著者の所属・活動拠点の国は、中国です。

掲載誌：Microorganisms

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

サトウキビを同じ畑で長年作り続けると、土壌の酸性化、塩類の蓄積、病原性のカビの増殖などが起こり、地力の低下と収量の減少につながります。これを「連作障害」と呼びます。化学薬剤による土壌消毒には残留や環境への影響という問題があり、従来の物理的な方法にも、加熱のむらや消費エネルギーの大きさ、一度に処理できる量の少なさといった課題があると著者らは述べています。

マイクロ波処理は、電磁波で土の中の水などの分子を揺さぶって熱を生み、土を加熱する方法です。ただし出力が強すぎると、土壌有機物が失われたり、微生物の群れのバランスが崩れたりするおそれがあります。研究チームは、マイクロ波の出力を段階的に変えたとき、土壌の性質と微生物群集が長期的にどう変化するのかを明らかにしようとしました。そのうえで、従来の実験で使われてきた小型電子レンジや土に差し込むプローブ式の装置ではなく、大量の土を連続して処理できる915MHzの工業用装置を用いています。著者らによれば、915MHzのマイクロ波は一般的な2450MHzより波長が長く、土への浸透深さは3倍を超えます。

何を、どのように調べたか

土壌は、中国・広西チワン族自治区南寧市にある広西農業科学院のサトウキビ試験圃場で採取しました。この圃場では2016年の早春からサトウキビだけを連作しており、土壌はこの地域でサトウキビ栽培に多いラトソル（赤色の風化土壌）です。深さ0〜15cmの表層土を複数地点から無作為に集め、石や根を取り除いて混ぜ合わせ、2mmのふるいにかけて使いました。

処理には、出力を0〜10kWの範囲で調節でき、赤外線による温度測定とベルトコンベアを備えた915MHzの連続式工業用マイクロ波加熱装置を使いました。土2.00kgを20×30cmのトレーに均一に広げ、コンベアで装置内へ送り込みます。出力は0（無処理）、2、4、6、8kWの5段階とし、処理時間は予備的な温度観察とエネルギー消費を考慮して10分に統一しました。処理後の土は0週、15週、30週の時点で調べ、時間がたつと状態がどう変わるかを追跡しました。

測定は大きく三つに分かれます。一つ目は土の構造で、X線回折で鉱物の結晶の状態を、赤外分光で有機物の化学的な構造の変化を、熱重量分析で有機物の熱による分解のしやすさを、電子顕微鏡で土の粒が集まってできた塊（団粒）の形を調べました。二つ目は土の化学的性質で、pH、塩類の量の目安となる電気伝導度（EC）、土壌有機物、全窒素、植物が利用しやすいリン（有効態リン）とカリウム（有効態カリウム）などを測りました。三つ目は微生物で、土に含まれる遺伝子をまとめて解読し、細菌やカビの種類の多様さ、どの仲間が多いか、処理によって量が大きく変わった遺伝子とそれが関わる代謝の経路を分析しました。さらに、微生物の構成と土の性質との関連を統計的に調べました。

主な報告結果

土の温度は出力が高いほど上がり、10分間の処理での平均温度は2kWで45.77℃、4kWで67.40℃、6kWで79.70℃、8kWで90.37℃でした。著者らは、病害虫や病原菌の多くが60℃で不活化するという先行研究を紹介しており、4kW以上ではこの温度を平均で上回りました。熱画像からは、10分間の処理で土全体が均一に加熱されたと報告しています。

構造の面では、どの出力でも新しい鉱物の結晶はできず、赤外分光でも新しい物質の生成は見られませんでした。一方、出力が高いほど主要な鉱物である二酸化ケイ素の結晶の規則性が低下しました。電子顕微鏡で見ると、2kWでは団粒の骨格はほぼ保たれていました。4kWでは微細な孔が大きく増え、団粒がほぐれて、閉じ込められていた有効態リンと有効態カリウムが放出されました。6kWと8kWでは団粒の崩壊がさらに進み、土壌有機物が大量に熱分解しました。

出力の高い処理では、その後の保管期間中に全窒素などが大きく失われ、土壌有機物が減り、pHが下がって酸性化が進みました。ECは15〜30週の間に急速に上昇しました。著者らは、これが二次的な塩類集積のリスクにつながると述べています。

微生物については、細菌とカビで反応が異なりました。マイクロ波で処理したすべての土で、細菌の種類の豊富さを示す指標が同じ時期の無処理の土を上回り、出力が高いほどおおむね大きくなりました。8kWでは多様性や種類の偏りの少なさを示す指標も他より有意に高くなりました。一方、カビの量は処理によって減りました。処理後の土では、熱に強い胞子をつくるバチルスなどの仲間（バシロタ門）が新たに主要な集団となりましたが、30週後には無処理の土と同程度まで減りました。細菌の種類の豊富さも、15週、30週と時間がたつにつれて低下しました。

出力ごとの違いもみられました。8kWでは熱に強いバチルス類が増える一方、放線菌や植物の根と共生する菌根菌が抑えられました。4kWでは菌根菌の一種であるリゾファガス属や、それを含むケカビ門のカビが多く保たれました。統計解析では、中性に近いpHと十分な有機物は一部の有益な微生物と結びつき、低いpHと高いECは一部の病原性のカビの増加と結びついていました。

遺伝子レベルでは、量が有意に増えた遺伝子が4kWで69個、6kWで170個あり、8kWでは大きく減りました。4kWでは栄養分の変換や抗カビ作用のある物質の合成に関わる経路などが、6kWでは鉄を取り込む物質の合成など栄養循環や生物防除に関わる経路が目立ちました。8kWでは、熱への耐性や細胞の損傷修復に関わる経路に限られ、共生や栄養の活性化に関わる経路はほとんど見られませんでした。

この報告が示すこと

研究チームは、マイクロ波の出力によって土への影響が大きく変わり、その分かれ目が4kW前後にあると結論づけました。4kWは固い団粒をほぐして眠っていた栄養分を引き出しつつ、有機物を使い果たさず、有益な微生物を安定して保てる条件であり、サトウキビの連作障害を和らげるうえで最適な出力だとしています。反対に、6kWや8kWのように強すぎる加熱は、土の有機物やpHのバランスを崩し、かえって土壌の微生物環境を不安定にすると著者らはみています。薬剤を加えない物理的な方法であるため、化学薬剤による二次汚染を避けられる点も、著者らは利点に挙げています。

ただし、これらの結果は実験室で土を保管して調べたものです。著者らは、この出力条件が実際の畑でも同じように働くか、また土の変化がサトウキビの生育とどう関わるかは、圃場での検証が必要だとしています。

原著論文の著者・所属：Junru Mao（Guangxi Key Laboratory of Advanced Microwave Manufacturing Technology, State Key Laboratory of Non-Food Biomass Energy, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China）、Yanling Wu（Guangxi Key Laboratory of Advanced Microwave Manufacturing Technology, State Key Laboratory of Non-Food Biomass Energy, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China）、Yifeng Huang（Guangxi Key Laboratory of Advanced Microwave Manufacturing Technology, State Key Laboratory of Non-Food Biomass Energy, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China）、Yunyun Li（Guangxi Key Laboratory of Advanced Microwave Manufacturing Technology, State Key Laboratory of Non-Food Biomass Energy, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China）、Min Mo（Guangxi Key Laboratory of Advanced Microwave Manufacturing Technology, State Key Laboratory of Non-Food Biomass Energy, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China）、Yanye Fan（Guangxi Key Laboratory of Advanced Microwave Manufacturing Technology, State Key Laboratory of Non-Food Biomass Energy, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China）、Xianrui Chen（Guangxi Key Laboratory of Advanced Microwave Manufacturing Technology, State Key Laboratory of Non-Food Biomass Energy, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, China）、Zhimin Huang（Guangxi Key Laboratory of Advanced Microwave Manufacturing Technology, State Key Laboratory of Non-Food Biomass Energy, Guangxi Academy of Sciences, Nanning 530007, 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）：Junru Mao, Yanling Wu, Yifeng Huang, et al. Mechanisms of 915 MHz Microwave Thermal Treatment on Physicochemical Properties and Microbial Communities in Sugarcane Continuous Cropping Soil. Microorganisms（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-08-19. DOI: 10.3390/microorganisms14081831. 原著ライセンス：CC BY.