技術戦略研究センターレポート

温室効果ガス N₂ O の抑制分野の技術戦略策定に向けて2021 年 6月

Vol.

105

はじめに………………………………………………………………………2

1
2
3

章 解決すべき社会課題と実現したい将来像… ………………………4

1-1 社会課題と将来像の定義………………………………………………………… 4
1-2 解決・実現のための方法………………………………………………………… 6
1-3 環境分析とベンチマーキング… ……………………………………………… 11章 解決・実現手段の候補…………………………………………… 21

2-1 解決・実現のための課題……………………………………………………… 21

2-2 分析から得られた具体的実現手段の候補… ………………………………… 21
2-3 技術開発の方向性……………………………………………………………… 25
章 おわりに…………………………………………………………… 27

T S C とは Technology S trategy C enter（ 技 術 戦 略 研 究センター）の 略 称です。

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
技術戦略研究センター（ TSC）

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて

Climate Change）は、こうした気温上昇の原因として人はじめに為起源で排出された温室効果ガス（GHG：GreenhouseGas）の可能性が極めて高いと報告している※ 1。そのなかで亜酸化窒素（N 2 O）は、主要な GHG の一つと考えら

世界の平均地上気温は、産業革命が始まった 18 世紀れている。図 1は IPCC が報告した人為起源によるGHG

後半から上昇し続けている。国連気候変動に関する政の年間発生の内訳であり、GHGとしての発生量（CO2 換

府 間 パネル（IPCC：Intergovernmental Pannel on算）では N 2 O が第 3 位（6％）を占めている※ 2。

その他, 2％N2O, 6％

CH4,
16％

2010年
490 億トン（CO2 換算）

CO2,
76％

図1

人為起源の GHG 発生内訳（CO₂ 換算） （IPCC 第 5 次報告書による）

出典：C limate Change 2014 Synthesis Report（IPCC、2014）に基づき NEDO 技術戦略
研究センター作成（2020）※ 1 IPCC の気候変動に関する第 5 次報告書（Climate Change 2013: The Physical Science Basis）.

		 https://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/※ 2 IPCC の報告に基づくと人為発生の N 2 O は年間約 1,100 万トンと計算されている。

Vol. 1052

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けてN2 O は大気中で長く滞留し、地表から放出された熱をで N2 O が発生することとなった。このように、N2 O の発生

吸収する能力も高いことから、CO2 の約 300 倍の強い温が農業生産と深く関係していることから、N 2 O の問題は室効果を有するといわれている。大気中の N2 O 濃度は

人類の「食料」に深く関係する問題であるとの認識が特2019 年では約 332.0 ppb であり、CO2 濃度 ※ 3 に比べてに欧州において広がっている。

わずかではあるものの、増加の一途をたどっている（図「2050 年までに、温室効果ガスの排出を全体としてゼ2）※ 4。CO2 同様、大気中の N 2 O の増加を抑制する対策

ロにする」※ 6ことを宣言した日本としては、CO2 の排出削が必要と考えられている。

減はもとよりN2 O の発生抑制についても取り組む必要があ

20 世紀に大気窒素から合成されるアンモニアを原料る。あわせて、N 2 O 抑制への取組が、場合によっては食とする肥料を使用することで食料増産が可能になった反料の安定供給にマイナスの影響を及ぼしかねないといっ

面、窒素分（余剰窒素）が地表を移動するうちに、様々たトレードオフの問題を含め、日本はいち早く解決に向けな場所で微生物等が持つ酵素反応や種々の代謝作用た技術開発を国家的課題として取り組む必要がある。

（以下、バイオ作用と称する）により化学変化し、その中＊温 室効果ガス世界資料センター（WDCGG）が収集したデータを基に解析した結果。
青色は月平均濃度。赤色は季節変動を除去した濃度を示す。

図2

大気中の N₂ O 濃度の全球平均経年変化

出典：気象庁ウェブサイト※ 5（2020）※ 3 二酸化炭素濃度の経年変化 . 気象庁 .

		 https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html※ 4 地球全体の二酸化炭素の経年変化 . 気象庁 , 2020.

		 https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/n2o_trend.html※ 5 地球全体の二酸化炭素の経年変化 . 気象庁 , 2020.

		 https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/n2o_trend.html※ 6 第二百三回国会における菅内閣総理大臣所信表明演説 . 首相官邸 . 2020-10-26.

https://www.kantei.go.jp/jp/99_suga/statement/2020/1026shoshinhyomei.html

3Vol. 105

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて1 解決すべき社会課題と実現したい将来像章

1 -1 社会課題と将来像の定義
抑制の対象とすべき人為起源の N2 O 発生について、その内訳については種々報告されている。図 3は IPCC
が報告した大気中の N 2 O 濃度に基づく発生内訳（N2 O換算）である。図 3の中で農業は59％で最大を占め、河川（湖沼）
・河口・海岸は 9％を占めていることがわかる。

河川
（湖沼)・

人間排泄物
窒素降下物 3%

河口・海岸
9%

9%

90万トンN2O/ 年
バイオマス燃焼10%640万トンN2O/ 年
農業
59%

化石燃料
10%
図3

IPCC 第 5 次報告書に基づくN ₂ O 発生内訳（2006/2011 時点）

出典：IPCC 第 5 次報告書（2014）記載のデータに基づき NEDO 技術戦略研究センター作成（2021）

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて（1）農業分野

から発生するN2 O の抑制に注力することが重要と考えら

農業分野を更に詳細に分析するため、国連食糧農業

れる※ 8。

機 関（FAO：Food and Agriculture Organization（2）河 川（湖沼）・河口・海岸分野（以下、河川・湖

of the United Nations）のデータ※ 7 に注目する。図

沼分野と略す）4は FAO が積み上げ式で集計した農業分野におけるN 2 O 発 生 の 内 訳（N 2 O 換 算 ）である。化 学 肥 料（ 世

図 3では河 川・湖 沼 分 野 からは年 間 約 90 万トンの界：31.2％、日本：32.0％）、作 物 残 渣（ 世 界：9.9％、日N2 O が発生しているとされている※ 9。河川や湖沼におけ本：9.8％）、家畜糞・堆肥（土壌）（世界：8.5％、日本：

るN2 O 発生については農耕地に比べ観測データが不足

14.9％）、泥炭地耕地（世界：5.7％、日本：7.6％）が農しているが、例えば Readingらは、オーストラリア南部の耕地由来で、家畜糞・堆肥（牧草地）（世界：38.4％、日都市 Coffs Creek における河川や河口付近の N2 O 発生

本：20.6％）、家畜糞・堆肥（製造）（世界：6.3％、日本：をモニタリングし、河川に流入する窒素分が N 2 O 発生の15.1％）が牧畜由来の N 2 O 発生である。

原因であること、N 2 O が常時発生しているわけはなく、間世界の N 2 O 発生要因の中で多くを占める家畜糞・堆欠的に発生していることを報告している※ 10。

肥（牧草地）であるが、日本国内では牧草地に家畜を放我々が目指すべき将来像は、食料の安定供給や、河牧する形態が少ないため割合としては少ない。このよう川・湖沼の環境を維持・向上しながら、気候変動に影響な傾向を考慮し、日本としては、国内のみならず世界的を与えるN 2 O の発生を抑制することを通じて、人間社会にみても比率の高い農耕地、特に化学肥料や作物残渣と地球環境との調和を実現する持続可能な社会である。

泥炭土壌耕地
家畜糞・堆肥（製造） 5.7%
6.3%
家畜糞・堆肥（土壌）
8.5%
作物残渣
9.9%

泥炭土壌耕地7.6%

家畜糞・堆肥家畜糞・堆肥15.1%

世界人為起源 38.4%
N2O 730万トンの内訳(2017)

家畜糞・堆肥（土壌）20.6%

国内人為起源N2O 2.5万トンの内訳(2017)

14.9%

化学肥料

作物残渣
9.8%

31.2%
図4

（牧草地）

（製造）

（牧草地）

家畜糞・堆肥化学肥料
32.0%

農業分野における N₂ O 発生内訳（2017）

出典：FAO 公表の GHG インベントリに基づき NEDO 技術戦略研究センター作成（2021）

※7

※8

※9

http://www.fao.org/faostat/en/#data

農耕地で開発された技術を牧草地に展開するという可能性は排除しない。

河 川・湖沼からの N 2 O 発生については IPCC の第 5 次報告書で第 4 次報告書に比べ大幅に小さく評価されたが、発生量が過小に見積もられているという議論がある点を付記しておく。

※ 10 N 2 O の間欠的発生を示す論文：Reading, M. J. et al. Shifting nitrous oxide source/sink behaviour in a subtropical estuary revealed by automated time series
observations Estuarine. Coastal and Shelf Science. Vol.194, 2017, pp 66-76.

5Vol. 105

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて2 種類ある。一つは、人類史以前の太古の時代から既

1 -2 解決・実現のための方法に存在していた、微生物による大気中窒素の固定反応（「窒素固定」と称する）である。もう一つは、窒素を含農 耕 地や河川・湖 沼において、バイオ作用によってむ化学肥料（「窒素肥料」と称する）の投入である。20

N2 O が発生するメカニズムについて簡単に説明する。図世紀初頭に発明されたハーバー・ボッシュ法と呼ばれる

5は農耕地におけるN 2 O 発生を示す概念図である。同様

化学プロセスは、高温高圧条件において窒素分子からアな化学反応は、農耕地だけでなく河川・湖沼でも起こっンモニアを合成することを可能にした。これによって製造ていると考えられている。

された窒素肥料を農耕地に散布することで 20 世紀の農業生産は飛躍的に拡大した。

地中に窒素化合物が供給される方法は大きく分けて

図5

農耕地（土壌）におけるバイオ作用による N₂ O 発生のメカニズム

出典：東北大学南澤教授の監修のもとNEDO 技術戦略研究センター作成（2021）

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて地中の窒素成分は残念ながら作物に即座に吸収され

ただ、この化学反応を担う酵素の活性がしばしば低下

るわけではなく、吸収率は多くて約半分と言われている。

することがあり、そのような場合には、N 2 O は水に溶けにく

吸収されなかった窒素成分はバイオ反応による酸化ある

いため微生物が迅速に N2 に転化できないとN2 O は大気

いは還元を受け、種々の物質に変化する。窒素化合物

中に揮散してしまう。これが N 2 O 発生の一つのメカニズムの変化の状態は、生息する微生物の種類のほか、土壌と考えられている。

に含まれる水分や酸素、地温等によって変化するが、大土壌における濃度の測定が難しいので、より精密な定

別すれば、地中に酸素がある場合には硝酸に向かう反量値が報告されている河川・湖沼のデータを基に説明す

応（「硝化反応」と称する）、地中に酸素がない場合にはる。河川や湖沼に存在する種々の窒素化合物の大まか

硝酸から酸素が奪われていく反応（「脱窒反応」と称すな濃度関係は図 6のとおりである。

る）、の 2 方向の反応経路に整理することができる。N2 O
はこれら硝化反応、脱窒反応の両方の過程において発生し、特に脱窒反応では反応の最終段階で N 2 Oを経由する下記の反応が存在することが知られている。

N 2 O → N2 + [O][NO3-]

脱窒 硝化
寄与 寄与
↓
↓

N2Oの発生量： Δ[N2O] = a + b - c…~ 10-5 mol/L

河川、湖沼では、通常[NO2-] …~ 10-7 mol/La, b, c >> Δ[N2O]aが成り立つ。
季節や昼夜その他の環境条件に依存してバイオ作用が変化する。
特に、[N2O] …~ 10-8 mol/La or b >> c

[NO]…水中では不検出b[NH2OH]…~ 10-8 mol/L[NH4+]…~ 10-6 mol/L

図6cが成り立つと Δ[N2O]の急激な増加がおこる。

[N2] …~ 10-4 mol/L

河川・湖沼における窒素化合物の濃度と化学変化過程

出典：京都大学木庭教授の情報を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2019）7

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて据えて、従来の農業生産活動の範囲で導入できる

河川・湖沼中の N 2 O は、濃度が 10 -8 mol/Lレベルでこと。

非常に希薄であり、この程度の濃度では大気に放出され（エ）河川・湖沼への適用については、河川や湖沼のることはない ※ 11。しかし、硝 酸イオン（NO3 -）の濃 度が整備計画の一環として実施できること。

高い等の一定の条件のもとでは、硝酸イオンを脱窒反応
で N 2 にまで還元し酸素源として用いる微生物の働きにより、硝酸イオンから酸素原子が順次奪われてく反応の途

窒素肥料を削減すれば発生するN2 O は減少すること中で多くの N2 O が生じる場合がある。その際に、N2 Oをから、例えば、窒素肥料削減方法の中には水耕栽培やN 2 に転化する微生物の働きが弱い等の条件が重なると植物工場といった方法が考えられる※ 12 が、地球規模で脱窒反応が進まなくなり、その場合に N 2 O が大気中に放考えると土壌栽培は今後も農業の主流として存続するは出されること（N 2 O の発生）が起こるといわれている。さずであり、水耕栽培や植物工場が 2050 年までに土壌栽

らに、水中にアンモニウムイオン（NH 4 +）が存在する場合

培に取って代わることは考えにくい。したがって本レポート

は NH 4 の酸化もまた同時に起こっており、その反応の途

では土壌栽培を前提とした解決方法に焦点を当てること中においてもN 2 O が発生する。この場合の N 2 O の単位

とする。

+

このような考え方に立ち、次の四つの解決方法を提案

時間単位体積当たりの発生量（図 6 中のΔ[N 2 O]）は、ア

して環境分析とベンチマーキングを行った。

ンモニウムイオンの酸化（図 6 中の b）と硝酸イオンの還元（図 6におけるa）によるそれぞれの発生量の和と、N2 Oの還元による減少量（図 6 中の c）との差で表される。a、【N2 O 抑制を実現するための方法】

b および c は季 節や昼 夜その他の環 境 条 件によっても①窒素肥料の抑制（機能性肥料の利用等）

刻々と影響を受けるため、それに伴って N 2 O の発生量が単純に肥料を減らすと農産物の減収につながるため、変化していると考えられている。土壌中の窒素化合物に施肥効果を高めて施肥量を抑制する視点から、肥料をついても、概ね河川・湖沼と同様な挙動を示しているもの

樹脂等で被覆して土壌への浸透速度を制御する被覆肥と推定される。

料が開発されている。このようないわゆる機能性肥料を

上記のような理解に基づき、本レポートでは N 2 O 抑制

更に多機能化することが考えられる。また、大豆などマメを実現させるための方法を検討した。その際、前述した科の植物には根に窒素固定を行う根粒菌と呼ばれる微N2 O 発生の特徴や手法の適用にかかわる障壁を極力生物が共生しており、窒素肥料をほとんど必要としないこ

小さくする観点から以下の四つの要件を考慮した。すなとが知られている。さらに日本の水田にも窒素固定を行う

わち、微生物が存在することが最近の研究で明らかになってお（ア）ごくわずかな濃度の N2 O の発生源が面的に広くり※ 13、このような窒素固定微生物の機能を最大化あるい

分布している状況を効果的に抑制できること。

は適用できる品種を拡大することが考えられる。

（イ）発生した N2 Oを濃縮や移送することなく現場で処②バイオ作用の抑制（硝化反応の抑制等）
肥料が作物に吸収されずに土壌へ浸透していくことの理できること。

抑制と同じ意味で、肥料のバイオ作用による変化を抑制（ウ）農耕地への適用については、グローバル展開も見※ 11 N2 O は水に溶けにくい性質を持つが、大気中の濃度が約 300 ppb の場合、水に約 10 -8 mol/L 程度溶解することを意味する。

※ 12 水耕栽培では発生する N 2 O が増加するという報告があるため、窒素肥料が削減できても N2 O の抑制には寄与しないという可能性がある。

※ 13 増田曜子ほか . 水田土壌における鉄還元菌窒素固定の発見と応用 . 科学と生物 . vol.58, no.3, 2020, p.143-150.

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けてすることによって植物に窒素化合物が吸収される効率をな種から見出されている。このようないわゆる外来微生物

高めようとする技術が開発されている。具体的には、硝化は、単純に農耕地に添加しても元々土壌に生きている微抑制剤等の使用によって窒素肥料が植物の吸収に必要生物（土着微生物）との競争に打ち勝てないことが知らなだけの硝酸イオンに変化するようバイオ作用を制御し、れている。有用な微生物を発見あるいは機能を遺伝子

過剰な硝酸イオンが土壌に残って N 2 O 発生の原因となる改変等により人工的に強化し、そのような有用微生物をことを防ぐ。ただ、植物は種によって硝酸イオンの吸収の農耕地で安定に成育させるといったことが考えられる。

仕方が異なるので、N2 O 抑制のためとはいえ硝化抑制剤④発生した N 2 O の吸収・転化を過剰に用いると生育に影響の出る作物もある。したがっ大気中に拡散した N2 O は非常に希薄であることから、て、投入量やタイミングを含め、硝化抑制剤の処方は植一旦大気に放出された N 2 Oを化学吸着により回収あるい物の種類や栽培方法と強く関係していることを考慮するは他の窒素化合物へ転化することは現時点では技術的必要がある。現状の硝化抑制剤の機能に対し、効力をに困難であり実現できていない。しかし、間欠的に発生し高める（制御する）、あるいは適用先を拡大するといった

た N2 O の濃度 ※ 14 で機能を発揮する触媒、吸着剤等が方法が考えられる。

開発されれば、それを利用して N 2 OをN 2 に転化する、あ③バイオ作用の促進（脱窒反応の促進、別代謝経路のるいは吸着して大気放出を抑制する等の可能性が出てく利用等）る。そこで、排ガス等の浄化技術を本課題に適用するべN 2 OをN 2 に転化する反応（「N2 O → N 2 転化」と称す

く更に進化させ、土壌中で N 2 O が発生し、大気に拡散る）を担う微生物の力を高める、あるいは上記反応を進する前の比較的高濃度な段階で適用することで大気へめる能力が高い生物を農耕地に添加するといったことがの拡散を未然に阻止することはあり得ると考えられる。

考えられる。大豆では既に N2 OをN2 に転化する能力の高い根粒菌（あるいは根粒菌と共生する微生物群）が①～④の解決方法について、図 5の概念図にマッピン

微生物資材として販売されている。また研究では、N 2 O

グしたものを図 7に改めて示す。図 5の反応経路にいずをN2 に転化する酵素を遺伝子に持つ微生物がいろいろれかの解決方法が関与していることを示している。

※ 14 間 欠的に N 2 O が発生する場所をホットスポットと呼び、発生している瞬間をホットモーメントと呼ぶ。ホットスポット / ホットモーメントでは、大気濃度の 100 倍程度の濃度のN 2 O が放出される場合があると言われている。

9Vol. 105

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて＊図中の番号①～④は本文の解決方法①～④に対応

図7

農耕地（土壌）における N₂ O 抑制の方法まとめ

出典：東北大学南澤教授の監修のもとNEDO 技術戦略研究センター作成（2021）

Vol. 10510

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けてすることが決められた。日本も「革新的環境イノベーション

1 -3 環境分析とベンチマーキング

戦略 ※ 17」や「2050 年カーボンニュートラルに伴うグリーン
成長戦略 ※ 18」が 2020 年に公表され、「2050 年までに、（1）N2 O 抑制に関連する政策動向

温室効果ガスの排出を全体としてゼロにする」ことが発表された。

各国の GHG 抑制関連政策を表 1にまとめる。主要国の政策では、CO 2 以外の GHG に対する対策の重要性

研究開発の分野では、欧州で Horizon 2020の援助と目標が言及されている。特に欧州では「欧州グリーンを受けて土壌機能の理解および活用を目的とした国際研

ディール（A European Green Deal）※ 15」で 2050 年

究プログラムがスタートした（EJP SOIL ※ 19）。しかし研究におけるGHG ニュートラルを宣言し、その一環として「農対象に CO 2 固定（sequestration）はあるものの N2 O 抑場から食卓まで戦略（Farm to Fork Strategy）※ 16」制は含まれていない。日本はムーンショット型研究開発事業を公表し、農業関係の GHG 削減に向け食物の環境負（以下、ムーンショット事業）で窒素の新しい循環を課題

荷の大きさを付加価値税に反映させる取組等を検討してに掲げ、2020 年に N 2 O 抑制分野の技術開発をスタートいる。フランスでは食物の環境負荷（GHG 排出を含む）

させた。

を評価し、
「エコ・スコア（eco-score）」という形で表示
表1

各国の GHG 抑制関連政策
国

日本

政策

革新的環境  5分野16課題39テーマを選定しアクションプラン等を作成
イノベーション  上記5分野のなかにゼロエミ農林水産業を掲げ、農畜産業からのN2O排出削減戦略 アクセラレーションプランとしてムーンショット型研究開発制度が記載

欧州

シナリオにおける数値目標
2050年におけるGHG排出80%抑制

 N₂Oの発生に係る土壌微生物の生態解明
 GHG と水質汚濁物質を削減する生物的硝化抑制（ BNI ）能強化品種の開発

2050年においてカーボンニュートラルを目指す

 家畜の管理、肥料化の改善、飼料改良、化学肥料からの転換等
 森林拡大土壌部門での貯蔵:2050年排出量比23～45%以上
非CO2排出量: 2005年比▲10～30%

EUGreenDeal  欧州グリーンディールの制定（「農場から食卓まで戦略」により肥料の使用削減）(Horizon 食品の環境負荷を付加価値税に反映検討
2020/Europe)  （trace-SOIL）土壌のCO2等吸収能力に着目しGHG固定技術への応用を目指す

2050年までに気候中立の実現
2030年までに化学肥料20%削減
2030年までに農地の25%を有機農地に畜産をGHG抑制ターゲットに(-7%)

グリーン成長戦略

米国

シナリオが目指す主なビジョン

長期戦略(～2050)

ドイツ

長期戦略(～2050) 過剰となる窒素分の削減
 廃棄物系バイオマスのエネルギー利用は多様な分野に貢献
 森林の吸収源効果の維持・向上

農業部門排出量(80シナリオ):
1990年比▲42%

フランス

長期戦略
(～2050) 窒素サイクルの最適化、省資源農法の拡大、有機肥料への転換
 食品の環境負荷表示「エコ・スコア」にCO2排出量考慮
 家畜排せつ物のメタン発酵
 木材需要の増加、副産物・廃棄物系バイオマスの利用による高付加価値化

農業部門排出量:2010年比▲1/2

カナダ

長期戦略
(～2050) バイオ製品の供給
 森林の管理方法の変更(5つのシナリオごとに部門内での分類が異なるため割愛)

中国

第13次5か年  アンモニア性窒素の排出総量削減(～2020) 化学肥料や農薬の使用量の伸び率をゼロにする取り組み

アンモニア性窒素の排出総量:
2015 年比▲10%

出典：政府公表資料等に基づき NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）※ 15 h ttps://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en※ 16 h ttps://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal/actions-being-taken-eu/farm-fork_en※ 17 革新的環境イノベーション戦略 , 概要版 . 2020.

https://www.nedo.go.jp/content/100904224.pdf※ 18 2 050 年カーボンニュートラルに伴うグリーン成長戦略を策定しました . 経済産業省 . 2020.
https://www.meti.go.jp/press/2020/12/20201225012/20201225012.html※ 19 h ttps://projects.au.dk/ejpsoil/

11

Vol. 105

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて（2）N2 O 抑制に関連する市場動向

ある※ 20。

当該技術の実用化形態として機能性肥料が想定さ

図 8にアジア諸国におけるN2 O 発生量の比較と国ごとれるため、機能性肥料の一つである緩効性肥料の市場の発生内訳を示したが、アジアには日本よりN2 O 発生のを例に考える。MarketsandMarkets 社の調 査によれ多い国が多く存在し、日本とN2 O 発生内訳が類似していば、緩 効 性 肥 料の市 場は世 界で 24 億ドル（2020 年 ）、ることから、日本において開発した技術をアジア地域に展

32 億ドル（2025 年）と、年率 6.3％の着実な伸びが期待

開するといったシナリオが考えられる。

され、地域内訳としてはアジア太平洋地域が最大市場で800,000

家畜糞・堆肥
泥炭土壌耕地
（製造）
0.2%
10.3%
家畜糞・堆肥tN2O

700,000

中国人為発生N₂O 120万t（2017）

作物残渣
10.5%

600,000

泥炭土壌耕地2.5% 家畜糞・堆肥

（牧草地）
18.3%

家畜糞・堆肥（土壌）
9.3%

500,000

家畜糞・堆肥（製造）
12.4%
家畜糞・堆肥
（土壌）
14.5%

化学肥料
51.4%

ベトナム人為発生
N₂O 7万t（2017）

作物残渣
9.4%

400,000

（牧草地）
15.0%

化学肥料
46.2%

家畜糞・堆肥（製造）
15.1%

家畜糞・堆肥（土壌）14.9%

300,000
200,000

https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/controlled-release-fertilizers-market-136099624.html

Vol. 105

12

ミャ

ン

マ

ピ
ィリ
フ

農耕地由来の N₂ O 発生量（アジア諸国の比較と国ごとの N₂ O 発生内訳）

出典：FAO データ（2017）に基づき NEDO 技術戦略研究センター作成（2021）※ 20 M arketsandMarkets 社ウェブサイト . 2020.

ー

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ム
トナ
ベ

シ
ドネ
ン

＊FAOデータ(2017)のインベント
リの中から、作物残渣と化学肥料
由来のN2O発生分を積算した。

イ

中

イ
ン

ア

ド

国

0

家畜糞・堆肥（牧草地）
20.6%

国内人為発生N₂O 2.5万t（2017）
作物残渣
9.8%

100,000

図8

泥炭土壌耕地
7.6%

化学肥料
32.0%

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて示したものである。

河川・湖沼分野における市場を予想することは難しい
が、市場形成の可能性がある分野としては環境ビジネス

図 9には種々の環境基準を同時に記載したが、日常生分野が考えられる。土壌や水質浄化に係わる環境ビジネ

活で不快感を生じない限度と言われている1.0 mg/L のスは国内 0.5 兆円、海外 4.3 兆円（2030 年）と推定され基準を超えている湖沼が日本にはいまだ多く存在し、さらる※ 21。日本の市場は飽和しているといわれているが、環に、ここ10 年来改善があまり進んでいないことがわかる。

境問題がクローズアップされると、関連する市場が誘起さ

湖沼の窒素濃度が高いと図 6に示した反応経路で N2 O

れてくる可能性がある。

が発生する可能性が高まると考えられる。このように河図 9は N 2 O に関係する環境負荷要因の例として、指川・湖沼におけるN2 O 抑制は、現に起こっている窒素関

定湖沼における硝酸イオンなど全窒素濃度の年次推移を

連の環境問題のひとつと捉えることができる。

約半数が
基準値超過

図9

環境基準値

2.5

2.0

印旛沼 (千葉)

環境保全: 日常生活で不快感を生じない限度

1.0mg/L

手賀沼 (千葉)
児島湖 (岡山)

水産2種: ワカサギ等の0.6mg/L 水産生物用の限度

宍道湖 (島根)

中海 (島根・鳥取)

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

釜房ダム (宮城)
2007

2003

2002

0.1mg/L

0.0

諏訪湖 (長野)

自然環境保全: 自然
探勝等の環境保全

2006

0.5

霞ヶ浦 (茨城)

水産1種: サケ・アユ等の水産生物用の限度
0.2mg/L 水道2級: 通常の浄水操作(沈殿ろ過)適用限度

2005

1.0

八郎湖 (秋田)

水道3級: 高度な浄水
0.4mg/L 操作(前処理)適用限度

2004

1.5

2001

全窒素(硝酸性・亜硝酸性)濃度 (mg/L)

3.0

琵琶湖 (滋賀)
野尻湖 (長野)日本の指定湖沼における全窒素濃度の年次推移

出典：環境省 平成 29 年度公共用水域水質測定結果に基づき NEDO 技術戦略研究センター作成（2019）※ 21 令和元年度 環境産業の市場規模・雇用規模等に関する報告書（環境省、2019）に基づき NEDO 技術戦略研究センター試算（2019）13

Vol. 105

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて（3）N2 O 抑制に関連する技術動向

N2 O 抑制技術の主な用途としては、排ガス処理、排【特許】2009 ～ 2018年に出願された特許の調査では、

水 / 汚 泥 / 廃 棄 物 / バイオマス処 理、農 業 分 野がある

N2 O 抑制技術は 200 ～ 250 件レベルのコンスタントな出（図 10（c））。

願件数で推移していることが判明している（図 10（a））。
出願人国籍では中国が 36％を占める中、日本は第 3 位（15％）であった（図 10（b））。

（a）N₂ O 抑制技術に関する出願年次推移

DWPIファミリー(件)
300

出願件数

250

（b）N ₂ O 抑制技術に関する出願の
出願人国籍内訳（2009〜2018）

200
150
100

カナダ
1%

50
0
2009

2010

DWPIファミリー(件)
1,400

2011

2012

2013 2014 2015
優先権主張年（出願年）

2016

2017

2018

1,251

1,200

(全体DWPIファミリー数：2,305件)

1,000
800

618

600

596

中国
36%

韓国
12%

日本
15%

米国
21%

(DWPIファミリー単位)

400
200
0
排ガス関連用途

排水/汚泥/廃棄物/

農業分野用途バイオマス分野用途

図 10

スウェーデン
1%
その
他
7%

フランス
1%
英国
2%
ドイツ
3%

（c）N ₂ O 抑制技術の用途別比較

ヨーロッパ
1%

 ₂ O 抑制技術（農業以外も含む）の特許出願調査結果
N

Vol. 105

14

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて

農業分野の N 2 O 抑制技術の出願について見てみる

農業分野の N 2 O 抑制技術に関する出願人の上位ランと、農 業 関 連の N2 O 抑 制 技 術は若 干の増 加が見られキングを表 2に示す。他の多くの特許出願に見られるよう（ 図 11（a））、用 途 別に細 分 すると、肥 料、土 壌 改 良、に中国科学院が 1 位を占めるが、第 2 位に BASF がラン

農薬、栽培 / 飼育、培養 / 発酵に分けられる。さらにそれクインしていることが注目される。

ぞれの用途分野において国別に比較すると、中国国籍の出願がどの分野も多いが、なかでも肥料および土壌改良の出願が特に多いという特徴がある（図 11（b））。
（a）農業分野の N ₂ O 抑制技術の出願年次推移（b）農業分野の N₂ O 抑制技術に関する出願内訳（2009〜2018）

90
80
70

ファミリー件数

60

肥料

7

32

13

102

10

10

土壌改良

6

13

10

66

6

2

農薬等

6

18

9

29

2

7

栽培（飼育）

11

10

7

44

4

3

培養/発酵

12

33

8

46

22

5

3.欧州 4.中国

5.韓国

50

韓国

40

中国

30

欧州
20

米国

10
0

日本

1.日本

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

2.米国

6.他

優先権主張年

図 11

農業分野の N ₂ O 抑制技術の特許出願調査結果

農業分野の N ₂ O 抑制技術に関する出願人のランキング（2009 ～ 2018）

表2

順位

出願人

出願＊

1

Chinese Academy of Science ( 中 )25

2BASF SE ( 欧 )18

3Inst. Agro Food Sci. & Technology Chinese ( 中 )154

Univ. Nanjing Information Sci. & Technology ( 中 )125

Korea Institute of Science & Technology ( 韓 )96Univ. China Agricultural ( 中 )87Guangxi Nanning Rongweide New Energy Technology Co. Ltd. ( 中 )78China Petroleum & Chemical Corp. Inc. ( 中 )59Guangxi Zhuang Autonomous Region Inst. ( 中 )510Univ. Myongji Ind. & Acad. Coop. Found. ( 韓 )5＊出願件数の単位はファミリー数

15

Vol. 105

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて一 方、河川・湖 沼 分 野におけるN2 O 抑 制 技 術は廃液 / 汚泥 / 廃棄物 / バイオマス処理と関係が深いと考えられる。廃液 / 汚泥 / 廃棄物 / バイオマス処理でも中国国籍の出願が多いが、日本国籍の出願については 2011年以降出願が漸減していることがわかる（図 12）。

90
日本

米国

欧州

中国

韓国

その他

80
70

ファミリー件数

60
50
57

40
30
20
10
0

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

優先権主張年
図 12

Vol. 105

 ₂ O 抑制技術（廃液 / 汚泥 / 廃棄物 / バイオマス処理関連）のN
国別特許出願年次推移（2009 ～ 2018）16

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて【 論文 】N2 O 抑制技術に係わる学術論文全体では、農業分野におけるN2 O 抑制関係の学術論文は図 14

欧州、米国、中国に水をあけられているが、バイオテクノに示すとおり年々増加している。国別の内訳では、米国、

ロジー・応用微生物学、材料関連、ナノテクノロジーの中国に続き日本は 9 位である（特許のように欧州を一つと分野においては、ある程度の競争力を有していると言える。

みると日本は 6 位）。カナダやオーストラリア、オランダなど（図 13）。

の農業国が上位を占めている点に特徴がある。

日本
6%

その他
18%
ロシア
1%
韓国
2%

中国
19%

ロシア その他
8%
4%

米国
20%

韓国
9%

全体
19213

中国
24%

材料関連
744

その他

韓国
8%

米国
12%

中国
25%

欧州
30%

欧州
34%

図 13

ロシア
3% その他 日本
4% 10%

日本
13%

ナノテク
ノロジー
315

米国
19%

欧州
31%

ロシア 16%
1%
韓国
3%

中国
24%

日本
8%

バイオ・
応用微生物
999

米国
18%

欧州
30%

N₂ O 抑制技術に係わる学術論文の国別比較（2001 ～ 2019 年出版）

出典：NEDO 技術戦略センター作成（2019）

1000

論文数

800
607

600
400

369

443

656

697

895

947

509

論文数

836

280

200

1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0

総論文数： 6239件
南北アメリカヨーロッパ

アジア・太平洋

02009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018
発行年

図 14

農業分野における N₂ O 抑制技術の学術論文の年次推移と国別比較

17

Vol. 105

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて（4）N2 O 抑制のベンチマーキングと分析まとめ

は、世界有数のバイオ系企業が存在していながら、農業【国別比較】日本は論文シェアにおいて材料技術、バイ分野の出願人上位にそれらがランクインしていないことはオ技術等に強みを有する。

注目に値する。このことは、現在のところ当該分野に対する企業の注目度合いが必ずしも高くないことを示唆して

欧州は環境規制や国際ルール作りにおいて強みを有しており、N 2 Oを含む GHG 排出に関して EU 域内、域外いる。

（食品の輸出入等）において種々の政策的アプローチを【技術別比較】表 3に農業分野以外も含めた既存ある

とってくることが予想される。

いは現在検討中の N2 O 抑制技術をまとめて示す。

中国は国内に広大な農耕地を有し、N 2 O 抑制の最大工業生産で発生する窒素酸化物（NOx 等）抑制技術の適用先になると考えられる。中国は農業を重要視してに比べると、N2 O 抑制効果は概して小さく、特に農業関おり、化学肥料は抑制するもののそれに代わる機能性肥係の従来技術は食料生産と強くリンクしている関係で、抑料等の開発を独自に進めている。

制率が最大でも40％以下にとどまっているのが現状であ

米国は、中国に次ぐ数の特許を出願し、学術論文でる。表 3に挙げる抑制技術の中では、触媒などを用いるも日本を大きく上回っており、技術的には日本より優位に工業的なN 2 O 抑制法は80％以上の高い抑制率を達成しあると考えられる。ただ、米国企業においては Johnsonているが、触媒を用いた手法では動作に高温の条件がMatthey、General Motors などが排ガス関連分野に必要とされ、農耕地を含む環境で直接適用するには低温

多数の特許を出願しているのに対し、農業分野について動作を目指した技術開発が必要である。

表3

既存の N₂ O 抑制技術とその効果

N2O発生源
汚水処理

推定抑制率

廃水処理

排出ガスのN2 / N2O比を大きくするプロセス最適化

40%

活性汚泥燃焼技術

プロセス改良（アフターバーナーまたはエアステージング）

80%

農業用土壌
(土壌に施用された肥料)

緩効(徐放)性技術 (被覆肥料等)

19%～24%土壌微生物活性を抑制する阻害剤 (硝化抑制剤等)

34%～38%「精密農業」による農業窒素効率の最適化

36%～40%農業利用の放棄92%

土壌微生物活性を抑制する阻害剤

24%

畜糞肥料の取り扱い

固体肥料システムから液体肥料システムへの移行50%

アジピン酸およびグリオキサールの生産

触媒還元または熱還元

95%

Twin reduction device technology

99%

硝酸および
カプロラクタムの生産

触媒還元または熱還元

80%

利用可能な最高のテクノロジー

94%

耕作された泥炭土壌
畜産業

抑制技術

放牧牛

工業

出典：Technical opportunities to reduce global anthropogenic emissions of nitrous oxide（Environ. Res. Lett. 13 (2018) 014011）
を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2019）Vol. 10518

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて本レポートで提案した四つの N2 O 抑制方法について、

おらず、研究開発の如何によっては ELSI（ 倫理的・法的・「環境負荷」「規制との関係」「国内外の動向」という観

社会的課題：Ethical, Legal and Social Issues）面で点でベンチーマーキングを行った結果を表 4にまとめる。

の議論や社会受容に向けた施策が必要である。農業資「環境負荷」については、硝化抑制剤（方法②）の作材（方法④）の一部は土地改良材として日本では地力増物への残留は考慮すべき課題である。緩効性肥料の材進法の適用を受ける場合がある。

料（方法①）や吸着剤、触媒等（方法④）の中に生分解「国内外の動向」では、方法①②は欧米や中国が既性に乏しい材料があると、土壌に使用した場合に残留がに注目しているが N2 O の抑制に注目した検討はあまりな懸念される※ 22。また、微生物系の資材（方法①および③）

されていない。方法③は、大豆に共生する根粒菌やアナは、在来生物との競合が予想される。

モックス菌を中心に国内外で研究されており、農耕地に「規制との関係」では、肥料（方法①）や硝化抑制剤

おいて N 2 O 抑制に効果がみられる研究例がある。方法（方法②）は日本では肥料取締法の規制を受けており、④は、工業由来（排水・排ガス）の N2 O 抑制で効果をあ

もし仮に遺伝子組換え微生物を活用する場合（方法①

げており国内外で研究が進められているものの、農耕地

および③）にはいわゆるカルタヘナ法 ※ 23 の適用を受ける。

や河川・湖沼環境において機能を発揮するにはさらなる

現状遺伝子組換え微生物の環境での生育は認められてブレークスルーが必要である。

表4

N ₂ O 抑制方法のベンチマーキング

抑制方法

具体的手段

環境負荷

規制との関係①窒素肥料の抑制

緩効性（徐放性）肥料

成分の一部が土
壌残留

肥料取締法

中国が重視
欧州の追い上げ（窒素固定）微生物
資材

在来生物との競合

カルタヘナ法＊国内外にベンチャー存在
欧米大企業が注目②バイオ作用の抑制

硝化抑制剤

作物への吸収肥料取締法

現状は海外剤優位（日）ドラッグデザイン技術適用③バイオ作用の促進

微生物資材

在来生物との競合

カルタヘナ法＊根粒菌やアナモックス菌を中心に国内外で研究④発生したN2Oの吸収・転化（吸着剤、触媒）土
壌改良剤

成分の一部が土壌残留（地力増進法）（日）排水・排ガス関係の吸着剤や触媒からの展開の可能性

国内外の動向（（日）：日本）＊遺伝子組換え生物等のみが対象となる※22 農業資材の環境負荷の例として、農耕地に残留する農業用フイルムが耕作の妨げとなり、日本では回収が義務づけられている。

※23 カルタヘナ法：日本では「遺伝子組換え生物等の使用等の規制による生物の多様性の確保に関する法律」および関連する政令が該当する。

19

Vol. 105

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて【分析のまとめ】今までの分析結果を総合し N 2 O 抑制

応じて併用することが、本技術をグローバルに展開するに必要と考えられる1-2で提示した、要件（ア）～（エ）上で必要と考えられる。

の観点からN 2 O 抑制方法をまとめた結果を表 5に示す。

一方、河川・湖沼分野においては、要件（エ）を実現

要件（ア）（イ）を実現するためには、N2 O がバイオ作する上では N2 O 抑制の効果を少なくともシーズン単位で用により発生することを考慮すると、方法③バイオ作用促

長期持続させる必要がある。方法③における効果を持続進を活用するのが技術的には最も可能性があると考えらさせる技術開発に加えて、環境技術との関連が深い方れる。ただ、農耕地における要件（ウ）を同時に実現する

法④の可能性も追求することが技術の実現性を高める上には、方法③だけでなく方法①あるいは方法②を作物にで有効と考えられる。

表5

N ₂ O 抑制方法の分析まとめ

解決方法

要件（ア）

要件（イ）

①窒素肥料の抑制

農業への
適用例有

要件（エ）
×

○

②バイオ作用の抑制③バイオ作用の促進

要件（ウ）
○

農業への
適用例有

○

○

○

抑制効果が
期待できる

抑制効果が
期待できる

抑制効果が
期待できる

○

④発生したN2Oの吸収・転化

安定性
期待できる

N2O抑制技術に必要とされる要件（再掲）（ア）ごくわずかな濃度のN2Oの発生源が面的に広く分布している状況を効果的に抑制できること（イ）発生したN2Oを濃縮や移送することなく現場で処理できること（ウ）農耕地への適用については、グローバル展開も見据えて、従来の農業生産活動の範囲で導入できること（エ）河川・湖沼への適用については、河川や湖沼の整備計画の一環として実施できること
注）表中の〇は今後の技術開発で特に期待が持てることを示す。×は明らかに適用が困難であることを示す。

Vol. 10520

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて

2 解決・実現手段の候補

2 -2 分析から得られた具体的実現手段の候補

2 -1 解決・実現のための課題

農耕地においては、N2 O の発生源である土壌微生物章を新たに開発された微生物で置換する、あるいは土着微生物と共生して N 2 OをN2 に転化する反応（「N2 O → N2

農業分野では N 2 O 抑制の効果を高めると同時に、海

転化」
と称する）
を新たに開発された微生物で補う、といっ

外展開を想定した多様な種類の作物や生育環境にも適た抑制手段を想定している。一旦発生して拡散した N 2 O

応できる、持続可能な食物生産技術の開発が課題であの処理を前提とした手段よりN2 O の捕捉が容易と考えらる。従来の栽培スタイル（施肥や薬剤の噴霧等）と大きくれ、N2 O 抑制技術の実現可能性が高まると考えられる。

異ならない手段を用い、かつ従来を大きく超えない栽培

一方で農耕地は作物を生育させるため、多量の窒素コストで実現できる技術とすることで、農家が実際に使用源を供給することが必要となり、窒素源が多量にある中でする上での様々な障壁を可能な限り下げることも重要で

N 2 O への転化を完全に抑制しなければならないという非ある。また、河川・湖沼においては、N2 O 抑制のコストを農耕地とは異なる困難さがある。さらに、農家は省力化を誰が支払うかという基本的な問題がある。そのためにも、指向し施肥の回数をできるだけ少なくすることを要望する

N2 O 抑制効果を高めることはもとより、効果の持続性やため結果として農耕地に窒素源が大量に存在する時期

N2 O 抑制にかかるエネルギーやコストを最小化することがある。そのため方法③をN 2 O 抑制の主体とはするもの

が、当該技術の社会実装には必要と考えられる。

の、方法①や方法②を併用して、窒素肥料の投入量を削減する、あるいは投入した窒素肥料が作物に吸収される前に農耕地から流出するのを避ける必要があると考えられる。
河川・湖沼においては、農耕地から流出した硝酸イオン等が N2 O 発生の原因となっていること、河川・湖沼にも農耕地と類似の機能を持つ微生物が存在することを考慮すると、N2 O → N 2 転化を促進する手段は実現可能性があると考えられる。ただし、河川・湖沼では抑制に係わるコストが環境保全費用に追加されることになるので、より効果の持続性やコストに配慮した手段が必要になると考えられる。

21

Vol. 105

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて（1）
【 農業分野】有望な微生物の活用に転化することが可能となると考えられる。

  （方法①および方法③の併用）

微 生 物 の 持 つ N 2 O → N2 転 化 作 用をまずマメ科 作

大豆の系でよく知られているように、根粒菌との共生で物に広く展 開し、次に、自立 生 息 微 生 物 等をベースに窒素肥料を大幅に削減することができる。東北大学ではN2 O → N 2 転化作用をマメ科以外の作物にも展開できる根粒に着目し、N2 O → N 2 転化能力の高い根粒菌を発見

技術を開発するというシナリオが考えられる。その際の課した※ 24。これらの微生物は根粒の中において植物と共生

題は、土壌に外来微生物を接種（inoculation）した場

しながら生育する。このような微生物を植物の根の周りに合の影響を予測することが難しく、結果としてほとんどの安定的に定着させることにより、窒素肥料の抑制（方法

外来微生物が土着微生物に駆逐される現状を打開する①）とバイオ作用の促進（方法③）を同時に実現することことである※ 25。土壌や土壌微生物の機能に対する詳細を目指している（図 15）。現在は大豆などマメ科の植物のな研究とともに、外来微生物の定着を助けたり、環境中みが根粒菌と共生できるが、このような微生物を他の作の生物等の捕食から外来微生物を保護したりする担体

物の根の周りで定着させることができれば、農耕地の中の開発が重要と考えられる。

でバイオ作用に伴い発生するN2 Oを現場で速やかに N2

図 15

根粒菌を用いて肥料抑制とN₂ O 抑制を同時に行う技術例

出典：東北大学ウェブサイト※ 26（2019）に NEDO 技術戦略研究センター加筆※24 Itakura, M. et al. Mitigation of nitrous oxide emissions from soils by Bradyrhizobium japonicum inoculation. Nature Climate Change. vol. 3, issue 3, 2013, p. 208-212.

※25 外 来 微 生 物 の 環 境で の 定 着 に つ いての 総 説：Trabelsi, D. and Mhamdi, R. Hindawi. Microbial Inoculants and Their Impact on Soil Microbial Communities: A
Review. BioMed Research International. Vol.2013, Article ID 863240. http://dx.doi.org/10.1155/2013/863240※26 h ttps://www.ige.tohoku.ac.jp/chiken/research/researchs/4-1.htm

Vol. 10522

技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて（2）【農業分野】次世代硝化抑制剤の開発

一つの可能性として、農業・食品産業技術総合研究

  （方法②の適用）機構（農研機構）では図 16 左図のようにヒドロキシルアミ

方法②の一手段として、硝化抑制剤の使用が考えら

ンデヒドロゲナーゼ（HAO）に着目し、酵素の立体構造れる。現状の硝化抑制剤を使用する場合、研究レベルで解析に成功した※ 27。さらに、メタゲノム解析により培養やも概ね 50％程度の N2 O 抑制効果にとどまっている（図 16

単離が困難な多くの種類の微生物について HAO 類似タ右図）。従来の硝化抑制剤はアンモニアモノオキシゲナー

ンパク質の遺伝子を突き止め、解析された HAO 立体構

ゼ（AMO）と呼ばれる酵素を阻害する剤が一般的であっ造を基に一連の HAO 類似タンパク質の構造を推定した。

たが、AMO は結晶構造解析が成功しておらず、先進

これらのタンパク質（酵素）をターゲットとして、ドラッグデ的な薬剤開発手法を用いることができないという問題がザインの手法を適用した次世代硝化抑制剤の候補を提あった。

案した※ 28。

硝化抑制剤によるN 2 O 抑制効果を工業分野並みに、

このような基礎研究で得られた成果を実際の農耕地にすなわち 80％以 上に高めるとともに、広 範な微 生 物において確認し、さらに海外を含む多様な作物へ展開し、抑制作用が及ぶ薬剤を開発できれば、農耕地における次世代の硝化抑制剤を世界に先駆けて実用化する取組

N2 O の抑制と収穫量の維持向上の両立が現実味を帯びが重要と考えられる。

ると考えられる。

図 16

硝化抑制剤の現状と次世代硝化抑制剤の性能目標

出典：農研機構の情報を基に NEDO 技術戦略研究センター作成（2021）※27 イノベーション創出強化研究推進事業 . 窒素肥料の利用効率向上と環境負荷低減化に向けた新世代サステイナブル硝化抑制剤の開発 . 生物系特定産業技術研究支援センター .
http://www.naro.affrc.go.jp/laboratory/brain/innovation/results/2018/28004A.html※28 酵素などのターゲットの分子構造をコンピュータ上で構成し、計算科学を適用して候補分子との結合構造を予測しながら最適な分子構造を探索する計算科学的手法。

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技術戦略研究センターレポート

温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて（3）
【 河川・湖沼分野】河川・湖沼の浄化設備へのニウムイオンに転化する（異化的硝酸還元：方法③）、あ機能追加（方法③あるいは方法④の適用）

るいは N2 Oを吸着剤で捕捉する（方法④）など、ここで日本の河川においては、過去の公害問題の経験から、も複数手段の併用が考えられる。触媒を用いる場合のエ

環境に負荷を与える各種化学物質のモニタリングおよびネルギーについては環境から得ることが最も好ましく、必各河川の水質保全計画が河川整備計画の一環として定要に応じて太陽エネルギーを用いること等を検討するこ

められている。N 2 O 抑制にかかるエネルギーやコストを最とが可能性として考えられる。N2 O 抑制作用を担う微生

小化する意味では、河川や湖沼の水を引き込んで浄化す

物、酵素、触媒、吸着剤等の開発に加え、これらを河川・る既存の施設があれば、そこに機能追加されるようなシス

湖沼の環境中で安定的に存在させ、環境中に存在するテムを考えるのが望ましい。例えば図 17に示すように湖

数々の阻害因子（微生物を捕食する環境中の生物や触水を浄化施設に引き込んで浄化する中で方法③や方法

媒を失活させるような物質等）から保護する担体の開発④を用いて N2 O の抑制を同時に行う。N2 O だけでなく、が重要と考えられる。

硝酸イオンや亜硝酸イオンからN 2 Oを経由せずにアンモ

図 17

湖沼における水質浄化施設の例

出典：国土交通省関東地方整備局資料（2014）

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて基盤技術の開発が求められる。非常にチャレンジングな

2 -3 技術開発の方向性課題であるため、技術の確立には幅広い学際領域の共創を要すると考えられ、産学官の英知を結集する必要が農耕地において N 2 O 抑制に係わる要素技術を確立すある。

るためには、N 2 O → N 2 促進作用の高い微生物を発見あ2019 年にムーンショット事業において、N2 O についても

るいは人為的に開発し、人の手で培養できる技術を確立

CO2と同様に新たな資源循環を形成することによりGHGすることや、高温において高い N 2 O → N 2 転化性能を示の削減を目指す基礎的技術の開発テーマが取り上げらす触媒あるいは N 2 O 吸着性能を示す吸着剤等を、環境れており、本レポートで重要視する技術開発課題の一部

中で性能発揮できるよう改良することが求められる。それが検討されている。図 18に示すように、ムーンショット事に加え、これらN2 O 抑制を担う微生物や触媒、吸着剤

業では現状実験室レベルで検討されている技術を10 年

等をN 2 O 抑制の現場、すなわち種々の農耕地や河川・かけてパイロット実証レベルにまで持って行くことが目標と湖沼環境に定着させる担体の開発が求められる。微生される。前述の観点から、今後の研究開発活動および開物に関連する基礎的技術の開発だけでなく、微生物あ発成果が期待されている。

るいは環境と担体の相互作用を総合的に取り扱う新たなムーンショット
事業期間

N2O 抑制技術の現状

図 18

ムーンショット事業（目標 4）テーマの位置づけとスケジュール

出典：【ムーンショット目標 4】「2050 年までに、地球環境再生に向けた持続可能な資源循環を実現」
研究開発構想（経済産業省、2020）に NEDO 技術戦略研究センター加筆（2021）

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けてある。

ムーンショット事業にて採択されている東北大−農研。東北大−

N2 O 抑制技術を社会実装するためには、同事業の成農研機構他の研究開発概要によれば、これまでに取り組果を最大限活用することはもちろんであるが、環境中でんできた根粒菌などの N2 O 無害化微生物とイネ根圏のN2 O → N 2 転化性能を示す触媒あるいは N 2 O 吸着性能

CH 4 無害化微生物に関する研究を発展させ、当該事業を示す吸着剤等、また N 2 O 抑制の現場の環境に微生物

ではこれらの微生物の温室効果ガス削減能力を圃場レ

等を定着させる担体などについても有望な技術シーズをベルで最大化することを目指している。しかし、最大のボ発掘し、2050 年を目標として N2 O 抑制技術の社会実装

トルネックは、外部から接種した微生物は、複雑な団粒を着実に進めていくことが求められる。

機構他の研究計画の概要を図 19に示す※ 29

構造を持った土壌生態系の頑健性により排除されること

また河川・湖沼においては、農耕地向けに開発されたである。そこで、最新の研究手法と若手研究者の異分野

微生物の利用の可能性や、より長期の N2 O 抑制効果を融合によって、土壌微生物の完全解明と植物・微生物

目指し、環境で作用する触媒や吸着剤等を検討する方系土壌の人工デザインの挑戦的な基盤研究を企画し、目向性が考えられる。有効な微生物もしくは物質が見つか

標の実現を目指す、としている。ムーンショット事業は非常れば、それを従来の河川・湖沼の浄化施設等に設置すに挑戦的な目標を設定し、事業期間が長い点が特徴でる検討が考えられる。

図 19

ムーンショット事業（目標 4）に採択された N₂ O 抑制テーマ

出典：「資源循環の最適化による農地由来の温室効果ガスの排出削減」（PM：南澤教授）研究開発概要（2020）※29 資源循環の最適化による農地由来の温室効果ガスの排出削減 , 研究開発概要 .
https://www.nedo.go.jp/content/100923465.pdf

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温室効果ガスN₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて

3 おわりに章

本レポートでは、材料技術、バイオ作用を司る微生物、さらには排ガス処理や水処理技術・資材等の産業技術も活用し、農業分野ではアジア太平洋地域ひいてはグローバルに適用可能な N2 O 抑制と食料生産の両立技術を目指す方向性を、河川・湖沼分野では微生物の活用に加え、吸着剤や触媒等を開発して環境浄化施設に実装する方向性を示した。
技 術 戦 略 研 究センターでは 2021 年 3月に公 表した「NEDO 総 合 指 針

増 補 版 」※ 30 において農 耕 地 の

N2 O 抑制によるCO2 削減ポテンシャルを試算した。世界の農耕地発生 N 2 Oを80％削減できる技術を想定すると、
CO2 換算で 8.8 億トン/ 年が削減されると試算された。このことからも、N 2 O 抑制技術が世界の農耕地に普及すれば大きな温室効果ガスの削減が実現すると期待される。
本レポートにおいて提案した、農業分野や河川・湖沼分野での N2 O 抑制技術の実用化は、いずれも難易度が高く、実現には困難が予想される。また、地球規模のN2 O 抑制を実現するためには、日本国内の社会実装だ
けでは不十分であり、国際協力に基づく技術展開が必要不可欠である。非常にチャレンジングな課題ではあるが、日本がイニシアチブをとることができれば日本の貢献を世界に示す好機となる可能性は高く、今後の技術開発の進展が期待される。

※30 技術戦略研究センターレポート TSC Foresight, 持続可能な社会の実現に向けた技術開発総合指針 2020, 増補版 . NEDO, 2021.
https://www.nedo.go.jp/library/tsc_future.html

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Vol.105
温室効果ガス N₂O の抑制分野の技術戦略策定に向けて2021 年 6 月 30 日 発行

TSC Foresight Vol.105

温室効果ガス N₂O の抑制分野

作成メンバー

国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構
技術戦略研究センター（TSC）■ センター長

岸本喜久雄■ センター次長

西村秀隆■ ナノテクノロジー・材料ユニット･ユニット長

藤本

辰雄

・研究員

岡田

明彦

森

孝博

川合

知二

大阪大学産業科学研究所
東京都市大学特別教授

北岡康夫

大阪大学共創機構副本部長／教授

井上貴仁

国立研究開発法人産業総合研究所
材料・化学領域研究戦略部イノベーションコーディネータ

三島良直

国立研究開発法人日本医療研究開発機構理事長

・フェロー● 本書に関する問い合わせ先
電話 044-520-5150（技術戦略研究センター）● 本書は以下 URL よりダウンロードできます。
https://www.nedo.go.jp/library/foresight.html
本資料は技術戦略研究センターの解釈によるものです。
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引用を行う際は、必ず出典を明記願います。

招へい教授、