プラズマ照射による窒素肥料の作出で、二酸化炭素排出の極端に少ない持続可能な農業生産社会の実現へ

窒素循環の破綻を食い止める、プラズマ照射肥料

齊藤：
古閑先生は、プラズマ工学の半導体産業や農学への応用をテーマに研究されています。プラズマといえば、近年、さまざまな先端産業で活用されていますね。

古閑：
プラズマ工学は電気集塵、空気清浄機、核融合発電にも活用されていますが、近年は、半導体産業での活用がもっとも知られています。ウエハ上に電子回路を形成する前工程の70%で使われているほど、プラズマは不可欠な技術です。そもそもプラズマとは、物質の3態（固体、液体、気体）における気体にエネルギーが加わることで分子から電子とイオンが発生し、発生と消滅を繰り返して共存している状態です。物質の「第4の状態」と呼ばれており、人が見ることができる宇宙の99％はプラズマといわれています。プラズマ技術はナノメートルオーダーの微細加工が得意なので、半導体基板の表面に溝やパターンを彫るエッチングや、半導体薄膜を堆積するデポジション、表面に付着している有機物を洗浄するクリーニングといった工程で重宝されています。

齊藤：
そのプラズマが持続可能な農業生産への実現のカギになるとして、注目されています。古閑先生は、プラズマ照射によりCO₂を排出しない窒素肥料の作製を研究されていますが、その背景には窒素循環の破綻という背景があります。

古閑：
窒素は作物にとって不可欠な要素ですが、大気中にある窒素ガスそのものを直接摂取できる生物は限られています。バテクリアなどの細菌が、植物が吸収できるアンモニアなどの形に変え（窒素固定）、植物の枯死体などを細菌が硝酸へ変え、そこから酸素が取り出され、窒素ガスに戻っていくという地球上の営みを窒素循環といいます。

いま、自然界のプロセスで固定される窒素と、人工的に固定される窒素はほぼ同量と言われています。地球2個分もの窒素が作り出されているため窒素が循環しきれず、硝酸の状態で土壌や地下水に蓄積する硝酸汚染という問題が起きています。

人工的に固定される窒素の約半分は、農業で使われる肥料で、窒素をどんどん土壌に投与している状態です。化学肥料は窒素固定の破綻をもたらしている大きな要因の1つといわれるほど、環境への負荷が大きくなっています。

生産の効率化、国の食料安全保障の両面に寄与

齊藤：
肥料作製におけるプラズマの活用が社会実装された際に、どのようなインパクトがもたらされるとお考えでしょうか。

古閑：
現時点では、フィールドテストを行う段階まで研究が進んでいますが、これが社会実装されると、地球規模での課題解決に寄与できると考えています。その課題とは、私たちが農業のテトラレンマと呼んでいるものです。

地球温暖化が進むと、農作物の生産において悪循環が進みます。環境変動により作物の収穫量が減る一方、地球全体では人口が増加しているため、多くの食物が必要です。そこで、農地に大量の肥料を散布し、単位面積あたりの収穫量を増やそうとする。ところが化学肥料は、作製段階でCO₂を発生させます。肥料生産におけるCO₂排出は全体の1〜2%を占めると言われており、気候変動において無視できないインパクトなのです。

さらに化学肥料が増加することで、地中にも悪影響が及びます。先ほど説明した窒素循環の破綻が起き、硝酸が地中に蓄積すると地下水を汚染するだけでなく、CO₂の300倍もの温室効果ガス性能があるN₂O（酸化二窒素）も発生させてしまうのです。

そのため、プラズマ照射した窒素肥料が社会実装されることで、この2つの悪循環を断ち切ることができると考えています。

齊藤：
地球規模の環境課題にアプローチできると同時に、生産現場の課題解決にも寄与できますね。例えば、土中の生態系を守るために有機肥料を使おうとすると、周辺の生産者から反対を受けることも多いという声を聞きます。

古閑：
現状の有機肥料は化学肥料に比べて可給態成分が少ないので、成長促進までにタイムラグが発生し、作物の収穫量が減るケースもあります。周囲の生産者の方は、自分の圃場への影響に対して懸念を持たれるのではないでしょうか。

私たちの研究では市販品よりも、プラズマ処理したもののほうが成長促進のタイムラグもなくなり、収穫量も増加することが解明されつつあります。こうした生産者のメリットが示せると、状況は一歩前進するかもしれません。

齊藤：
そうですね。この研究が社会実装されると、日本の食料安全保障面でも大きなインパクトが期待できると思います。現在、日本では腐葉土や肥料、種子の9割以上を輸入に頼っています。食料自給率はカロリーベースでは30%ですが、肥料や種子も含めて正確に算出すると8%以下なのです。

さらには肥料や種子の輸入元の国も偏っており、国際情勢が不安定になると必要量が輸入できなくなるという大きなリスクがあります。すでに、一部の作物では国力の低下によって他の輸入国との間で買い負けが起きつつあるのが現実です。

草野：
この課題に対し、国としても畜産糞尿や下水汚泥を利用した肥料作製に取り組んでいるものの、社会実装できていません。例えば、たい肥をプラズマ照射により有機肥料へと変える技術が社会実装されたら、輸入に頼らず自給率を上げ、安定的に食料を確保するという国内循環ができる。その観点でも、古閑先生の窒素固定技術への期待が高まります。