JP2018525011A - 水生植物を栽培するためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、非水平に配置されたシート状の基材上で、表面成長浮遊水生植物、特にウキクサまたはウキクサ亜科種を栽培するためのシステムを開示する。上記システムは、ａ）前記水生植物の所定の接種物を備えるシート状の基材を通って流れる所定の体積の成長培地と、（ｂ）少なくとも１つのシート状の基材と、（ｃ）前記シート状の基材においてトップダウン灌漑流となるように構成された灌漑機構と、（ｄ）前記灌漑流を制御するように構成された調節機構とを備える。本発明は、上記水生植物を栽培するための方法をさらに開示する。

Description

本発明は概して、シート状の基材上で表面浮遊水生植物を栽培するためのシステムおよび方法に関する。特に、それは、ウキクサまたはウキクサ亜科（Ｌｅｍｎｏｉｄｅａｅ）種を成長させるためのシステムおよび方法に関する。
ウキクサは、静止または動きの遅い淡水塊や湿地塊の表面にまたはそのすぐ下に浮遊している水生顕花植物である。それらは、アラムまたはアロイド科（サトイモ（Ａｒａｃｅａｅ））内から生じ、多くの場合、サトイモ科内のウキクサ亜科として分類される。２０世紀末より前に作成された分類は、それらを別々の科、ウキクサ（Ｌｅｍｎａｃｅａｅ）として分類する。ウキクサ属ウォルフィア（Ｗｏｌｆｆｉａ）の花は知られている最小のもので、長さはわずか０．３ｍｍである。
ウキクサは、下水道、集中する動物産業、または集中する漑作物生産から生じる廃水から無機物汚染物質を除去する可能性が高いため、研究の注目を集めている。ウキクサは、管理され、風から保護され、最適な成長速度を得るために最適な密度に維持される必要がある。ウキクサの１つの伝統的な使用は植物性食品としてである。世界の多くの地域で、ウキクサは、家畜および野生動物（家禽、魚、草食動物、および人間）によって消費されている。（ウォルフィア属の）ウキクサの最小のものは、栄養価の高い野菜として数世代にわたりビルマ人、ラオス人、およびタイ北部の人々により使用されてきた。ウキクサは、サラダにうまく加えられ、とてもおいしい。
他の水生植物、さらには陸生植物に比べて、ウキクサ（種の大部分）は、成長培地からの様々なミネラル（カチオンおよびアニオン）に対する高い結合能力（固定）を有する。この特性は水の浄化に利用されるが（水質汚濁）、同時にこの特性は、栽培環境が厳しく管理されていない限り、人間の食料代替品の供給源としてそのような植物を使用する大きな制約となる。
共生のウキクサ−細菌培養は、ウキクサによる排水からの廃水処理およびデンプンバイオマス生産（エネルギー／化学原料の生産）を改善するために使用されてきた。（ｈｔｔｐ：／／ｄｕｃｋｗｅｅｄ２０１３．ｒｕｔｇｅｒｓ．ｅｄｕ／ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｓ／１６＿ｔｏｙａｍａ＿ｔａｄａｓｈｉ．ｐｄｆ）。日本国特許第Ｓ６３５２９６０号は、有機廃液中の光合成細菌および微細藻類を培養し、得られた成長液にワムシおよびミジンコを加え、ウォルフィアおよびウキクサをそれらの間の食物連鎖とともにその存在下で栽培し、ウキクサ、特にウォルフィアのデンプン形成能を利用することにより、デンプンを形成する植物体からのアルコールの発酵を教示している。
ウキクサの自然の生息地は、風または周囲の植物による波から保護された淡水または汽水の表面上に自由に浮遊する。最も好都合な状況は、ウキクサに成長栄養素および微量元素の安定した供給を提供するために、腐敗する有機物質を含む水である。ウキクサの稠密な被覆は光を遮断し、藻類を含む水中の水生植物の競合を抑制する。
ウキクサの葉は、土壌に固定されておらず、水塊の表面に自由に浮遊している。ウォルフィア葉は、目に見える根や葉がない扁平な回転楕円体である。それらは速い流れによって分散されるか、または風および波の作用によって土手に向かって押し出される。植物が深層で積み重なった場合、最下層は、光から切り離され、最終的には死滅するだろう。水から土手に押し出された植物も乾燥して死滅するだろう。水面上での完全な被覆の破壊は、光の侵入と、藻類および他の水中植物の成長を可能にし、これが支配的になり、ウキクサコロニーのさらなる成長を阻害する可能性がある。最も急速な生殖速度は、植物が１平方メートルあたり１００グラムの表面濃度にあるときに生ずる。最大２０層の積み重ねを含む均一分散は、１平方メートルあたり最大７００グラムで起こり得る。最初に、小さなクラスタが毛細管力によって一緒に保持されて形成される。これらは、連続層に統合され、次いでいくつかの層へ積層する。
ウキクサ植物は、栄養利用可能性、日光、および温度の様々な条件下で、２〜８日でその重量を倍増させることができる。これは他のどの高等植物よりも速い。ウキクサの管理されていないコロニーの平均成長速度は、栄養不足または不均衡；毒素；極端なｐＨと温度；コロニーの過成長による混雑；および光と栄養素に対する他の植物との競合といった様々なストレスによって減少する。
ウキクサを栽培するためには、栽培者は、保護された池のような培養プロット、有機または無機の肥料からの水および栄養分の一定供給といったウキクサの自然環境のニッチを模倣する条件を整え、維持する必要がある。
水生植物の栽培システム、例えば栽培池、軌道型栽培装置、管状栽培システム、液膜形成栽培システムがよく知られている。しかしながら、これらの栽培システムには、大きな水域面積の必要性、大面積の高度なレベリング、水の汚染の可能性、大量の水量のエネルギー集中的水循環、長時間にわたり水に棲む古い植物における毒素の蓄積、過密による低歩留まり、栽培面積の単位あたりの光エネルギーの非効率的な使用、アクセス制限のために量産として実施することの困難性、収穫困難性などといった様々な欠点がある。ウキクサはそれ自体を基材に固定するのではなく浮遊し、それは、基材表面に平行に発生する水せん断流動力にさらされたときに水平でない基材から落下するので、表面浮遊種の栽培の固体非水平基材への移送は、直観的ではなく、特に困難である。さらに、人間の栄養または収穫されたウォルフィアが特定の化学組成要件を一貫して遵守するために栽培の目的が収穫されたウォルフィアのためである他の目的のためにウォルフィアを栽培する場合、非水平的な栽培は、望ましくない微量元素または有害な微生物の侵入を含む、組成の大きな変動を避けるために、栄養素および照明条件の両方の観点において、小型植物に適切な栄養を供給することが困難であろう。
上記に鑑みて、表面浮遊植物、特にウキクサを、効率的かつ低コストで制御された植物品質、省スペース、および高収量な方法で栽培するための固体基材栽培システムおよび方法の課題に対処する長年の要望が依然として存在する。
したがって、本発明の１つの目的は、（ａ）前記水生植物の所定の接種物を備えたシート状の前記基材を通って流れる所定体積の成長培地と、（ｂ）以下に定義される少なくとも１つのシート状基材と、（ｃ）前記シート状の基材にトップダウン灌漑流を提供するための灌漑機構と、（ｄ）前記灌漑流を制御するための調節機構とにより特徴付けられ、前記少なくとも１つの前記シート状の基材は、少なくとも１つの支持構造体上に非水平に配置されている、表面浮遊水生植物をシート状の基材上で栽培するためのシステムを開示することである。
本発明のさらなる目的は、
ａ．前記水生植物の所定の接種物を備えるシート状の基材を通って流れる所定体積の成長培地を提供する工程と、
ｂ．少なくとも１つのシート状の基材を提供する工程と、
ｃ．前記シート状の基材において灌漑機構を介してトップダウン灌漑流を提供する工程と、
ｄ．前記灌漑流を制御するように構成された調節機構を提供する工程と、を含み、
前記少なくとも１つの前記シート状の基材は、地面に対して非水平に配置されて、少なくとも１つの支持構造体上に前記所定体積の成長培地を含有する、表面成長水生植物をシート状の基材上で栽培するための方法を開示することである。
本発明のさらなる目的は、
ａ）前記水生植物の所定の接種物を備えるシート状の前記基材を通って流れる所定体積の成長培地と、
ｂ）少なくとも１つのシート状の基材と、
ｃ）前記シート状の基材においてトップダウン灌漑流となるように構成された灌漑機構と、
ｄ）前記灌漑流を制御するように構成された調節機構と、により特徴付けられ
前記少なくとも１つのシート状の基材は、地面に対して非水平に配置されて、少なくとも１つの支持構造体上に前記所定体積の成長培地を含有する、表面成長浮遊水生植物を非水平に配置されたシート状の基材上で栽培するためのシステムを開示することである。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記水生植物は、ランドルティア（Ｌａｎｄｏｌｔｉａ）、レムナ（Ｌｅｍｎａ）、スピロデラ（Ｓｐｉｒｏｄｅｌａ）、ウォルフィア、ウォルフィエラ（Ｗｏｌｆｆｉｅｌｌａ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるウキクサ亜科属である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記水生植物は、ウォルフィア・アングスタ（Ｗｏｌｆｆｉａ ａｎｇｕｓｔａ）、ウォルフィア・アリザ（Ｗｏｌｆｆｉａ ａｒｒｈｉｚａ）、ウォルフィア・オーストラリアナ（Ｗｏｌｆｆｉａ ａｕｓｔｒａｌｉａｎａ）、ウォルフィア・ボレアリス（Ｗｏｌｆｆｉａ ｂｏｒｅａｌｉｓ）、ウォルフィア・ブラジリエンシス（Ｗｏｌｆｆｉａ ｂｒａｓｉｌｉｅｎｓｉｓ）、ウォルフィア・コロンビアナ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｃｏｌｕｍｂｉａｎａ）、ウォルフィア・シリンドラセ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｃｙｌｉｎｄｒａｃｅａ）、ウォルフィア・エロンガタ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｅｌｏｎｇａｔｅ）、ウォルフィア・グロバサ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｇｌｏｂｏｓｅ）、ウォルフィア・ミクロスコピア（Ｗｏｌｆｆｉａ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃａ）、ウォルフィア・ネグレクタ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｎｅｇｌｅｃｔａ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるウォルフィア種である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記所定体積の成長培地は、前記シート状の基材の平衡吸収である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記灌漑機構は、毎時１０の完全平衡吸収体積を超えない速度で成長培地を供給する。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記水生植物は、前記シート状の基材上に播種される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記水生植物の播種と収穫との間の時間は、２〜３０日の範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記水生植物の成長培地消費量は、５００〜１０，０００Ｌ／収穫バイオマス１ｋｇの範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記トップダウン灌漑流の流量は、０．５〜１０リットル／ｈ／ｍ２の範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、前記体積の成長培地の少なくとも１つの物理的または化学的特性を測定するための少なくとも１つの分析手段をさらに備える。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記分析手段は、インライン、オンライン、アットライン、オフライン、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される方法で、前記体積の成長培地に接続される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記少なくとも１つの分析手段は、ｐＨ計、導電率センサ、温度計、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）、比色計、濁度計、ＵＶ−Ｖｉｓ、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）、質量分析計（ＭＳ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記少なくとも１つの物理的または化学的特性は、ｐＨ、伝導率、温度、透過率、尿素濃度、総アンモニア濃度、ミネラル濃度、硝酸塩濃度、全溶解固形分（ＴＤＳ）、全懸濁固形分（ＴＳＳ）、濁度、前記水生植物のバイオマス、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記シート状の基材は、パネルを備える。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記基材パネルのサイズは、幅が０．２〜６ｍ、高さが０．２〜６ｍである。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記基材は、繊維質マット、不織布、織布、編組布、経編布、緯編地、ネット、オープンセル発泡体、半透性膜、および上記基材のいくつかの層から構成される複合構造体、ならびにそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記布の前記繊維は、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、綿、レーヨン、靭皮繊維、ポリ乳酸、アクリルまたはポリウレタン、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記基材中の前記繊維の繊度は、１〜５０００ｄＴｅｘの範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記基材の面積重量は、２０〜５００ｇ／ｍ２の範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記基材の厚さは、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記布の平均細孔径は、１００〜２０００μｍの範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義されるシステムを開示することであり、ここで、前記布の各側の前記水生植物の播種密度は、１００〜２０００ｇ／ｍ２の範囲である。
本発明のさらなる目的は、
ａ．前記水生植物の所定の接種物を備えるシート状の基材を通って流れる所定体積の成長培地を提供する工程と、
ｂ．少なくとも１つのシート状の基材を提供する工程と、
ｃ．前記シート状の基材において灌漑機構を介してトップダウン灌漑流を提供する工程と、
ｄ．前記灌漑流を制御するように構成された調節機構を提供する工程と、を含み、
前記少なくとも１つのシート状の基材は、地面に対して非水平に配置されて、少なくとも１つの支持構造体上に前記所定体積の成長培地を含有する、表面成長浮遊水生植物をシート状の基材上で栽培するための方法を開示することである。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記水生植物は、ランドルティア、レムナ、スピロデラ、ウォルフィア、ウォルフィエラ、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるウキクサ亜科属である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記水生植物は、ウォルフィア・アングスタ、ウォルフィア・アリザ、ウォルフィア・オーストラリアナ、ウォルフィア・ボレアリス、ウォルフィア・ブラジリエンシス、ウォルフィア・コロンビアナ、ウォルフィア・シリンドラセ、ウォルフィア・エロンガタ、ウォルフィア・グロバサ、ウォルフィア・ミクロスコピア、ウォルフィア・ネグレクタ、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるウォルフィア種である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記所定体積の成長培地は、前記シート状の基材の平衡吸収である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記灌漑機構は、毎時１０の完全平衡吸収体積を超えない速度で成長培地を供給する。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記水生植物は、シート状の基材上に播種される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記水生植物の播種と収穫との間の時間は、２〜３０日の範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記水生植物の成長培地消費量は、５００〜１０，０００Ｌ／収穫バイオマス１ｋｇの範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記トップダウン灌漑流の流量は、０．５〜１０リットル／ｈ／ｍ２の範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、前記体積の成長培地の少なくとも１つの物理的または化学的特性を測定するための少なくとも１つの分析手段を提供する工程をさらに含む。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記分析手段は、インライン、オンライン、アットライン、オフライン、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される方法で、前記体積の成長培地に接続される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記少なくとも１つの分析手段は、ｐＨ計、導電率センサ、温度計、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）、比色計、濁度計、ＵＶ−Ｖｉｓ、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）、質量分析計（ＭＳ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記少なくとも１つの物理的または化学的特性は、ｐＨ、伝導率、温度、透過率、尿素濃度、総アンモニア濃度、ミネラル濃度、硝酸塩濃度、全溶解固形分（ＴＤＳ）、全懸濁固形分（ＴＳＳ）、濁度、前記水生植物のバイオマス、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記シート状の基材は、パネルを備える。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記基材パネルのサイズは、幅が０．２〜６ｍ、高さが０．２〜６ｍである。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記基材は、繊維質マット、不織布、織布、編組布、経編布、緯編地、ネット、オープンセル発泡体、半透性膜、および上記基材のいくつかの層から構成される複合構造体、ならびにそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記布の前記繊維は、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、綿、レーヨン、靭皮繊維、ポリ乳酸、アクリルまたはポリウレタン、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記布中の前記繊維の繊度は、１〜５０００ｄＴｅｘの範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記布の面積重量は、２０〜５００ｇ／ｍ２の範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記布の厚さは、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記布の平均細孔径は、１００〜２０００μｍの範囲である。
本発明のさらなる目的は、上記のいずれかで定義される方法を開示することであり、ここで、前記布の各側の前記水生植物の播種密度は、１００〜２０００ｇ／ｍ２の範囲である。
本発明をよりよく理解し、どのようにそれを実施することができるかを示すために、添付の図面を参照して、単なる例示として、様々な実施形態を本明細書で説明する。
図１は、本発明の一実施形態による表面成長水生植物の栽培システムの断面図の概略図である。 図２は、２Ａ〜２Ｃおよび２Ｄを含み、水生植物が成長している布パネルの概略図である。 図２Ａは、織布を示す。 図２Ｂは、不織布を示す。 図２Ｃは、スペーサ布を示す。 図２Ｄはスペーサ布の断面写真を示す。
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、以下の説明に記載されるかまたは図面に示される構成要素の構成および配置の詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態に適用可能であるか、または様々な方法で実施もしくは実行される。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明のためのものであり、限定的であるとみなされるべきではないことを理解されたい。
本明細書で使用される場合、「約」または「およそ」という用語は、定義された量または指標または値の±２５％を意味する。
以下、「バイオマス」という用語は、本発明においては、約９６％の水分を含む淡水形態の水生植物である生物由来の生物学的材料を指す。
以下、「ウキクサ」という用語は、水および湿地の表面またはそのすぐ下に浮遊する開花する水生植物を指す。それらはサトイモ属に属し、したがって、サトイモ内のウキクサ亜科として分類されることが多い。２０世紀末より前に作成された分類は、それらを別々の科、ウキクサとして分類する。
以下、「表面成長浮遊水生植物」または「表面成長水生植物」または「浮遊水生植物」または「表面浮遊水生植物」という用語は、水面に生息する水生植物、または水面上に浮かぶ水生植物、または部分的に水に浸される水生植物を指す。上述の用語は、静止または動きの遅い淡水塊や湿地塊の表面にまたはそのすぐ下に浮遊している水生植物を指す。
以下、「分析手段」という用語は、物質の物理的または化学的特性を測定するための任意の装置を指す。所定体積の成長培地の選択された物理的および／または化学的特性の測定のための本分野で既知の任意の手段を使用することができる。
以下、「成長培地」という用語は、所定量の栄養素および植物成長に必要な他の添加物を含有する水を指す。
以下、「平衡吸収」という用語は、シート状の基材が滴下することなく保持できる水の体積を指す。
ウキクサ種は、世界中で発見された小さな浮遊水生植物で、静止した、栄養豊富な淡水および汽水上での厚い、毛布上のマットで成長しているのがしばしば見受けられる。それらは、植物科ウキクサに属する単子葉植物であり、高等植物または肉眼的植物に分類されるが、しばしば藻類と誤認される［Ｓｋｉｌｌｉｃｏｒｎ Ｐ．ｅｔ ａｌ．１９９３］。
ウキクサ科の最も知られた４つの属種がある：
１．レムナ（ＬＥＭＮＡ）（Ｌ．ギッバ（Ｌ ｇｉｂｂａ）；Ｌ．ジスペルマ（Ｌ．ｄｉｓｐｅｒｎａ）；Ｌ．ギッバ；Ｌ．ジャポニカ（Ｌ ｊａｐｏｎｉｃａ）；Ｌ．ミニマ（Ｌ ｍｉｎｉｍａ）；Ｌ．ミノル（Ｌ ｍｉｎｏｒ）；Ｌ．ミヌスキュラ（Ｌ ｍｉｎｕｓｃｕｌａ）；Ｌ．ポーシコスタータ（Ｌ ｐａｕｃｉｃｏｓｔａｔａ）；Ｌ．ペルプシラ（Ｌ ｐｅｒｐｕｓｉｌｌａ）；Ｌ．ポリルヒザ（Ｌ ｐｏｌｙｒｒｈｉｚａ）；Ｌ．ツリオニフェラ（Ｌ ｔｕｒｉｏｎｉｆｅｒａ）；Ｌ．トリスルカ（Ｌ．ｔｒｉｓｕｌｃａ）；Ｌ．ヴァルジヴィアーナ（Ｌ ｖａｌｄｉｖｉａｎａ））；
２．スピロデラ（ＳＰＩＲＯＤＥＬＡ）（Ｓ．ビペルフォラタ（Ｓ．ｂｉｐｅｒｆｏｒａｔａ）；Ｓ．インテルメディア（Ｓ．ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａ）；Ｓ．オリゴリザ（Ｓ．ｏｌｉｇｏｒｒｈｉｚａ）；Ｓ．ポリリザ（Ｓ．ｐｏｌｙｒｒｈｉｚａ）；Ｓ．ポンクタタ（Ｓ．ｐｕｎｃｔａｔａ））；
３．ウォルフィア（Ｗ．アリリザ（Ｗ．ａｒｒｈｉｚａ）；Ｗ．オーストラリアナ（Ｗ．ａｕｓｔｒａｌｉａｎａ）；Ｗ．コロンビアナ（Ｗ．Ｃｏｌｕｍｂｉａｎａ）；Ｗ．ミクロスコピア（Ｗ．ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉａ）；Ｗ．ネグレクタ（Ｗ．ｎｅｇｌｅｃｔａ）、ウォルフィア・アングスタ（Ｗｏｌｆｆｉａ ａｎｇｕｓｔａ）、ウォルフィア・ボレアリス（Ｗｏｌｆｆｉａ ｂｏｒｅａｌｉｓ）、ウォルフィア・ブラジリエンシス（Ｗｏｌｆｆｉａ ｂｒａｓｉｌｉｅｎｓｉｓ）、ウォルフィア・シリンドラセ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｃｙｌｉｎｄｒａｃｅａ）、ウォルフィア・エロンガタ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｅｌｏｎｇａｔａ）、ウォルフィア・グロバサ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｇｌｏｂｏｓａ）、およびウォルフィア・ミクロスコピア））；
４．ウォルフィエラ（ＷＯＬＦＦＩＥＬＬＡ）（Ｗ．カウダタ（Ｗ．ｃａｕｄａｔｅ）；Ｗ．デンティキュラタ（Ｗ．ｄｅｎｔｉｃｕｌａｔｅ）；Ｗ．リングラタ（Ｗ．ｌｉｎｇｕｌａｔａ）；Ｗ．オブロンガ（Ｗ．ｏｂｌｏｎｇａ）；Ｗ．ロツンダ（Ｗ．ｒｏｔｕｎｄａ））。
本発明は、省スペース、効率的な水輸送、光エネルギー効率、高精度栄養、食品の品質、安定した成長ならびに水塊の水平面上で自然に成長する水生植物を栽培しおよびゆっくり動く可能性がある前記水から通常は栄養を得ることができる高収率のシステムを開示することを意図する。植物が静止し、水が動的である固体基材に培養物を移すことは、水生植物が成長するシート状の基材の特別な配置ならびに灌水培地の流れおよび含有量の調節によって達成される。シートは、水生植物の付着、栄養および成長のためにその表面に水の補充可能で均質な薄い層の形成、維持および調節を可能にする、明確に定義された布、発泡体または他の多孔質構造体から作製される。水生植物を栽培するための水および栄養素は、灌漑機構によって供給される。灌漑流機構は、調節機構によって制御されるシート状の基材に灌漑流を提供する。調節機構は、灌漑流量を調節し、その結果、水生植物は、根や毛管力以外の重力に反する他の固有の機構を有せずにシート状の基材に付着したままであり、最も効率的で一貫した、栄養素と光エネルギーの供給を続けている。本発明の下で定義されるような制御された環境において多孔質材料を介して投与される場合、ウキクサの小さな塊（特に好ましい種：ウォルフィア）と水の毛細管力の両方を活用するように調整された明確に定義された集約栽培条件を介して、これは、重力に対して、かつ経済的に実行可能であるが、まだ組成が良好に制御された、一貫した、大量生産のための要件に応じて可能となる。非水平配置は、水平な水塊と比較して、単位成長領域あたりのより多くの光の浸透を可能にする。
本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ウキクサ科の任意のメンバーを含み得る表面浮遊水生植物に好適である。ウォルフィア属の植物が好ましい。制御された成長（例えば、栄養培地の化学組成、照明および外的汚染からの保護）の条件で、新鮮な緑色の野菜の形態で、本発明の好ましい目的である植物構成要素ウォルフィアは、水生栽培場で成長する食料品の化学純度の要件を満たす特徴を有する。理想的な条件では、ウキクサのバイオマスは２〜８日で２倍になる。一般に、ウキクサの播種と収穫との間の時間は、２〜３０日の範囲である。
ここで図１を参照すると、非水平シート状の基材上に表面浮遊水生植物を栽培するためのシステムの一実施形態の断面図が示されている。この実施形態では、システム（１００）は、流出物回収タンク（１０）と、ウキクサまたは選択された種のウキクサ亜科である水生植物（６０）の所定の接種物を支持するシート状の基材（２０）と、シート状基材（３０）の支持構造体と、前記シート状の基材のトップダウン灌漑流（７０）となるように構成された灌漑機構（４０）と、前記灌漑流（７０）を制御するように構成された調節機構（５０）とを備える。シート状の基材（２０）は、支持基材（３０）に非水平に配置される。不適切な条件は、水生植物が脱落して流出物収集タンク（１０）に不利に落ちることになる。
ここで、表面浮遊水生植物（２００）を栽培するためのシステムの一部の拡大図を参照する。シート状の基材（２０）は、そのバルク内およびその表面上での水の毛細管輸送が可能であり、連続表面水膜（８０）を形成する多孔質構造体である。そのような構造体の例は、繊維質マット、不織布、織布、編組布、経編布、緯編地、ネット、オープンセル発泡体、半透性膜、および上記基材のいくつかの層から構成される複合構造体である。前記基材の面積は、２０〜５００ｇｒ／平方メートルである。厚さは、０．１〜２０ｍｍである。１００〜２０００マイクロメートルの平均細孔径。空隙率（空隙を含む固体材料の全体積に対する固体材料の境界内の空隙の比）は、０．６〜０．９８である。繊維または発泡体の構成材料は、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、綿、レーヨン、靭皮繊維、ポリ乳酸、アクリルもしくはポリウレタン、またはそれらの混合物である。
繊維繊度は１〜５０００ｄＴｅｘである。垂直ストリップ法（例えば、Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｓ ａｎｄ Ｃｏｌｏｒｉｓｔｓ （ＡＡＴＣＣ） Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ １９７−２０１１， Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｗｉｃｋｉｎｇ ｏｆ Ｔｅｘｔｉｌｅｓ）で測定した毛細管度は、ウィッキング高さ２ｍｍ〜１５０ｍｍ、垂直ウィッキング速度０．２〜２０ｍｍ／秒である。
支持構造体（３０）は、ｘ、ｙ、ｚ座標で自動的にまたは手動で所定の方法で移動するためにガントリーまたはフレームに相互接続されてもよい。灌漑流機構（４０）は、制御機構（５０）によって制御される、シート状の基材（２０）におけるトップダウン灌漑流（７０）を提供する。調節機構は、０．５〜１０Ｌ／ｈｒ／ｍ２の範囲の灌漑流量を調節し、１時間あたりの基材中の液体の平衡吸収体積を最大１０回完全に置換し、その結果、水生植物（６０）は、シート状の基材（２０）に付着したままであり、栄養素および光エネルギーの最も効率的な利用を有する。水生植物の成長培地（１０）の消費量は、収穫バイオマスの５００〜１０，０００Ｌ／Ｋｇの範囲である。照明強度は、３，０００〜１０，０００ｌｕｘの範囲である。
ウキクサ種は、生存の点では堅牢であるが、生育およびその組成に関しては敏感である。それらは、極端な温度、栄養分の負荷、栄養バランス、およびｐＨから生存および回復し得る。しかしながら、ウキクサが生育するためには、これらの４つの要因を、合理的な限度内でバランスをとり、かつ維持する必要がある。例えば、ｐＨは、６．５〜７．５の範囲に維持するのが最良であり、温度は、１６〜２８℃であるべきである。ウキクサの管理されていないコロニーの平均成長速度は、栄養不足または不均衡；毒素；極端なｐＨと温度；コロニーの過成長による混雑；ならびに光および栄養素に対する他の植物との競合といった様々なストレスによって減少する。ウキクサの作物管理は、肥料、灌漑、収穫、および緩衝をいつ行うべきか；肥料および収穫は、どれくらいか；ならびにどの栄養素を供給するのかということと関連している。優れた作物管理は、ウキクサの完全で稠密な被覆、中間範囲のｐＨおよびバランスの取れた栄養素を維持する。（１０）における流出水の分析は、成長培地の状態を監視するための方法を提供し、さらに、一旦測定された成長培地の物理的または化学的特性が、水生植物の望ましい成長条件から逸脱すると、測定の結果をフィードバック機構に送り、灌漑（４０）を調節することができる。フィードバック情報は、所定体積の増殖培地中の肥料および栄養素の濃度を調節するために使用される。また、成長培地を解毒し、ｐＨおよび温度を回復させる手段も備える。分析は、インライン、オンライン、アットライン、オフライン、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択し得る。成長培地の条件を監視するために、測定される物理的または化学的特性は、ｐＨ、伝導率、温度、透過率、尿素濃度、総アンモニア濃度、ミネラル濃度、硝酸塩濃度、全溶解固形分（ＴＤＳ）、全懸濁固形分（ＴＳＳ）、濁度、前記水生植物のバイオマス、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。これらの物理的または化学的特性を測定するために、分析手段は、ｐＨ計、導電率センサ、温度計、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）、比色計、濁度計、ＵＶ−Ｖｉｓ、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）、質量分析計（ＭＳ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。
ここで、水生植物（６０）が成長している基材パネルを備える非水平シート状の基材の概略図を示す図２を参照する。前記基材パネルのサイズは、幅が０．２〜６ｍ、高さが０．２〜６ｍである。前記基材の厚さは、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲である。前記基材の面積重量は、２０〜５００ｇ／ｍ２の範囲である。前記基材の平均細孔径は、１００〜２０００μｍの範囲である。前記基材の各側の前記水生植物（６０）の播種密度は、１００〜２０００ｇ／ｍ２の範囲である。前記基材は、繊維質マット、不織布、織布、編組布、経編布、緯編地、ネット、オープンセル発泡体、半透性膜および上記基材のいくつかの層から構成される複合構造体、ならびにそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される。図２Ａは、ラップヤーン（５１０）およびフィルヤーン（５２０）を含む織布を示す。図２Ｂは、不織布マット（５３０）を示す。図２Ｃは、外側布（５４０）および連結フィラメント（５５０）を含むスペーサ布を示す。図２Ｄは、スペーサ布の断面写真である。前記基材の前記繊維は、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、綿、レーヨン、靭皮繊維、ポリ乳酸、アクリルもしくはポリウレタン、またはこれらの混合物からなる群から選択される。繊維の繊度は１〜５０００ｄＴｅｘの範囲である。

Claims (44)

  1. 非水平に配置されたシート状の基材上で表面成長浮遊水生植物を栽培するためのシステムであって、
    ｅ）前記水生植物の所定の接種物を備えるシート状の前記基材を通って流れる所定体積の成長培地と、
    ｆ）少なくとも１つのシート状の基材と、
    ｇ）前記シート状の基材においてトップダウン灌漑流となるように構成された灌漑機構と、
    ｈ）前記灌漑流を制御するように構成された調節機構と、により特徴付けられ、
    前記少なくとも１つのシート状の基材は、地面に対して非水平に配置されて、少なくとも１つの支持構造体上に前記所定体積の成長培地を含有する、システム。
  2. 前記水生植物は、ランドルティア（Ｌａｎｄｏｌｔｉａ）、レムナ（Ｌｅｍｎａ）、スピロデラ（Ｓｐｉｒｏｄｅｌａ）、ウォルフィア（Ｗｏｌｆｆｉａ）、ウォルフィエラ（Ｗｏｌｆｆｉｅｌｌａ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、ウキクサ亜科（ｌｅｍｎｏｉｄｅａｅ）属である、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記水生植物は、ウォルフィア・アングスタ（Ｗｏｌｆｆｉａ ａｎｇｕｓｔａ）、ウォルフィア・アリザ（Ｗｏｌｆｆｉａ ａｒｒｈｉｚａ）、ウォルフィア・オーストラリアナ（Ｗｏｌｆｆｉａ ａｕｓｔｒａｌｉａｎａ）、ウォルフィア・ボレアリス（Ｗｏｌｆｆｉａ ｂｏｒｅａｌｉｓ）、ウォルフィア・ブラジリエンシス（Ｗｏｌｆｆｉａ ｂｒａｓｉｌｉｅｎｓｉｓ）、ウォルフィア・コロンビアナ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｃｏｌｕｍｂｉａｎａ）、ウォルフィア・シリンドラセ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｃｙｌｉｎｄｒａｃｅａ）、ウォルフィア・エロンガタ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｅｌｏｎｇａｔｅ）、ウォルフィア・グロバサ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｇｌｏｂｏｓｅ）、ウォルフィア・ミクロスコピア（Ｗｏｌｆｆｉａ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃａ）、ウォルフィア・ネグレクタ（Ｗｏｌｆｆｉａ ｎｅｇｌｅｃｔａ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるウォルフィア種である、請求項１に記載のシステム。
  4. 前記所定体積の成長培地は、前記シート状の基材の平衡吸収である、請求項１に記載のシステム。
  5. 前記灌漑機構は、毎時１０の完全平衡吸収体積を超えない速度で成長培地を供給する、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記水生植物は、前記シート状の基材上に播種される、請求項１に記載のシステム。
  7. 前記水生植物の播種と収穫との間の時間は、２〜３０日の範囲である、請求項１に記載のシステム。
  8. 前記水生植物の成長培地消費量は、収穫バイオマス１ｋｇあたり５００〜１０，０００Ｌの範囲である、請求項１に記載のシステム。
  9. 前記トップダウン灌漑流の流量は、０．５〜１０リットル／ｈ／ｍ２の範囲である、請求項１に記載のシステム。
  10. 前記体積の成長培地の少なくとも１つの物理的または化学的特性を測定するための少なくとも１つの分析手段をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
  11. 前記分析手段は、インライン、オンライン、アットライン、オフライン、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される方法で、前記体積の成長培地に接続される、請求項１０に記載のシステム。
  12. 前記少なくとも１つの分析手段は、ｐＨ計、導電率センサ、温度計、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）、比色計、濁度計、ＵＶ−Ｖｉｓ、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）、質量分析計（ＭＳ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１０に記載のシステム。
  13. 前記少なくとも１つの物理的または化学的特性は、ｐＨ、伝導率、温度、透過率、尿素濃度、総アンモニア濃度、ミネラル濃度、硝酸塩濃度、全溶解固形分（ＴＤＳ）、全懸濁固形分（ＴＳＳ）、濁度、前記水生植物のバイオマス、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１０に記載のシステム。
  14. 前記シート状の基材は、パネルを備える、請求項１に記載のシステム。
  15. 前記基材パネルのサイズは、幅が０．２〜６ｍ、高さが０．２〜６ｍである、請求項１４に記載のシステム。
  16. 前記基材は、繊維質マット、不織布、織布、編組布、経編布、緯編地、ネット、オープンセル発泡体、半透性膜、および上記基材のいくつかの層から構成される複合構造体、ならびにそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１４に記載のシステム。
  17. 前記布の前記繊維は、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、綿、レーヨン、靭皮繊維、ポリ乳酸、アクリルまたはポリウレタン、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項１６に記載のシステム。
  18. 前記基材中の前記繊維の繊度は、１〜５０００ｄＴｅｘの範囲である、請求項１６に記載のシステム。
  19. 前記基材の面積重量は、２０〜５００ｇ／ｍ２の範囲である、請求項１４に記載のシステム。
  20. 前記基材の厚さは、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲である、請求項１４に記載のシステム。
  21. 前記布の平均細孔径は、１００〜２０００μｍの範囲である、請求項１６に記載のシステム。
  22. 前記布の各側の前記水生植物の播種密度は、１００〜２０００ｇ／ｍ２の範囲である、請求項１６に記載のシステム。
  23. シート状の基材上で表面成長浮遊水生植物を栽培するための方法であって、
    ｅ．前記水生植物の所定の接種物を備えるシート状の基材を通って流れる所定体積の成長培地を提供する工程と、
    ｆ．少なくとも１つのシート状の基材を提供する工程と、
    ｇ．前記シート状の基材において灌漑機構を介してトップダウン灌漑流を提供する工程と、
    ｈ．前記灌漑流を制御するように構成された調節機構を提供する工程と、を含み、
    前記少なくとも１つのシート状の基材は、地面に対して非水平に配置されて、少なくとも１つの支持構造体上に前記所定体積の成長培地を含有する、方法。
  24. 前記水生植物は、ランドルティア、レムナ、スピロデラ、ウォルフィア、ウォルフィエラ、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるウキクサ亜科属である、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記水生植物は、ウォルフィア・アングスタ、ウォルフィア・アリザ、ウォルフィア・オーストラリアナ、ウォルフィア・ボレアリス、ウォルフィア・ブラジリエンシス、ウォルフィア・コロンビアナ、ウォルフィア・シリンドラセ、ウォルフィア・エロンガタ、ウォルフィア・グロバサ、ウォルフィア・ミクロスコピア、ウォルフィア・ネグレクタ、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択されるウォルフィア種である、請求項２３に記載の方法。
  26. 前記所定体積の成長培地は、前記シート状の基材の平衡吸収である、請求項２３に記載の方法。
  27. 前記灌漑機構は、毎時１０の完全平衡吸収体積を超えない速度で成長培地を供給する、請求項２３に記載の方法。
  28. 前記水生植物は、シート状の基材上に播種される、請求項２３に記載の方法。
  29. 前記水生植物の播種と収穫との間の時間は、２〜３０日の範囲である、請求項２３に記載の方法。
  30. 前記水生植物の成長培地消費量は、収穫バイオマス１ｋｇあたり５００〜１０，０００Ｌの範囲である、請求項２３に記載の方法。
  31. 前記トップダウン灌漑流の流量は、０．５〜１０リットル／ｈ／ｍ２の範囲である、請求項２３に記載の方法。
  32. 前記体積の成長培地の少なくとも１つの物理的または化学的特性を測定するための少なくとも１つの分析手段を提供する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
  33. 前記分析手段は、インライン、オンライン、アットライン、オフライン、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される方法で、前記体積の成長培地に接続される、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記少なくとも１つの分析手段は、ｐＨ計、導電率センサ、温度計、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）、比色計、濁度計、ＵＶ−Ｖｉｓ、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）、質量分析計（ＭＳ）、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項３２に記載の方法。
  35. 前記少なくとも１つの物理的または化学的特性は、ｐＨ、伝導率、温度、透過率、尿素濃度、総アンモニア濃度、ミネラル濃度、硝酸塩濃度、全溶解固形分（ＴＤＳ）、全懸濁固形分（ＴＳＳ）、濁度、前記水生植物のバイオマス、およびそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項３２に記載の方法。
  36. 前記シート状の基材は、パネルを備える、請求項２３に記載の方法。
  37. 前記基材パネルのサイズは、幅が０．２〜６ｍ、高さが０．２〜６ｍである、請求項３６に記載の方法。
  38. 前記基材は、繊維質マット、不織布、織布、編組布、経編布、緯編地、ネット、オープンセル発泡体、半透性膜および上記基材のいくつかの層から構成される複合構造体、ならびにそれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項３６に記載の方法。
  39. 前記布の前記繊維は、ポリエステル、ポリアミド、ポリオレフィン、綿、レーヨン、靭皮繊維、ポリ乳酸、アクリルまたはポリウレタン、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される、請求項３８に記載の方法。
  40. 前記布中の前記繊維の繊度は、１〜５０００ｄＴｅｘの範囲である、請求項３８に記載の方法。
  41. 前記布の面積重量は、２０〜５００ｇ／ｍ２の範囲である、請求項３８に記載の方法。
  42. 前記布の厚さは、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲である、請求項３８に記載の方法。
  43. 前記布の平均細孔径は、１００〜２０００μｍの範囲である、請求項３８に記載の方法。
  44. 前記布の各側の前記水生植物の播種密度は、１００〜２０００ｇ／ｍ２の範囲である、請求項３８に記載の方法。
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