農集と生物田の組み合わせ その① -プランクトンプランドの実現へ向けて-
それでは実際に、農集と生物田を組み合わせた、プランクトンの生産を考えてみたいと思います。
現実に、地域の排水を利用したプランクトン生産を考えた場合、最も実現の可能性が高いのは、農集と水田を利用するものです。
農集の近くには大抵水田がありますし、生物田は水田に最小限の改造を加えることで実現できそうです。
ここに、この案を示します。
この図は、農集の周りの水田を、藻化池と生物田に改造したプランクトンプラントを示します。
概略は、農集の処理水を藻化池に導き、微細藻類を生産し、これを生物田に入れて、動物プランクトンを生産し、排水路に放流するというものです。
この流れは、MGP試験などで、ビーカーレベルでは実現可能なことを確認しています。
MGP試験は、1Lの透明カップに、
① 空 （底泥なし）
② 底泥 2cm
③ 底泥 5cm
となるよう田んぼの土を入れ、上部の水深が5cmになるように、水を張りました。
これに、農集の処理水で微細藻類を培養した藻化水を、毎日一定量を、半連続的に餌として入れました。
カップには、タマミジンコやワムシなどの生物が発生し、毎日一定量を回収しました。
下の図は、2019年の5月から8月までの3か月間のMGP試験結果です。
水田土壌は、動物プランクトンの生産に適しており、その影響を比較してみました。それぞれの平均値は、
① 空 ： 3,029個/L
② 底泥 2cm ： 4,115個/L
③ 底泥 5cm ： 4,470個/L
という結果となりました。水田土壌は、動物プランクトンの培養に有利に働き、その厚みが深いほど生産性が高まることがわかります。
また、底泥があれば、室温で3か月間リセットなしで連続培養できることも確認できました。
底泥がない場合は、夏の高温では連続培養できるのですが、それ以外の低温では不調となる期間がありました。
底泥がある場合は、タマミジンコ以外の生物も多種発生し、特にツボワムシやゾウリムシが多く、イトミミズやカイミジンコもよく見られました。
よって、タマミジンコのみをカウントするMPG試験では、産出される餌生物の全生産量を評価することができません。
このような水田土壌の高い生産性は、いったいどこから来るのでしょうか？
ネットで論文などを調べてみると、
し尿と土壌の相互作用による珪藻類の増殖に関する研究 ：西岡守・山崎仲道、生物環境調節 27(2),47-51,1989
に、海水にし尿処理水を混ぜて、ここに土を入れ、照明を当てて培養すると、植物プランクトンとワムシが特に多く発生することが示されています。
し尿処理水と水中の土壌の組み合わせは、プランクトンの生産性を高めるようです。
次に、水田土壌で発生する、動物プランクトンに有効な必須栄養素や微生物を調べてみると、
① 還元層のメタン生成菌によるビタミンB12
水田土壌中におけるメタン生成微生物生態系の解析 ：加来伸夫・上木厚子・大渕光一・上木勝司、環境科学会誌9(2),249-261,1996
に、水田土壌中のメタン菌の分布についての詳細な研究が示されています。メタン菌は、動物プランクトンにとって、重要な必須栄養素である、ビタミンB12の生産者です。
これが水田土壌の還元層中には多量に存在しています。どうも、稲の根との相互作用が強いらしく、稲の代謝生成物からメタンを生じさせる経路があるようです。
上のカップ試験でも、当初は還元層にメタンの気泡の発生が盛んに見られたのに、徐々に低下し、終盤になると気泡が見られなくなりました。
メタン菌を水田土壌中に多量に保持させるためには、もしかすると稲の存在が必要なのかもしれません。
生物田は、稲作とプランクトン生産が共存する可能性があります。
② 表面酸化層のメタン酸化菌によるメチオニン
メタン酸化菌は、メタンだけを酸化することで生育する“C1微生物”です。これは、還元層から上がってくるメタンを、表面酸化層で待ち受けて資化、酸化しています。
この細菌の特殊なところは、必須アミノ酸のメチオニンを高濃度に含むことです。メチオニンは、植物には少なく、動物には多く含まれるため、
植物 ⇒ 動物 変換する場合に、真っ先に律速となると思われる必須アミノ酸です。
メタン酸化菌が、なぜメチオニンを多く含むのかは分かりませんが、メチオニンの合成にはビタミンB12が必要であるため、
メタンと同時に、これもメタン生成菌から供給されていると考えると、納得できるものがあります。
また、メタン酸化菌は、ビタミンB12を増殖促進因子としていることも報告されています。
メタン酸化細菌は、よく研究されているようで、いろいろな論文が出ていますが、水田のものを一つ示します。
水田土壌中のメタン生成・酸化細菌の特徴と生態：武田潔、Microbes and Environments vol.13,No.1,39-44,1998
水田のメタン生成菌とメタン酸化菌の組み合わせは、プランクトン生産に有効にはたらくことになります。
③
表面酸化層の原生動物
表面酸化層には、一般細菌の他にメタン酸化細菌、硝化菌、鉄細菌などの特殊な細菌や酵母が含まれており、これらを餌とする土壌性の原生動物も多くいます。
土壌性の原生動物はアメーバが主なものですが、上のカップ試験では、ゾウリムシが多く発生しました。土壌は捕食者から逃れるための場所となり、
メタン酸化細菌のメチオニンも豊富に含まれるので、原生動物の増殖には適すると思われます。
冬季湛水が水田の原生動物の原生生物現存量に及ぼす影響：林紀・稲森降平・岩淵成紀、日本水処理生物学会誌 第45巻
第3号 143-152、2009
根圏における原生生物の役割：島野智之、土と微生物 Vol61 No.1 41-48、2007
原生動物は、文字通り“動物”なので、メチオニンを多く含み、ミジンコのよい餌になると思われます。
珪藻は、必須脂肪酸のEPAを多く含むため、動物プランクトンの増殖に有効な餌であると考えられます。
そして、水田土壌の表面では、珪藻が多く育ちます。これは、日光、二酸化炭素、窒素リン、ケイ素、ビタミンBが豊富にあり、また固着できる表面があるためです。
埼玉県川越市郊外の水田産珪藻類：安藤一男、Saitama
Museum Natural History
水田土壌の表面には、珪藻以外の植物プランクトンも発生します。
その中でミジンコの餌として有効そうなものに、クロレラやイカダモなどの緑藻があります。
クロレラはミジンコの餌として最も有名かつ有効で、その効果はイカダモを上回ります。
しかし、イカダモは簡単に多量培養できるのに対し、クロレラは純度を保つのが難しく、拡大培養による純粋培養法を用いる必要があり、コストが高くなります。
この高価なクロレラが、水田土壌表面には多く自生しているのです。
水田の田面水と土壌における藻類群集の季節変化：藤田裕子・中原絋之、陸水雑、60：67-76、1999
⑥ 表面酸化層と還元層の間の光合成細菌
光合成細菌のうち、紅色非イオウ細菌は、ビタミンB12を多く含むため、動物プランクトンの増殖に有効です。
この細菌は、日光が届きかつ嫌気条件の、表面酸化層と還元層の間に存在していると言われていますが、これを直接調べた論文は見つかりませんでした。
多分居ることはいるのでしょうが、低密度なのではないでしょうか？ミジンコの餌として有効にはたらいているか不明です。
以上、ネットで調べた論文を上げてきましたが、これらは代表的なものであり、他にも参考となるものが多数ありますので、興味のある方は追ってみてください。
このように見てくると、水田は動物プランクトンの生産に、とても適していることがわかります。
農集と生物田の組み合わせが、実際どのようなものになるか考えてみると・・・
農集の処理水を、水田に通水するだけでも、ある程度は動物プランクトンが発生しますが、ここはやはり専用の藻化池を設け、微細藻類を供給することを考えてみたいと思います。
また、生物田も、水田そのままでも生物田とすることが可能かと思われますが、エアリフトポンプによる水流の発生や、メッシュによるミジンコ分離などの改造を加えることで、動物プランクトンの生産性を高めることができると思われます。
基本的には、農集の処理水を藻化させ、水田に導けば、動物プランクトンが自然に湧き出す、といった単純な考えですが、これで案外うまくいってしまうところが水田の恐ろしいところです。
これらの、プランクトンプラントを構成する要素に関しては、その②以降で個別に詳細を示したいと思います。
（R1/10/27）