07
微生物資材のこれまでとこれから ~ 未来の微生物資材のはじめの一歩 ~
産業技術総合研究所
菅野学
プロローグ: 微生物に目を向けよう
“びせいぶつは ふえるのが とくいだから、
とんでもなく おおきなことも やってのける。
やまを すりへらしたり、
がけを つくりあげたり、
うみを あかく そめたり、
そらを くもらせたり、
ゆきを ふらせたりだって できる。
(中略)
ちきゅうの いたるところで
いつも、ちいさな びせいぶつが
たべて たべて ふえて ふえて、
なにかを ほかのなにかに かえつづけている。
めには みえないけれど
せかいを かえつづけている。
びせいぶつは、とてつもなく
おおきな しごとを している、
ちいさな ちいさな
いのちだ。“
最近たまたま子供に読み聞かせした絵本「ちいさなちいさな」の一節です。環境中に潜む目に見えない微生物と十数年向き合って得たぼんやりとした私的な微生物観が、私には到底無理な詩的な感性で素敵に表現されています。このコラムを見てくださった読者の皆様は、私たちの住む世界の“持続性”は、多種多様な微生物の寄り集まりが支えてくれていることをご存知でしょうか? 腸内環境の改善を通じて体の不調が微生物のちからで解決するように、人間活動に起因する気候変動や物質循環の不安定化などの地球の不調も微生物のちからで解決することが期待されます。
農地における物質循環機能の大部分は土壌微生物により担われており、地球にやさしい農業とは、農業生態系の微生物叢(マイクロバイオーム)のコントロールに成功した農業とも言えます。微生物のちからを農業に利用するようになった歴史は古く、例えば、およそ2200年前の古代ローマの著書「農業論」(DE AGRI CULTURA, Marcus Porcius Cato著)では既に、地力増進のために堆肥を維持し、畜舎から出る糞尿や人糞を利用することが推奨されています。一方で、特定の微生物(ダイズ根粒菌)を用いた世界初の微生物資材は、比較的最近の明治時代頃になってから登場しました。
微生物資材は漢方薬!?
農業用の微生物資材とは、「植物栽培に資する効果を目的として、土壌等に施された場合に表示された特定含有微生物の活性により、用途に記載された効果をもたらすもの」と定義されます。資材の中身は、微生物単独のものは少なく、①微生物、②生きていくための住処、③栄養源となる餌、④その他の補助剤で基本的に構成されています。日本全国でなんと、約200種類以上、少なくとも140種類以上の素晴らしい微生物資材が流通しており、先人の開発努力には頭が下がります。
![](media/images/cool-earth/column/03/kanno-3-2.png)
施用効果としては、①病害の抑制、②有機物の分解促進、③土壌環境の改良による地力増進、④植物の生育や品質の向上、などが主に挙げられます。そのため、環境保全型肥料や微生物農薬と言われたりもします。しかしながら、農薬や化学肥料や植物調整剤といった化学合成物と完全に取って代わるわけではなく、同等のシャープな効果を期待することは現状では難しいです。なぜなら、農薬や化学肥料のように病原菌や植物に直接働きかけるものではなく、あくまでも、施用した現場の微生物相互の生態的作用による間接効果によるものが大きいためです。農薬や化学肥料を西洋医学のクスリに例えるならば、微生物資材は、生態系を攪乱せずに緩やかに頑健な体質へと改善する漢方薬的な効果と言えます。微生物資材の利用は、短期的収量の増加といった近視眼的な効果ではなく、施肥量の低減に繋がることで農地の活力を保全するといった大局的な先行投資の意味合いも含んでいます。
欠点は成長の機会 - 微生物資材はこれからの分野
さて、現在の微生物資材が抱える課題について3点ほど触れたいと思います。
(1) 資材の品質や効果に関する信頼性の向上
微生物資材は、地力増進法において土壌改良材であって肥料でないものに含まれますが、厳密には農業資材の中での立ち位置は曖昧と言えます。なぜなら、①主原料である微生物の内容が明らかとされていないものがほとんどである、②効果が必ずしも十分でないものが多い、③資材品質の評価指標が十分に設定されていない、などの理由から、微生物資材は政令の土壌改良資材として指定されていないためです(内生菌根菌を除く)。微生物資材は農業生産現場において、現行農法に飽き足らない先進的な農業生産者によってその利用事例が先行している状況であり、残念ながら科学的信頼性が十分とは言えません。大部分の微生物資材では、効果の作用機序がよく研究されている菌根菌や根粒菌だけではなく、植物との緩い共生関係や他微生物との特定の相互作用が期待されるPGPR(植物生育促進菌類)やPGPF(植物生育促進根圏細菌)、拮抗微生物などの複数種類の有用微生物を用いています。導入微生物の株レベルの同定情報と各菌株の機能情報、各菌株の含有量を明確に示すことが重要となります。また、資材品質の評価指標や公的試験法を確立し、施用後の農地における導入微生物と周辺の微生物叢の動態を追跡する技術の成熟が望まれます。
微生物資材は、地力増進法において土壌改良材であって肥料でないものに含まれますが、厳密には農業資材の中での立ち位置は曖昧と言えます。なぜなら、①主原料である微生物の内容が明らかとされていないものがほとんどである、②効果が必ずしも十分でないものが多い、③資材品質の評価指標が十分に設定されていない、などの理由から、微生物資材は政令の土壌改良資材として指定されていないためです(内生菌根菌を除く)。微生物資材は農業生産現場において、現行農法に飽き足らない先進的な農業生産者によってその利用事例が先行している状況であり、残念ながら科学的信頼性が十分とは言えません。大部分の微生物資材では、効果の作用機序がよく研究されている菌根菌や根粒菌だけではなく、植物との緩い共生関係や他微生物との特定の相互作用が期待されるPGPR(植物生育促進菌類)やPGPF(植物生育促進根圏細菌)、拮抗微生物などの複数種類の有用微生物を用いています。導入微生物の株レベルの同定情報と各菌株の機能情報、各菌株の含有量を明確に示すことが重要となります。また、資材品質の評価指標や公的試験法を確立し、施用後の農地における導入微生物と周辺の微生物叢の動態を追跡する技術の成熟が望まれます。
(2) 微生物の“培養の限界”からの脱却
地球上の土壌圏の微生物の総数は1029のオーダーで、土壌1gあたり細菌は約102-106種、真菌は約101-103種と非常に多様な微生物が存在します。地球全体の細菌種数は約1兆種(1012種)にも及びますが、このうち純粋分離して新種登録された細菌は2万種程度です。同様に真菌も、1,200万種程度の多様性が見込まれる中で培養・分類された真菌は10万種程度です。すなわち、環境中の微生物の大半は現在の培養技術では取得することができない難培養微生物であり、いまだに99%以上の微生物は未知・未利用となっています。微生物資材に用いられる微生物も、純粋分離に成功した一握りの微生物種の中から、有用な機能が期待される菌株を選別して主に用いられています。将来に難培養微生物を培養化する技術が開発されることで、全く新しい有用微生物を発掘して、微生物資材の可能性を拡げることが期待されます。
地球上の土壌圏の微生物の総数は1029のオーダーで、土壌1gあたり細菌は約102-106種、真菌は約101-103種と非常に多様な微生物が存在します。地球全体の細菌種数は約1兆種(1012種)にも及びますが、このうち純粋分離して新種登録された細菌は2万種程度です。同様に真菌も、1,200万種程度の多様性が見込まれる中で培養・分類された真菌は10万種程度です。すなわち、環境中の微生物の大半は現在の培養技術では取得することができない難培養微生物であり、いまだに99%以上の微生物は未知・未利用となっています。微生物資材に用いられる微生物も、純粋分離に成功した一握りの微生物種の中から、有用な機能が期待される菌株を選別して主に用いられています。将来に難培養微生物を培養化する技術が開発されることで、全く新しい有用微生物を発掘して、微生物資材の可能性を拡げることが期待されます。
(3) 施用効果の安定性の改善
人工的に培養、増殖した微生物菌体は、施用後直ちに先住する土壌微生物の攻撃を受けることとなり、裸のままでは生存する確率はほとんど期待できません。したがって、他の微生物の攻撃から身を守るための住処や増殖するための餌を含めた形で資材化して、有用微生物の定着を図る工夫がなされています。しかし、それでも自然土壌中で微生物資材の含有微生物を高いレベルで安定的に存在させて機能活性を維持することはかなり難しいとされ、実験室で華々しい成果を上げた微生物が農地では排除されて期待される効果を示さないケースは多々見受けられます。この大きな壁を乗りこえて、微生物資材の効果を最大化するために、以下のような工夫が提言されています。
人工的に培養、増殖した微生物菌体は、施用後直ちに先住する土壌微生物の攻撃を受けることとなり、裸のままでは生存する確率はほとんど期待できません。したがって、他の微生物の攻撃から身を守るための住処や増殖するための餌を含めた形で資材化して、有用微生物の定着を図る工夫がなされています。しかし、それでも自然土壌中で微生物資材の含有微生物を高いレベルで安定的に存在させて機能活性を維持することはかなり難しいとされ、実験室で華々しい成果を上げた微生物が農地では排除されて期待される効果を示さないケースは多々見受けられます。この大きな壁を乗りこえて、微生物資材の効果を最大化するために、以下のような工夫が提言されています。
① 施用する“場所”の工夫:植物への導入微生物の定着が重要であるため、植物根の近くや植物葉面に施用する。
② 施用する“タイミング”の工夫:先住効果を狙い、競合する微生物の少ない種子~育苗段階や、くん蒸剤等で土壌を消毒した後に施用する。
③ 施用する“微生物”の工夫:植物体内で定着・増殖することが可能な内生微生物(エンドファイト)を用いる。
しかし、これらはいずれも、微生物の土壌定着性が低い問題に対する回避策であり、この最重要課題の解決に真正面から取り組む挑戦が望まれています。
微生物資材の革新 - 自然土壌に学ぶ
新規農薬の開発コストの増大やヨーロッパにおける化学農薬の規制強化を受けて、現在、微生物に熱い視線が注がれています。特に海外では、微生物を軸とした販売モデルが、遺伝子組換え種苗や農薬に代わる新規ビジネスとして認知され、大手メーカーの合併再編やベンチャーの設立が起こり、各社が農業微生物の網羅的なコレクション化やゲノム編集に着手するなど盛り上がりを見せています。しかし、上述の技術的課題(純粋培養に微生物資源がほぼ依存することや土壌への定着性が低い問題)が根本的に解決したわけではなく、旧態依然とした研究開発だけでは進歩に限界があるため、微生物の農業利用は一過性のブームで終わってしまうかもしれません。農業微生物群の国際市場は今後に年成長率10%を超える勢いで拡大するとの予測もあり、日本が独自の生物資源と技術でこの分野でイニシアチブを発揮するためには、あえて挑戦的な学際領域の研究を開拓していく必要があります。一時的流行としないためには、産学官民(企業・研究者・行政・農業生産者)が一丸となって基盤整備から取り組む必要があります。私の考える5つの研究開発課題を表中に示し、本文では2つのトピックスを紹介します。
![](media/images/cool-earth/column/03/kanno-3-3.png)
(1) マイクロバイオーム移植
土壌微生物は、植物・土壌・気候などの地域特性に適合した微生物叢(マイクロバイオーム)を長い進化の過程で形成しており、これを上回るものを創ることは容易ではありません。外から微生物を導入するだけでなく、そこに形成されたマイクロバイオームを活用していく視点も大切と考えられます。腸内微生物分野における健常人から病気を抱える人への糞便移植のように、農業微生物分野においても高収量・高品質の農地から問題を抱える農地へのマイクロバイオームの移植が有効ではないかとの考えがあります。植物の生育は目まぐるしく変遷する気象条件や土壌環境にも影響を受けるため、マイクロバイオーム移植により常に安定した効果が保証されるわけではないものの、多数の微生物株を混合して資材化する場合に菌体の調製に労力やコストがかかることを考えると、純粋培養に依存しない「微生物叢資材」の開発は将来性のある目標と言えます。ただし、農業現場に技術適用する際に資材の構成内容や作用機序がブラックボックスのまま普及してしまうと、単に土壌移植することとなんら変わらず、科学的裏付けのある普遍的な農業技術として成熟することはありません。導入する微生物叢の構成や存在量、微生物間相互作用による機能の発現メカニズムの理解などに裏打ちされた「微生物叢資材」を流通させるために、品質の評価方法や表示基準を定めていく取り組みが求められます。
土壌微生物は、植物・土壌・気候などの地域特性に適合した微生物叢(マイクロバイオーム)を長い進化の過程で形成しており、これを上回るものを創ることは容易ではありません。外から微生物を導入するだけでなく、そこに形成されたマイクロバイオームを活用していく視点も大切と考えられます。腸内微生物分野における健常人から病気を抱える人への糞便移植のように、農業微生物分野においても高収量・高品質の農地から問題を抱える農地へのマイクロバイオームの移植が有効ではないかとの考えがあります。植物の生育は目まぐるしく変遷する気象条件や土壌環境にも影響を受けるため、マイクロバイオーム移植により常に安定した効果が保証されるわけではないものの、多数の微生物株を混合して資材化する場合に菌体の調製に労力やコストがかかることを考えると、純粋培養に依存しない「微生物叢資材」の開発は将来性のある目標と言えます。ただし、農業現場に技術適用する際に資材の構成内容や作用機序がブラックボックスのまま普及してしまうと、単に土壌移植することとなんら変わらず、科学的裏付けのある普遍的な農業技術として成熟することはありません。導入する微生物叢の構成や存在量、微生物間相互作用による機能の発現メカニズムの理解などに裏打ちされた「微生物叢資材」を流通させるために、品質の評価方法や表示基準を定めていく取り組みが求められます。
(2) 微生物群の理想の家づくり
実験室において土壌から抽出した多様な微生物群を培養すると、フラスコ内の微生物が直ちに数種に絞られて多様性を全く維持することはできません。一方で、土壌中では微生物は高い多様性を維持したまま安定的に共存しています。両者の違いは生物学的因子だけでは説明がつかず、それ以外の物理化学的因子が関係していると考えられます。とりわけ土壌団粒は、大小の微細な鉱物粒子や接着物質が集合体を形成して孔隙に富む構造体を形成し、水や酸素や有機物の拡散に局所的違いが生じて微小スケールにおけるヘテロな環境を生み出しており、この階層構造の“妙”が頑健な生態系を形成する一因となっていると考えられます。従来の微生物資材も担体を用いることで微生物の吸着・保持を図ってきましたが、真に土壌から排除されない微生物資材をデザインするためには、悠久の時の中で自然に形成される微生物群の理想の住処(土壌団粒)に学ぶ必要があると考えています。その微生物保持メカニズムを解明して、微細構造を模倣した担体を作成し、微生物群の定着や機能の安定化に及ぼす影響を検証することが望まれます。もし「多様な微生物群を安定的に保持する担体」を創ることに成功すれば、微生物資材の施用効果の向上や、マイクロバイオーム移植のキャリアとしての利用が期待できます。
実験室において土壌から抽出した多様な微生物群を培養すると、フラスコ内の微生物が直ちに数種に絞られて多様性を全く維持することはできません。一方で、土壌中では微生物は高い多様性を維持したまま安定的に共存しています。両者の違いは生物学的因子だけでは説明がつかず、それ以外の物理化学的因子が関係していると考えられます。とりわけ土壌団粒は、大小の微細な鉱物粒子や接着物質が集合体を形成して孔隙に富む構造体を形成し、水や酸素や有機物の拡散に局所的違いが生じて微小スケールにおけるヘテロな環境を生み出しており、この階層構造の“妙”が頑健な生態系を形成する一因となっていると考えられます。従来の微生物資材も担体を用いることで微生物の吸着・保持を図ってきましたが、真に土壌から排除されない微生物資材をデザインするためには、悠久の時の中で自然に形成される微生物群の理想の住処(土壌団粒)に学ぶ必要があると考えています。その微生物保持メカニズムを解明して、微細構造を模倣した担体を作成し、微生物群の定着や機能の安定化に及ぼす影響を検証することが望まれます。もし「多様な微生物群を安定的に保持する担体」を創ることに成功すれば、微生物資材の施用効果の向上や、マイクロバイオーム移植のキャリアとしての利用が期待できます。
エピローグ: 夢を語ろう - 微生物資材が変える人類の未来
さて、話はがらっと変わりますが、ここまでお読みくださったコラムの読者の皆様は、人類はあとどのくらい存続すると思われますか? 現在のペースでは今後100年間で地球上の種全体の約30%が絶滅の危機に瀕すると言われています。地球の未来を推定するうえで人間活動のもたらす影響は不確定要素ではあるものの、1,000年後には全く違った地球環境の下で人類は農作物の生産に苦労している可能性も否定できません。微生物学者は、このような未来に備えて、①極限環境に生きる微生物を探索して生存機構を理解する、②微生物機能を人工創製することで生命の限界を拡張する、といった研究を展開してきました。上述の資材化技術の革新により、③微生物を保護する人工場を創ることで生命の活動域を拡張する、といった第3の研究基軸が提起されます。微生物群の安定化担体の技術を応用することで、現世の微生物の魅力的な生態系機能を群集レベルで保存して、時空間的制約を超えて利用するようなタイムカプセルが出来るかもしれません。また、砂漠や他の惑星といった極限環境や非生命圏に植物生育を補助する微生物群を安定的に導入する微生物資材が開発されることで、砂漠緑化や他の惑星の地球化(テラフォーミング)が実現し、1,000年後の人類の未来は全く違ったものとなっているかもしれません。現状はまるでドラえもんのひみつ道具を紹介するような絵空事ではありますが、人類初の動力飛行や月面着陸がそうであったように、壮大な目標を掲げることにしました。微生物資材の発展にご尽力された先人の知見を継承しつつ、100年~1,000年後に振り返って評価される小さなはじめの一歩の挑戦ができればと考えています。
![](media/images/cool-earth/column/03/kanno-3-4.png)
ムーンショット事業では、土壌学・微生物学・植物科学・生態学・情報学等の多岐にわたる学問分野が連携して、土壌の包括的解明に挑みます。課題IIIではナノ材料科学との融合も意識しながら、卓越した他の研究者の方々と協力をして、未来の微生物資材を開発する道筋をなんとか見つけたいと考えています。本コラムを読んで、微生物資材の未来に可能性を感じて心を燃やしてくれる若者がもし居たら嬉しいです。ぜひ次の大いなる歩みに向けて一緒に取り組んでいけたらと思います。課題Ⅲ詳細↗️
[引用文献]
1. 南澤究, 妹尾啓史編, エッセンシャル土壌微生物学 作物生産のための基礎, 講談社(2021)
2. NEDO技術戦略研究センター, 微生物群の利用及び制御分野の技術戦略策定に向けて, TSC Foresight vol.33(2019)
3. ニコラ・デイビス文, エミリー・サットン絵, ちいさなちいさな, ゴブリン書房(2014)
4. JA全農 肥料農薬部編, よくわかる土と肥料のハンドブック土壌改良編, 農産漁村文化協会(2014)
5. 農文協編, 微生物パワーとことん活用読本, 農産漁村文化協会(2013)
6. 全国土壌改良資材協議会, 微生物資材の自主表示基準について, https://www.japan-soil.net/DOKAI/2010_kijun.html(2009)
7. 土壌保全調査事業全国協議会編, 土壌改良と資材 改訂第2版, 日本土壌協会(2003)
8. Jastrow, J.D., & Miller, R.M. (1996). Soil aggregate stabilization and carbon sequestration: feedbacks through organomineral associations (No. ANL/ER/CP-88020; CONF-9607182-1). Argonne National Lab., IL (United States).
1. 南澤究, 妹尾啓史編, エッセンシャル土壌微生物学 作物生産のための基礎, 講談社(2021)
2. NEDO技術戦略研究センター, 微生物群の利用及び制御分野の技術戦略策定に向けて, TSC Foresight vol.33(2019)
3. ニコラ・デイビス文, エミリー・サットン絵, ちいさなちいさな, ゴブリン書房(2014)
4. JA全農 肥料農薬部編, よくわかる土と肥料のハンドブック土壌改良編, 農産漁村文化協会(2014)
5. 農文協編, 微生物パワーとことん活用読本, 農産漁村文化協会(2013)
6. 全国土壌改良資材協議会, 微生物資材の自主表示基準について, https://www.japan-soil.net/DOKAI/2010_kijun.html(2009)
7. 土壌保全調査事業全国協議会編, 土壌改良と資材 改訂第2版, 日本土壌協会(2003)
8. Jastrow, J.D., & Miller, R.M. (1996). Soil aggregate stabilization and carbon sequestration: feedbacks through organomineral associations (No. ANL/ER/CP-88020; CONF-9607182-1). Argonne National Lab., IL (United States).