著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Toxics

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

カドミウムは毒性が高く、土壌中で動きやすく、生物の体内に蓄積しやすい重金属です。研究チームによると、中国の農地を汚染する元素のなかでも特に有害なものの一つです。作物の生育を妨げて収量や品質を下げ、食べる部分にたまりやすいうえ、土壌の有機物や酵素の働き、微生物の構成にも影響を及ぼします。

汚染された農地の対策として、カドミウムを捕まえる資材を土に混ぜ、植物に取り込まれにくい状態にする方法があります。この方法は「原位置での化学的不動化」と呼ばれ、操作が簡単で費用も比較的安く、農業を続けながら実施できます。資材としてよく研究されてきたのが「バイオ炭」と呼ばれる炭状の資材です。ただし、バイオ炭の製造には一般に高温が必要で、多くのエネルギーを使います。

そこで著者らが注目したのが「ハイドロチャー（水熱炭）」です。水熱炭化と呼ばれる方法で、比較的低い温度（180〜250℃程度）で作られるため、エネルギーを多く使う事前の乾燥が不要で、エネルギー消費も抑えられます。穏やかな条件で作られるので、水酸基やカルボキシル基といった酸素を含む構造が表面に残りやすく、これらが重金属を捕まえる働きを持つとされています。一方で、ハイドロチャーの製造温度や施用量の違いが土壌と植物にどう影響するかは、はっきりしていませんでした。

研究チームは、弱アルカリ性のカドミウム汚染土壌でハイドロチャーがカドミウムを抑えるしくみと、植物への改善効果を明らかにすることを目指しました。

どのように調べたか

実験には、中国山東省泰安市の農地から採取した表層土（深さ0〜20cm）を使いました。この土のpHは7.97で、弱アルカリ性です。土にカドミウムの溶液を混ぜ、乾燥土1kgあたり2.0mgのカドミウムを含む汚染土を作り、鉢での栽培試験を行いました。栽培した作物は、雑穀の一種であるアワです。

ハイドロチャーは160℃と240℃の2種類の温度で作り、それぞれを1%と2%の2段階の施用量で土に加えました。これにハイドロチャーを加えない区を合わせて比べています。調べた項目は多岐にわたります。土壌側では、植物が利用できる形のカドミウム（可給態カドミウム）の量、カドミウムの存在形態、有機物、微生物の量、酵素の働きを測りました。植物側では、光合成の状態、活性酸素から身を守る抗酸化酵素の働き、カドミウムの吸収や移動に関わる遺伝子の働き、各部位へのカドミウムの蓄積を調べました。ハイドロチャー自体の表面構造も、電子顕微鏡や赤外分光法で観察しています。

主な結果

ハイドロチャーを加えた区では、加えない区に比べて土壌の可給態カドミウムが4.59〜10.09%減りました。同じ施用量で比べると、240℃のハイドロチャーは160℃のものより可給態カドミウムを有意に減らしました（1%施用で3.77%、2%施用で5.58%の差）。一方、同じ温度のハイドロチャーを1%と2%で比べても、可給態カドミウムには有意な差がありませんでした。統計解析でも、この値に有意な影響を与えたのは製造温度だけでした。

240℃のハイドロチャーは160℃のものより比表面積と細かな孔の面積が大きく、カルボキシル基に由来する信号も見られました。著者らによると、240℃のハイドロチャーは、土壌中のカドミウムを比較的溶け出しやすい形から安定した形へ移す働きも示し、カドミウムを動きにくくしていました。

植物と土壌の状態も改善しました。著者らの報告では、ハイドロチャーの施用で土壌の有機物、微生物の量、複数の土壌酵素の働きが増えました。アワでは、抗酸化酵素の働きが高まり、細胞の傷みの指標となる物質が減り、光合成の状態もよくなりました。さらに、カドミウムの取り込みや移動に関わる遺伝子と、カドミウムを無害化・隔離する遺伝子の働きが変化しました。これらを通じて、茎・葉・子実など地上部へのカドミウムの移動が抑えられたと著者らは述べています。

こうした多くの指標で、製造温度が主な決め手になっていました。また、施用量は2%のほうが1%よりおおむね良い結果を示しました。総合的に最も優れていたのは「240℃で作ったハイドロチャーを2%施用」した条件で、光合成の効率を示す指標（Fv/Fm）には2.68%の増加が報告されています。

研究が示すこと

この研究は、比較的低温で作れるハイドロチャーが、弱アルカリ性のカドミウム汚染土壌で、カドミウムの抑制とアワの生育、土壌の質の改善に同時に働きうることを報告しています。なかでも、製造温度の違いが効果を大きく左右する点が示されました。

一方で、著者ら自身は、カドミウムを動きにくくする効果やアワの生育改善は比較的限られていたと述べており、カドミウムを抑える性能とその安定性を高めることを課題として挙げています。

原著論文の著者・所属：Wenchi Guo（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Yan Zhang（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Jinpeng Yu（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Yaping Li（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Fei Han（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Hong Pan（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Hui Wang（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Quangang Yang（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Zhongchen Yang（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Yanhong Lou（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）、Yuping Zhuge（National Engineering Research Centre for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources, College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Daizong Road, Tai’an 271018, China）

※本記事は原著論文をもとに、日本語で要約・説明を加えた研究紹介です。 出典（原著論文）：Wenchi Guo, Yan Zhang, Jinpeng Yu, et al. Effects of Hydrochar Application on Soil Cadmium Immobilisation and Foxtail Millet Growth. Toxics 2026-09-25. DOI: 10.3390/toxics14100855. 原著ライセンス：CC BY.