厄介者を救世主に〜富栄養化池沼の肥料化研究〜

FLORA HUNTERS AQUA
松坂泰誠、夏堀⻯之介

１

研究の背景

世界最⼤の窒素肥料輸出国であるロシアがウクライナと国際紛争を起こしたことなどが原因で2022 年の世界の肥料原料価格は、前年に⽐べ 60〜70％も上昇したと世界銀⾏が発表している。肥料は⾷糧増産に⽋かせない資材であるため、8 億⼈以上が飢餓に直⾯しているアフリカはもちろん、たくさんの開発途上国では深刻な⾷糧問題を悪化させる原因となっている。
これとは別に途上国では農業で⽤いた化学肥料などが流れ込み、過剰に栄養分が増えた富栄養化池沼が多く発⽣している（図１）。しかし栄養分は植物にとっては肥料である。そこで私たちは、富栄養化池沼を肥料として利⽤できないか調査した。その結果、印旛沼や⼩川原湖姉沼など⽇本に多い低濃度富栄養化池沼とインドのナニタール湖やビムタム湖など海外に多い⾼濃度富栄養化池沼とも液体肥料にするには栄養分の濃度が低いことがわかった（表１）。
表１ ⽇本及び途上国のモデル湖のアンモニア及びリン酸塩濃度
項⽬

低濃度富栄養化池沼

⾼濃度富栄養化池沼

NH4-N（mg/L）

2.6〜2.923〜24.6

PO4-P（mg/L）

0.06〜0.165

0.23〜0.35

図１ 富栄養化池沼
そこで私たちはできるだけエネルギーを使わない⽅法で富栄養化池沼の濃縮化を⽬指すことにした。私たちが着⽬したのは、昭和まで使われていた枝条架式の製塩装置。この技術を応⽤し、太陽と⾵による⽔分蒸発だけで富栄養化⽔を濃縮し肥料化するシステム開発に取り組むことにした。
図２ 枝条架式製塩装置
２⽅法

開発したのは富栄養化⽔をホウキ草の枝に上からポンプで散布するホウキ草区、すだれにミスト装置で下から噴霧する⽵すだれ区、⾃然蒸発で濃縮する⽊綿紐区と⽊綿布区の４種類である（図３）。
A ホウキ草区B ⽵すだれ区C ⽊綿紐区

D ⽊綿布区図３ ⾃作濃縮装置（A はポンプ装置、B はミスト装置を使⽤、C と D は太陽エネルギーだけ）
1なお⽊綿紐区は３mm ⾓の紐 60 本、⽊綿布区は幅 25cm の布 8 枚を富栄養化⽔に浸漬し、⽑管現象で⾃然蒸発させる仕組みである。また富栄養化⽔は 15L で、実際の富栄養化池沼のデータを参考に液肥ハイポネックス 6-10-5 を使って再現した。その⽔質データは表２に⽰した。なおホウキ草区がかつての枝条架式製塩法で、その他の区は私たちで考案したオリジナルである（図４）。
表２ 再現した富栄養化⽔の⽔質データ
項⽬

低濃度富栄養化⽔

⾼濃度富栄養化⽔

pH7.1

7.1EC（μS/cm）

402

1,001

NH4-N（mg/L）

13

18.48

NO3-N（mg/L）

4.4

8.48

PO4-P（mg/L）

1.461.52

TH 全硬度（mg/L）

4045３

図４ 製作の様⼦

結果と考察（１）蒸発量⽐較試験各装置の３⽇間の蒸発量を測定してみた（図５）。その結果、富栄養化⽔だけを容器に⼊れたControl が１L 蒸発したのに対して、濃縮を促す仕組みを施した区は、いずれも 7L と７倍の蒸発⼒があった。またポンプやミスト発⽣装置を⽤いるホウキ草区と⽵すだれ区が、コンスタントに蒸発するのに対して、⽊綿紐や布を垂らした区は、その⽇の気温に左右されることがわかった。

図５ 装置による蒸発量⽐較（２）蒸発に伴う 3 ⽇間の成分変化（低濃度富栄養化⽔の場合）３⽇間の蒸発に伴って⽔質がどのように変化するか分析した（図６）。なお紙⾯の関係上、低濃度の結果だけを掲載している。分析は共⽴理化学研究所製の DPM-MT で⾏った。

2

図６ 蒸発に伴う 3 ⽇間の成分変化（横軸の単位は day）
実験の結果、徐々に濃度が⾼まっていることがわかる。しかし p H はほぼ変化しなかった。濃縮効率は⽵すだれ区、ホウキ草区、⽊綿布区で良いことがわかる。特に⽵すだれ区が優れていた。また無電源でも表⾯積が⼤きい⽊綿布は⾼い濃縮率を⽰した。これは蒸発量と同じで、濃縮するにはいかに効率よく蒸発させるかが重要であるかがわかった。
（３）継ぎ⾜しによる実⽤化試験（低濃度富栄養化⽔の場合）
途上国でこの装置を⽤いる場合、短期間で効率よく濃縮することが重要である。そのためある⼀定量蒸発するたびに富栄養化⽔を継ぎ⾜し、濃度を⾼めていくことになる。そこで実際に実⽤化試験を⾏った（図７）。濃縮期間は 11 ⽇とした。なお富栄養化⽔の補充は蒸発⼒が⾼い⽵すだれ区が11 ⽇間で６L、ホウキ草区・⽊綿紐区、⽊綿布区は３L、Control は蒸発が少なく無補充となった。

3図７ 継ぎ⾜しによる実⽤化試験
どの区も濃縮開始の原液より継ぎ⾜したこともあり、11 ⽇間で濃縮されているのがわかる。特に装置を⽤いる⽵すだれ区、ホウキ草区はアンモニア態窒素で４〜５倍、リン酸態リンでは約 6 倍も濃縮されている。また⽊綿紐区、布区も蒸発させる仕掛けのない Control より濃縮されていた。
（４）濃縮の総合評価
実験前に私たちが考えていたとおり「蒸発⼒＝濃縮⼒」となった。⽵すだれ区はホウキ草区よりも効率よく濃縮できた。ホウキ草区は富栄養化⽔をポンプで屋根状の枝に⽔滴を垂らすのだが、⽵すだれ区はもっと⼩さなミストで噴霧する。⼀般的な⽔滴のサイズは約１mm だが、私たちの使ったミストの粒径は 0.01〜0.1mm と極⼩のため、すぐに気化して濃縮が進んだと考えられる。また
無電源装置では⽊綿布区の濃縮⼒が⾼かった。これは紐に対して薄い⽣地の⽅が空気に触れる表⾯積が広いためだと思われる。この実験は 6〜7 ⽉に⾏ったが、気温の⾼い途上国ではより蒸発するのでより効果的だと考えられる。表３は⾼濃度富栄養化⽔を⽵すだれ区で継ぎ⾜し濃縮後、消毒も表３ ⾼濃度富栄養化⽔を⽤いた液肥製造過程の成分変化
項⽬
原液（⾼濃度富栄養化⽔） ⽵すだれ継ぎ⾜し濃縮後
1/2 煮沸後pHEC（μS/cm）

7.1

6.9

6.5

1,001

1,909

3,848

NH4-N（mg/L）

18.56

45.28

60.8

NO3-N（mg/L）
PO4-P（mg/L）

8.48

19.84

61.44

1.52

1.72

2.04TH（mg/L）

4552

914兼ねて 1/2 になるまで煮沸して製造した液肥の成分変化である。完成に 2 週間要したが、⽵すだれ継ぎ⾜し濃縮後は、ハイポネックス 6-10-5 の 1500 倍液相当、煮沸後は 500 倍液相当となった。な
お濃縮に⽤いた消費電⼒は当然⽊綿紐と布ではゼロだが、１⽇あたりのミスト（⽵すだれ区）で200wh、ポンプ（ホウキ草区）で９wh となる。しかし途上国の乾季に太陽光発電を⾏えれば⼗分実⽤化可能だと考えられる。
（５）栽培試験
低濃度富栄養化⽔の⽵すだれ継ぎ⾜し濃縮で製造した液肥でトウモロコシの育苗を 3 週間⾏った（図８）。⾃作液肥成分は表４に⽰す。栽培試験の結果、草丈、葉⾊値（図 9）から判断しても、低濃度の富栄養化⽔であっても明らかに肥料効果が⾒られた。
表４ 低濃度富栄養化⽔から⾃作した液肥
項⽬
⽵すだれ継ぎ⾜し濃縮法
pHEC（μS/cm）
NH4-N（mg/L）

7.0
3,922NO3-N（mg/L）

30.3
1.52

PO4-P（mg/L）

42.4

図８ トウモロコシ（左：無肥料
306020SPAD

草丈(cm)

8040200右：⾃作液肥）Control

濃縮10Control

濃縮0123123
図９ ⽵すだれ継ぎ⾜し濃縮法で製作した液肥を⽤いた草丈と葉⾊値の⽐較（横軸単位：週）

４結論

途上国に多い富栄養化池沼は肥料や家畜排⽔な
表５ 湖沼における富栄養化湖沼の割合（％）
どが原因である。放置すると藻類が発⽣し排出する毒性のあるマイクロシスチンによるブルーベビー症候群の原因となる。これは世界の農村部で約７％が死亡する⼤きな問題である。本研究はこの厄介者であるたくさんの富栄養化池沼（表５）を暮らすうえで⽋かせない肥料資源に変換しようと取り組んだものである。また開発にあたっては温暖化を考慮し、古来の枝条架製塩法を参考に⾃然エネルギーもしくは消費電⼒の少ない⼩型装置を⽤いて蒸発濃縮する⼯夫をした。実験は⻘森で⾏ったが⼗分な結果が得られた。熱帯、亜熱帯の途
上国では太陽光発電などと組み合わせると低コストで⼤量の液体肥料を製造できると考えられる。
毒性のない富栄養化池沼が条件だが、低コストで簡易な技術は国際紛争やエネルギー資源の⾼騰により約 2 倍に値上がりしている肥料対策となり、特に⾷糧問題を抱えている途上国にとって有意義である。また過剰栄養分を定期的に回収することで藻類の発⽣を抑制し、農村の持続的暮らしと健康維持にも繋がる。現在、世界への情報発信の準備中だが SDGs 達成に貢献できると確信している。
5