Ehime University (愛媛大学)博士(農学)thesi

森田, 展樹

Japanese

Ehime University Institutional Repository

（様式５）(Style5) 学位論文全文に代わる要約 Extended Summary in Lieu of Dissertation   氏名： Name 森田 展樹  学位論文題目： Title of Dissertation バイオエタノール蒸留廃液の肥料特性及び 茶殻、クリンカアッシュ、竹粉の堆肥化特性の解析   学位論文要約： Dissertation Summary  第１章 緒言  近代における化学合成肥料の開発は、農業に大きな貢献をもたらし、限られた土地で如何に安定的且つ高収量を上げるかが重視されてきた。しかしながら、収量を維持・増産させるために化学肥料を過剰に投入した栽培は、土地生産性の低下、環境汚染、枯渇資源の利用などの問題をもたらしてきた。このような背景から、日本では土地生産性を維持する持続可能な農業として環境保全型農業が推進されており、土壌への有機物施用は一般的な栽培管理である。また、近年では肥料原料の供給不足による肥料高騰化対策が問題となっていることから、廃棄物を肥料や堆肥として有効利用することは重要な視点である。廃棄物や未利用資源を肥料や堆肥に変換することは、廃棄物の減少による環境への負荷軽減だけでなく、有機物の投入による土地生産性の維持、向上にも繋がることから、廃棄物の有効利用に関する知見の集積が必要である。  これらのことから、本研究では愛媛県内で排出された廃棄物の肥料や堆肥としての有効利用に関する試験を実施した。即ち、第2章ではカンキツ類由来のバイオエタノール蒸留廃液の施用がトウモロコシの生育、収量、窒素利用率及び土壌特性に与える影響を、第3章では茶飲料市場で排出される茶殻と石炭火力発電所で排出されるクリンカアッシュ（以下、クリンカー）を組み合わせ、堆肥化速度や堆肥品質に与える影響を、第4章では放置竹林による問題を解決するための竹の有効的な利用方法として、竹を粉砕して粉状にした竹粉と茶殻を組み合わせた堆肥化が堆肥化速度や堆肥品質に与える影響を、第5章では竹粉と茶殻の共堆肥の堆肥化過程におけるBIOLOG法の炭素基質利用パターンが微生物の多様性や群集構造に与える影響をそれぞれ評価した。  第２章 カンキツ類由来のバイオエタノール蒸留廃液の施用がトウモロコシ生産に与える影響 蒸留廃液はバイオエタノール生産時に排出される有機性廃棄物である。バイオエタノール製造工程では硝酸が添加されることから、肥料としての利用が期待できる。そこで、本研究ではカンキツ類の搾汁残渣を原料としたバイオエタノール蒸留廃液をトウモロコシに施用し、トウモロコシ生産に与える影響を評価した。また、蒸留廃液のような液体肥料を有効的に利用するために分施による窒素利用率および窒素利用効率（NUE）の改善を検討した。 その結果、蒸留廃液の施用は化学肥料を施用した場合と比較して、トウモロコシ収量が増加する傾向があることが明らかとなった（図1(a)）。また、蒸留廃液施用による収量増加の要因は、雌穂1個あたりの重量の増加に由来するものであると推察された（図1(b)）。さらに、蒸留廃液施用区におけるトウモロコシ地上部の窒素利用率は化学肥料と比較して40.5–56.9%と全体的に低かった。しかしながら、蒸留廃液の分施によって、窒素利用率とNUEがそれぞれ140%、107%増加したことから、分施による効果的な利用可能性が示唆された（表1）。加えて、土壌中の全窒素含量は蒸留廃液の施用によって有意に増加し、全炭素含量は分施した場合に増加する傾向であった。以上のことから、蒸留廃液の施用はトウモロコシの収量と土壌肥沃度を向上させ、その効果は分施によって高められる可能性が示唆された。       （様式５）(Style5)   図1 トウモロコシの収量(a)と雌穂の重量別の度数分布(b) 注1）(a)の値は平均値±標準誤差を示す（n = 6）。 注2）Tukeyの多重比較によって異符号間に有意差あり（p < 0.05）  表1 トウモロコシにおけるN AvailabilityとNUE Treatment N Input (kg 10a−1) N Content (kg 10a−1) N Availability (%) NUE (kg DW kg N−1) Stems, Leaves and Tassels Ears Total NF 0 11.9 N/A N/A N/A N/A CF 30 16.6 100.0 29.4 10.9 40.3 LW1.0 30  14.1 a  45.1 21.4 10.8 32.2 LW1.7 51 15.2 40.5 16.6  6.9 23.5 S-LW1.7 51 16.5 56.9 18.2  6.9 25.1 注1) N availabilityは窒素利用率を、NUEは窒素利用効率を示す。 注2) LW1.0の窒素利用率はLW1.0を除く全処理区の平均乾燥重量を用いて算出した。 注3) N/A: not available  第３章 クリンカーの添加が茶殻堆肥の堆肥化速度と堆肥品質に与える影響 茶殻は茶飲料市場で排出される廃棄物であり、近年、茶生産量の増加に伴い大量の茶殻が排出されている。しかしながら、茶殻の多くは埋め立てや焼却によって処分されていることから、環境への影響が懸念されている。クリンカーは石炭火力発電所から排出される廃棄物であるが、有効的な再利用法が開発されていないことから、埋め立て処理した場合の環境への影響が懸念される。茶殻は窒素含量が高いことから肥料効果が期待できる一方で、水分含量が高く単体での堆肥化は効率的でない可能性がある。クリンカーは粒子表面に多孔質な構造を持つ特徴があることから、茶殻のように水分含量が高く排水性が悪い堆肥材料の物理性を改善する可能性が示唆される。そこで、本研究では茶殻堆肥化におけるクリンカーの添加が堆肥加速度と堆肥品質に与える影響を堆肥中の化学的パラメータ―から評価した。 その結果、堆肥の熱水抽出液中の化学的酸素要求量（COD）は、堆肥化1か月後においてクリンカー無添加と比較して、20%、40%、60%添加でそれぞれ52.0%、74.3%、86.7%減少し、クリンカーの添加割合が多いほど減少する傾向であった（図2(a)）。さらに、コマツナ（Brassica rapa var. perviridis）の幼苗を用いた植物試験を実施したところ、堆肥化1ヵ月後の根の伸長は、クリンカー無添加では抑制されたのに対して（蒸留水に対して60.1%）、クリンカーを添加した場合では抑制されなかった（蒸留水に対して91.7–102.7%）（図2(b)）。このことから、茶殻堆肥にクリンカーを添加することで堆肥化速度を促進できることが明らかとなった。また、クリンカーの添加は堆肥化期間中の窒素および炭素の損失を無添加と比較してそれぞれ22.0–55.6%、21.7–32.3%削減できることから、養分ロスを少なく堆肥製造できる可能性が示唆された（表2）。  （様式５）(Style5)   図2 堆肥化期間中における熱水抽出液中CODの推移(a)と堆肥化1か月後の堆肥水抽出液を用いたコマツナ幼植物の草丈および根長の比較(b) 注1）図2(a)の値は平均値を示す（n = 2）。 注2）図2(b)の値は平均値±標準誤差を示す（蒸留水；n = 14、処理区；n = 28）。 注3）Tukeyの多重比較によって大文字と小文字の各異符号間に有意差あり（p < 0.05）  表2 堆肥化前後の窒素および炭素収支 Treatment N (g Container−1) N Loss Rate (%) C (g Container−1) C Loss Rate (%) Start Finish Loss Start Finish Loss Clinker 0% 93.4 55.1 38.3 41.0 1046 430 616 58.9 Clinker 20% 77.5 59.3 18.2 23.5 896 483 413 46.1 Clinker 40% 61.6 50.3 11.3 18.3 747 432 315 42.2 Clinker 60% 45.6 31.0 14.6 32.0 597 359 238 39.9   第４章 竹粉と茶殻の共堆肥化が堆肥化速度と堆肥品質に与える影響 近年、安価な輸入物や石油製品の需要拡大により国産の竹や筍の需要が減っており、放置竹林が増加している。放置竹林の拡大による問題は、生物多様性、水源涵養機能及び土砂災害など様々な影響があり、竹資源を有効的に利用できる技術が必要である。堆肥化は有効的な技術のひとつであるが、竹単体ではC/N比が高いため、長期の堆肥化期間を要することや肥料効果が低いといった課題がある。茶殻は竹とは対照的に窒素含量が高くC/N比が低い特徴があるため、竹と組み合わせることによって堆肥化期間や肥料効果を改善できる可能性がある。そこで、本研究では竹を粉砕して粉状にした竹粉と茶殻の共堆肥化が堆肥化速度や堆肥品質に与える影響を評価した。 その結果、堆肥化温度のピークは茶殻の割合が大きい堆肥ほど遅く、堆肥化初期に微生物活性が低下した可能性が示唆された（図3(a)）。しかし、堆肥成熟度の指標として一般的なNH4+/NO3−比、C/N比およびコマツナを用いた幼植物試験の結果から、竹粉20%、茶殻80%の割合で製造した堆肥は竹粉の割合がより多い堆肥と比較して、堆肥化速度が促進されたことが明らかになった（図3(b)、(c)、(d)）。さらに、同堆肥は堆肥化終了時のC/N比が約10であり、全窒素およびNO3−-N含量が高いことから、竹粉と茶殻の共堆肥化は肥料効果を高めて堆肥品質を改善できることが明らかとなった。  （様式５）(Style5)    図3 堆肥化期間中の堆肥温度(a)、NH4+/NO3−比(b) 、C/N比(c)の推移および堆肥化6週後の堆肥水抽出液を用いたコマツナ幼植物の草丈および根長の比較(d) 注1）Tukeyの多重比較によって大文字と小文字の各異符号間に有意差あり（p < 0.05） 注2）矢印は堆肥の切り返し時期を示す。  第５章 竹粉と茶殻の共堆肥化がBIOLOG法の炭素基質利用パターンに基づく微生物多様性と群集構造に与える影響 堆肥化中の微生物は様々な有機物を生物的に分解して安定化させる重要な役割を担う。微生物の種類によって好適な温度範囲や利用可能な有機物が異なるため、様々な材料において堆肥化における堆肥微生物の機能的特性を明らかにすることは堆肥化を理解する上で重要である。BILOG法は様々な炭素基質を含む96穴のマイクロプレートで構成されており、炭素基質利用パターンから微生物の機能的な多様性や群集構造の解析に利用されている。そこで本研究では、竹粉と茶殻の共堆肥化がBIOLOG EcoPlateの炭素基質利用パターンに基づく微生物多様性と群集構造に及ぼす影響を評価した。  その結果、Average well color development (AWCD)やSimpson指数の結果から竹粉と茶葉の共堆肥化は、堆肥化初期には微生物活性を低下させるが、堆肥化6週間後までには微生物活性を上昇させ、竹粉単独よりも堆肥化を促進させることが示唆された（図4）。また、材料の割合に伴って堆肥化期間中の機能的な微生物群集構造が異なることが明らかとなった（図5）。  （様式５）(Style5)    図4 堆肥化2、6、14週後のAWCD(各(a)、(b)、(c))とSimpson指数(各(d)、(e)、(f)) 注）Tukeyの多重比較によって各インキュベーション時間において異符号間に有意差あり（p < 0.05）   図5 主成分分析による堆肥化6、10、14週後の微生物群集構造（各(a)、(b)、(c)）  第６章 総合考察 本研究では廃棄物や未利用資源の有効利用に焦点を当てた。バイオエタノール蒸留廃液をトウモロコシに施用した場合は、トウモロコシの収量を増加させ、土壌の窒素および炭素含量を増加させる傾向にあることがわかった。茶殻堆肥化へのクリンカー添加は、堆肥化初期にCODの減少やコマツナ幼植物試験において根長の伸長阻害が見られないといった堆肥化期間の短縮効果が期待された。竹粉と茶殻の共堆肥化は、茶殻の投入によって堆肥化を促進させるだけでなく窒素を主体とした養分含量を多く含む肥料効果の高い堆肥製造が可能であった。また、竹粉と茶殻の共堆肥の堆肥化過程において、堆肥原料に依存して微生物の多様性や群集構造などの機能的特性が異なることが明らかとなった。   

バイオエタノール蒸留廃液の肥料特性及び茶殻、クリンカアッシュ、竹粉の堆肥化特性の解析

https://ehime-u.repo.nii.ac.jp/record/2002993/files/agrB200digest.pdf

バイオエタノール蒸留廃液の肥料特性及び茶殻、クリンカアッシュ、竹粉の堆肥化特性の解析

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