(57)【要約】【課題】エアレーション等の外気導入によることなく、植物を担持した電極に、作物の根に適した酸化還元電位を設定することで、好気化と同様の効果を得ることができる植物栽培システム及び水耕栽培システムの提供。【解決手段】植物９を育成する土壌を含む栽培床２と、該栽培床２に土壌成分として含有する導電性材料と、該導電性材料に通電する通電手段３と、該通電手段３により該導電性材料に電位を印加し、前記植物９の根部近傍を外気導入によることなく電位制御設備によって特定の酸化還元状態に制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物を育成する土壌を含む栽培床と、
該栽培床に土壌成分として含有する導電性材料と、
該導電性材料に通電する通電手段と、
該通電手段により該導電性材料に電位を印加し、前記植物の根部近傍を外気導入によることなく特定の酸化還元状態に制御する電位制御設備からなることを特徴とする植物栽培システム。
【請求項２】
前記導電性材料が、炭素から成る繊維、棒状物、又は塊状物であることを特徴とする請求項１記載の植物栽培システム。
【請求項３】
内部に植物を育成する土壌を含む長尺状の栽培床に栽培水を供給して水耕栽培を行う水耕栽培施設と、
該栽培床に土壌成分として含有する導電性材料と、
該導電性材料に通電する通電手段と、
該通電手段により該導電性材料に電位を印加し、前記植物の根部近傍を外気導入によることなく特定の酸化還元状態に制御する電位制御設備からなることを特徴とする水耕栽培システム。
【請求項４】
前記導電性材料が、炭素から成る繊維、棒状物、又は塊状物であることを特徴とする請求項３記載の水耕栽培システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水資源の乏しい地域において、植物栽培及び水耕栽培などを効果的、永続的に行える植物栽培システム及び水耕栽培システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水資源の乏しい地域における植物栽培においては、使用する水を循環使用する観点から、水耕栽培施設が注目されている。【０００３】
しかし、水を循環使用すると、水の汚染が進み、植物の生育に適した状態に維持できなくなり、汚染対策が必要になる。【０００４】
特許文献１では、水耕栽培において、培養液中に浸漬させた１対の分極性電極に印加する電圧を制御して、培養液中に含まれる電解質を吸脱着させて濃度制御を行う装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−８０２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の技術では、脱塩処理は可能であるが、水耕栽培で循環水を循環させる際に、大量に早い流速で循環水を循環した場合には、循環ポンプ動力が高騰し、植物栽培コストが上昇し、実用的でない。【０００７】
一方、循環する水の量を少なくし、遅い流速で循環すると、水が嫌気化してしまう現象が発生し、植物の根の周りの環境が嫌気的状態になる。【０００８】
植物の根を嫌気的状態におくと、植物は酸素欠損による成長阻害を受け、更には細胞死に至る。この原因について、以下に説明する。【０００９】
嫌気的状態に置かれた根では、好気呼吸であるＴＣＡ回路、及び、電子伝達系によるＡＴＰ生産が行えなくなる。このような場合、植物の根では、嫌気状態でも機能する代謝系である解糖系に頼らざるを得なくなる。【００１０】
しかし、解糖系によって得られるＡＴＰ生産量は、上記の好気呼吸の数％程度でしかなく、非常に低効率である。【００１１】
植物は、化学エネルギーの不足に対して、遺伝子発現を最小に抑えるなどの方法で対応するが、これには限界がある。【００１２】
また、嫌気性代謝物が蓄積されると、細胞質は酸性化し、植物に害作用を与える。【００１３】
これらの結果として、植物は成長阻害を受け、更には細胞死に至る。【００１４】
本発明者は、水の嫌気化を回避するために、循環水をエアレーションして好気状態を形成する方法を検討したが、エアレーションは、ポンプの運転コストが高いという欠点があり、栽培コストの上昇を招き、実用的でないという問題があった。【００１５】
上記のような問題は、循環水を用いた水耕栽培に限らず、容器内で水を静止させた状態で植物栽培する場合や、密封された容器内で酸素が不足する状態で植物栽培する場合にも起こる問題である。【００１６】
さらに、循環水を用いた水耕栽培や容器内で水を静止させた状態で行う植物栽培では、時間の経過と共に水中に病害菌が増殖して栽培植物の生長に害が及ぶ、いわゆる連作障害が起こるという問題がある。これを防ぐためには、病害菌が増殖しないよう、殺菌などの処理が必要となり、この処理もまた、栽培コストの上昇を招いていた。【００１７】
そこで、本発明の課題は、エアレーション等の外気導入によることなく、植物を担持した電極に、作物の根に適した酸化還元電位を設定することで、好気化と同様の効果を得ることができ、病害菌による障害を防ぐことができる植物栽培システム及び水耕栽培システムを提供することにある。【００１８】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。【００２０】
請求項１記載の発明は、植物を育成する土壌を含む栽培床と、該栽培床に土壌成分として含有する導電性材料と、該導電性材料に通電する通電手段と、該通電手段により該導電性材料に電位を印加し、前記植物の根部近傍を外気導入によることなく特定の酸化還元状態に制御する電位制御設備からなることを特徴とする植物栽培システムである。【００２１】
請求項２記載の発明は、前記導電性材料が、炭素から成る繊維、棒状物、又は塊状物であることを特徴とする請求項１記載の植物栽培システムである。【００２２】
請求項３記載の発明は、内部に植物を育成する土壌を含む長尺状の栽培床に栽培水を供給して水耕栽培を行う水耕栽培施設と、該栽培床に土壌成分として含有する導電性材料と、該導電性材料に通電する通電手段と、該通電手段により該導電性材料に電位を印加し、前記植物の根部近傍を外気導入によることなく特定の酸化還元状態に制御する電位制御設備からなることを特徴とする水耕栽培システムである。【００２３】
請求項４記載の発明は、前記導電性材料が、炭素から成る繊維、棒状物、又は塊状物であることを特徴とする請求項３記載の水耕栽培システムである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によると、外気導入によることなく、生物を担持した導電性材料に、生物に適した酸化還元電位を設定することで、好気化と同様の効果を得ることができ、病害菌による障害を防ぐことができる植物栽培システム及び水耕栽培システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態として植物栽培システムを示す図
【図２】本発明の水耕栽培システムの一例を示す図
【図３】長尺方形状の形態の一例を示す図
【図４】土壌を掘削して形成した長尺溝に形成した栽培床の一例を示す図
【符号の説明】
【００２６】
１：栽培容器
２：栽培床
３：通電手段
４：導電体
５：対極
１００：水耕栽培施設
１０１：電位制御設備
１０２：循環水タンク
１０３：循環ポンプ
１０４：温調設備
１１０：遮水シート
１１１：栽培床
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明について詳述する。
【００２８】
始めに、本発明のメカニズムについて説明する。
【００２９】
例えば、好気呼吸を構成するＴＣＡ回路、及び、電子伝達系は、いくつもの中間代謝物を酸化還元する過程を含み、各中間代謝物の酸化還元電位差から電気化学的なエネルギーを取り出し、化学エネルギーであるＡＴＰを生産する。この連鎖的な酸化還元反応は、最終的な電子の捨て場として、酸素を必要とする。
【００３０】
嫌気状態において酸素欠損が起こると、ＴＣＡ回路、及び、電子伝達系は、電子の捨て場を失うため、反応が行えなくなる。
【００３１】
このような反応場に導電性材料を隣接させ、該導電性材料に高電位側の電位を印加すると、本来は酸素に受け渡されるはずの電子を、直接、又は、間接的に導電性材料に受け渡すことができるため、酸素欠損下においても好気呼吸が行えるようになる。
【００３２】
また、嫌気性代謝物等の生物の育成を阻害する物質の生成に必要な電子を、阻害物質の生成前に、導電性材料により引き抜くことも可能で、阻害物質の蓄積が抑えられる。
【００３３】
このようなメカニズムによって、外気導入することなく、導電性材料が、酸素の代役を果たすことができる。
【００３４】
さらに、病害菌による生長阻害を防ぐことができる。
【００３５】
次に、図１に基づいて、図１は、本発明の一実施形態として植物栽培システムを説明する。
【００３６】
同図において、１は栽培容器であり、２は栽培容器１内に形成される栽培床である。
【００３７】
栽培床２は、導電性材料を土壌成分として含有する栽培用固形物である。この導電性材料としては、炭素から成る導電性の繊維、棒状物、又は、塊状物を用いることができ、特に導電性炭素繊維を好適に用いることができる。また、窒素ガスを用いるＢＥＴ比表面積（以下、単に比表面積という）が、１ｍ2／ｇ以上の導電性炭素繊維がより好ましい。
【００３８】
また、導電性材料として炭素材料を用いる場合は、表面処理によって水素、酸素過電圧を向上させて、ガス発生を防止してもよい。
【００３９】
上記表面処理としては、例えば、炭素表面に若干の酸素元素を導入（Ｘ線光電子分光法において、酸素元素比１〜１０％）する処理が好ましい。
【００４０】
炭素繊維は、使用する場合には、繊維のまま使用してもよいが、織物あるいは編み物からなるシート状にすると、多層に敷設するのに便利である。
【００４１】
多層に敷設する場合には、上層の方を織り目あるいは編み目間隔を大きくして下層に行くにしたがって間隔を小さくすることが、根の伸長に対応できるので好ましい。
【００４２】
本発明では、炭素から成る導電性の繊維、棒状物、又は、塊状物のみで栽培床を形成してもよいし、それらを併用することもできる。なお、例えば比表面積数１００ｍ2／ｇ以上の活性炭のような導電性塊状物単独での使用も可能である。
【００４３】
導電性材料の栽培用固形物中における含有量は、乾物重量で３０重量％以上１００重量％以下の範囲である。
【００４４】
栽培床には、稲ワラ、麦ワラ、もみ殻、ピートモスなどの腐植土、粒状または粉末活性炭、肥料などを土壌成分として充填することができる。
【００４５】
図１において、３は導電性材料に電位を印加するための通電手段であり、棒状の導電体４、及び、対極５により構成されている。導電体４は栽培床２に挿入され、導電体４と導電性材料とが接触するようにしている。また、対極５は導電性材料に接触しない工夫が必要である。この実施例では、筒状体５Ａを導電性材料に挿入して、その筒状体５Ａの内部に対極棒を差し込んでいるので、対極自体が導電性材料に接触することはない。
【００４６】
導電体４及び対極５は、各々リード線６、７によって、電位制御設備（図示せず）に接続されている。
【００４７】
図１において、８は栽培水の蒸発を防止するための蒸発防止シートであり、植物９を上部に伸長させる植生孔１０が形成されている。
【００４８】
上記のシステムにおいて、電位制御設備から、電極３に、電位が印加される。通常、好気性下におく場合は、例えば＋０．８Ｖ〜＋１．２Ｖ（ｖｓ  対極）に設定する。電流はなるべく小さい状態で電位設定できるようにすることが好ましい。
【００４９】
また、参照極を適時、又は、常時設けて電位を設定することも好ましい。
【００５０】
電位が印加されると、植物の根近傍の導電性材料に１００μＡ／ｃｍ2以下の微弱電流が流れる（電子の流れを形成する）。
【００５１】
この微弱電流は、植物の種類によって変動させることもできるが、栽培初期に設定すればその後変更をすることは少ない。
【００５２】
この態様で、通電手段３は図示のように１本の導電体４、及び、対極５によって電位を印加しているが、これに限定されず、複数本の導電体、及び、対極を差し込んで印加するようにしてもよい。
【００５３】
植物の根では、ＴＣＡ回路、及び、電子伝達系が形成されており、いくつもの中間代謝物を酸化還元する過程を含み、各中間代謝物の酸化還元電位差から電気化学的なエネルギーを取り出し、化学エネルギーであるＡＴＰを生産している。この連鎖的な酸化還元反応は、最終的な電子の捨て場として、酸素を必要とするが、本発明では、外気導入によることなく、導電性材料が酸素の代役を果たして、結果として好気的状態と同様の酸化還元状態を形成できる。
【００５４】
この態様では、栽培床が水を含む場合、その水は滞留しており、静止している状態にあるので、嫌気化しやすい状態にあるにも関わらず、本発明の電位印加によってあたかも空気供給したときと同様の酸化還元状態を形成できる。
【００５５】
この態様は、さらに栽培容器１が密封空間内にあり、酸素が供給されなかったり、あるいは供給されにくい状況にある場合も、効果を発揮する。植物栽培を酸素に依存することなく、電極が酸素の代役を果たして、結果として好気的状態と同様の酸化還元状態を形成できるからである。
【００５６】
次に、本発明の水耕栽培システムの一例を図２に基づいて説明する。
【００５７】
１００は水耕栽培施設、１０１は電位制御設備、１０２は循環水タンク、１０３は循環ポンプ、１０４は温調設備である。
【００５８】
本発明において、水の循環は必要条件ではないため、液中有効成分の物質移動が十分に行える程度の循環、あるいは攪拌を伴うことが好ましい。
【００５９】
この水耕栽培システムでは、循環系にはエアレーション設備等の外気導入手段は設けられておらず、循環水への外気導入は行われていない。このような循環水量の低減と外気導入の不実施によって、電力コストは大幅に低減し、その結果、栽培コストが、大幅に低下し、実用的なシステムが提供されることになる。
【００６０】
この水耕栽培システムでも、図１に示す植物栽培システムと同様に、植物栽培を酸素に依存することなく、電極が酸素の代役を果たして、結果として好気的状態と同様の酸化還元状態を形成できる。
【００６１】
栽培床２の形態は特に限定されるものではなく、たとえば図３に示すように、長尺方形状の形態に形成してもよい。この形態は、長尺方形状の容器を用いたりすることができる。容器は樹脂成型品であってもよく、あるいは樹脂フィルムであってもよい。容器内部には少なくとも導電性材料が含有されていればよい。
【００６２】
また栽培床は、図４に示すような形態を採用することもできる。この例は、植物栽培を行う場所の栽培土壌を掘削して形成した長尺溝に栽培床を形成したものである。
【００６３】
図４において、１１０は、長尺溝に敷設された遮水シートであり、栽培用のトレイが形成されている。その遮水シート１１０の上に、導電性材料を少なくとも土壌成分として充填した栽培床１１１を形成している。栽培床には、必要により、稲ワラ、麦ワラ、もみ殻、ピートモスなどの腐植土、粒状または粉末活性炭、肥料などを混合できる。栽培床１１１の上には、栽培水の蒸発を防止するための蒸発防止シート１１２が被覆されてもよい。その蒸発防止シート１１２には、植物を上部に伸長させる植生孔１１３を形成してもよい。植生孔を形成しないで、植物全体を外気から遮断してもよく、これによって、より高い蒸発防止効果が得られる。
【００６４】
本明細書では、電極が、好気呼吸であるＴＣＡ回路、及び、電子伝達系における最終電子受容体である酸素の役割を果たす態様について説明してきたが、これに限定されるものではない。
【００６５】
例えば、最終電子受容体として酸素を用いない、嫌気呼吸における代謝過程に対しても、外気導入によることなく、電極電位を適宜設定することで代謝の活性化に適した酸化還元状態を形成することができるし、また、それとは異なる酸化還元状態を形成することで、嫌気呼吸を抑制することもできる。嫌気呼吸を抑制することにより、嫌気性代謝物の蓄積を防ぐことも可能で、これは多くの細胞にとって好ましいことである。また、場合によっては、複数の特定の電位を、時間によって、又は代謝物のモニタリングによって、又は環境の変化に応じて切り替えることで、複数の酸化還元状態を交互に形成してもよい。
【００６６】
例えば、稲などの栽培においては、栽培床である土壌中の嫌気性微生物のために、ある程度の嫌気状態を与える必要がある。しかし、嫌気状態が長く続くと、稲の根部は、嫌気性代謝物の蓄積や好気呼吸の停止によりダメージを受けるため、適度に好気状態を与える必要もある。このような場合は、嫌気状態、好気状態に対応した酸化還元電位を交互に印加することも好ましい。
【００６７】
本発明によれば、植物によって生成される代謝物のうち、植物の育成を阻害する代謝物（例えば上述の嫌気性代謝物）、又は例えば環境的に好ましくない代謝物の生成を、選択的に抑制することができる。
【００６８】
また、その反対に、植物の育成に好ましい代謝物、又は有用な代謝物の生成を、選択的に促進することができる。
【００６９】
上記有用な代謝物としては、該植物が食品として用いられる場合は、香味成分や糖分、ビタミン等の栄養素であることが好ましく、又は薬品やその原料であってもよい。
【００７０】
この様に、本発明によれば、植物が生成する代謝物の生産量を意図的、且つ、選択的にコントロールすることが可能である。
【００７１】
このような代謝物のコントロールは、昨今、遺伝子組換えによって盛んに行われている。しかし、遺伝子組み換えの安全性は確立しておらず、消費者も安心して商品を購入できないのが現状である。
【００７２】
本発明によれば、遺伝子組換えのような危険、複雑、高コストな方法によらず、安全、簡単、低コストに、植物が生成する代謝物をコントロールすることが可能である。
【００７３】
さらに、本発明によれば、印加する電位が病害菌の増殖を抑え、栽培植物の生長に及ぶ害を抑制することができる。
【００７４】
また、植物は最適な環境で栽培されているので、病原菌に対する抵抗力が高くなり、例えば、根腐れ病などに罹病する確率も抑えられる。
【００７５】
本発明においては、導電性材料と生物との間の電子移動を促進するために、電子メディエータを用いることもできる。
【００７６】
電子メディエータとしては、酸化還元活性を有する物質や導電性を有する物質であれば用いることができ、キノン類や鉄イオンを好適に用いることができる。
【００７７】
また、上記電子メディエータとしては、あらかじめ水に含まれている物質を用いることもできるし、別途添加してもよい。
【００７８】
例えば、バクテリアと植物による共生系においては、バクテリア由来のキノン類が水中に含まれるため、上記態様を好適に用いることができる。
【００７９】
一方、導電性材料は、特定の電位を印加することにより、水から酸素を生成することができる。そのため、外気導入によることなく、導電性材料において発生した酸素を生物に供給できる。
【００８０】
上記の酸素生成は、本発明による直接電子移動、及び／又は、電子メディエータを介した電子移動と同時に行ってもよいし、状況に応じて電位を切り替えることにより、それらを交互に行ってもよい。
【実施例】
【００８１】
以下に本発明の実施例を説明するが、本発明はかかる実施例によって限定されない。【００８２】
実施例１
栽培床に、ヤシガラ活性炭を１４００℃で再焼成した粒状活性炭を用い、０．５Ｖ（ｖｓ  対極）の電圧を印加して、図１の栽培システムでトマトを栽培し、発芽から１４日間の生長（ｃｍ）と、フザリウム菌の検出の有無を調査した。【００８３】
なお、フザリウム菌は、根腐れ病の原因とされている菌である。また、フザリウム菌の検出は、抗原抗体法により行った。【００８４】
実施例２
印加する電圧を０．７Ｖ（ｖｓ  対極）とした以外は実施例１と同様にトマトを栽培し、評価した。【００８５】
実施例３
印加する電圧を０．９Ｖ（ｖｓ  対極）とした以外は実施例１と同様にトマトを栽培し、評価した。【００８６】
比較例１
電圧を印加せずに、実施例１と同様にトマトを栽培し、評価した。【００８７】
実施例１〜３、比較例１の結果を表１に示す。なお、擬陽性は、陽性ではないが、陽性に近い反応のものを指す。【００８８】
【表１】
2010098461.tif 000003
【００８９】
表１より、電圧を印加しなかった比較例１では、フザリウム菌が検出されたのに対し、実施例１〜３では、フザリウム菌が検出されず、苗の生長も早いことがわかった。【００９０】
実施例４
図１の装置を３つ用意し（ｎ＝３）、印加する電圧を０．８Ｖ（ｖｓ  対極）とした以外は実施例１と同様にトマトを栽培し、評価した。【００９１】
比較例２  輪作を行っている麦畑の土壌を入れた栽培鉢を２つ用意し（ｎ＝２）、トマトを栽培して実施例１と同様に評価した。【００９２】
実施例４、比較例２の結果を表２に示す。【００９３】
【表２】
2010098461.tif 000004
【００９４】
表２より、比較例２では、フザリウム菌が検出されたが、実施例４では、検出されなかった。苗の生長も、比較例２に比べて明らかに早かった。
【図１】
2010098461.tif 000005
【図２】
2010098461.tif 000006
【図３】
2010098461.tif 000007
【図４】
2010098461.tif 000008
【国際調査報告】
2010098461.tif 000009
2010098461.tif 000010
2010098461.tif 000011
2010098461.tif 000012