解説

先進セラミックス研究センター年報（2020）. Vol. 9, 29‑33

住宅用セラミックスの防汚・抗菌技術とウイルス共生社会への課題井須紀文*, *** 名古屋工業大学先進セラミックス研究センター客員教授〒 507-0071 岐阜県多治見市旭ヶ丘 10-6-29** 株式会社 LIXIL Technology Innovation 本部〒 136-8535 東京都江東区大島 2-1-1

Antifouling and Antibacterial Technologies for Housing Ceamics
and Issues for the Symbiotic Society with Viruses
Norifumi Isu*, ***Guest Professor of Advanced Ceramics Research Center, Nagoya Institute of Technology
10-6-29, Asahigaoka, Tajimi, Gifu 507-0071, JAPAN**Technology Innovation Division, LIXIL Corp.
2-1-1 Ojima, Koto-ku, Tokyo 136-8535, JAPANThe antibacterial treatment is necessary to keep hygiene environment around wet area. Ag is applied to the sanitary ware glaze
as an antibacterial agent. The glaze is amorphous aluminosilicate with 0.08 wt％ Ag. The XAFS spectrum of Ag-glaze were quite
similar to that of AgNO3 aqueous solution. This indicates that silver exist as monovalent cation in the glaze without forming
crystal structure.
Keywords: Ceramcs, Sanitary ware, Antifouling , Antibacterial, Ag, XAFS, First-principle calculation

1．はじめに環境の維持を容易にするというユーザーメリットを実現

人類の産業革命以降の暮らしは、1 〜 3 億年前に活動することができる。本稿では防汚・抗菌技術により、「つした生物の遺骸を起源とする限りある化石燃料に依存しかう」段階での環境負荷を低減する住宅用セラミックスている。現在、一部の先進国では一人一日あたり 20 万kcal 以上、すなわち生命維持に必要な 100 倍以上のエトイレについて紹介するとともに、ウイルス感染症によネルギーを使用している。国連の世界人口予測によると、

る課題について述べる。

るパンデミックにどのように対応すべきか今後必要とな

1900 年に 20 億人であった総人口は現在 70 億人を超え、2050 年に 93 億人を上回る見通しとなっている。地球

2．水使用量と防汚技術による環境負荷低減を持続可能にするには、化石燃料に依存するエネルギー家庭で使用される水（家庭用水）と、飲食店やデパー消費構造の大幅な変革が必要となる。筆者らは地球環境

ト等で使用される水（都市活動用水）をあわせて生活用への負荷低減のために、CO2 排出量 80％削減を目指し水と呼ぶ。生活用水の使用量は約 129.8 億 m3 / 年で、1た研究開発を進めている。難易度の高い目標ではあるが、人当たりに換算すると 2017 年度は約 286 L の水が毎日「つくる」、「つかう」、「もどす」、の各段階で環境負荷を使われており、近年緩やかな減少傾向にある 2）。東京都

下げるとともに、同時に人にとって新しい価値を生み出

水道局によれば、家庭用水の内訳は、2006 年度調査です「人と地球を考えたものつくり」を目指す必要があるを使わずに快適な生活を実現するかが重要な課題であはトイレ約 28 ％、風呂約 24 ％、炊事約 23 ％、洗濯約17％とトイレでの使用量が多かったが、2015 年度調査
では風呂約 40 ％、トイレ約 22 ％、炊事約 17 ％、洗濯約 15 ％と風呂の使用量が多くなっている 3）。これは節る。トイレ、タイル、浴室、キッチンなど水まわりに使水型トイレの普及により、トイレでの使用量が減少した用される材料は汚れ易い環境におかれている。これら材結果と考えられる。旧来の水洗トイレには約 16 L の洗料自体に防汚・抗菌性能を付与することが、「つかう」

浄水が使われていたが、2000 年以降に水流制御、便鉢場面での洗浄水量の低減と同時に、清潔で衛生的な生活形状設計、表面処理技術の組み合わせにより洗浄水量をと考えている 1）。住宅に使用される部材はライフサイク
ルが長い事から、「つかう」段階で、いかにエネルギー― 29 ―

住宅用セラミックスの防汚・抗菌技術とウイルス共生社会への課題

4 〜 5 L まで低減しており、「つかう」段階での節水技

よって、未処理の場合に見られるケイ酸（シリカ）を主術の有効性が表れていると理解される。

成分とする水アカの付着を防止することができる。この造水および下水処理にはエネルギーが必要であり、そ防汚処理によって、約 46％の洗浄水と約 72％の洗剤使れらも加えた洋式トイレにおける LCE 試算（Life Cycle

用量を削減する環境負荷低減効果が確認されている 4）。

Energy）によると、製造時（原料調達から廃棄まで）のエネルギー使用量は、4 人家族が 1 年間にトイレで使用

3.24）抗菌性能と抗菌剤するエネルギー量にほぼ等しいと推定されている 。耐トイレの水没部位での細菌汚れを防ぐためには細菌の久性が高いセラミックストイレでは、材料表面の防汚機増殖を抑制することが重要であり、抗菌技術が使われて能の向上によって、洗浄回数と洗剤使用量を削減し、「ついる。抗菌の概念図を Fig. 1 に示す。抗菌は殺菌や滅かう」段階での環境負荷を低減させる事が可能であり、菌とは区別されており、細菌のみを対象とし、細菌の発「つくる」「もどす」段階での環境負荷低減よりも相対的生・成育・増殖を抑制し、生菌数を時間の経過とともにに効果が高い。また、この技術は水源の確保や浄水処理減少させることを言う。抗菌処理・抗菌加工は殺菌・滅などの社会基盤整備に関する負担を軽減させるだけでな菌と比べて弱い作用ではあるが、長期にわたり生活環境く、清潔で衛生的な生活環境を維持するための負担を軽の微生物学的衛生性を保つことである。抗菌処理・抗菌減させるユーザーメリットを同時に実現する。

加工は、耐性菌の選択的な増殖を誘発するリスクは低い

トイレ、キッチンシンク、外壁、セラミックタイルなと考えられ、微生物の多様性を維持しながらも、生活環

どの住宅材料は、使用環境によって汚れの原因物質やメ境を保全するという意味合いは今後ますます重要になる

ンテナンス方法が異なり、適材適所の表面処理技術が必と考えている。

要となる（Table 1）。水回り空間では基本的に水を用いた洗浄が可能であり、水で汚れを落としやすくするため、材料表面に親水性の防汚処理が施される場合が多く、また水没部位に対しては細菌汚れに対して抗菌処理が施される場合が多い。
Table 1 Stains in houses and antifouling treatment.
Area

Stain

Surface Treatments

KitchenOil

BathSoap scum,
Sebum

Hydrophilictreatment
Hydrophilictreatment

Toilet,Lavatory

Water stain

Si-capping

Outer Wall

Dust, Smoke,
Soot,
Particulates

Hydrophilic treatmentAntibacterial
treatment

Fig. 1 Schematics of anti-bacterial.

3．トイレの防汚・抗菌技術
3.1

抗菌性能の評価方法としては、日本工業規格にフィルム密着法による評価方法が 2000 年に規定された（JIS Z

トイレの防汚技術

水洗式トイレの汚れは大きく 2 種類に分けられる。一2801）。サンプルに細菌を 24 時間接触させて、生菌数

つは乾湿が繰り返される部位での水アカ汚れであり、もを測定し、抗菌加工品と無加工品の生菌数を対数値に換う一つは水没部位での細菌汚れ（尿石、ヌメリ）である。

算して抗菌活性値を求める。JIS では抗菌活性値 2.0 以それぞれ汚れの原因が異なり、対応する技術も異なる。

上で抗菌効果ありと定義されている。試験に用いる菌は、水アカ汚れについては、水道水中に約 10 ppm 含まれる、およびグラグラム陰性菌の大腸菌（Escherichia coli）

可溶性ケイ酸分が乾湿を繰り返すことによってトイレのム陽性菌の黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）の釉薬層表面の水酸基と脱水縮合して徐々に固着していく2 種で、菌株も指定されている。抗菌製品技術協議会（SIAA） の 提 案 で、 抗 菌 ISO 規 格 が 2007 年 に ISO22196 として発行され、日本発の ISO として認知されている。これらの評価方法をもとに、SIAA は製品規格として SIAA 抗菌 ISO マークの運用を開始した。SIAA 会
員数は 1998 年設立当初は 100 社であったが、2020 年ことが原因と考えられている。水アカの堆積が進むと、糞尿などの汚れが物理的に引っかかり黒ずみなどの汚れへと変化していく。これを防ぐために、釉薬表面に存在する水酸基をキャッピングし、水道水中のケイ酸の脱水縮合を抑制する技術が開発されている。この表面処理に― 30 ―

井須紀文には新型コロナウイルスの影響もあり会員数が急増しする原料を湿式粉砕したスラリーを鋳込み成形した後に700 社を越え、マークを添付した抗菌 ISO 適合商品の展乾燥し、通常の釉薬を施釉した後に、さらに銀を含んだ開が進められている。

釉薬を塗布し、約 1200℃で焼成する。焼成によって二抗菌剤としては一般的に銀が広く利用されている。こ層に塗布した釉薬は溶融し、厚さ 0.5 mm 程度の一層のれは、微量で抗菌効果が発現する、抗菌スペクトルが広。X 線回折では出発原料の抗菌釉薬層となる（Fig. 3）

い、耐久性が高い、人体への安全性が高いなどの理由に石英とジルコン以外には結晶相が検出できなかったことよる。ただし、銀の抗菌メカニズムは完全には解明されから非晶質であり（Fig. 4）、また、EPMA による分析ておらず、2 つの仮説が提唱されている。一つは溶解しの結果、銀は抗菌釉薬層に Ag2O 換算で 0.08 mass％のた金属イオンが菌に取り込まれて代謝機能を阻害すると。
濃度でほぼ均一に分布していることが判った（Table 2）

する説であり 5）、もう一つは金属によって活性酸素が発また、黄色ブドウ球菌を用いた JIS 抗菌試験で、抗菌性生し、これが菌の代謝機能を阻害するとする活性酸素説

能活性値は 3.08 で抗菌性を持つと判断できた。

6）であり 、銀を担持したアルミナにおいて活性酸素種が抗菌活性種であるとの報告

6）がなされている。

抗菌セラミックスは細菌が繁殖することから起こる細菌汚れも防止する効果がある。例えば常時水掛りする浴大腸菌と黄色ブドウ球菌では、細胞構造の違いなどか室、手洗い内で発生するヌメリの防止、公共トイレなどら増殖速度や抗菌効果に違いが表れる。増殖速度についで床に飛散した尿が細菌により分解される過程で生成す

4ては、試験初期の生菌数を 10 CFU/mL とすると、24る尿石の付着、また同時に発生するアンモニア臭の抑制、時間後には大腸菌は 106 CFU/mL 以上と 2 桁以上増殖す

更には藻が発生するような栄養過多な環境下においても、5る場合が多いのに対し、黄色ブドウ球菌は 10 CFU/mL

その発生を抑える効果があることが確認されている 8）。

以下と 1 桁程度の増殖に留まり、大腸菌と黄色ブドウ球菌では増殖速度に 1 桁以上違いが見られる。また、金属イオン単独での抗菌評価試験では 7）、銀イオンの殺菌力（MBC）は大腸菌に対しては 0.24 ppb、黄色ブドウ球菌には 7.8 ppb であり、静菌活性（MIC）は大腸菌に対しては 1.0 ppm、黄色ブドウ球菌には 2.0 ppm と報告されており、同じ抗菌活性を得るためには大腸菌に比べて黄色ブドウ球菌は 2 倍以上の銀イオンが必要である。
3.3

銀を用いたトイレの抗菌技術

表面の釉薬層に銀を含有させた抗菌性トイレが開発されている。その製造工程を Fig. 2 に示す。粘土を主とFig. 3 The optical microscopic photo of cross section of anti-

bacterial sanitary ware.

Intensity /a.u.

䕺䕺䠖Quartz
䕿䠖Zircon䕿䕿

15202530

35402T /deg.
Fig. 4 XRD pattern of anti-bacterial glaze.
Table 2 EPMA results of Anti-bacterial ceramic glaze（mass％）.

Fig. 2 The manufacturing process of anti-bacterial sanitary

SiO2

Al2O3CaO

MgO

K2O

Na2O

ZnO

ZrO

Ag2O

ware.

66

9.1

121.1

2.6

1.5

2.3

5.1

0.08

― 31 ―

住宅用セラミックスの防汚・抗菌技術とウイルス共生社会への課題

3.4

抗菌釉薬中の銀の存在状態

構造シミュレーションを行った。収束した構造で、多く抗菌釉薬中の銀は含有量が微量である事と、マトリッ（Al）-）の Ag 原子は、ガラスネットワーク中（-Si-O-Siクスとなる釉薬の元素構成の複雑さから、銀の状態分析の O、および、ガラスネットワーク端の（-Si-O）の Oは難しく、原子価、配位数などについて従来報告されての 2 種の酸素に配位していることがわかった。計算で得いない。そこで放射光を用いて抗菌釉薬中の銀の化学状られた Ag の周辺構造から、散乱理論に基づく計算手法態を知るため X 線吸収微細構造（X-ray absorption fine

コード FDMNES を用いて、Ag-K および LIII 吸収端のstructure、XAFS）測定を行い、局所構造の解析を進めている。Ag-LIII 端の蛍光 XAFS 測定結果を Fig. 5 に示す。
釉薬中の銀の XAFS スペクトルは硝酸銀水溶液と類似しXANES スペクトルを計算した結果を Fig. 6 に示す。計た構造は実際の抗菌釉薬中の Ag の周辺構造を良く反映ており、プレエッジピークの強度が弱い。プレエッジピーしているものと考えられる。

算結果は、測定結果に近いスペクトルを示し、計算されク強度は Ag-O の共有結合性が強くなるほど強くなると9）報告されており 、抗菌釉薬中の銀はイオン結合性が強一方、銀による抗菌メカニズムのうちの溶出説を検証するため、抗菌試験に用いた菌液を放射光を用いて蛍光 Xくなっていると考えられる。従って、釉薬中で銀は 1 価

線 分 析 を 行 った 結 果、 菌 液 中 の Ag 濃 度 は 検 出 限 界のイオン状態でガラスに溶解している状態であると考え。Ag の黄色ブドウ球菌（5 ppm）を下回っていた（Fig. 7）られる。また、XAFS の解析から抗菌釉薬中では Ag-Oに対する最小発育阻止濃度は 6.3 ppm という報告があの結合は 2.22 Å と Ag2O の 2.04 Å よりも長くなっており 10）、釉薬から溶出した Ag が抗菌作用の主因であるとはAg に対する O の配位数は 1.7 であることがわかった。
り、考えづらく、イオン結合により表面に固定された銀を活性これらの結果から、釉薬中の主成分であるアルミノケイ点とする触媒反応で活性酸素種が生成され、抗菌作用が-O 配位多面体の酸ネットワーク構造を構成する（Al,Si）

発現する可能性が示唆された。抗菌作用発現のメカニズ

うち、共有されない頂点位置にある O 原子と Ag イオン

ム解明には、今後も検証を積み重ねていく必要がある。とがイオン結合を形成する構造と推定される。

XAFS 測定結果の妥当性を検証するためには、モデル

4．ウイルスとの共生社会にむけての課題として銀を含むケイ酸塩鉱物を参照する必要があるが、現在世界は新型コロナウイルス SARS-CoV-2 による容易に入手・合成が可能な銀ケイ酸塩化合物はない。そパンデミックの状況にある。一般にウイルスは、単独でこで、第一原理分子動力学計算を用いて Ag 周辺の構造は自己増殖が出来ないため生物とは呼べず、増殖するた解析を行った。計算にあたっては、計算を単純化するた

めには微生物や細胞を宿主とする共生が必要で、逆にウイルスとの共生が生物の進化に重要な役割を果たしたとも考えられている。ウイルスと人類の共生は、人類が定、交換相関汎関数に計算コードに OpenMX（ver.3.8）

住生活を始め野生動物を家畜化した時から本格化したと

GGA-PBE を用い、quench-annealing 法を用い、ガラス考えられている。例えば、麻疹はイヌ、天然痘はウシ、

Normalised absorption coefficient

め構成元素を Si、Al、Na、Ca、K、O、Ag の 7 元素とし、セルの原子数を 500 個（Ag は 20 個）とし、第一原理a) Agb) Ag-glazec) AgNO 3 aqd) Ag2Oe) AgO
3300 3320

3340 3360
Energy [eV]

3380

3400

Fig. 5 The results of fluorescent XAFS measurement of Ag-LIIIedge. a）Ag, b）anti-bacterial glaze, c）AgNO3 aqueous solution,

Fig. 6 The Ag-L III XAFS measurement result （ a ） andd）Ag2O, and e）AgO.

calculation result（b）of anti-bacterial glaze.
― 32 ―

井須紀文

ス処理技術の開発は進められてはいるが、今後、パンデミックウイルスが出現した場合に備えた物質科学的なアプローチが必要である。
5．おわりに約 46 憶年の地球史で生命が誕生したのは約 38 億年前と考えられており、地球と生物は共進化を続けている。
生物は地球上のある環境の中で、住み家、食、天敵というニッチを得ており、様々な空間的なスケールで、ニッチ同士が絶妙なバランスをとって共生しており、環境が変化すればそのバランスは脆くも崩れる。現在地球が直面している人口爆発、大気中の二酸化炭素濃度の上昇、Fig. 7 The results of the Fluorescent X-ray analysis of thebacterial solution used in the anti-bacterial test. a）bacterial
solution after anti-bacterial test, b）bacterial solution before
anti-bacterial test, c）0.1N AgNO3 aqueous solution.

気候変動、森林破壊などの急激な環境変化は、産業革命以降の極めて短期間での人為的な活動が大きな影響を及ぼしていることは明白である。この急激な環境変化に対しても、動物を宿主とするウイルスは適応していく事が予測され、今回に留まらずパンデミック現象は繰り返し発生する事が予想される。急速な感染拡大による医療崩

インフルエンザはアヒルに起源を持つとされ、定住化に壊・強制的な行動制限・大規模な経済損失などを回避す

より人口が増加することでウイルスは変異をしながら人る方法を見い出す事が今後の課題である。と共生する生態的地位（ニッチ）を得た。

本稿では銀を用いた抗菌セラミックスを紹介したが、これまでに人類が根絶できたウイルスは人から人にし抗菌作用の発現メカニズムはまだ不明な点が多く、材料か感染できず有効なワクチンが開発された天然痘ウイル

表面に付着した細菌の不活化メカニズム解明に向けた物

スだけである。動物を宿主とする多くのウイルスは、動質科学的なアプローチが課題である。ウイルスと細菌と物から動物への感染を抑える事が事実上は困難であり、は、生物 / 非生物、大きさもなど異なる点は多いが、銀どのように共生できるかを考える必要がある。の抗菌作用解明への物質科学的アプローチがパンデミッ

ウイルスとの共生には、爆発的な感染症の拡大、重症ク回避に貢献できればと考えている。

患者の急激な増大、それによる医療崩壊（アウトブレイク）を防止するための知識、技術、社会基盤を持つ必要があ

REFERENCESる。ウイルスは生物とは見なされず、直径数十 nm 〜数

1） 井須紀文・石田秀輝, セラミックス, 37, 925-930（2002）

百 nm のナノ粒子と見なすことができる。ウイルスの構

2） 国土交通省「令和 2 年版日本の水資源の現況」https://www.

造は、内部は DNA または RNA がタンパクの殻（カプmlit.go.jp/mizukokudo/mizsei/mizukokudo_mizsei_シド）で包まれた構造を持ち、さらにインフルエンザやtk2_000028.html

コロナなど多くのウイルスはカプシドの周りに脂質を含

3） 東京都水道局「くらしと水道」http://www.waterworks.metro.
tokyo.jp/kurashi/shiyou/ jouzu.html

む被膜（エンベロープ）を持つ複合ナノ粒子構造をとっており、環境におけるウイルスナノ粒子の存在状態を明

4） 三浦正嗣・水野治幸, セラミックデータブック 2000, 工業
製品技術協会, 68-71（2000）

らかにする事も重要となる。
ウイルスの感染ルートには、感染者との直接的接触に

5） P. D. Bragg, D. J. Rainnie, Can. J. Microbiol., 20, 883889（1974）

よるルートと、感染者からの飛沫が付着した環境表面を触った手指を経由する間接的接触によるルートがある。

6） Q. Chang, L. Yan, M. Chen, H. He, J. Qu, Langmuir, 23,11197-11199（2007）

飛沫はくしゃみや咳などの形態で感染者から外部に放出されており、液体状の飛沫または飛沫が乾燥して形成さ

7） 高麗寛紀・中河貴世・山田幸生, 防菌防黴, 21, 77-84（1993）

れるウイルスナノ粒子の凝集物が材料表面にどのように

8） 守山嘉人・山本剛之・今井茂雄・石田秀輝, 日本セラミックス協会誌, 106, 303-307（1998）

付着し、どのように脱着するかが、その後の拡散に大きく影響をするものと考えられる。また、材料表面に付着

9） T. Miyamoto, H. Niimi, Y. Kitajima, T. Naito. K. Asakura、したウイルスは室温では数日から 1 週間程度は感染力

J. Phys. Chem. A, 114, 4093-4098（2010）が保持され、金属、セラミックス、樹脂、木材など材質

10）高山正彦, 防菌防黴, 25, 163-169（1997）

によって保持期間が異なるとの報告はあるものの、そのメカニズムについては明らかにされていない。抗ウイル― 33 ―