4.1.4 実験系の運用技術開発
Development of Technology for Application of a Closed Experimental System to Carbon
Transfer Studies
野副 晋, 津賀 正一, 小松原 修, 多胡 靖宏, 中村 裕二
環境シミュレーション研究部

Susumu NOZOE, Sho-ichi TSUGA, Osamu KOMATSUBARA,
Yasuhiro TAKO, Yuji NAKAMURA
Department of Environmental Simulation
Abstract
In order to verify dynamic models for estimation of 14C transfer from the atmosphere to edible andinedible parts of 7 crops, an experiment to examine validity of the model calculation after continuous
enhancement of atmospheric 13C/12C ratio during different stage in the growing period is planned for 2009.
Then in FY2008, preliminary experiments were conducted to establish methods for obtaining appropriate
values of atmospheric δ13C and for controlling its temporal fluctuation which will be used in the 2009 study.
It was found that the overall range of spatial variation was approximately 2‰ and a point representative of
the atmosphere in the plant cultivation chamber was identified. It was also confirmed that δ13C of thechamber atmosphere was stable (the range of fluctuation was within 1‰) during almost the whole lighting
period.
To reconstruct realistic carbon metabolism models of humans and ruminants, experimental data
concerning carbon mass flow are also necessary. It was confirmed that the amount of carbon in excrement
could be accurately measured using a closed waste processing system. Necessary conditions for obtaining
appropriate data about the daily cumulative respiratory CO2 amount using the animal holding and humanhabitation module under [CO2] control were also obtained.
1. 目的

十分な精度に調整する方法の確立を目的とした試験
14

大型再処理施設から大気中に放出される C に由14を行った。また、牛と人に関するモデルにおいて重来する被ばく線量を評価するため、 C を対象に、要な全炭素フローデータの取得法として、廃棄物処

大気から作物への移行を動的に評価するモデル、飼理設備では、均質な試料を得にくい排泄物の炭素量料から牛乳･牛肉への移行を推定するモデル、並びに測定技術の確立を、動物飼育･居住モジュールと空気経口摂取に伴うヒト体内での代謝を推定するモデル処理設備では、呼気として排出される炭素量の測定の開発を行っている。植物栽培モジュールでは、生技術の確立を目的とした試験を行った。

育期間の各時期においてパルス的に高13

CO2 濃度大気に作物をばく露した実験で得られたデータに基づ

2. 方法

き作成した作物炭素移行モデルの有効性を検証する

2.1 植物系施設運用法最適化試験

13

ため、生育期間の一部において連続的に大気中 CO2(植物栽培室内大気 13C 濃度制御試験)濃度を高めた環境中で作物を栽培する試験を平成

3 台の植物栽培床にオーチャードグラス(Dactylis

21 年度に行う。このため、平成 20 年度は、栽培室glomerata L.)を栽培した容積約 146 m3 の人工光型植内大気中 CO2 の δ13C 値の空間的･時間的変動を抑え、物栽培室(Fig. 1)を用い、明期(12 時間)には工業用

CO2 と栽培室の大気から回収された CO2 が混合した-1

3. 成果の概要

CO2 の注入により全 CO2 濃度を 380 μL L に制御し、3.1 植物系施設運用法最適化試験

暗期(12 時間)の最後の 2 時間は植物の呼吸で上昇し(植物栽培室内大気 13C 濃度制御試験)た CO2 を回収し、約 600 μL L-1 とした。Fig. 1 に示す

Fig. 2 に閉鎖系の人工光栽培室における明期の大14 点で明期における 1 時間ごとに 3 回採取した空気気中 δ13C 値の空間的差異を示した。δ13C 値は、植物の δ13C 値を安定同位体質量分析計で測定し、空間分のない栽培床上では高さによる差異がないこと、オ布を評価した。また、全栽培床にジャガイモ(Solanumーチャードグラスを栽培した栽培床上・群落外ではtuberosum L. cv. Danshaku) を 栽 培 し 、 Fig. 1 の植物のない栽培床上・群落外より 1‰程、群落内で「Monitoring point 2」で明期に 1 時間間隔で採取しは 2‰程高いこと、並びに植物を栽培した栽培床

13た空気の δ C 値を測定し、経時変化を評価した。

Monitoring
point 1

Plant
Plant
Plant
cultivation cultivation cultivation
bed D
bed E
bed F
without
without
without
crop
cropcrop

ことは、光合成炭素固定の際の同位体分別によると考えられる。このような栽培室内の植物群落内外のMonitoring
point 2

Plant
Plant
Plant
cultivation cultivation cultivation
bed A
bed C
bed B
with crop
The windward sidewith crop

δ13C 値の差異は、ホソムギ(Lolium perenne L.)を用いた Schnyder et al. (2003)の結果と同程度であった。全体として δ13C 値の空間的差異の範囲は 2‰程であり、「Monitoring point 1 及び 2」では全測定点の平均的with crop

Exit

上・群落内における δ13C 値は群落外より 1‰程高い値を示し、「2」での変動が小さいため、「Monitoring

The leeward sidepoint 2」で代表することが妥当と考えられた。
0

Monitoring
point 2-413

δ C (‰)

Monitoring
point 1-2Fig. 1 The arrangement of measuring points (denoted byclosed circles) in a plant chamber illuminated byartificial lighting, in which plants of orchard
grass were grown on 3 of all 6 plant cultivation
beds, in a test for evaluation of spatial difference
in atmospheric δ13C values.
2.2 動物・居住系施設運用法最適化試験(その 1: 排泄物炭素量測定技術試験)
廃棄物処理設備は炭化処理と炭化物の燃焼処理の2 段階の処理を行うものであったが、排泄物試料の全炭素を CO2 として高精度に回収するため、炭化処理ユニットで燃焼までの全過程を行えるように装置と処理工程を改変し、検証試験を行った。

-6-8-10-12-14
PCB-A

PCB-B

with crop

PCB-C

PCB-D

PCB-E

PCB-F

without crop

Monitoring
point

Fig. 2 An example of spatial variation in δ13C of CO2 in
the atmosphere of a plant cultivation chamber, inwhich plants of orchard grass were grown on 3 ofall 6 plant cultivation beds (n=3). Open, closed,vertically-striped,andhorizontally-stripedcolumns denote δ13C values for middle level
between ceiling and top of plant canopy, middle
level in the canopy, “monitoring points 1” and“2” shown in Fig. 1, respectively. PCB: plantcultivation bed.

(その 2: 呼気炭素量測定技術試験)
閉鎖系居住実験施設内に 1 名が滞在した際の CO2Fig. 3 は閉鎖系の人工光栽培室でジャガイモを栽ガス排出量を、空気処理設備の CO2 分離装置とマス培した時の大気 CO2 の δ13C 値の経時変化を示していク式の呼気ガス代謝測定装置で測定し、両者を比較る。光合成によって大気中の CO2 から炭素を固定すした。

る際の同位体分別により、植物体炭素の δ13C 値は明期の大気より低い値を持つ。この炭素が植物の呼吸度変化の例を示す。入室直後の 1 時間は高負荷の運により CO2 として放出されるため、暗期は大気の動を行っていたため、CO2 濃度は 1000 μL L-1 程に上δ13C 値が-9‰から-17‰まで低下した。暗期末の 7:00昇したが、その後はデスクワークを行っており、入～9:00 には明期開始時の全 CO2 濃度を低下させるた室時間内にほぼ初期濃度まで低下した。このようにめ大気から CO2 の分離･回収を行ったが、明期開始

CO2 濃度が制御された条件下で、CO2 分離装置によ-1後約 2 時間までは全 CO2 濃度が 380 μL L を越えてる分離量と呼気ガス代謝測定装置での測定値を比較いたため栽培室内大気に CO2 は注入されず、光合成検討し、呼気として排出される炭素量の測定精度を13による同位体分別により大気の δ C 値は-11‰まで13高めるための施設内大気 CO2 濃度条件、施設内滞在上昇した。11:00 以降の明期の全 CO2 濃度は δ C 値

期間など、排出 CO2 量の測定精度を高めるための条が約-35‰である工業用 CO2 と暗期末に回収された件が得られた。

13CO2 が混合した CO2 (δ C 値は-20～-25‰)の注入に-11013より 380 μL L に制御した(δ C 値の低下作用)が、光8Obtained CO2 (mol)合成による同位体分別(δ13C 値の上昇作用)と、明期中も行われる呼吸による δ13C 値の低い CO2 の放出(δ13C 値の低下作用)が起こっており、これらの作用が平衡し、大気の δ13C 値は-10～-11 で安定すること642が確認された。平成 21 年度に注入 CO2 の δ13C 値を0013調整することによって大気 CO2 の δ C 値を制御する実験においても、本試験同様に大気の δ13C 値を安定させることができると考えられる。
0-2

Dark period

Light period

246810Carbon in raw material (mol)Fig. 4 The correlation between amount of carbon
contained in raw material (human feces) and that in
CO2 obtained during carbonization and incineration
processing.

-4-1-14-16-18
21:00 23:00 01:00 03:00 05:00 07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00

Time of day

600

20002008/12/15 0:00

3.2 動物・居住系施設運用法最適化試験(その 1: 排泄物炭素量測定技術試験)
廃棄物処理設備と処理過程の調整を行った結果、Fig. 4 の人糞を処理した例に示すように、排泄物中

Human stay400

Human stayFig. 3 An example of temporal fluctuation ofatmospheric δ13C value in a plant cultivationchamber illuminated by artificial lighting, inwhich plants of potato were grown.

800

Human stay

CO2 concentration (μ L L )

13

1000

-12

CO2 separation-10

CO2 separation

1200

-8

CO2 separation

δ C (‰)-6

2008/12/16 0:00

2008/12/17 0:00

2008/12/18 0:00

Date and time (Y/M/D h:m)

Fig. 5 An example of result of CO2 concentration controlof the animal holding and human habitation module
atmosphere, in which an adult man stayedintermittently (8 hours/day × 3 days).

炭素のほぼ全量を CO2 に転換し、十分な精度で定量できることが確認された。
(その 2: 呼気炭素量測定技術試験)
Fig. 5 に、成人男子 1 名が動物･居住モジュールに9:00 から 17:00 に 3 日に亘り入室した場合の CO2 濃

引用文献
Schnyder, H. et al. (2003) Plant, Cell and Environment,
26, 1863-1874.