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日本農学会シンポジウム「激動する社会と農学」

コンクリートの都市を農地に変える技術，創製土壌
篠原

信*〔キーワード〕：プロバイオポニックス，有機質肥がわずか 3.4％．都市が農地を食っている．栃木な料活用型養液栽培，並行複式無機

どの近隣の農業県でも，大型商業施設が農地だった化法，創製土壌，炭素貯留

ところで開業し，都市化が進んで農地が失われている．日本の耕地面積は最大で 601.2 万 ha（昭和 311．はじめに年）が存在したが，今や 434.9 万 ha（令和 3 年）と日本は「瑞穂の国」と呼ばれるように，農作物が3 割近くの農地を失っている．山がちな中山間地の豊かに育つ風土と考えられている．しかし日本の食農地は，農家にとっても栽培しづらい環境であり，料自給率（カロリーベース）は 38%（令和元年）で耕作放棄が進み，全国の耕作放棄地は 42.3 万 ha（平しかない．なぜこんなにも食糧生産が少ないのだろ成 27 年）にも上り，さらに農地が失われていく傾う？その大きな要因として，農地面積の狭さがある．

向にある．

日本と同様の島国に，イギリスがある．イギリス（グレートブリテン島）の陸地の面積（243,600km2）は日本（378,000km2）よりも狭く，3 分の 2 しかな2 ）の約もし食料安全保障が脅かされる事態になった時，都市部で食料を生産することは難しい．植物を育てる土壌がないからだ．土壌がなければ，キューバが4

食糧危機を緩和するのに役立った都市農業も難し倍（172,593km2）ある（図 1）．これはイギリスに平い．植物工場なら都市部でも可能だが，照明などに地が多いのに対し，日本は山がちな地形で，田畑に大量のエネルギーが必要となる．食料が手に入らな適した平地が少ないからだ．イギリスは広い平地をい事態で，石油などのエネルギーが手に入るとも考活かすことで高い食糧自給率（69%，2010 年）を達えにくい．都市部は，食料が生産できない空白地帯成できていると言えるだろう．になってしまう恐れがある．

い．ところが農地面積は日本（43,490km

厄介なことに，平地は都市にも向いている．日本

しかしもし，土壌を人工的に創製することができ最大の関東平野（90,000km2）には，日本の人口の 4たら話が違ってくる．都市部でもコンクリートやア分の 1 に相当する約 4,000 万人が暮らしている．しスファルトの上に創製土壌を敷き詰めて，食料を生かし，その関東平野のど真ん中の東京は，農地面積産することが可能になるだろう．では，どうやったら土壌を創製できるのだろうか．まずその話をする
前に，土壌はそもそも人間の力では作ることができなかったというところから，話を始めよう．
2．なぜ土壌を作れなかったのか
生ごみのような有機物を肥料として畑に鋤き込
み，作物を育てるのは，農業では当たり前の営みだ．
しかしこれが可能なのは，土壌が特殊な能力を持っているおかげだ．
もし生ごみをコンクリートの上に置いておいたらどうなるだろうか．腐る．腐った生ごみに植物の苗を植えてみよう．根が傷み，枯れてしまうのが多いだろう．土壌中だと有機物は肥料になるのに，土図1

日本とイギリスの国土面積と農地面積*農研機構 野菜花き研究部門（Shin Shinohara）

壌以外の場所では腐ってしまい，植物の養分にでき
0369-5247/24/¥500/1 論文/JCOPY

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農業および園芸

第 99 巻第1号（2024 年）

ない．有機物を植物の養分に変えられる能力（無機が続いていた．できないことができるようになれば養分生成能）は，土壌のみが備える特殊な機能だ．

面白いじゃないか，という軽い気持ちで研究をス

このことは，土壌を一切使わない水耕栽培（養液タートさせた．

栽培）にも当てはまった．有機質肥料を水の中に加過去の研究事例を調べると，上述したように，有えると水が腐敗し，腐敗した水では根が傷んで作物機物を加えると硝化菌が不活性化するという問題が育たない（図 2）．このため，養液栽培では化学肥を解決できていなかった．NASA ケネディ宇宙セン料（無機肥料）を使うしかなく，有機質肥料を使用

ターは Breadboard Project と題して 90 年代に 7 年間することはできなかった．の研究を行ったが，どうしても硝化菌が不活性化し，では，土壌だと有機物は肥料になり，非土壌では水が腐ってしまう問題を解決できなかった．

有機物が腐ってしまうのはなぜだろうか？土壌中

しかし下水処理では，大量の有機物を分解する際，では，有機物の分解は 2 段階（アンモニア化成，硝硝酸化成が問題なく進むことも分かった（図 3）．な酸化成）で進むが，非土壌では 1 段階目のアンモニらば，水中で硝酸化成が進まないはずがない．ただア化成で分解が止まってしまう（図 3）．なぜなら，し下水処理では余計なもう一つの反応が進む．脱窒

2 段階目の硝酸化成を担う硝化菌という微生物が有だ．下水処理では 2 段階の分解（アンモニア化成，機物を苦手とし，有機物の曝露を受けると活動を停硝酸化成）だけでなく，第 3 の反応として脱窒が進止してしまうからだ．

み，硝酸を窒素ガスに変えてしまう．しかしこれで土壌に似たものとして岩石を粉砕したレゴリス

は困ってしまう．多くの作物は好硝酸性植物といっがある．見た目には土壌と似ている．けれどレゴリて，硝酸を好んで吸収する．その硝酸が失われてしスも有機物をうまく分解できず，腐らせてしまう．

まえば，作物は窒素欠乏で育たない．

もし人為的に硝化菌を加えたとしても，有機物を加つまり，過去の研究では，1 段階目のアンモニアえたら不活性化する．この問題をこれまで解決でき化成で反応がストップしてしまうか，3 段階目の脱なかったから，非土壌を土壌に変える技術は存在し窒まで進むかのどちらかになってしまうという問なかった．つまり，土壌を人工的に製造することは題を抱えていた．養液栽培で有機質肥料を使えるよできなかった．

うにするには，2 段階目の硝酸化成までは進めるが，3．有機質肥料活用型養液栽培（プロバイオポニックス）の開発

3 段階目の脱窒は抑えなければならない．しかし，そんな都合のよい制御はそれまで不可能だった．
筆者は，あるアナロジーに気がついた．日本酒の筆者は最初に，「養液栽培では有機質肥料が使え醸造だ（図 3）．日本酒の醸造法は世界でも珍しい 2ない」という点に興味を持った．養液栽培は約 150

段階の分解を行う（デンプンの糖化，糖からのエタ

年前に開発されて以来，有機質肥料が使えない状態ノール発酵）．しかしうまく制御してやらないと，＜有機物の分解＞有機物＜酒・酢の発酵＞
でんぷん

アンモニア化成
アンモニア糖化糖

硝酸化成
硝酸エタノール発酵
エタノール脱窒
窒素ガス
図3

図 2

バケツの水に有機物（鰹煮汁）を加えると水が腐敗し，トマトの苗は枯死した

酢酸発酵
酢酸

土壌中での有機物分解と酒・酢の発酵酒を造るには 2 段階目のエタノール発酵で分解を停止させる必要がある．土壌中での有機物の分解は硝酸化成までの 2 段階で分解が進むことで，植物に重要な養分である硝酸が生成する．

篠原：コンクリートの都市を農地に変える技術，創製土壌

21「酒が酢になる」という言葉にあるように，エタ

そこで筆者は，上述の②のように，有機物の添加ノールが酢酸に変わってしまう．2 段階目までの分量を少量に抑え，かつ，添加するタイミングは培養解を進めて，3 段階目の分解を抑える必要がある．

初期に絞った．この結果，培養初期には「有機物はこの「2 段階目までは進めたい，3 段階目は回避し存在するが硝酸はない」となり，培養後期には「硝たい」という点が，似ていると考えた．

酸が出てきたが有機物は分解しつくされてほとん

そこで，それぞれの微生物の特性を考えたうえで，ど存在しない」になる．脱窒の条件である「有機物培養方法を工夫した．その結果，以下の 3 つの注意と硝酸の同時併存」という条件が崩れ，脱窒を回避点を守るだけで，水中でも 2 段階の分解（アンモニすることができた．

ア化成，硝酸化成）が進み，3 段階目の脱窒を抑えることができることを見出した 1）．

こうして，水中でも 2 段階の分解（アンモニア化成，硝酸化成）を同時並行的に進行させることがで①微生物源として土壌を 5g/L 程度加える．

きるようになった．この方法を並行複式無機化法②有機物（有機質肥料）を少量（1g/L 以下），初（multiple parallel mineralization, MPM）と呼んでい期に加える．
③2 週間以上曝気する．

る．これは，日本酒の醸造法である並行複式発酵法にならって命名した．

なぜこんな単純な方法で，150 年近くも不可能

MPM で培養した微生物群を養液栽培の養液に加だったことが可能になったのだろうか？過去の研えると，有機質肥料を水中に加えながら植物を栽培

究者は，なるべく濃い肥料液を作りたいと考え，水することができる．この栽培法を，有機質肥料活用の中に大量の有機物を加えていた．そのために硝化型養液栽培，あるいはプロバイオポニックスと呼ん菌がダメージを受け，不活性化していた．筆者は，でいる．有機質肥料を養液栽培で使用できる，世界「毒も少しずつなら慣れるだろう」と単純に考え，で初めての実用的栽培法だ．プロバイオポニックス

有機物の添加量を 1g/L 以下に抑えた．これにより，という名称は，微生物を活性化させることを意味す

硝化菌はダメージを耐えしのぎ，増殖できた．

るプロバイオティックスと，養液栽培を意味するハ

また，過去の研究者は，硝化菌を他の微生物と分イドロポニックスを組み合わせた造語だ．この栽培けて培養することが多かった．硝化菌は培養の難し

法は 2022 年に特色 JAS に認定され，福島県飯舘村

い微生物として知られ，筆者が研究を始めたころ，の農家がその第一号として認定され，現在も全国的微生物保存機関には数菌株しか保管されていなに普及が進みつつある．

かった．他の微生物と一緒に培養すると，硝化菌が4．土壌を創る駆逐されてしまうことを過去の研究者は恐れたようだ．しかし土壌では，硝化菌は他の微生物と共存

プロバイオポニックスは，見方を変えると，水としていることから，筆者は「むしろ硝化菌は他の微いう非土壌をあたかも土壌と同じように，有機物を生物と共存すると有機物の曝露に耐えられるので無機養分に変換する機能を付与する技術だ．つまり，はないか」と仮説を立てた．そこで一緒に培養（共非土壌を土壌に変える技術だともいえる．そこで筆培養）することにした．結果，有機物の曝露を受け者は，本来なら土壌だけが備える機能（無機養分生ても硝化菌は不活性化しにくくなった．

成能）を，たとえば炭や農業用培地（バーミキュラ

では，3 番目の反応である脱窒をどうして抑える

イト，パーライト，ロックウール），人工樹脂などことができたのだろうか．過去の研究から，脱窒菌の非土壌媒体に MPM 法で培養した微生物を固定化

は 2 つの条件が同時に成立すると活性化することがし，無機養分生成能を付与できるか，検討した．

分かった．一つは酸素源として硝酸が存在すること，その結果，穴がたくさんあいた多孔質のものであ2 つめにエネルギー源として有機物が存在すること．

れば，どんなものも無機養分生成能を付与すること

この脱窒活性化の条件は厄介だ．有機物を分解してが可能であると判明した．筆者はこの技術を土壌化硝酸を作りたいのに，有機物と硝酸が同時併存するsoilization と呼んでいる 2）．そして，この技術で非と脱窒が活性化されてしまうのだから．これでは脱土壌媒体を土壌化したものを創製土壌と呼んでい窒は不可避に思えてしまう．

る．

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農業および園芸

第 99 巻意外なことだが，この技術が誕生するまで，人類第1号（2024 年）業が可能となる．

は土壌を創製できなかった．すでに説明したように，筆者は，そのための研究を二つ，同時並行で進め非土壌媒体で硝化菌をうまく活動させることがでている．一つは，コメを脱穀した後に出てくるもみきなかったからだ．しかし MPM の微生物群を加え殻を炭にし，これを土壌化する研究だ．炭は半永久れば，非土壌を土壌に変えることができる．このこ的に分解することがない．このため，燃やさない限とは，これまで「土づくり」と呼ばれていた作業を，り二酸化炭素になる心配はない．そこで，炭を大量大きく転換する可能性を秘めている．に作り，農地に鋤き込むことで炭素貯留を行い，大いわゆる土づくりでは，10 年もの歳月が必要と言

気中の二酸化炭素を減らす温暖化対策の研究プロわれていた．土づくりでは，堆肥や肥料を土壌に鋤ジェクトが進行中だ．筆者は，この技術を都市農業き込み，ミミズや土壌微生物たちが耕し，物理性やに展開できると考えている．土壌化したもみ殻燻炭

化学性，生物性の 3 つを改善した土壌になるまで，をコンクリートなどの上に積層すれば，即席の畑となりゆき任せで待つしなかった

なる．ここに生ごみなどの有機質肥料を加えながらしかし創製土壌だと，あらかじめ通気性がよく，植物を栽培すれば，都市部でも食糧生産が可能にな

水の保持力に優れた，物理性や化学性が良好な媒体る．炭素貯留という地球温暖化対策の一環にもなるをあらかじめ整形し，それに MPM の微生物を固定ので，一石二鳥だ．

化すればよい．それによって即座に物理性や化学性

もう一つの技術は，人糞尿の肥料化だ．これは実に優れた土壌を創製することができる．なりゆき任は，宇宙農業の技術として開発中だ．いちいち地球せだった土づくりから，「土壌の物理性・化学性をからロケットで化学肥料を運ぶのは大変だから，手自在にデザイン」することが可能な，デザイナー・に入る有機質肥料で食糧を生産できるに越したこ

ソイルという技術への移行が可能となる．とはない．宇宙活動でも確保できる肥料が，人糞尿

また，筆者は京都大学と共同で，土壌微生物を選だ．しかし，人糞尿を肥料として利用する研究は久抜し，限られた種類の微生物だけで土壌の機能（無しく行われておらず，何より，無機養分化する技術機養分生成能）の再現を試みた．その結果，わずかは存在しなかった．上述の NASA ケネディ宇宙セン3 菌株（従属栄養細菌，アンモニア酸化菌，亜硝酸ターのプロジェクトでも，人糞尿は重要な肥料と位酸化菌）だけで再現することに成功した．この最小置づけられていたが，無機養分化できなかった．も限の微生物群をエレメンタル土壌微生物と呼んでし人糞尿を無機養分化できれば，戦争などで化学肥いる．このエレメンタル土壌微生物に，植物の生育料が手に入らなくても，食料生産が可能になる．宇を促進する微生物や，病原菌の増殖を抑える拮抗菌

宙での食糧生産は，地球から肥料や食料を運ぶことなどの微生物を組み合わせれば，食料生産を最大化が容易ではない，一種の鎖国状態だ．その意味では，する微生物カクテルを創り出すことも可能だと考

宇宙農業の成功は食料安全保障を高める技術につえている．これまで不可能だった「土壌微生物のデながると言える．

ザイン」も可能な技術が生まれたと言える．
5．コンクリートの都市を農地に変える

宇宙農業の話のついでに紹介すると，テラ・フォーミングの研究も進めている．テラ・フォーミ
ングとは，月や火星など，地球とは異なる星を，地10 年の年月が必要だった土づくりが，短期間（2球と同じように生命で溢れる環境に変える技術体週間程度）で土壌を創製できることは，都市部での系だ．このテラ・フォーミングの実現には，月や火食糧生産も可能にする技術につながるかもしれな

星の「土」を「土壌」に変える必要がある．土と土い．

壌はほぼ同じ意味で使われることも多い言葉だが，通常，コンクリートやアスファルトの上では農業厳密には定義が異なる．岩石を砕いただけの砂礫は不可能だ．しかしポリウレタンのような人工樹脂（レゴリス）で，微生物を一切含まないものも「土」や，もみ殻燻炭のような炭を創製土壌の技術で土壌と呼ぶが，土壌は微生物が生息し，無機養分生成能化し，コンクリートの上に積層すれば，即席の農地を備えている．その意味では，月や火星には「土」となる．あとは水と肥料さえ確保できれば，都市農はあっても「土壌」はない．

篠原：コンクリートの都市を農地に変える技術，創製土壌23

そこで筆者は，宇宙農業研究の一環として，月やて，研究が難しく，「理想の土壌」というものがど火星の土（レゴリス）を模した砂礫に MPM の微生ういうものなのか，それさえも数値的にはっきりさ物を固定化し，土壌化する研究を進めている．月やせることは難しかった．水はけのよさ，水もちのよ

火星のレゴリスを土壌化すれば，これを土壌としてさという，一見矛盾めいた特徴が土壌には必要だが，植物の栽培が可能になる．テラ・フォーミングの重それはいったいどういう状態なのか，数値的なパラ要な要素技術となる．この研究は，企業と共同で開メーターとして表現することも難しかった．その原発中だ．この技術が開発されれば，微生物がろくに因の一つとして，土壌を人工的に製造できなかった

生息しないやせた土を土壌化し，食料生産を向上さことが挙げられる．自然界に存在するものを分析すせることが可能になるかもしれない．

るほかなかったから，人工的に性質を少しずつ変え6．最後にて解析する，ということがそもそもできなかった．
しかし創製土壌の技術なら，あらかじめ使用する

ここまで，あたかも素晴らしい技術であるかのよ

媒体の物理的性質を少しずつ変えて実験すること

うに，明るい部分ばかりを紹介してきた．しかし筆も可能になる．土壌の化学性や，土壌微生物も，条者は，こんな技術を本当に生み出してよかったのか

件を少しずつ変えながら検討することが可能だろと不安な気持ちも抱えている．宮崎駿氏のアニメ

う．そうして土壌の理想形が明らかになれば，自然「天空の城ラピュタ」では，ヒロインに，人は土を土壌をどのようにしてその状態に近づけるかとい離れては生きられない，と叫ばせている．しかし，う手法も開発することが容易になるのではないか．

創製土壌の技術は，大地から切り離した形で土壌を筆者はやはり，「土から離れてはいけない」と考自在に製造することを可能にしてしまう．しかも，えている．本稿で紹介した技術は，すでに土から離土壌の主成分は鉱物だが，創製土壌では鉱物である

れている都市部で利用するなら，本来食糧生産がで必要はなく，炭やポリウレタンのような人工樹脂できなかったところでできるようになるのだから，おも構わない．「土から離れてしまう」．

役に立つように思う．しかし自然土壌が生かせる場

筆者と京都大学は上述したように，わずか 3 菌株

所では，まだまだ人類が知りえていない無数の財産で土壌微生物の基本的な機能（無機養分生成能）のがそこに眠っているかもしれない，という謙虚さを再現に成功している．この技術は，無数に生息するもつことが重要であるように思う．新技術が新たな土壌微生物を排除し，人間の都合だけで選んだ微生問題を生み出すという歴史を，人類は何度も繰り返物だけを利用する技術につながっていく可能性がしてきたのだから．

ある．そのとき，人類は土壌微生物まで絶滅危惧種に追いやってしまわないだろうか．土壌微生物はまだまだ分からないことだらけで，どんな貢献をしてくれているのかわからないことばかりなのに．
筆者はむしろ，この創製土壌の技術を，「土から離れる」ための技術としてではなく，「土から学ぶ」技術として発展，活用していただきたいと願っている．
自然に存在する土壌はあまりにも複雑怪奇すぎ

参考文献
1）Shinohara, M., Aoyama, C., Fujiwara, K., Watanabe, A.,Ohmori, H., Uehara, Y., Takano M. (2011) Microbial
mineralization of organic nitrogen into nitrate to allow theuse of organic fertilizer in hydroponics. Soil Sci. and Plant
Nutr. 57, 190-203.
2）Meeboon, J., Nishida, R., Iwai, T., Fujiwara, K., Takano,M., Shinohara, M. (2022) Development of soil‑lesssubstrates capable of degrading organic nitrogen into nitrate
as in natural soils. Sci. Rep. 12, 785 https://doi.org/10.1038/
s41598-022-04873-0