土とゼオライトとを選択し、両者を適切な配合比で混合したものを使用すれば、比較的安価でありながら、保水性及び保肥性の両方を兼ね備えた第２人工土壌粒子５０ｂを設計することができる。なお、図３では、バインダー等は図示を省略してあるが、無機フィラー５の接触部分がバインダー等により固結されている。無機フィラー５の間には空隙６が形成されている。
【００４３】
第２人工土壌粒子５０ｂに含まれる硝化菌４は、第２人工土壌粒子５０ｂの内部に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンに酸化できるよう、少なくとも、アンモニア酸化細菌と、亜硝酸酸化細菌とを含有する。アンモニア酸化細菌は、陽イオン交換体１に取り込まれたアンモニウムイオンを亜硝酸イオンへ酸化でき、亜硝酸酸化細菌は、亜硝酸イオンを硝酸イオンへ酸化できる。上記の適切な細菌を組み合わせることで、陽イオン交換体１に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンへより確実に酸化できる。
【００４４】
硝化菌４として用いられるアンモニア酸化細菌は、ニトロソモナス属、ニトロソコッカス属、ニトロソスピラ属、ニトロソロバス属、ブレビバチルス属、及びザンソモナス属が挙げられる。硝化菌４として用いられる亜硝酸酸化細菌は、ニトロバクター属、ニトロコッカス属、及びニトロスピラ属が挙げられる。これらは何れも独立栄養細菌として存在し得るが、特に、有機物がない環境下でも活動できるニトロソモナス属、ニトロスピラ属、及びニトロバクター属が好ましい。アンモニア酸化細菌及び亜硝酸酸化細菌は、夫々二種以上を組み合わせて使用することも可能である。アンモニア酸化細菌、及び亜硝酸酸化細菌として適切な細菌を組み合わせることで、陽イオン交換体１に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンへより確実に酸化できる。
【００４５】
なお、第２人工土壌粒子５０ｂに含まれる硝化菌４は、第２人工土壌粒子５０ｂの内部に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンに酸化できるよう、アンモニアを硝酸に直接酸化する従属栄養性細菌であってもよい。この場合、アンモニウムイオンを硝酸イオンへ一段階で酸化することができるため、第２人工土壌粒子５０ｂの原料として用いられる菌を一種類とすることができる。アンモニウムイオンを硝酸イオンへ一段階で酸化する菌としては、アルスロバクター属、バチルス属、オクロバクテリウム属、デルフティタ属、及びステントロホモナス属が挙げられる。従属栄養性細菌として適切な細菌を選択することで、陽イオン交換体１に取り込まれたアンモニウムイオンを硝酸イオンへより確実に酸化できる。なお、従属栄養性細菌は、先に説明した独立栄養細菌として存在し得るアンモニア酸化細菌及び／又は亜硝酸酸化細菌に加えて使用することも可能である。
【００４６】
第２人工土壌粒子５０ｂは、内部に取り込まれたアンモニウムイオンが硝酸イオンにより効率的に酸化されるように、硝化菌４として用いられるアンモニア酸化細菌と硝化菌４として用いられる亜硝酸酸化細菌との菌数の比が１：１０００〜１０：１に設定され、好ましくは１：１００〜１：１に設定される。これにより、各硝化菌によって、アンモニウムイオンが硝酸イオンへより効率的に酸化される。アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌との菌数の比が１：１０００未満であると、アンモニア酸化細菌が少ないために、アンモニウムイオンが亜硝酸イオンに十分に酸化されない虞がある。一方、アンモニア酸化細菌と亜硝酸酸化細菌との菌数の比が１０：１を超えると、亜硝酸酸化細菌が少ないために、亜硝酸イオンが硝酸イオンに十分に酸化されない虞がある。
【００４７】
第２人工土壌粒子５０ｂの内部に含有される硝化菌４の含有量は、１０５〜１０９ＣＦＵ／ｇに設定され、好ましくは１０７〜１０９ＣＦＵ／ｇに設定される。これにより、アンモニウムイオンが硝酸イオンへより確実に酸化される。硝化菌４の含有量が１０５ＣＦＵ／ｇ未満であると、硝化菌４が足りないために、アンモニウムイオンが硝酸イオンに十分に酸化されない虞がある。一方、硝化菌４の含有量が１０９ＣＦＵ／ｇを超えても、効果は大きく向上せず、経済的ではない。
【００４８】
（人工土壌粒子の形成）
人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）の材料として、ゼオライトのような無機天然鉱物を使用する場合、高分子ゲル化剤のゲル化反応を利用して粒状化させることができる。高分子ゲル化剤のゲル化反応として、例えば、アルギン酸塩と多価金属イオンとのゲル化反応、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）のゲル化反応、カラギーナン等の多糖類の二重らせん構造化反応によるゲル化反応が挙げられる。このうち、アルギン酸塩と多価金属イオンとのゲル化反応について説明する。アルギン酸塩の一つであるアルギン酸ナトリウムは、アルギン酸のカルボキシル基がＮａイオンと結合した形態の中性塩である。アルギン酸は水に不要であるが、アルギン酸ナトリウムは水溶性である。アルギン酸ナトリウム水溶液を多価金属イオン（例えば、Ｃａイオン）の水溶液中に添加すると、アルギン酸ナトリウムの分子間でイオン架橋が起こりゲル化する。本実施形態の場合、ゲル化反応は、以下の工程により行うことができる。初めに、アルギン酸塩を水に溶解させてアルギン酸塩水溶液を調製し、アルギン酸塩水溶液に陽イオン交換体１又は無機フィラー５を添加し、これを十分攪拌して、アルギン酸塩水溶液中に陽イオン交換体１又は無機フィラー５が分散した混合液とする。次に、混合液を多価金属イオン水溶液中に滴下し、混合液に含まれるアルギン酸塩を粒状にゲル化させる。その後、ゲル化した粒子を回収して水洗し、十分に乾燥させる。これにより、アルギン酸塩及び多価金属イオンから形成されるアルギン酸ゲル中に陽イオン交換体１又は無機フィラー５が分散した粒状物が得られる。
【００４９】
粒状物は、必要に応じて乾燥及び分級が行われ、第１人工土壌粒子５０ａ又は硝化菌４が担持される前の第２人工土壌粒子５０ｂとされる。硝化菌４が担持される前の第２人工土壌粒子５０ｂは、硝化菌４を含む液に浸漬された後に、必要に応じてさらに乾燥される。これにより、硝化菌４が粒状物の無機フィラー５の間の空隙６に入り込んだ状態で担持された第２人工土壌粒子５０ｂが得られる。人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）の粒径は、栽培対象の植物により適宜選択されるが、観葉植物又は花卉を対象とする場合、１〜１０ｍｍが好ましく、２〜８ｍｍがより好ましく、２〜５ｍｍがさらに好ましい。人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）の粒径が１ｍｍ未満の場合、人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）間に形成される間隙のサイズが小さくなり、間隙の毛管力により水分が過剰に保持されることになる。その結果、排水性が低下することにより植物の根から酸素を吸収し難くなり、根腐れが発生する虞がある。一方、人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）の粒径が１０ｍｍを超えると、間隙のサイズが大きくなって排水性が過剰になり過ぎることにより植物が水分を吸収し難くなったり、人工土壌が疎になって植物が横倒れする虞がある。人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）の粒径は、篩掛けにより調整することができる。
【００５０】
ゲル化反応に使用可能なアルギン酸塩は、例えば、アルギン酸ナトリウム、アルギン酸カリウム、アルギン酸アンモニウムが挙げられる。これらのアルギン酸塩は、二種以上を組み合わせて使用することも可能である。アルギン酸塩水溶液の濃度は、０．１〜５重量％とし、好ましくは０．２〜５重量％とし、より好ましくは０．２〜３重量％とする。アルギン酸塩水溶液の濃度が０．１重量％未満の場合、ゲル化反応が起こり難くなり、５重量％を超えると、アルギン酸塩水溶液の粘度が大きくなり過ぎるため、陽イオン交換体１又は無機フィラー５を添加した混合液の攪拌や、混合液を多価金属イオン水溶液中に滴下することが困難になる。
【００５１】
アルギン酸塩水溶液を滴下する多価金属イオン水溶液は、アルギン酸塩と反応してゲル化する２価以上の金属イオン水溶液であればよい。そのような多価金属イオン水溶液の例として、塩化カルシウム、塩化バリウム、塩化ストロンチウム、塩化ニッケル、塩化アルミニウム、塩化鉄、塩化コバルト等の多価金属の塩化物水溶液、硝酸カルシウム、硝酸バリウム、硝酸アルミニウム、硝酸鉄、硝酸銅、硝酸コバルト等の多価金属の硝酸塩水溶液、乳酸カルシウム、乳酸バリウム、乳酸アルミニウム、乳酸亜鉛等の多価金属の乳酸塩水溶液、硫酸アルミニウム、硫酸亜鉛、硫酸コバルト等の多価金属の硫酸塩水溶液が挙げられる。これらの多価金属イオン水溶液は、二種以上を組み合わせて使用することも可能である。多価金属イオン水溶液の濃度は、１〜２０重量％とし、好ましくは２〜１５重量％とし、より好ましくは３〜１０重量％とする。多価金属イオン水溶液の濃度が１重量％未満の場合、ゲル化反応が起こり難くなり、２０重量％を超えると、金属塩の溶解に時間が掛かるとともに、過剰の材料を使用することになるため、経済的ではない。
【００５２】
人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）の形成にあたっては、バインダーを用いて粒状化を行うこともできる。例えば、陽イオン交換体１又は無機フィラー５にバインダーや溶媒等を加えて混合し、この原料混合物を造粒機に導入して、転動造粒、流動層造粒、攪拌造粒、圧縮造粒、押出造粒、破砕造粒、溶融造粒、噴霧造粒等の公知の造粒法により、粒状物を形成する。また、陽イオン交換体１又は無機フィラー５にバインダーを加え、さらに必要に応じて溶媒等を加えて混練し、これを乾燥してブロック状にしたものを、乳鉢及び乳棒、ハンマーミル、ロールクラッシャー等の粉砕手段で適宜粉砕して粒状物とすることも可能である。粒状物は、必要に応じて乾燥及び分級が行われ、人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）とされる。
【００５３】
人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）を構成するバインダーは、有機バインダー又は無機バインダーの何れも使用可能である。有機バインダーは、例えば、ポリオレフィン系バインダー、ポリビニルアルコール系バインダー、ポリウレタン系バインダー、ポリ塩化ビニル系バインダー、ポリエステル系バインダー、スチロール系バインダー、及びポリ酢酸ビニル系バインダー等の合成樹脂系バインダー、デンプン、カラギーナン、キサンタンガム、ジェランガム、及びアルギン酸などの多糖類、膠などの動物性たんぱく質等の天然物系バインダーが挙げられる。無機バインダーは、例えば、水ガラス等のケイ酸系バインダー、リン酸アルミニウム等のリン酸塩系バインダー、ホウ酸アルミニウム等のホウ酸塩系バインダー、セメント等の水硬性バインダーが挙げられる。有機バインダー及び無機バインダーは、二種以上を組み合わせて使用することも可能である。
【００５４】
バインダーは、水不溶性のバインダーを用いることが好ましい。これにより、灌水等により、人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）の構造が崩壊するのを防ぐことができる。水不溶性のバインダーとしては、例えば、樹脂材料が挙げられる。そのような樹脂材料として、例えば、ポリエチレン、及びポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリ塩化ビニル、及びポリ塩化ビニリデン等の塩化ビニル系樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリスチレン等のスチロール系樹脂、酢酸ビニル、及びエチレン酢酸ビニル等の酢酸ビニル系樹脂、ポリウレタン、及びビニルウレタン等のウレタン系樹脂等が挙げられる。これらのうち、ポリエチレンが好ましい。また、樹脂材料に代えて、アクリルアミド等の高分子ゲル化剤、アルギン酸塩やカラギーナン等の天然多糖類系ゲル化剤、天然ゴムやシリコーンゴム等のゴム系コーティング剤等を使用することも可能である。さらに、樹脂架橋剤を使用することもできる。そのような樹脂架橋剤としては、例えば、イソシアネート、ビニルスルホン化合物、アジリジン、ジヒドラジド、メチル化アミン、ジグリシジルエーテル、カルボジイミド、ホルムアルデヒド、チタンカップリング剤、シランカップリング剤等が挙げられる。
【００５５】
人工土壌粒子５０（５０ａ，５０ｂ）のかさ比重は、０．１〜０．７ｇ／ｃｃに設定され、好ましくは０．２〜０．６ｇ／ｃｃに設定される。かさ比重が上記の範囲であれば、人工土壌粒子５０中の空隙において硝化菌４が繁殖し易く、硝化菌４の移動も容易なものとなる。人工土壌粒子５０のかさ比重が０．１ｇ／ｃｃ未満であると、空隙６が占める割合が大きくなって人工土壌粒子５０が脆弱になり、また、人工土壌粒子５０が水分を十分に保持できなくなって重力水として漏出する水分が増加する。人工土壌粒子５０のかさ比重が０．７ｇ／ｃｃを超えると、空隙６が占める割合が小さくなって人工土壌粒子５０に保持できる水分が少なくなるとともに、人工土壌粒子５０に少量の水分が強い力で吸着するため、植物が利用可能な易効水の量が減少する。人工土壌粒子５０の空隙ピーク径は、５０ｎｍ〜１００μｍに設定され、好ましくは３００ｎｍ〜５０μｍに設定される。ここで、空隙ピーク径とは、空隙６の径の分布におけるピークに対応する径の値を示す。空隙ピーク径が５０ｎｍ未満であると、空隙６のサイズが小さくなって空隙６に硝化菌４が取り込まれず、空隙６内を硝化菌４が移動することも困難となる。空隙ピーク径が１００μｍを超えると、空隙６のサイズが大きくなり、人工土壌粒子５０が脆弱になる。また、人工土壌粒子５０から重力水として漏出する水分が増加する。
【００５６】
＜硝酸イオンの生成＞
以下、図４及び図５を参照しながら硝酸イオンの生成のプロセスについて説明する。図４及び図５はそれぞれ、人工土壌培地中における硝酸イオンの生成の説明図である。図４の説明図においては、第１人工土壌粒子５０ａ及び第２人工土壌粒子５０ｂが含まれていることにより、硝酸イオンが生成される。以下、詳細に説明すると、図４の（Ｉ）に示すように、人工土壌培地１００において、少なくとも第１人工土壌粒子５０ａ及び第２人工土壌粒子５０ｂの二種類の人工土壌粒子が含まれている。図４の（ＩＩ）に示すように、第２人工土壌粒子５０ｂの表面に露出した硝化菌４又は第２人工土壌粒子５０ｂから外部へ移動した硝化菌４が、第１人工土壌粒子５０ａ中に取り込まれたアンモニウムイオンと接触する。図４の（ＩＩＩ）に示すように、硝化菌４によって、アンモニウムイオンが硝酸イオンへ酸化される。図４の（ＩＶ）に示すように、硝酸イオンは陰イオンであるため、陽イオン交換体１を含有する人工土壌粒子５０ａから積極的に外部へ放出される。
【００５７】
図５は、図４に示す硝酸イオンの生成とは異なるプロセスを表している。すなわち、図５は、根酸をトリガーとして硝酸イオンが生成されるメカニズムについての説明図である。以下、詳細に説明すると、図５に示すように、人工土壌培地１００において、少なくとも第１人工土壌粒子５０ａ及び第２人工土壌粒子５０ｂの二種類の人工土壌粒子が混合されている。栽培植物３０の根から根酸が人工土壌培地１００に排出されると、図５（Ｉ）の第１人工土壌粒子５０ａへ根酸が供給される。図５の（ＩＩ）に示すように、根酸に由来する水素イオンは人工土壌粒子５０ａ中の陽イオン交換体１に取り込まれたアンモニウムイオンと選択的に交換される。陽イオン交換体１から脱離したアンモニウムイオンは、人工土壌粒子５０ａから放出される。アンモニウムイオンは、図５の（ＩＩＩ）に示すように、第２人工土壌粒子５０ｂの表面又は内部に存在する硝化菌４と接触することにより酸化され、図５の（ＩＶ）に示すように硝酸イオンとなる。このようなプロセスで人工土壌培地１００中に硝酸イオンが生成される結果、図５の（Ｖ）に示すように、硝酸イオンが栽培植物３０に供給される。なお、人工土壌粒子５０ａ，５０ｂの配合を栽培植物３０の種類や栽培条件などに応じて変えることにより、栽培植物３０の成長をさらに効率よく促すことができる。また、このメカニズムの場合、人工土壌粒子５０が陽イオン交換体１と硝化菌４とを共に有するものであっても、同様に硝酸イオンが生成される。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の人工土壌培地は、観賞用や園芸用で行われる植物の栽培に利用可能であるが、その他の用途として、植物工場用土壌培地、成形土壌培地、土壌改良等にも利用可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１            陽イオン交換体
２            空隙
３            細孔
４            硝化菌
５            無機フィラー
６            空隙
３０          栽培植物
５０          人工土壌粒子
５０ａ        第１人工土壌粒子
５０ｂ        第２人工土壌粒子
１００        人工土壌培地
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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