JP2015097509A - 超微細粒子を利用した植物栽培方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安全に安定した収穫ができ、且つ排水中の硝酸イオン量も低減させる新規な植物栽培方法を提供すること。【解決手段】ａ） 水または水溶液中に超微細気泡を放出する処理を行う工程、ｂ） 前記処理の前、処理中または処理後に、水または水溶液に肥料または養分を添加する工程、およびｃ） 前記の肥料または養分と超微細気泡を含む水または水溶液を、植物に吸収させる工程、を含むことを特徴とする植物の栽培方法。【選択図】 図１４

Description

本発明は、超微細粒子を利用した植物栽培方法に関する。

水中に発生させた直径およそ５０μｍ以下の極微小気泡であるマイクロバブル、および水中に発生させた５０-５００ｎｍ程度の極微小気泡であるナノバブルが、近年研究開発対象として注目されており、その製造方法や機能および様々な分野での応用について研究開発が進められている。特許文献１にはナノバブル製造方法、特許文献２には酸素ナノバブル水の製造方法、特許文献３には窒素ナノバブル水の製造方法及び農業分野に極微小気泡を含む水が植物栽培を促進させるなどの目的で利用が可能である旨が記されている。また農業分野として、特許文献４にはマイクロナノバブルを活用した山葵の栽培方法、特許文献５には植物の促成について装置を保有しなくても利用者が希釈し用いる方法が記されている。

しかしながら、これらの公知の方法ではいくつかの課題があった。特許文献３では、製造方法に数千ボルトの水中放電が必要であり、また電気伝導度の調整のために電解質の添加が必要であるという課題があった。また特許文献４では山葵へのマイクロナノバブルの利用が記されているが、従来より植物水耕栽培に気泡を吹き込んで溶存酸素濃度を高めて効果を上げるエアレーション技法は多数提案されており、画期的な効果は得られていなかった。特許文献５では、極微小気泡を放出する処理が10時間以上必要であり、非常に製造に時間がかかるという課題があった。またこれらいずれの文献においても、排水環境を良化することに関する記載はなかった。

特許4244669号公報 特許4080440号公報 特開2009-131769公報 特開2008-11789公報 特開2011-256128公報

Tarabayashi, S., Muramatsu, I., Tokutani, S., Ando, M., Kitagawa,E., Shigemoto, T., Date, S. and Fujime, Y., J. Japan. Soc. Hort. Sci., 73(4) :324-329 (2004) 切岩： 植物工場を支える技術 溶液冷凍2013年3月号 第88巻第1025号 p29-34

本発明は、上記の課題を解決し、安全に安定した収穫ができ、且つ排水中の硝酸イオン量も低減させる栽培方法を提供することを目的とする。

本発明は、
ａ） 水または水溶液中に超微細気泡を放出する処理を行う工程、
ｂ） 前記処理の前、処理中または処理後に、水または水溶液に肥料または養分を添加する工程、および
ｃ） 前記の肥料または養分と超微細気泡を含む水または水溶液を、植物に吸収させる工程、を含むことを特徴とする植物の栽培方法。
水または水溶液とは、超微細気泡を放出する処理の後に肥料または養分を加える場合には水中に超微細気泡が放出され、超微細気泡を放出する処理の前または処理中に肥料または養分を加える場合には水溶液中に超微細気泡が放出されることを意味する。
前記超微細気泡内は、空気、酸素、窒素、およびオゾンから選択される気体であることができる。またこれらの気体は混合して使用することができる。
前記超微細気泡のゼータ電位の絶対値は、５ｍＶ以上である事が好ましい。またゼータ電位分布の標準偏差は１５以下である事が好ましい。

前記栽培方法は好ましくは養液栽培である。
前記超微細気泡は、気液混合剪断型超微細気泡発生装置を用いて生成することができる。
栽培される植物は、好適には茄子科植物であり、特にトマトで顕著な効果が得られる。

好ましい態様では、タンク内に水を循環しつつ気液混合剪断型超微細気泡発生装置で超微細気泡を発生させる。好適にはタンク内の水が超微細気泡発生装置で２回処理されるまで操作が行われ、より好適には３回、４回、またはそれ以上の回数まで、循環されつつ超微細気泡発生装置で処理される。

前記超微細気泡は、最頻粒子径が５００ｎｍ以下、好ましくは最頻粒子径が３００ｎｍ以下、最も好ましくは最頻粒子径が１５０ｎｍ以下であり、１ｍｌ当たり１０万個以上、好ましくは３０万個以上、より好ましくは５０万個以上、最も好ましくは１００万個以上存在する。なお、本明細書中で言及される超微細気泡の数は、ナノ粒子解析システム ナノサイトシリーズ（NanoSight社製）により測定されたものである。

本発明の一態様において、超微細気泡表面のゼータ電位の絶対値は５ｍＶ以上であり、より好ましくは７ｍＶ以上、さらに好ましくは９ｍＶ以上、最も好ましくは１０ｍＶ以上である。

本発明の一態様において、超微細気泡表面のゼータ電位の標準偏差は１５以下であり、より好ましくは１３以下、最も好ましくは１１以下である。
ゼータ電位の標準偏差は水または水溶液を繰り返し超微細気泡発生装置で処理することにより小さくなってゆく傾向にある。これにより、超微細気泡の挙動がより均一化され、かつ安定したものになると推測される。

本発明により、安全に、植物、好適には茄子科植物、特にはトマトの栽培後期の第４果房以降の着果率を向上させることができ、かつ排水の汚染物質のひとつである硝酸イオン濃度を低減させることができる。

超微細気泡を含む水中の気泡の粒径分布の測定結果を示す図である。 日本薬局方精製水中の気泡の粒径分布の測定結果を示す図である。 未処理の水のゼータ電位の分布の測定結果を示す図である。 水の循環回数が１回の場合のゼータ電位の分布の測定結果を示す図である。 水の循環回数が４回の場合のゼータ電位の分布の測定結果を示す図である。 水の循環回数が１０回の場合のゼータ電位の分布の測定結果を示す図である。 水の循環回数が２０回の場合のゼータ電位の分布の測定結果を示す図である。 水の循環回数が４回および１０回の場合、および未処理水の微細気泡水の粒度分布を示す図である。 原水と微細気泡水の水温を示す図である。 原水と微細気泡水の溶存酸素濃度を示す図である。 原水と微細気泡水のPH値を示す図である。 第１果房〜第７果房の着花数を示す図である。 第４果房〜第７果房の着果率を示す図である。 第４果房〜第７果房の着花数および着果数を示す図である。 排液中の硝酸イオン濃度を示す図である。

本発明においては、水としては、蒸留水、超純粋、高純粋、純水、水道水、イオン交換水、濾過水、電解水、および天然水などが使用できるが、典型的には天然水または水道水をそのまま使用できる。天然水を使用する場合には適宜濾過または沈殿により土砂などを取り除く事ができる。

本発明で利用される超微細気泡は、任意の公知の手段、たとえばスタティックミキサー式、ベンチュリ式、キャビテーション式、蒸気凝集式、超音波方式、旋回流方式、加圧溶解方式、微細孔方式で発生させることができる。好ましい気泡の発生方法は気液混合せん断方式である。

気液混合せん断方式による超微細気泡の発生に有用な装置としては、たとえば特許第４１１８９３９号に開示されている装置があげられる。この装置においては、流体旋回室内に導入された気液混合流体の多くは、前述の従来装置におけるように単純に吐出口に向うのとは異なり、一旦、吐出口のある方向とは反対方向に旋回流として進む。そして、その旋回流は、第１端壁部材によって反転させられ該第１端壁部材から第２端壁部材に向けて進むことになるが、このときの旋回回転半径は第１端壁部材に向かうときに比べて小さくなるので、その流速は高速となり、従って、該液体内に含まれる気体への剪断力が大きくなり、その微細化が促進される。

本発明で使用される超微細気泡の粒径は非常に小さいために通常の粒度分布測定装置では正確に測定することができない。そのため本明細書中では、ナノ粒子解析システム ナノサイトシリーズ（NanoSight社製）により測定した数値を利用している。ナノ粒子解析システム ナノサイトシリーズ（NanoSight社製）は、ナノ粒子のブラウン運動の速度を計測し、その速度から粒子径を算出する。最頻粒子径は、存在する粒子の粒子径分布から確認できる。

肥料または養分とは、作物の生育に必要な養分を水に溶かした液状肥料（培養液）をいう。たとえば園試処方、山崎トマト処方、大塚ハウスAおよびSA処方などが代表的な培養液処方であり、各地域、生産法人、施設ごとに個別に単肥を用いて培養液処方を決めることもある。

肥料または養分は超微細気泡を発生させる前の水に加えることもできるし、超微細気泡を発生させる際に加えることもできるし、超微細気泡を発生させた後に加えることもできる。

生育段階に応じて養液の電気伝導度を変更したり、生育段階別に単肥を利用して要素の添加を行うこともできる。

本発明における栽培方法は、培地に土を用いない養液栽培方法である。
トマトの一般的な養液栽培方法としては、ＤＦＴ式水耕（湛液型水耕）やＮＦＴ式水耕（薄膜水耕）の栽培事例（非特許文献１）や培地耕を利用した養液栽培方法（非特許文献２）が報告されている。またベルファーム株式会社が独自に開発したベル方式養液栽培（ココピートを用いた少量多潅水方式）も有用である。
ベル方式とは、少量培地での少量多頻度給液による養液栽培であり、栽培鉢に数株植えることにより、根域制限、適度な水ストレスを付加し、品質向上を目指す方式である。栽培段数を３〜10段程度の範囲で季節ごとに制限し、年２〜３作、周年栽培を行う。

本発明で栽培する植物は特に限定するものではないが、茄子科植物において好適な結果を示し、特にはトマトにおいて好適な結果を示す。また後述の実施例に示されるように高い部位の生育がより向上されるので、背の高い植物について有用であると考えられる。

本明細書における本発明の説明および実施例の記述は本発明の様々な例示的な実施態様の詳細な説明のためにのみあり、当業者は本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に開示された実施態様に様々な改良および変更を行うことができる。したがって、本明細書の記載は本発明の範囲を何ら制限するものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲の記載によってのみ決定される。

実施例１
気液混合せん断方式による超微細気泡発生装置である株式会社協和機設製の「ＢＵＶＩＴＡＳ」により、日本薬局方精製水を使用して、超微細気泡を発生させた。生成した超微細気泡の粒径をナノ粒子解析システム ナノサイトシリーズ（NanoSight社製）により測定した。測定結果を図１に示す。図の横軸はｎｍ単位での粒子径を、縦軸は１ｍＬ当たりのＮＢ粒子数（ナノバブル粒子数）（１０^６個／ｍＬ）を示す。また図２に、日本薬局方精製水についての微細気泡の測定結果を示す。
生成した超微細気泡を含む水の最頻粒子径は８６ｎｍ、最頻粒子径における粒子濃度は７．５７×１０^６個／ｍＬ、総粒子濃度は６．８６×１０^８個／ｍＬであった。
日本薬局方精製水については、粒子濃度が非常に少なく、正規分布が見られないことから測定結果はノイズであると判断された。

実施例２
超微細気泡を含む水または水溶液の調製とゼータ電位の測定
大井川水系から得られる農業用灌漑施設から採水され、一旦濾過沈殿槽に貯蔵されて浮遊する不純物等が取り除かれた水を使用した。装置は熱水３リットルで３回洗浄した後に使用された。微細気泡発生装置（気液混合せん断方式のBUVITAS ２０５Ｄ(（株）Ligaric社製)を使用し、水の循環回数が１、４、１０および２０回となる時間にわたり大気を使用して微細気泡を発生させた。
未処理の水の結果とともに、ゼータ電位の分布の測定結果を図３−７に示す。なお、ゼータ電位はゼータ電位測定装置 ゼータサイザー ナノ シリーズ（Malvern Instruments社製）で測定した。
それぞれの測定値は表１に示す。

上記と同様の方法により、４回および１０回循環させた際に生成した微細気泡水の粒度分布を測定した。微細気泡の観察にはレーサ゛ー散乱式測定装置（Nano sight LM-20、日本カンタムテ゛サ゛イン社製）を用いた。図８からわかるように、循環回数の増加と共に微細粒子の濃度が上昇していることが確認された。なお、最頻粒子径は、０ｐａｓｓでは１６ｎｍ、４ｐａｓｓでは２１ｎｍ、１０ｐａｓｓでは２６ｎｍであった。

実施例３
１）トマトの栽培方法
品種として「桃太郎ヨーク」を選定した。
試験実施においては、トマト栽培棟を対称に2分割し、同面積の2区画を、それぞれ対照区、試験区とした。試験区へは既設の養液供給装置に微細気泡発生装置（気液混合せん断方式のBUVITAS HYK-32(（株）Ligaric社製)で生成した微細気泡水を供給し、微細気泡水を含む液肥を栽培用ポットに給水した。対照区へは既設の養液供給装置に原水を供給し、通常どおりの液肥を栽培用ポットに給水した。
ベルファーム株式会社が独自に開発したベル方式養液栽培にてトマトを栽培した。また栽培段数は、第７段までの栽培とした。

２）微細気泡水の生成
使用する原水は、大井川水系から得られる農業用灌漑施設から採水され、一旦濾過沈殿槽に貯蔵されて浮遊する不純物等が取り除かれた水である。表２に原水水質を示す。本試験では、気液混合せん断方式の微細気泡発生装置（ＢＵＶＩＴＡＳ ＨＹＫ−３２ （株）Ligaric社製)を用いた。微細気泡水の生成条件は、樹脂製の大型給水タンクに約１０００Lの水を充填し、気体に大気を用い、大気流量７５０ml、回転数３６００rpmとした。装置の運転条件は、栽培用ポットへの給水２時間前から給水終了時までの約７５０分/日の条件とした。各ポットへの給水量は、栽培時期と栽培環境に合わせて調整される。一般的に栽培初期の給水量は少量で、トマトの生育が盛んになると給水量は増加する。今回の試験では、微細気泡水による効果を原水と比較する為、試験区および対照区への給水量をほぼ同量になるように調整した。

３）供給水の水質観察
栽培に用いた水の経日水質変化を、水温、溶存酸素濃度、PH値で観察した。観察は、樹脂製の大型給水タンク内の水を２５０ｍｌポリ容器で採水後、ガラス製容器に充填し、約５分間施設環境下に放置した後、Thermo Scientific社製ポーラログラフ式測定装置（本体：Orion 1219000 5-Star マルチマーター ホ゜ータフ゛ル型、PH値：Orion 9107BNMD、溶存酸素量DO値：Orion 083005MD）を用いて行った。その結果、水温は気温変化とほぼ連動して変化し、また微細気泡水の水温は原水よりも2℃〜10℃程度高いことが分かった。（図９） 微細気泡水の溶存酸素濃度は、原水の挙動とほぼ一致し、大きな変化を示さなかった。（図１０） 微細気泡水のPH値もほぼ原水の挙動と同様で、大きな変化は見られなかった。（図１１）

４）結果
ａ）トマトの着花数と着果率
栽培したトマトの内２０本ずつを試験区および対照区よりランダムに選び着花数と着果率を評価した。
第１果房〜第７果房の着花数の推移を図１２に示す。その結果、試験区の着花数は対照区の着花数とほぼ同数で、双方に大きな変化は見られず、対照区、試験区とも着花数４程度以上を維持していた。
次に、第４果房〜第７果房の着果率（着花した花が結実し成長した割合）を図１３に示す。その結果、第５果房から第７果房では、対照区の着果率が６５％〜７７％であったのに対し、試験区の着果率は８０％〜８７％と高くなる傾向を示した。特に、第５果房では、試験区の着果率は対照区よりも２０％以上、第６果房、第７果房においても１０％程度向上した。
第４果房〜第７果房の着花数および着果数のデータを図１４に示す。

ｂ）硝酸イオン濃度の測定
施設からの排液水質について観察した。排液には、液肥として供給された硝酸イオンの残留成分が含まれている。
今回のベル方式養液栽培では、栽培ポットに給水された液肥はポット内を浸透しトマトの根から吸収され、トマト生育に消費される。一方、消費されなかった残分はポット下部から排出され、排液溝を通して施設外の処理槽に集められる。この排液中に残留している硝酸イオン濃度の経日変化を試験区および対照区で比較観察した。硝酸イオン濃度の測定にはHORIBA製イオン電極法硝酸イオン濃度測定装置（LAQUAtwin 電極：S-040, 本体：B-743）を用いた。
観察は、２０１３年１月１２日〜２０１３年４月３０日の期間に５回実施した。また比較として供給時の液肥の硝酸イオン濃度も４月１日に測定した。
観察の結果を図１５に示す。２月２５日、４月１日、４月３０日のいずれの測定においても、試験区の硝酸イオン濃度は対照区と比較して低くなることが確認された。特に２月２５日では対照区との比較で５０％以上も硝酸イオン濃度が低下していた。
４月３０日の観察では試験区および対照区の硝酸イオン濃度が２月２５日、４月１日より高いが、これはトマトの生育に合わせて給水する液肥量および液肥濃度を調整したためであると考えられる。

Claims (7)

1. ａ） 水または水溶液中に超微細気泡を放出する処理を行う工程、
   ｂ） 前記処理の前、処理中または処理後に、水または水溶液に肥料または養分を添加する工程、および
   ｃ） 前記の肥料または養分と超微細気泡を含む水または水溶液を、植物に吸収させる工程、を含むことを特徴とする植物の栽培方法。
2. 前記超微細気泡内が、空気、酸素、窒素、およびオゾンから選択される気体である、請求項１に記載の栽培方法。
3. 前記超微細気泡のゼータ電位の絶対値が５ｍＶ以上であり、ゼータ電位分布の標準偏差が１５以下である請求項１または２記載の栽培方法。
4. 前記栽培方法が養液栽培である請求項１ないし３のいずれかに記載の栽培方法。
5. 前記超微細気泡を気液混合剪断型超微細気泡発生装置を用いて生成する、請求項１ないし４のいずれかに記載の栽培方法。
6. 前記植物が茄子科植物である、請求項１ないし５のいずれかに記載の栽培方法。
7. 前記植物がトマトである、請求項１ないし６のいずれかに記載の栽培方法。