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農業にプラズマを活用して持続可能な食糧生産システムを

世界的に注目を集める新基軸、化学農薬や肥料を減らせるか?

金子 俊郎 東北大学大学院工学研究科教授(プラズマ理工学)

拡大埼玉県越谷市と協力して実施しているプラズマを利用したイチゴ栽培実験。機械からプラズマ活性ガスを溶解させた水を噴霧することで病害防止ができているという=同市農業技術センター提供
 「プラズマ農業」が世界的に注目を集めている。ここ数年、国内外の学会等で盛んに議論され、化学農薬・化学肥料の低減、水・大気・土壌の清浄化、食糧生産性の向上に役立ちそうだと基礎実験や実証実験が各地で進められている。 

プラズマが簡単に生成できる技術が開発され、農業応用が可能に

拡大プラズマの生成と気相中の組成(電子、イオン、活性種)
 プラズマとは、固体、液体、気体に続く物質の第四の状態で、図に示しているように中性粒子に高エネルギーの電子が衝突することで生まれる。負電荷の電子と正電荷のイオンが飛び交っている集団と考えれば良い。電子やイオンがぶつかる相手(ガス)に酸素や窒素が含まれている場合には、化学的反応性の高い「活性種」と呼ばれる分子も同時に生成される。特に、酸素を含む活性酸素種、窒素を含む活性窒素種などが生物学の分野で注目を集めている。

 これまでは、人工太陽を地上に作る核融合の研究や、あるいはナノスケールの微細加工技術に欠かせないものとして、主に物理学や電子工学の分野で研究されてきたプラズマだが、大気圧環境下で生成する技術が開発されたことで農業などへの応用が可能となった。その具体例を紹介しながら、プラズマ農業の可能性をお伝えしたい。

殺菌作用が実験で解明できた

 筆者らは、大気圧中で空気と水を原料とし、電極間に高電圧を印加して放電を起こして生成する「大気圧空気プラズマ」を使用して、農作物に感染する病原菌、ウイルスを殺菌(不活化)し、それによって農薬の使用量を減らして、最終的には農薬を使わずに栽培することを目指して研究している。

拡大宮城県山元町で実験中の自走式プラズマ噴霧システム。挿入図は大気圧空気プラズマ装置の模式図。

 宮城県山元町での実証実験では、イチゴベンチに沿ってゆっくり自走しながらプラズマを噴霧する「自走式プラズマ噴霧システム」を稼働させている(写真)。大気圧空気プラズマ中を通過させた殺菌成分を含んだ空気(これを「プラズマ活性ガス」と呼んでいる)を噴霧すると、イチゴ苗(葉、茎、実、等)の表面に存在する病原菌を死滅させることができる(殺菌作用)。

 詳細な殺菌実験は東北大学の実験室内で行っている。イチゴの病原菌の中でも感染力の強いイチゴ炭疽病菌を調べ、プラズマ活性ガスが胞子(分生子)の発芽を抑止することを確かめた。イチゴ炭疽病菌は糸状菌(かび)であり、胞子(分生子)が発芽して感染していくので、感染拡大を防ぐためには発芽を抑止することが有効である。

 実際には、病原菌は葉などの表面の水滴に存在している場合が多いため、プラズマ活性ガスが水に溶解して、その水の中で生成される成分が殺菌作用を示す。具体的にそれがどういう成分なのかについても調べ、複雑な化学反応の中で生成された液相中(水中)の活性種、過酸化亜硝酸HOONOおよび過硝酸HOONO2だろうと突き止めた。

 ここで重要なことは、

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筆者

金子 俊郎

金子 俊郎(かねこ・としろう) 東北大学大学院工学研究科教授(プラズマ理工学)

東北大学大学院工学研究科教授。1997年東北大学大学院工学研究科博士後期課程修了。博士(工学)。2012年より現職。学生時代から一貫してプラズマを研究。核融合プラズマの基礎実験研究から始まり、気液界面プラズマ(液体と接触させたプラズマ)を用いたナノ物質制御合成と界面での物理現象の解明、さらに近年は大気圧プラズマを用いた細胞・生体・植物機能制御等のライフサイエンス応用研究に従事している。