著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Gels

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

農業は世界の淡水取水量のおよそ7割を占めます。一方、一般的な肥料は水に溶けやすく、養分が流れ出すことで水域の富栄養化などの環境問題を招くと論文は述べています。こうした課題への対策の一つが、大量の水を吸って保持し、養分の流出も抑える「高吸水性ハイドロゲル」を土に混ぜる方法です。ただし市販品の多くは、アクリル酸などの石油由来の原料から作られており、コストや分解のしやすさ、環境面で懸念があるとされています。

植物の主成分であるセルロースは、量が多く安価で分解されやすいため、代わりの原料として期待されています。しかしセルロースを使ったハイドロゲルは、膨らみ方や保水力が十分でないことが課題でした。そこで研究チームは、廃棄されるハスの茎からセルロース繊維を取り出してハイドロゲルの補強材に使い、水と肥料の両方を保持できる材料を開発することを目指しました。

何を、どのように調べたか

研究チームは、まずハスの茎を細かく砕き、深共晶溶媒（塩化コリンとクエン酸と水を混ぜて作る液体）で処理してセルロースを取り出しました。これを漂白・凍結乾燥し、さらに噴霧乾燥して、水になじむカルボキシ基やヒドロキシ基を多く持つセルロース繊維を得ました。この繊維を、アクリル酸、カルボキシメチルセルロース、粘土鉱物のアタパルジャイトと組み合わせ、架橋剤で網目状につなげてハイドロゲルを作りました。

性能の評価では、さまざまな水溶液に浸したときの吸水量、45℃と75℃に置いたときの水の保ち方、乾燥と吸水を繰り返したときの再吸水性を調べました。比較には、ハスのセルロース繊維を加えていないハイドロゲルや、市販のポリアクリル酸ナトリウム系ハイドロゲルなどを用いました。

土の中での働きを見るため、砂質土にハイドロゲルを重量比0.10〜0.30%で混ぜた筒状の容器を作りました。尿素とリン酸二水素カリウムを肥料として与え、5日おきに水を流す操作を計5回繰り返して、流れ出た窒素・リン・カリウムの量を測りました。さらにトウモロコシの苗を育て、途中で水やりを止める乾燥条件での生存日数と、通常の水やり条件での草丈・茎の太さ・乾燥重量・葉の葉緑素量の目安（SPAD値）を、ハイドロゲルなしや市販品0.30%と比べました。このほか、計算化学の手法で養分とハイドロゲルの相互作用を調べ、ヒトの皮膚細胞とウサギの角膜細胞を使って細胞への毒性も確かめました。

主な報告結果

ハスの茎からのセルロースの収率は33%で、得られた繊維のセルロース含有率は99重量%でした。完成したハイドロゲルは、脱イオン水中で乾燥重量1グラムあたり1977グラムの水を吸いました。雨水では1364グラム、0.9%食塩水では875グラム、水道水では430グラム、塩化カルシウム溶液では219グラムでした。研究チームは、溶けている陽イオンが網目の広がりを妨げるため、イオンを含む液体では吸水量が下がると説明しています。

保水性では、250分後に吸った水の85.44%（45℃）と74.37%（75℃）を保っていました。いずれの温度でも、比べた試料の中で最も高い値です。75℃で水が完全に抜けるまでの時間は16.1時間でした。これはセルロース繊維なしのハイドロゲル（14.2時間）、市販品（10.3時間）、対照試料（8.2時間）より長い結果です。乾燥と吸水を5回繰り返した後も、吸水量は1グラムあたり1797グラムで、初回の90.9%を保っていました。

肥料の流出試験では、ハイドロゲルの量が多いほど流出が減りました。0.30%を混ぜた場合、ハイドロゲルなしと比べて窒素の累積流出量は28.84%、リンは28.56%少なくなりました。カリウムは、ハイドロゲルなしでは25日目までに投入量の82.65%が流れ出ましたが、0.30%では47.74%にとどまりました。計算化学の解析では、リン酸イオンがハイドロゲルの網目と最も強く相互作用すると示されました。

トウモロコシの苗を乾燥させた試験では、半数の苗が枯れるまでの日数が、ハイドロゲルなしの15日から、0.30%で30日に延びました。市販品0.30%では26日でした。通常の水やり条件でも、0.30%の添加で草丈が13.8センチ、茎の直径が0.12センチ、乾燥重量が0.20グラム、ハイドロゲルなしより大きくなりました。同じ量の市販品よりも成長を促す効果が大きく、SPAD値の上昇も市販品の15.26%に対して21.56%でした。細胞試験では、試した濃度の範囲で皮膚細胞の生存率は95%以上で、角膜細胞でも毒性は検出されませんでした。

この報告が示すこと

研究チームは、廃棄されるハスの茎を、高吸水性ハイドロゲルの補強材という付加価値のある素材に変える方法を示したと結論づけています。ハス由来のセルロース繊維と粘土鉱物を組み合わせることで、保水、養分の保持、作物の成長支援を同時に高められました。著者らは、セルロース系ハイドロゲルが農業での水と肥料の管理に役立つ可能性を示すものと位置づけています。

一方で、今回の結果は室内や鉢での実験によるものです。著者らは、実用性と長期的な性能を確かめるには、さまざまな環境での野外検証が欠かせないとしています。土の中での分解速度や残りやすさ、ミミズなどの土壌生物や水生生物への影響といった環境安全性も、まだ定量的に評価されていません。計算化学の結果は、分子の一部を取り出したモデルに基づくため、土の中での養分保持を完全に説明するものではなく補完的な根拠とされています。細胞毒性が低いという評価も、試験した条件の範囲内での結論です。

原著論文の著者・所属：Jiawen Chen（Sauvage Laboratory for Smart Materials, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China; School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China; State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining and Research Centre of Printed Flexible Electronics, School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China）、Guohang Ma（School of Life Sciences, Jilin University, Changchun 130000, China）、Keting Chen（Shenzhen Shinehigh Innovation Technology Co., Ltd., Shenzhen 518055, China）、Tiansheng Wang（Sauvage Laboratory for Smart Materials, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China; School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China; State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining and Research Centre of Printed Flexible Electronics, School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China）、Erlei Zhang（School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China）、Jianmin Li（Shenzhen Shinehigh Innovation Technology Co., Ltd., Shenzhen 518055, China）、Bao Han（Shenzhen Shinehigh Innovation Technology Co., Ltd., Shenzhen 518055, China）、Wenfeng Lu（Shenzhen Shinehigh Innovation Technology Co., Ltd., Shenzhen 518055, China）、Jichuan Zhang（Sauvage Laboratory for Smart Materials, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China; School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China; Shenzhen Shinehigh Innovation Technology Co., Ltd., Shenzhen 518055, China; State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining and Research Centre of Printed Flexible Electronics, School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China）、Jiaheng Zhang（Sauvage Laboratory for Smart Materials, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China; School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, China; Shenzhen Shinehigh Innovation Technology Co., Ltd., Shenzhen 518055, China; State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining and Research Centre of Printed Flexible Electronics, School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518055, 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）：Jiawen Chen, Guohang Ma, Keting Chen, et al. Carboxyl-Functionalized Lotus Cellulose Fiber-Based Superabsorbent Hydrogel for Efficient Water and Fertilizer Management. Gels（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-20. DOI: 10.3390/gels12090854. 原著ライセンス：CC BY.