関東森林研究 73 (2022)

速 報

Plant-Microbial Fuel Cell の発電量に及ぼす植被と土壌含水比の影響
中村晟聡 1 ・戸田浩人 2 ・崔東寿 2
１ 東京農工大学大学院農学府
２ 東京農工大学大学院農学研究院
要旨：Microbial Fuel Cell: MFC は，新たな再生可能エネルギーとして注目されている。MFC と植物を組み合わせた
Plant-MFC は，植物の根圏滲出物や植物枯死体などの有機物供給により，持続的で安定的なエネルギー生産が期待される。本研究では，緑地への Plant-MFC 導入の基盤情報を得ることを目的とし，スナゴケおよび園芸用土壌で作成した装置を用い，土壌含水比の変化に伴う Plant-MFC の電圧を計測した。その結果，スナゴケの植被により電圧が高まり，また，土壌含水比が高いほど電圧は高くなった。このことから，水分および植物の有無が発電能力を向上させることが示唆された。
キーワード：緑地, 微生物燃料電池, 再生可能エネルギー

Effect of plant cover and soil moisture content on the power generation ofPlant Microbial Fuel Cell
Akitoshi NAKAMUERA1, Hiroto TODA2, Dongsu CHOI2
1 Graduate School of Agriculture, Tokyo University of Agriculture. and Technology
2 Institute of Agriculture, Tokyo University of Agriculture. and Technology

Ⅰ はじめにく変化する。そのため，本研究では植物の有無および土世界のエネルギー需要量は今後ますます増加が見込ま壌含水比の変化が Plant-MFC における発電量に与える影れており，特に再生可能エネルギーの需要量は，２〜３響を明らかにし，Plant-MFC の緑化現場への導入に向け倍の増加が予想される。しかしながら，エネルギー需要た基礎情報を得ることを目的とした。の大部分は化石燃料等が占めるとされており，2030 年のⅡ 材料と方法

予測でも再生可能エネルギーの割合は５〜６%と低い(６)。再生可能エネルギーの供給拡大のためには，エネル

１．調査方法 本研究は，自作した発電装置を用いて，ギー源を多様化させ安定的に供給できるようにしていく

東京農工大学府中キャンパスで行った。装置は，植木鉢(３号)の底から, 市販土壌(50 g), 負極(5 cm), 市販土壌必要がある。
Microbial Fuel Cell (MFC)は，微生物（発電菌）を利用(100 g), 正極(5 cm), スナゴケを順に入れ作成した。電極して有機物を電気エネルギーに変換させる装置であるには，ステンレス鋼の表面を炎で参加した炎酸化ステン(５)。
MFC は，水質浄化など発電以外の機能も報告され，レス鋼（５cm×５cm=25 cm2）を用いた(４)。Plant-MFC は，新たな再生可能エネルギーとして注目されている。さら温度平均 21 ℃，LED により光照射を５時間 15 分/日とに，MFC と植物を組み合わせた Plant-MFC は，植物からした恒温機に設置し，25 日間行った。

根圏滲出物や枯死体などの有機物が持続的に供給される土壌含水比の変化様式の異なる処理区１（湿潤→乾燥→湿潤），処理区２（乾燥→湿潤→乾燥）を設定し，それため，安定的なエネルギー生産が期待される。
発電菌は酸素がない嫌気条件で電極に電子を渡し代謝

ぞれの処理区において植被の有無によるスナゴケありとを行うことから，日本における Plant-MFC 研究は主に田スナゴケなしの装置を作成した。潅水は，蒸発分を調整んぼで行われており，都市公園や屋上緑化など非嫌気環し，目標の土壌含水比となるように１日に一回，正午前境における研究例がない。緑地は，水田とは異なり，気に行った。各処理区で，発電量がどう変化するかを評価

温や降水量，場所，立地によって土壌の水分条件が大きした。

－159－（受理日 2022 年 2 月 1 日）

２．調査項目 以下の項目を調査した。
1）電圧(mV) データロガー（GL840-SDM, GRAPHTEC,Yokohama, Japan）により，各処理区の電圧の変化を 10 分*:p<0.05(T検定)毎に記録した。潅水による電圧変化を詳細に記録するた

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め，潅水直後１時間（12:00〜13:00）は 10 秒ごと記録し＊た。

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2）土壌含水比 Plant-MFC 装置の重量を毎日測定し，乾燥細土重量を分母として土壌含水比を求めた。
3）土壌微生物バイオマス 土壌含水比が 35%，65%，85%となった時に，ルミノメーター(SS3, systemSURE Plus，

図-１. 土壌含水比毎の電圧

Hygiena, CA, USA)を用いて ATP 法により評価した。

＊：処理区毎のスナゴケ有無による電圧の有意差

4）上下電極付近の土壌含水比 土壌含水比が 35%〜85%まで 10%ごとに測定した。

表-１. ４分類それぞれにおける各土壌含水率の電圧の5）土壌化学性 実験初期と終了時に，pH(H2O)をガラス有意差検定の結果

電極法で，全炭素・全窒素含有量を CN コーダー(MT-700,YANAKO, Tokyo, Japan)により測定した。
Ⅲ 結果と考察
１．土壌含水比と植被の電圧への影響 Plant-MFC の電圧は，潅水処理の違いにかかわらず，土壌含水比の増Ⅳ おわりに減と同調していた（表-１）。また，電圧は土壌含水比が同じ場合でも，スナゴケありがスナゴケなしより大きく

土壌の微生物バイオマス，C/N，pH と電圧の間には明なり，スナゴケによって有機物が供給され，発電能の向瞭な関係がみられず，スナゴケの有機物供給による発電上につながったと考えられる（図-１）。また，発電には，への影響は不明であった。今後，根系が発達する植物に最低でも 35〜45%の土壌含水比が必要であり，高水準（最よる効果や，野外の緑地での Plant-MFC 発電量を調べて大の８割）に電圧を保つには 55〜65%以上の土壌含水比いく必要がある。

を保つことが必要であった（図-１）。
２．スナゴケの有無による土壌含水比の変化 スナゴ

引用文献

ケありの装置では，スナゴケなしの装置に比べ，土壌含( １ ) McCormick AJ, Bombelli P, Bradley RW, Thorne R,水比の減少速度が低下し，スナゴケによって発電に適しWenzele T, Howe CJ (2015) Biophotovoltaics:oxygenic

た含水比の持続期間が長くなるといえる（図表省略）。

photosynthetic organisms in the world of bioelectrochemical

３．潅水による電圧変化 潅水後 10〜20 秒で電圧のsystems. Energy and Environmental Science 8: 1092-1109

上昇がみられた。
スナゴケありではスナゴケなしと比べ，(２) Helder M (2012) Design criteria for the Plant-Microbial

潅水から次の潅水まで上昇した電圧は保たれ，潅水に伴Fuel Cell Electoricity generation with living plants-from lab to

う電圧の変化は小さかった。そのため，スナゴケによりapplication. PhD thesis, Wageningen University

電圧が保たれ，安定性が向上すると考えられる（図表省(３) 石井俊一・関口勇地 (2008) 微生物燃料電池におけ略）。

る微生物による電子輸送. 日本微生物生態学会誌 23 (2):４．各土壌含水比と微生物バイオマス 微生物バイオ

58-70

マスの変化に有意差はみられず（図表省略），電圧の変化(４) 浦嶋泰文・唐澤敏彦・中塚博子・林 正紀・徳田進一

は微生物の増減ではなく，発電に関わる微生物の活性の(2017) ATP 測定キットを用いた簡易迅速な土壌微生変化であることが示唆された。また，土壌 pH や C/N なバイオマス評価法. 日本土壌肥料学雑誌 88 (4): 336-338

ども同様に有意な差はなかった（図表省略）。

(５) 上岡永佳・渡辺一哉 (2016) 微生物燃料電池技術を用いた水田発電. Electrochemistry 84 (2): 104-106(６) 経済産業省資源エネルギー庁 (2018) エネルギー白書－

160－