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持続可能な豊かさ実現ための生物多様性の育成: ミミズ堆肥化と微生物接種による土壌保全とレジリエンス

ミミズコンポスト
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    今回はコチラの論文「Cultivating Biodiversity to Harvest Sustainability: Vermicomposting and Inoculation of Microorganisms for Soil Preservation and Resilience」からミミズコンポストと微生物の関連性についてみていきたいと思います。

    この研究では、ミミズコンポストが作る栄養豊富な有機肥料について調べられています。具体的には、有機物の量、フミン酸とフルボ酸のバランスなど、他の肥料と比べて顕著な違いが見られました。

    こうしたミミズコンポストの特長は、土壌の微生物を増やし、植物の成長に必要な栄養素を供給することだけでなく、土壌の健康状態を改善し、病害虫の発生を抑える効果にもあります。

    微生物の準備と活性化

    約700gの炊いた無塩米を、ラヴラス連邦大学(ブラジル)の周囲の在来林の土壌上に配置し、15日間その場に置かれました。

    その後、培養液に含まれる微生物は、20 Lの容器に入れられ、1 Lのサトウキビ汁と蒸留水で全量が20 Lになるまで均質化されました。

    20日間、容器を閉じて、涼しく換気の良い場所に保管され、オレンジ色で甘い香りがするまで熟成させました。

    次に比較用として、濃縮接種原液をサトウキビ糖蜜10%、水80%、市販の濃縮接種菌液10%で調整されている「商業微生物(Korin®)」が準備されました。

    水の一部を20Lの容器に入れ、糖蜜を加え、均一化した後、濃縮接種菌を加え、さらに水を加えて完成させました。

    商業微生物と土壌由来の微生物の両方は、均一に接種され、それぞれの接種物を5Lと水15Lを加え、各セルに合計20L加えられました。

    ミミズコンポストの配合

    ミミズコンポストは、ラヴラス連邦大学のバイオディーゼル部門で、2段階の工程を経て作られました。

    材料

    大学レストランからの食品廃棄物(昼食や夕食の準備で出た残り物)

    調理済みの豆
    パイナップルの皮
    レタス
    ビーツ
    ニンジン
    キャベツ
    スイスチャード(フダンソウ)
    リグノセルロース残渣(C/N比調整用)

    作り方

    1. コンポスティング段階
      • 3つの処理を3回繰り返すことで、合計9つの実験セルを構成しました。
      • 各処理は以下の通りです。
        • V1: 微生物接種なし
        • V2: 土壌由来の微生物(SM)接種
        • V3: 商業微生物(CM)(Korin®)接種

    60日後、材料がまだ堆肥化の段階にある状態で、次の工程に入りました。

    各セルに牛糞20kgとシマミミズ0.5kgを加え、その後、60日間かけてミミズによる堆肥化と熟成を行いました。このように、材料の堆肥化と熟成は、合計120日かけて行われました。

    結果 pH、密度、および有機物の含有量の動態

    〇pH

    全ての処理において、バーミコンポスト化の完了時にpHは中性範囲に達しました。

    • V1: 7.1
    • V2: 7.0
    • V3: 6.7

    多くの研究で、バーミコンポスト化において、様々な有機廃棄物と牛糞の比率を用いると、pHは中性に近づき、6.5から7.8の範囲になることが報告されています。

    有機物の生物酸化過程で生成される、正電荷と負電荷を持つイオン(アンモニウムイオンとフミン酸基など)が相互作用し、pHを中性方向に調整する効果を持つと考えられています。

    〇密度

    全ての処理において、密度に差は見られず、中央値は0.45(kg/cm³)でした。

    ミミズコンポスト化の過程で、有機基質は細分化され、特に5mm未満の小粒子の比率が増加します。

    その結果、材料の見かけの密度が変化します。また、細分化された有機基質は集合粒子の表面積-体積比を増加させ、微生物活動が活発になります。

    有機物の含有量(炭素の%)と炭素/窒素比(C/N)

    有機物の含有量とC/N比は、ミミズコンポストの成熟度を評価する重要な指標です。高い有機物含有量は、土壌の有機物量増加、栄養素供給、根圏微生物増殖に貢献します。C/N比が20:1以下であることは、堆肥およびバーミコンポストの成熟度の指標として広く用いられています。

    有機物の含有量は、処理間でつぎのように変動し、C/N比は、全ての処理において20:1以下でした

    • V1: 19.11
    • V2: 17.41
    • V3: 18.00

    本研究で示された有機物の含有量とC/N比は、ミミズコンポストの成熟度だけでなく、ミミズによる酸化や微生物の活動とも相関している可能性があります。

    フミン酸とフルボ酸の動態と関係

    ミミズコンポストには、親水性のフルボ酸(FA)と疎水性のフミン酸(HA)と呼ばれる有機化合物から構成されているフミン質が含まれています 。

    フミン酸とフルボ酸は、イオン輸送、呼吸活動、クロロフィル含有量、核酸合成、およびいくつかの酵素の活動に影響を与えることで、植物の代謝にも影響を与える分子です。

    土壌微生物由来のミミズコンポスト(V2)はフミン酸に対して高いですが、HA/FA比は純粋なミミズコンポスト(V1)とはあまり異なりません。

    商業用微生物ミミズコンポスト(V3)については、フルボ酸が高いですが、HA/FA比は他の処理よりも低いです。

    ミミズコンポスト(V2)に土壌中有用微生物を接種すると、フミン酸の中央値が15.43mg·g−1と最も高くなり、他のミミズコンポスト(V1)と(V3)ではそれぞれ11mg·g−1と13mg·g−1であった

    有機物の腐植化プロセスは、粒子の断片化とサイズの減少、およびミミズの腸内での微生物活動の上昇を通じて行われ、ミミズの粘液による有機物の腐植化を容易にします。

    ミミズコンポスト(V2)のフミン酸とミミズコンポスト(V3)のフルボ酸の最高レベルに対する観察された違いは、C/N比が高く、炭素含有量が高く、全窒素濃度が高い(V2)によって説明できます。

    これらのパラメーターは、分解率の低下により、フミン質の変換に影響を与えます。

    有機物の分解速度が低下すると、炭素濃度が高くなり、その結果、フミン酸の濃度が高くなる。フミン酸はフルボ酸よりも化学組成中の炭素濃度が高いからである。

    さらに、ミミズコンポスト(V3)で観察された全窒素含有量の低下は、処方内の炭素の分解にこの栄養素の消費が高いこと、それによってフミン酸濃度が低くなり、有機物の変換に依存するフルボ酸の濃度が高くなります。

    よって、フルボ酸に比べて高レベルの窒素を含むフミン酸分子が形成された可能性があります。

    ミミズコンポスト(V3)では、処方内のNの消費が多いことは、栄養素と生態的ニッチの競争で他の微生物を抑制することができる根粒菌の作用に優れる大きな集団によって説明できます。

    ミミズの作用は、バイオ酸化される残渣内の微生物と共生して発生することが知られており、処方(V2)に効率的な微生物を接種することが、変換される質量に対する微生物の活動の増加に寄与した可能性があります。

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