JP6067875B2

JP6067875B2 - 植物栽培システム

Info

Publication number: JP6067875B2
Application number: JP2015543590A
Authority: JP
Inventors: 矢澤　義昭; 義昭矢澤; 由美子五十嵐
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: WO2015059752A1; JPWO2015059752A1

Description

本発明は、養液栽培を利用し栽培環境を制御して植物を栽培する植物栽培システムに関する。

栽培環境を制御することで高品質作物の安定生産をめざす植物工場が注目され、そこで使われる栽培方法として養液栽培の利用が拡大している。土耕栽培では土壌中に大量に存在する微生物が持つ有機物分解、窒素固定などの働きが重要であることが既に広く認識され、分子生物学的な手法による土壌微生物相の計測方法や肥料や農薬の投与指針などの管理方法について多くの実績が積み上げられてきた。一方、養液栽培では、栄養分を植物が吸収できるイオンの形で培養液中に供給するため、微生物計測の必要性が強く認識されてこなかった。しかし、近年、植物工場が大規模化し普及する中で、病害管理や微生物との共生を利用した品質向上における重要性が強く認識されるようになった。培養液中には多種多様な微生物が生息しており、上述の土壌微生物について得られた知見を応用することで培養液や養液栽培作物の根域微生物を解析し、これをもとに養液栽培における効果的な病害管理を行うものである。

これに関連する技術として、特許文献１には、培養液に紫外線を照射する機能と、オゾンを供給する機能と、光触媒を作用させる機能を有する除菌浄化技術が開示されている。特許文献２には、光触媒機能をもつチタンイオン交換アパタイトを利用して栽培土壌の細菌類による汚染を防止する技術が開示されている。また特許文献３には、植物の生育を促進するために植物根域に可視光を照射する方法が開示されている。

特開２００８−１０１０７２号公報特開２００６−０５０９９２号公報特開２０１２−１９６２０２号公報

植物工場において作柄や収量に大きな影響を与える病害が発生すると、場合によっては栽培施設棟全体を停止して１−２カ月かけて消毒をする必要があり、損失は多大に及ぶ。すなわち、水耕栽培方式では培養液が多数の株で同時に共有されるため、循環系の一か所に滅菌機構を設けたとしても１株で発生した病害が培養槽全体に及ぶことになる。また、噴霧栽培の場合も株ごとの分離は完全ではないことから、微生物の複数株へ感染が拡大する恐れがある。よって、植物工場において有害微生物による病害の防除は極めて重要な課題である。現状の植物工場における微生物の管理・制御は定期的に栽培棚の清掃・消毒をする方法が一般的であり、病害の予防保全を実現する新規の微生物制御技術が強く望まれている。

前記特許文献１，２の技術によれば、有害微生物に対する除菌の効果が期待できる。しかしながら、栽培用養液や土壌に対して除菌を行うものであって、植物自身に直接作用するものではないから除菌効果には限界がある。例えば特許文献１では、培養液滅菌機構は培養液循環系の一部に設けられている。この構成の場合、滅菌の手段が作物の培養槽とは異なる位置にあるために培養液は滅菌されても作物自身の滅菌をすることができない。また特許文献３の技術は植物に直接作用するものであるが、植物の生育を促進するためのもので滅菌作用は考慮されていない。

本発明の目的は、養液栽培において植物に直接作用して効果的に除菌を行う植物栽培システムを提供することである。

本発明は、循環する培養液を用いて作物を生育させる植物栽培システムにおいて、培養液を保持する培養槽と、培養液中および作物に存在する病原微生物の活性を抑制する紫外光を放出する滅菌用光源を備え、滅菌用光源からの放出光を作物の根域に向けて照射することを特徴とする。

本発明によれば、養液栽培において植物の根域や根域近傍の培養液中に存在する微生物を効率的に滅菌することができる。よって、より効果的に病害の予防保全が可能な植物栽培システムを提供できる。

実施例１にかかる植物栽培システムの全体構成を示す図。照射光波長と滅菌効果の関係を示す図。照射光強度と滅菌効果の関係を示す図。実施例２にかかる培養槽の構成を示す図。実施例３にかかる培養槽の構成を示す図。実施例３にかかる培養槽の他の構成を示す図。実施例４にかかる培養槽の構成を示す図。実施例５にかかる培養槽の構成を示す図。実施例５にかかる培養槽の他の構成を示す図。実施例６にかかる培養槽の構成を示す図。

植物工場で使われる養液栽培は３つの方式に大別される。第１の方式は水耕栽培で、土壌は一切使わずに作物は培養槽中の培養液からの栄養供給によって栽培される。第２の方式は、噴霧栽培で培養液を根に噴霧することで作物を栽培する。第３は固形培地を介して培養液を作物に与えるもので、固形培地の緩衝作用により安定した生産を目指す方式である。以下の実施例では第１の方式である水耕栽培について説明するが、第２方式である噴霧栽培の場合にも適用が可能である。

図１は、本発明が適用される植物栽培システムの全体構成を示す図である。栽培対象の植物（以下、作物）１は定植パネル３にて保持し、培養液５が溜められた培養槽４に入れる。培養液５は、作物１による吸収や蒸発によって失われるが、水道などの水の供給元２１からタンク２２に一時貯留され、栄養タンク２３にて栄養を添加されてから、培養槽４の水量減少に応じて配管２６から培養槽４に導入される。また、循環ポンプ２０によって培養槽４の一端から培養液５を汲み取り、配管２７によって他の場所に戻すことにより培養液５を循環させる。滅菌用光源８は作物１の根域２の滅菌のために光照射を行うもので、培養槽４の底部に一定の間隔で設置された光源支持基板９に取り付けている。ここで、定植パネル３は培養槽４を移動するので、培養槽４の底部に配置された光源８が一定の間隔で配置されていても、時間の経過により作物１の根域２には一様に光が照射されることになる。

培養槽４内では、作物１は葉を上にして根域２が下になるように支持体となる定植パネル３に固定され、培養液５が入れられた培養槽４において根域２の少なくとも一部が培養液５に浸漬されるようにして栽培される。培養槽５の底部には、根域２の滅菌を目的として、根域２に波長１５０−４００ｎｍの紫外光を照射する滅菌用光源８を備える。一個あるいは複数個の光源８が光源支持基板９に固定され、これらの基板９は培養槽５の底部に固定される。ここで上記波長の光の光源８として、ＬＥＤ、水銀ランプ、キセノンランプなどを利用することができる。作物１は一般に成長方向（図面上方向）に沿った中心軸についてほぼ対称な形状をしており、図１のように、培養槽４の底に光源８を配置して成長軸方向（培養槽４の上方向）に紫外光を照射する。これより、作物根域２の特定領域に影が形成されず、一様に紫外光を照射することができる。また、水平方向に拡がりをもつ培養槽４において光源８を培養槽４の底部に配置することで、光源８を設置するための構造を単純化することができる。水耕栽培では、作物１を保持する定植パネル３を培養液５の液面に浮かべた状態とし、作物１の成長に応じて培養槽４の中を移動させることによって定植から収穫までの各工程を同じ場所で管理できるようになる。図１において符号１０は定植パネル３の移動方向を示す。

滅菌用光源８は多数の作物１に対して長時間にわたって連続照射する必要はなく、滅菌に必要な光積算強度が各根域２において得られるように、連続駆動あるいはパルス駆動によって光を照射すればよい。滅菌用光源８の設置コストを低減しつつ上記の条件を得るためには、図１に示すように培養槽４の底部に一定の間隔をおいて光源８を配置する。定植パネル１は符号１０の方向に移動するので、その移動速度に応じて滅菌用光源８を駆動することにより滅菌に必要な光積算強度を確保することができる。

次に、滅菌用光源８の好適な駆動条件について述べる。
図２は、照射光波長と滅菌効果の関係を示す図である。横軸は照射光の波長、縦軸は微生物に対する殺菌効果を相対値で示したものである。この結果より、深紫外光の波長領域１５０−４００ｎｍにおいて滅菌効果が大きいことが分かる。深紫外光が微生物の活性を低下させるのは、高い光子エネルギーを持つ深紫外光の照射により微生物の遺伝子（核酸）の分子結合が切断されて損傷を受けるためとされる。核酸の分子結合を最も効率的に切断する波長は２５４ｎｍであり、この波長から外れると切断の効率は低下し、４００ｎｍ以上では切断の効率はピーク比で１／１０００以下になる。また、４００ｎｍ以上の光照射を行うと、培養液中において意図しない藻の発生を促進する場合がある。そこで光源の電力消費、藻の繁殖を考慮し、滅菌用の光源の中心波長は２５４ｎｍの近傍で、範囲が１５０−４００ｎｍに設定することが望ましい。

図３は、照射光強度と滅菌効果の関係を示す図である。横軸は照射光のエネルギー強度（紫外線量）、縦軸は微生物の生存率を示したもので、一例として大腸菌ファージに波長２５４ｎｍの紫外光を照射した場合である。これより、４ｍＪ／ｃｍ^２のエネルギー強度で生存率は約１／１０まで減少する。この関係を外挿すると、９ｍＪ／ｃｍ^２では生存率は１／１００００以下になる。耐性の高いウィルスの場合には、１２１ｍＪ／ｃｍ^２では生存率は１／１００００以下となる。これらより、エネルギー強度は０．１−２００ｍＪ／ｃｍ^２の範囲が好適と言える。

一方、作物の根も遺伝子の情報を基にして成長しており、照射光による作物の遺伝子の損傷を抑えることが必要である。根の成長部は、最先端部から根冠を構成する細胞１０個分ほど根の表面から内側に下がったところにあり、頂端細胞の核酸が破壊されないように照射光のエネルギー強度を設定する必要がある。波長２５４ｎｍの光に対する細胞の吸収係数は１０^２−１０^４／ｃｍである。根冠の厚さは細胞１０個ほどでありその幅を３０μｍとすると、照射光の透過率は０．１以下になり、根の表面に存在する微生物が受けるエネルギーの１／１０以下となる。したがって、上記エネルギー強度の設定でも、根の成長を妨げることなく根の表面に付着する微生物の繁殖を抑制することができる。

実施例２では、実施例１の構成に作物生育のための光源を追加したものである。
図４は、実施例２にかかる培養槽の構成を示す図である。培養槽４の上部には、光源支持基板７にて保持された光合成誘導のための光合成用光源６を複数個配置している。この光源６は、作物１の葉部に対して光合成に必要となる４００−７００ｎｍの波長域を含む可視光を放出する。一方培養槽４の底部に配置した滅菌用光源８は、実施例１で述べたように、作物１の根域２に滅菌用の紫外光を照射する。

ここで、光合成用光源６と滅菌用光源８は、波長が異なるだけでなく異なる制御パターンで駆動することが望ましい。光合成用光源６は光合成反応を最大化するよう運用し、滅菌用光源８は有害微生物の発生あるいは発生のリスクに応じて最小限の運用にする。すなわち両者の光源の駆動デューティは異なり、光源駆動用の電力使用を必要最小限とし、作物根域へのダメージを抑えながら滅菌の効果を得ることができる。

実施例３は、実施例１における光源の配置を変え、より均一に照射するようにしたものである。
図５は、実施例３にかかる培養槽の構成を示す図である。滅菌用光源８は培養槽４の底部に、ほぼ作物１の間隔（すなわち定植パネル３の間隔）に合わせて配置している。これにより、各作物１に対して照射光の影が発生せず、常に均一な光照射が可能になる。この場合、各作物１（定植パネル３）は移動させる必要がなく、定位置に留めても良い。

図６は、実施例３にかかる培養槽の他の構成を示す図である。ここでは光源８の設置数を減らし（この例では１個の光源）、光源８を基板９とともに培養槽４の底部を符号１１の方向に移動させる。これより各作物１に対して均一な照射を実現するものである。この構成によれば、光源８の設置数が大幅に減少し、設備コストを大幅に低減できる。

実施例４は、実施例１の構成に環境センサによる制御を追加したものである。病害発生の発生は、有害微生物の存在だけでなく、気温、湿度、日照、培養液のｐＨや電気伝導度などの環境パラメータによっても影響を受ける。例えば培養液の濃度が下がり、電気伝導度の値が上昇すると細菌が増殖しやすくなる。また、微生物の種類によっては、高湿度で低温の環境では菌類の増殖が促進される。植物工場においてこうしたパラメータは人為的にある程度制御が可能であるが、外部環境の大きな変化によりパラメータ変動が不可避であったり、制御に要する燃料費などのコスト的な制約がある場合には、一定の変動を許容しなければならない。

図７は、実施例４にかかる培養槽の構成を示す図である。この構成では、植物工場２４内の環境（気温、湿度、ほか）を環境センサ２５によって計測する。制御系１３はその計測データを受け、病害発生の危険を予測して滅菌機構を駆動させる。これより、作物１の病害を予防的に防除するものである。また、微生物センサ１２を設置し、培養液５中の微生物を計測する。制御系１３は微生物の数が一定数を越えると滅菌用光源８を駆動する。このように、微生物の数が増加したときだけ滅菌機構を動作させることで、運用コストが低減できる。

実施例５では、実施例１の構成に作物の根を揺動させる機構を追加したものである。作物の根は一般に複雑な形状を持つため、拡散光源を使ったとしても十分に光を照射できない部位が生じることがある。本実施例はそのような場合に有効となる。

図８は、実施例５にかかる培養槽の構成を示す図である。ここでは、作物１の根域２付近の培養液５を撹拌するために撹拌器１５を設けた。撹拌器１５を駆動させることで、根域２付近の培養液５が撹拌され、作物１の根域２が揺動される。その結果、光源８からの紫外光を根域２に対してムラなく照射することができる。

図９は、実施例５にかかる培養槽の他の構成を示す図である。ここでは、作物１の根域２付近の培養液５に気泡を発生させるために気泡発生器１６を設けた。気泡発生器１６を駆動させることで、根域２付近の培養液５に気泡１７が発生し（培養液５が撹拌され）、作物１の根域２が揺動される。その結果、光源８からの紫外光を根域２に対してムラなく照射することができる。

実施例６では、実施例１の構成に光触媒材料による滅菌機能を追加したものである。
図１０は、実施例６にかかる培養槽の構成を示す図である。実施例１で述べたように作物１の根域２に対して深紫外光を照射すると同時に、光触媒機能をもつ材料からなる微粒子１８を培養液５に放出して根域２に絡むように撹拌器１５で撹拌させる。光触媒微粒子１８は放出器１９から培養液５中に放出された後、深紫外光によって励起された状態で根域２に到達して根域の微生物を滅菌する。従来技術においても光触媒材料による滅菌作用は知られているが、固形培地や培地容器内面に光触媒材料をコートするものであり、本実施例のような水耕栽培や噴霧栽培にそのまま適用することはできない。本実施例では、光触媒材料を微粒子状にして養液中に放出・撹拌することで、水耕栽培や噴霧栽培においても根域２に対する効果的な滅菌を可能とするものである。

以上のように本発明の各実施例では、培養槽における作物根域の微生物制御のために作物根域に向けて深紫外光を照射するものであるが、紫外光の光源を培養槽に底部に設置することで植物体による影の形成を最小限にすることができる。さらに複雑な形状を持つ根に対して照射ムラが生じないように、培養液の撹拌により根域を揺動させ、さらには光触媒微粒子との併用により滅菌効果を増大させている。以上の各実施例は水耕栽培について述べたが、噴霧栽培の場合にも適用が可能である。

１：作物、２：根域、３：定植パネル、４：培養槽、５：培養液、６：光合成用光源、７：光源支持基板、８：滅菌用光源、９：光源支持基板、１２：微生物センサ、１３：制御系、１４：配管、１５：撹拌器、１６：気泡発生器、１７：気泡、１８：光触媒微粒子、１９：放出器、２０：循環ポンプ、２１：水の供給元、２２：タンク、２３：栄養タンク、２４：植物工場、２５：環境センサ、２６：配管、２７：配管。

Claims

循環する培養液を用いて作物を生育させる植物栽培システムにおいて、
前記培養液を保持する培養槽と、
前記培養液中および前記作物に存在する病原微生物の活性を抑制する紫外光を放出する滅菌用光源を備え、
該滅菌用光源からの放出光を前記作物の根域に向けて照射することを特徴とする植物栽培システム。
請求項１に記載の植物栽培システムにおいて、
前記滅菌用光源を前記培養槽の底部に設置し前記紫外光を前記培養槽の上方に向けて放出させ、
前記作物を保持し前記培養槽内で移動可能な定植パネルを前記培養液の液面に沿って移動させることを特徴する植物栽培システム。
請求項１に記載の植物栽培システムにおいて、
前記滅菌用光源を前記培養槽の底部を移動させるとともに前記紫外光を前記培養槽の上方に向けて放出させることを特徴する植物栽培システム。
請求項１に記載の植物栽培システムにおいて、
当該植物栽培システム内の温度、湿度、日照、前記培養槽内の温度、ｐＨ、電気伝導度の少なくとも１つを測定する環境センサと、
該環境センサの測定データに基づき、前記滅菌用光源の光強度と照射時間を制御する制御系を備えることを特徴する植物栽培システム。
請求項１に記載の植物栽培システムにおいて、
前記滅菌用光源の近傍に前記培養液を撹拌する撹拌手段を備え、
該撹拌手段により前記作物の根域を揺動させることを特徴する植物栽培システム。
請求項５に記載の植物栽培システムにおいて、
前記滅菌用光源の近傍に光触媒材料がコーティングされた微粒子を放出する放出器を備え、
前記撹拌手段により前記作物の根域を揺動させるとともに前記放出器から放出された微粒子を前記培養液中に拡散させ、前記微粒子の光触媒作用により前記作物の根域に対し滅菌することを特徴する植物栽培システム。
請求項１に記載の植物栽培システムにおいて、
前記作物に対し光合成反応を誘導する可視光を放出する光合成用光源を具備し、
該光合成用光源からの可視光は主として前記作物の葉に照射し、
前記滅菌用光源と前記光合成用光源からの光放出を独立に制御することを特徴とする植物栽培システム。
請求項１ないし７のいずれかに記載の植物栽培システムにおいて、
前記滅菌用光源が放出する紫外光の波長は１５０〜４００ｎｍの範囲であり、根域に照射する光のエネルギーは一回の滅菌処理当たり０．１〜２００ｍＪ／ｃｍ^２とすることを特徴とする植物栽培システム。