著者の所属・活動拠点の国は、中国、ロシアです。

掲載誌：Nanomaterials

ライセンス: CC BY　対象: 公開論文　確認元: OpenAlex

研究の目的

亜鉛は、植物の酵素づくりや葉緑素の形成、光合成などに欠かせない微量栄養素です。論文によると、亜鉛が不足した土壌は世界中に広がっており、作物の収量だけでなく収穫物の栄養価も下げています。肥料に使われる亜鉛の形のうち、酸化亜鉛（ZnO）は亜鉛を約80%含みます。水にすぐには溶けないため流れ出しにくく、ゆっくり亜鉛を供給できる点も利点とされています。

一方、腐植酸は天然の高分子です。水になじむ部分と油になじむ部分をあわせ持つため、界面活性剤のように働き、ナノ粒子の安定性やふるまいに影響します。ただし、腐植酸がナノ粒子にどう作用するかについては、これまでの報告の間で食い違いがありました。

そこで研究チームは二つの目標を立てました。一つは、腐植酸で安定化させたZnOナノ粒子を合成することです。もう一つは、その粒子が、葉から亜鉛を与える「葉面施肥」の亜鉛源としてどの程度働くかを評価することです。比較のために、腐植酸の存在下で合成したZnO、ZnOと腐植酸を後から混ぜただけのもの、イオンの形の亜鉛、市販の亜鉛キレート肥料を用意し、異なるpHのもとで比べました。

何を、どのように調べたか

研究チームは、酢酸亜鉛の水溶液に水酸化ナトリウムを加えてpH12にし、24時間かき混ぜてZnOナノ粒子をつくりました。同じ反応液に腐植酸（サハリン産の腐植酸ナトリウム）を加えると、腐植酸を伴う粒子ができます。以下ではこれを「ZnO-腐植酸粒子」と呼びます。それぞれの合成は3回繰り返されました。

できた粒子の性質は、複数の方法で調べられました。X線回折で結晶の構造と大きさを、電子顕微鏡で形と大きさを測りました。光散乱では、水中での見かけの粒径と、表面の電荷を表すゼータ電位を測りました。さらに、紫外可視分光で光の吸収を調べ、赤外分光で腐植酸が粒子表面に化学的に結びついているかを確かめました。

植物の実験には、パンコムギの14日齢の芽生えを使いました。葉の先端1cmを1mLの試験液に24時間浸します。試験液はpH5またはpH8の酢酸緩衝液で、腐植酸存在下で合成したZnO、ZnOと腐植酸の混合物、亜鉛イオンなどを含みます。比較対照は、何にも浸さなかった植物と、市販の亜鉛キレート肥料の二つです。各試験液につき3株を用いました。

浸した後、植物を「浸した葉」「浸していない別の葉」「茎」に分け、それぞれの亜鉛量をICP発光分析という元素分析法で測りました。植物の体内に取り込まれて運ばれた亜鉛を見るため、評価には液に触れていない葉を使っています。また、試験液ごとの亜鉛濃度の違いを補正するため、器官の亜鉛濃度を試験液の亜鉛濃度で割った「分配定数」という指標も求めました。

主な報告結果

葉からの亜鉛の取り込みは、pHによって左右されました。pH8では、どの試験液でも、浸していない葉の亜鉛濃度は対照群と統計的に差がなく、市販キレート肥料より低い値でした。pH5では、腐植酸存在下で合成したZnOでも、ZnOと腐植酸を混ぜたものでも、葉の亜鉛濃度が対照群より高くなりました。さらに、腐植酸存在下で合成したZnOの分配定数は、市販キレート肥料より高い値を示しました。研究チームはこれを、市販品に匹敵する性能と評価しています。茎については、対照群の茎がもともと多くの亜鉛を含んでいたため、結論を出しにくいとしています。

粒子そのものにも違いが見られました。X線回折から求めた結晶の平均の大きさは、腐植酸なしのZnOが20nm、腐植酸存在下で合成した粒子が11nmで、後者のほうが小さくなりました。腐植酸存在下の粒子には、水酸化亜鉛が約18重量%含まれていました。電子顕微鏡で見ると、腐植酸なしのZnOは多くが細長い形でした。一方、ZnO-腐植酸粒子は板状で、平均の大きさは長いほうの半径が約121nm、短いほうの半径が約56nmと報告されています。

表面の電荷は、中性の水中で、腐植酸なしのZnOが約+29mV、ZnO-腐植酸粒子が約−31mVで、符号が逆になりました。研究チームは、このマイナスの電荷を、粒子表面に腐植酸の膜がある証拠とみています。赤外分光では、腐植酸のカルボキシ基が酸化亜鉛の表面に配位していることを示す変化が見られました。研究チームはこれを、単に混ざった状態ではなく、化学的に結合している証拠と判断しています。

植物の実験で使った緩衝液の中では、ZnO-腐植酸粒子のほうが集まって塊になりやすく、見かけの平均径はpH5で704nm、pH8で1148nmでした。腐植酸なしのZnOは、pH8では約450nmの塊をつくりましたが、pH5では凝集が限られていました。研究チームは、pH5で凝集が限られた理由について、粒子同士が集まるよりも溶解が上回ったためだろうと推定しています。

この報告が示すこと

研究チームの結論は二点です。腐植酸で覆われたZnOナノ粒子は独特の形をもつこと、そしてpH5の条件では、葉からの亜鉛の取り込みが市販の亜鉛キレート肥料に匹敵したことです。取り込みがpHによって変わるという結果について、研究チームは、亜鉛を届ける農業資材の条件を調整できる可能性を示すとしています。こうした点から、この粒子を持続可能な農業に向けた資材の検討対象と位置づけています。

一方で、研究チームは限界も挙げています。試験したのは一つの亜鉛濃度と二つのpHだけなので、同じ亜鉛量をそろえて比べることはできません。そのため、比較には分配定数を用いています。また、今回の元素分析で測れるのは亜鉛の総量だけです。植物が粒子のまま取り込んだのか、溶け出した亜鉛イオンとして取り込んだのか、腐植酸と結びついた亜鉛として取り込んだのかは区別できません。実験はコムギの芽生えの葉を液に浸す方法で行われたもので、他の作物や、植物の生理への影響は今後の課題とされています。

原著論文の著者・所属：Tianyi Shen（Department of Chemistry, Shenzhen MSU-BIT University, Shenzhen 518172, China）、Gleb N. Trishkin（Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119234, Russia）、Maria G. Chernysheva（Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119234, Russia）、Natalia A. Kulikova（Department of Soil Science, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119234, Russia）、Ivan V. Mikheev（Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119234, Russia）、Grigorii R. Chermashentsev（Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119234, Russia）、Sergey V. Maksimov（Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119234, Russia）、Gennadii A. Badun（Department of Chemistry, Lomonosov Moscow State University, Moscow 119234, Russia）

※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）：Tianyi Shen, Gleb N. Trishkin, Maria G. Chernysheva, et al. Enhancing ZnO Efficiency: Humic Substances as Natural Carriers and Stabilizers for ZnO Nanoparticles for Sustainable Agriculture. Nanomaterials（出版社：Multidisciplinary Digital Publishing Institute） 2026-09-19. DOI: 10.3390/nano16181183. 原著ライセンス：CC BY.