農場の土壌は健康？微生物の活性度をチェック

ダグ・パレン氏は、生涯を故郷と呼んだカンザス州北中部で家族経営の農場を営んでいます。1990年代初頭に自営農業を始めて以来、彼は土壌の栄養成分や脂肪酸組成など、土壌の健康状態を測る様々な検査を試してきました。これらの検査は、農家に土壌の肥沃度や、土壌中の微小な微生物が変化する環境条件にどのように反応しているかを推定する手がかりを与えてくれます。「これらの検査のどれか一つが、最終的な答えや聖杯になるかどうかは分かりません」とパレン氏は言います。

しかし、ワシントン州立大学の研究者たちは、この状況を変えようとしています。8月、ある研究チームはJournal of the Electrochemical Society誌に概念実証研究を発表し、電極を用いてこれらの微生物が生成する電流を測定できることを実証しました。電流が検出されれば、土壌が健全であることを意味すると結論付けました。なぜなら、これらの微生物は代謝活動を行っており、栄養素のリサイクルや、作物が環境ストレスに耐えるのに役立つ化合物の生成といった活動を行っているからです。

本研究の著者である生化学エンジニアのアブデルルマン・モハメド氏とハルク・ベイェナル氏は、以前、イエローストーン国立公園の廃水処理システム、辺鄙な高塩分湖、温泉に生息する微生物を研究するための機器を共同で開発していた。彼らは過去の研究成果を土壌マイクロバイオームの研究の基盤として活用した。「現在、多くの研究者が土壌の構造に注目していますが、土壌が何をしているか、つまり微生物の活動については研究されていません」とモハメド氏は言う。

一般的に、土壌微生物には有益な細菌から共生菌まであらゆるものが含まれます。土壌1グラムには最大1万種の細菌が存在します。これらの微生物は、物質を分解し、炭素を固定し、窒素を変換し、重要な栄養素の利用可能性を高めます。これらの働きを行うために、微生物は生存と増殖のための栄養素を必要とし、エネルギーを消費する過程でセンサーで読み取ることができる活動を生み出します。

他の検査では土壌の化学的・物理的組成を詳細に把握できますが、微生物の活性を測定することで、システムの活性特性をより正確に把握できます。「電気化学センサーは土壌の声となるでしょう」とベイェナル氏は言います。「それが私のSF的なビジョンです。」

他の土壌検査の中には、費用がかかったり、使える結果が出るまでに数シーズンかかったりするものもあります。また、収量の予測にはあまり役立たないものもあります。「微生物の活動を測定することで、より正確な答えに近づくことができます」とモハメド氏は言います。「願わくば、よりシンプルな答えだけでなく、より迅速な答えが得られることを願っています。」

プローブの有効性を証明するため、研究者たちは生産性の高い土壌と低い土壌の両方で試験を行いました。どちらのサンプルも、土壌、作物、地形特性に関する詳細なデータ（栄養組成や作物の経済的成功のモニタリングを含む）を既に保有している大規模な農場研究施設から採取されました。どちらも不耕起農地から採取され、pHは同じで、かなりの量の有機物を含んでいました。しかし、重要な違いが一つありました。生産性の高い土壌の方が小麦の収量が高かったのです。

違いは2つあります。研究者がプローブをテストしたところ、生産性の高い土壌は電流を生成し、約3日後には最大34.4マイクロアンペアに達しました。一方、非生産的な土壌はほとんど電流を生成しませんでした（非生産的な土壌の電流は、生産性の高い土壌の約1%でした）。

「特に、もう一度同じ実験を繰り返して同じ結果が出た時は、本当に驚き、興奮しました」と土壌科学者で研究の共著者であるマレン・フリーゼン氏は言う。

彼らのプローブは主に2つの部分から構成されています。土壌に挿入する部分はカーボン繊維電極でできており、銅とチタンのワイヤーが突き出た柔軟な布片です。それぞれの電極は、まるでコンピューターのマウスパッドのように見えます。これらの電極は、ポテンショスタットと呼ばれるより大きな装置に接続されます。ポテンショスタットは、レイヤーケーキほどの大きさの箱で、電流を測定します。

実験では、乾燥した土壌を48オンスの容器にふるいにかけ、土壌の異なる深さに電極を設置しました。1つの電極を設置した後、さらに数センチの土で覆い、さらにもう1つの電極を設置しました。そして、ポテンショスタットを用いて電圧の結果をコンピューターで読み取りました。

二次的な対策として、走査型電子顕微鏡を用いてカーボンクロス電極の非常に高解像度の画像も撮影しました。これらの画像から、健全な土壌に置かれた電極では、はるかに高密度に微生物が増殖していることが明らかになりました。これらの微生物は木々に生える苔のようにカーボンファイバーを覆っていましたが、不健全な土壌に生息する微生物は、小さな斑点のような様相を呈していました。

「土壌は、微生物の多様性を理解するための『最後のフロンティア』と呼ばれてきました。なぜなら、土壌は非常に不均質で、微生物群集も非常に複雑だからです」とフリーゼン氏は、ヨーク大学の現在は退職した生態学者アリスター・フリッター氏の2010年の論文に言及して述べています。フリッター氏の論文は、人間は動物の絶滅を防ぐために多くの時間と資源を費やしている一方で、土壌中に生息する種が絶滅の危機に瀕している可能性について、人々はほとんど認識していない可能性が高いと主張しています。

しかし、工業型農業はこれらの微生物を危険にさらしています。農家が同じ作物を畑に植え続けることに集中し、利益を生まない植物（いわゆる雑草）を化学薬品で駆除すると、微生物叢の健康状態は悪化する可能性があります。こうした方法、伝統的な耕作、そして都市開発による耕作地の減少は、生存可能な土壌の喪失を加速させています。気候変動による洪水と干ばつの増加は、水が多すぎたり少なすぎたりすることで、土壌中の栄養分と生物のバランスを崩し、状況をさらに悪化させています。

これは大きな問題です。生物多様性の連鎖的な喪失を引き起こすだけでなく、農家の経済的損失にもつながりかねないからです。2018年に土地の劣化と再生に関する評価を発表した「生物多様性及び生態系サービスに関する政府間科学政策プラットフォーム」によると、少なくとも32億人が土壌の悪化の影響を受けています。これは特定の地域に限ったことではありませんが、サハラ以南のアフリカ、南米、東南アジアの地域は、工業化と土壌浸食の影響により、最も深刻な影響を受けています。

非営利の土壌保全団体「No-till on the Plains」のメンバーであるパレン氏は、すでにこれらの問題に熱心に取り組んでいる。「土壌はまさに生命システムなのです」と彼は言う。彼の団体は、土壌侵食を引き起こし、土壌内の生態系を破壊するとして、耕作に反対している。「単一の機器で健康な土壌のあらゆる構成要素を真に測定できるかどうかは分かりません」とパレン氏は言う。しかし、ワシントン州立大学の研究者が開発中のプローブは、「土壌の傾向を把握するのに役立つかもしれません」と彼は言う。

コーネル大学統合植物科学部のジェニー・カオ＝ニフィン教授（この研究には関与していない）は、土壌科学者とエンジニアがこのように協力することには将来性があると考えている。「このツールがうまく機能するシナリオの一つは、土壌の健全性や土壌微生物の活動に対する管理戦略の影響を評価することです。例えば、殺虫剤や燻蒸剤が土壌の生物活動に及ぼす影響を定量化するなどです」とカオ＝ニフィン教授は言う。「もう一つの例は、従来の農法から有機農法への移行に伴う土壌の生物活動の経時的変化を評価することです。」

研究著者らが思い描く次のステップは、農家にリアルタイムで測定値を提供できるプローブの開発だ。そのために、彼らはデバイスを持ち運びやすく、土壌に簡単に挿入できるようにする（現在のバージョンは壁とコンピューターに接続する）。理想的には、農家がモバイルデバイスでリアルタイムの結果を受け取れるようにしたいと考えている。「電気化学的測定から土壌について何がわかるかを理解することで、農家にそれらをより直接的に測定できるツールを提供することが夢です」とフリーゼン氏は語る。センサーが土壌の生産性が低いことを示した場合、農家は農薬や化学薬品の使用方法など、慣行を調整できるようになる。

実現まではまだ数年かかるかもしれませんが、彼らは探査機が最終的には有機物や水分含有量といった他の要素も測定できるようになることを期待しています。ベイェナル氏は、様々な圃場で採取された土壌測定値のデータベースを構築し、最終的には「土壌指数」、つまり農家の土壌の健全性を示す数値尺度の作成に活用したいと考えています。「土壌の健全性は非常に複雑であることは承知しています」とベイェナル氏は言います。「それが私たちの出発点です。人々が理解しやすいよう、シンプルな数値を提供したいのです。」

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