2006年05月30日
世界初 土壌微生物の活性を調べるバイオセンサーを実用化
土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock（ソイルドック）』を販売開始
農作物に被害を及ぼす土壌病害発生の事前予測と病害汚染圃へ投入すべき有効微生物とその量の特定を可能にする
株式会社サカタのタネ（代表取締役社長:高橋 英夫、所在地:神奈川県横浜市）は、学校法人片柳学園 東京工科大学（学長:相磯 秀夫氏、所在地:東京都八王子市）と独立行政法人 産業技術総合研究所（理事長:吉川 弘之氏、所在地:東京都千代田区）の産学官連携により、世界初の土壌診断用バイオセンサーの研究開発を進めてきました。このたび、その実用化に成功し、土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』として製品化、販売を開始することになりました。
農業現場において、とりわけ土壌病害は、臭化メチルの全廃など土壌消毒が困難になりつつあります。そこで土壌消毒にかわる方法として病害微生物密度の低減のため、有効微生物※投入による土壌の生物環境多様化に期待が高まっています。このような方法による防除では畑が特定の病害に侵されやすい性質を持っているかを予測し、また、すでに土壌病害に侵された畑では投入すべき有効微生物を特定し、その量を経験や勘に頼ることなく定量的に決定することが重要です。しかしながら、これまで土壌における生物学的評価の研究は数多く行われてきましたが、費用と時間の問題からいずれも実用的ではありませんでした。土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』は、従来不可能だった土壌病害に対する潜在的な予測や具体的な対策を、最先端のバイオセンサー技術によって可能にした画期的な新製品です。加えて、現在の農業においてバイオセンサー技術を用いた測定装置の実用化事例はいまだなく、その点からも『Soil Dock』は画期的といえます。さらに、『Soil Dock』による生物学的診断は、既存の化学および物理学的診断に続く第3の診断方法として、農業生産の安定・向上のために求められる土壌の総合診断を可能にします。
写真は、土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』
土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』は、1サンプルあたりわずか30分間程度で土壌分析が可能です。センサー部に装着する交換用微生物フィルターは、土壌病害種別に2種類（発売当初はトマト青枯病、レタス根腐病で順次追加予定）と有効微生物種別に3種類（発売当初はバチルス菌、シュードモナス菌、ピシウム オリガンドラムで順次追加予定）、計5種類を用意しています。同フィルターの1枚あたりの耐用期間は約1ヶ月間、耐用回数として70回程度繰り返し使用可能です。
『Soil Dock』は受注生産方式をとり、2006年7月3日より受注開始、2006年12月ごろより順次出荷を行います。価格（税込希望小売価格）は、315万円、交換用微生物フィルター（5種）は各2枚セットで21,000円、販売目標は3年間（2006年7月～2009年6月）で累計2億5,000万円を予定しております。
※有効微生物:
土壌中のウイルス、バクテリア（細菌）・糸状菌（カビ）などの微生物のうち、植物に感染し病気をおこす微生物を「病害微生物」といい、それ以外を「一般微生物」という。さらに「一般微生物」のうち、病害微生物の防除や植物の成長に有効で、植物に対して役立つ微生物を、土壌肥料および土壌微生物分野では、特に「有効微生物」と呼んでいる。
■土壌病害とは
私たちの社会でも起こっているような病気の問題（例えば結核や鳥インフルエンザといった病気に感染することによって、命をも失うような問題）が、野菜や花など植物の世界でも起こっています。特に、土の中のウイルス、バクテリア（細菌）・糸状菌（カビ）などの微生物が、植物に感染することにより発病する病害のことを「土壌病害」といいます。
しかしながら、土の中のウイルス、バクテリア（細菌）・糸状菌（カビ）などの微生物のすべてが悪いわけではありません。一般的には土1グラムあたりに数千万個の微生物が住んでいます。これらは植物に対して害を与えるか否かで善玉菌（有効微生物）と悪玉菌（病原微生物）に分けることができます。土の中ではそれらのバランスが重要です。健全な土には、よい菌（善玉菌）がたくさんいます。まるで、体の中の腸内細菌みたいな話が、野菜や花を栽培する畑にもいえるのです。農家の人々は、善玉菌を増やすべく経験的に堆肥や土壌改良材などを入れて肥えた土壌にするなどして、健全な土作りを心がけてきました。
しかし、実際には連作、あるいは天候不順、過剰な化学肥料の投入などで土壌は傷めつけられ、善玉菌の住める環境が失われ土壌病害を招いてしまうケースが多々あります。ひとたび土壌病害が起こると、根は枯死し、自分の畑以外にも伝染して広がることで地域の畑全体を滅ぼしてしまうことにもなりかねません。有名な例としては、1845年、ヨーロッパの一部で流行していた土壌病害のジャガイモ疫病が、同年にイギリス、アイルランドへと広がりました。翌年にも疫病は大発生し、その後の凶作も加わり、当時ジャガイモを主食としていた100万人を超える人びとが餓死しました（江戸時代の天明の大飢饉に相当する規模）。そのことが契機になり1851年から1905年の間に約400万人がアメリカなどに新天地を求めて移住し、その中に、レーガンやケネディ元大統領の曾祖父たちもいました。このように過去には大規模な産地が壊滅状態になってしまったケースもあり、土壌病害は人類の食糧供給にも関わる非常に大きな問題です。
また、実際に発生するまではなかなか予測できず発見が遅れるといった難しい面もあります。症状がひどい場合には農薬などによる土壌改良が必要となりますが、農薬に頼りすぎると病害微生物が農薬に対する抵抗性をどんどん身につけ、新しい病害微生物と農薬の開発がいたちごっこの状態になってしまいます。
■土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』の基本原理
土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』の基本的な原理は、土壌中の善玉菌と悪玉菌の活動状況をそれぞれの菌の呼吸に基づく酸素の減少量で把握し、数値化して診断しよう、というものです。測定は、測定対象となる畑の土を緩衝液（リン酸緩衝液）で懸濁し、その土壌試料液をポンプで吸い上げ、一定温度に保つ恒温槽へ送り、恒温槽内で土壌試料液は気泡を除去するための脱気槽をとおり、センサー部へ一定速度で送られ、センサーに直接通液し続ける方式（フロー式）により行います。
センサーは、2本搭載されています。ひとつは善玉菌（有効微生物）を付着させた微生物フィルターが装着されたもの、もうひとつは悪玉菌（病原微生物）を付着させた微生物フィルターが装着されています。約10分間程度、土壌試料液を2つのセンサーで計測することにより、善玉菌側と悪玉菌側のどちらのセンサーの数値が上がったのか（＝どちらのセンサーの微生物がより活性化し酸素を消費したのか）がパソコン画面に表示されます。そのデータを比較することにより、善玉菌と悪玉菌のどちらにとって住み心地がよい土なのかを数値化します。
つまり土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』を用いることで、土壌病害に汚染されていない畑が特定の病害に侵されやすい畑かどうなのかを事前に予測し、また、すでに土壌病害に汚染されている畑では投入すべき有効微生物あるいは微生物農薬を特定し、その量を決定することを経験としてではなく数値として診断することができる画期的な装置です。
■土壌病害の発生事前予測と発生時の的確な対処の意義
人間の病気の場合も、例えば成人病にかかりやすい体質ということを知っていれば、日ごろから十分な栄養や休息をとる、適度な運動を心がけるなどして事前に予防策をとることができます。しかし、自分の体質を知らずに予防策をとらなければ、病気にかかるリスクが高まります。そうなれば、本人の体のダメージのみならず、医薬品の投与や場合によっては手術といったことが必要になり、経済的にも大きな負担になってしまいます。
これは、植物の世界でも同じです。土壌病害の場合、その畑の“体質”を事前に把握することができれば、気がついたときには病気で出荷直前の野菜や花が全滅などという悲劇を見ずにすみます。例えば、予防策としてその畑の体質にあった善玉菌の選定と活用（畑の善玉菌の割合を増やすことにより病害の発生を予防）、畑とその畑で発生しうる病害に応じた品種・栽培方法・作型・資材などの選定など、環境にやさしい自然な形での早期防除につなげることができます。また、これまで、土の中は化学的に肥料成分やpH、物理学的な孔隙率（土のすき間の度合い）などを測定することはできても、生物学的なアプローチで土の中を探ることはできませんでした。
また、土壌病害の発生時においては、病害汚染土壌への投入すべき善玉菌を特定し、その量を決定することが今後の効率的な農業生産からも重要です。土壌病害が発生した場合、ひとつの病害に対し効果のある善玉菌は、その土壌環境により種類も投入量も異なり、経験や感ではなく定量的な判断が重要です。
実際の農業現場に目を向けると、とりわけ土壌病害に関しては臭化メチルの全廃など土壌消毒が困難になりつつあります。独立行政法人北海道農業研究センターの横山和成博士によると、2004年の長野県の野菜の総生産額約600億円のうち、土壌消毒が必要あるいは今後それに頼らなければ生産が困難になると予想される野菜の総生産額は現在約200億円で、もし土壌消毒ができなくなった場合、何も対策しなければ収穫は10％程度にとどまるため、総生産額は20億円になるという試算されています。これに対し、土壌の生物学的診断事業が始まり、適切な対策を講じることができるようになれば30%程度は被害を食い止めることができるようになるので、総生産額を80億円まで引き上げることができるようになります。このように、土壌消毒にかわる方法として病原菌密度の低減のため善玉菌投入による土壌の生物環境多様化が有効とされています。
一方、消費者においては、近年、食の安全に対する関心は高く、減農薬、有機栽培への要望は高まるばかりです。さらに、昨日から食品衛生法改正に伴うポジティブリスト制度が施行され、同制度において微生物農薬が対象外物質に定められました。これらのことから、今後、土壌病害の予防や防除の目的で有効微生物や微生物農薬の使用が化学農薬にかわり飛躍的に伸びるものと予想されます。
これまで、さまざまな土壌の生物学的評価の研究が行われてきましたが費用と時間の関係でいずれも実用性のないものばかりでした。今回、販売を開始する土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』は、従来、不可能とされていた迅速かつ安定した土壌病害に対する生物学的な潜在予測や具体的な対策を可能にします。さらに、『Soil Dock』により生物学的診断が可能になったことで、既存の化学および物理学的診断に続く土壌における第3の診断方法として、農業生産の安定・向上のために求められる土壌の総合診断ができるようになりました。これにより有効微生物資材の投入などに関し、経験や勘に頼ることなく、定量的に土壌改良ができます。土壌病害を軽減することにより化学農薬の使用量を減らし、環境保全型農業の推進が期待されます。ひいては、消費者の求める「安心」「安全」に応えるものと考えます。このように土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』は、地球環境にそして人間の健康にやさしい農業を目指すうえで、非常に役立つ診断装置と考えています。
加えて、横山博士によると、現在、長野県の土壌における化学および物理学的診断の実績は年間2万件あり、総額は8,000万円程度ですが、これに生物学的診断が加わった場合、その需要は2億4,000万円になると推測されます。このように土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』の誕生により新しい産業の創出も期待されています。
■土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』の製品概要
土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』の開発にあたり、サカタのタネはバイオセンサーの農業分野への応用のため土壌微生物を活用した土壌の性質の定量化に関する基本コンセプトを提供、東京工科大学から実用化に向けたデータ収集と製品化のための研究協力をいただき、産業技術総合研究所からはバイオセンサーそのものの基礎研究についてご協力をいただきました。
2004年3月に試作機が完成し、以後、製品化に向けさまざまな診断試験を行いましたが、当初、測定方式として、土壌試料液（土壌をリン酸緩衝液で溶解）を入れた容器にセンサー部を浸水させる方式（バッチ式）を採用していたため、データのバラつきが大きい、センサー自体の感度が低い、測定に至るまでの土壌試料液の安定に時間がかかる、使用後の洗浄が面倒など実用化に向けては多くの課題がありました。
そこで、上記の課題を解決すべく全面的に改良を行ない、測定方式として、土壌試料液を一定速度でセンサーに直接通液し続けるフロー式を採用しました。土壌試料液の送液過程で自動的に試料液内の泡を脱気する仕組みを設けることなどにより、データのバラつきを解消するとともに、1サンプルあたりの測定を約30分で行えます。
また、あわせて土壌試料液の濃度についてもテストを重ね、より濃度の高い（＝土に対して緩衝剤・リン酸バッファー量が少ない）土壌試料液を測定可能にすることにより、センサー自体の実効感度を上げることに成功しました。そのほか、もっとも安定した測定データが得られる土壌試料液の液温設定試験（製品化にあたっては25℃に設定）や緩衝液による高速洗浄など、様々な研究開発を重ねた結果、このたび、世界初の土壌診断用バイオセンサーの実用化に成功、製品の販売開始に至りました。
なお、土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』本体の製造については、電子計測器、工業用分析機器、環境大気分析機器等の製造・販売企業、東亜ディーケーケー株式会社（本社:東京都新宿区、社長:山﨑正知氏）に委託して行います。
■土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』の測定手順
1.土壌サンプルの採取
↓
2.土壌試料液の準備：土壌100gをリン酸バッファー400mlで懸濁
↓ →約一晩程度、振とうする。
3.土壌試料液の調整：ガーゼろ過～遠心分離～ろ紙ろ過
↓
4.測定直前の土壌試料液の調整：液温の安定化と10分程度の土壌試料液の撹拌による空気飽和
↓ ←微生物フィルターをセンサーへ装着
4.『Soil Dock』へ土壌試料液注入
↓
5.測定開始:洗浄※1分～安定化10分～測定10分
↓ ※高速洗浄用ポンプで土壌試料液を通液するチューブ、微生物フィルター・センサー部を洗浄
6.接続されたパソコン画面に測定データを表示
■土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』で診断できる有効微生物と土壌病害
『Soil Dock』には、現在、土壌病害種別に2種類と有効微生物種別に3種類、合計5種類の微生物フィルターが用意されており、これらを交換することにより、さまざまな土壌病害の診断に対応することが可能な方式となっています。
1枚の微生物フィルターは、リン酸緩衝液を循環または流し続けることで、センサーに取り付けたまま約1ヶ月間使用することができ、その間も耐用回数として70回程度繰り返し使用可能です。
発売当初、土壌病害はトマト青枯病、レタス根腐病に対応した微生物フィルターの2種類と有効微生物はバチルス菌、シュードモナス菌、ピシウム オリガンドラムに対応した微生物フィルターの3種類になっていますが、現在、主な土壌病害や有効微生物は下の表のとおりです。今後、診断可能な土壌病害や有効微生物の対象をよりいっそう拡大すべく、研究開発を進めており、順次、各病害に対応した微生物フィルターを追加販売していく予定です。
■土壌病害
◆細菌類
| 病 名 | 学 名 | 作 物 |
| 青枯病 | Ralstonia solanacearum | トマト※ |
| ナス、ジャガイモ、イチゴ | ||
| タバコ | ||
| 軟腐病 | Erwinia carotovora | ハクサイ、キャベツ、ジャガイモ、 タマネギ、コンニャク、アイリス、 アヤメ、シクラメン、キク |
| 根頭がんしゅ病 | Agrobacterium tumefaciens | カキ、モモ、リンゴ、ナシ、 オウトウ、ブドウなど |
※:今回、発売する微生物フィルターの微生物
◆放線菌
| 病 名 | 学 名 | 作 物 |
| そうか病 | Streptomyces scabies | ジャガイモ、ダイコン、ニンジン |
◆糸状菌（カビ）類
| 病 名 | 学 名 | 作 物 |
| 苗立枯病 | Pythium ultimum | ホウレンソウ |
| Pythium cucurbitacearum | キュウリ | |
| Pythium debaryanum | キュウリ、ユウガオ、エンドウ、 タバコなど |
|
| Rhizoctonia solani | エンドウ、キャベツ、キュウリ、タマネギ、ダリア、トマトなど | |
| 根こぶ病 | Plasmodiophora brassicae |
ハクサイ、キャベツ、カブ、ブロッコリー、 |
| 半身萎凋病 | Verticillium dahliae | ナス、トマト、ハクサイ、オクラ、イチゴ、キク、スイカ、メロンなど |
| 萎凋病 | Fusarium oxysporum | トマト、キャベツ、ダイコン、イチゴ(萎黄病）、ホウレンソウ、カーネーション、アスター、シクラメン |
| つる割病 | Fusarium oxysporum | サツマイモ、スイカ、キュウリ、メロン |
| 根腐病 | Fusarium oxysporum | レタス※、ミツバ |
| Fusarium solani | インゲン、ウド、エンドウ |
※:今回、発売する微生物フィルターの微生物
■有効微生物（病害軽減に役に立つ微生物の仲間）
◆細菌類
| 有効微生物 | 学 名 |
| バチルス菌 | Bacillus subtilis |
| Bacillus cereus※ | |
| シュードモナス菌 | Pseudomonas putida※ |
| Pseudomonas fluorescens | |
| 非病原性エルビニア・カロトボーラ | Erwinia carotovora |
◆糸状菌（カビ）類
| 有効微生物 | 学 名 |
| トリコデルマ菌 | Trichoderma lignorum |
| Trichoderma atroviride | |
| タラロマイセス フラバス菌 | Talaromyces flavus |
| ピシウム オリガンドラム | Pythium oligandrum※ |
| 非病原性フザリウム | Fusarium oxysporum |
| アグロバクテリウム ラジオバクター | Agrobacterium radiobacter |
※:今回、発売する微生物フィルターの微生物
実際の予防では、まず、目的とする畑に常在している一般微生物と防除したい悪玉菌の活性を比較する必要があります。このとき常在している一般微生物は培養し、単離することが必要ですが、多くの場合、土壌中にはバチルス菌、次いでシュードモナス菌が占めているので、今回、有効微生物として販売するこれらの微生物を常在している一般微生物と想定して使用し、比較することも可能です。ちなみにこの後、一般微生物の活性が悪玉菌よりも弱い場合、次の段階として、実際にどの有効微生物が目的とする畑に適しているかを、善玉菌の種類を換えながら探る作業に入ります。
■土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』の製品仕様
◆本 体
| 1.製品名 | 土壌診断用バイオセンサー |
| 2. 型 名 | DDSC－3 |
| 3. 測定項目 | 土壌の病害発生危険度 |
| 4. 測定原理 | 土壌懸濁液に浸漬した2種類の微生物電極により呼吸活性を測定し、一定時間後の電極出力変化比から危険度を判定する。 |
| 5. 測定時間 | 標準＝10分。最長2時間 |
| 6. 結果表示 | 判定ソフトを組み込んだパーソナルコンピュータ（以下PCと表記。別売）での画面表示および印刷。 表示内容：トレンドグラフ、判定結果等。 |
| 7.A/D変換器 | USB接続タイプ 10BIT |
| 8.電 極 | バイオセンサー用酸素電極（2本） |
| 9.測 定 | セル フロー方式、PMMA製 |
| 10.恒温槽 | 設定温度範囲：5～40℃ 制御方式:ペルチェ素子による加熱冷却。 温度分布精度:±2.0℃以内 |
| 11.ポンプ | 試料ポンプ:ペリスタルティックポンプ 洗浄用加圧ポンプ:小型エアポンプ |
| 12.電 源 | AC100V 50/60Hz |
| 13.消費電力 | 約200VA |
| 14.構 造 | 屋内卓上用 |
| 15.設置場所 | 実験室内（空調付） |
| 16.周囲温度・湿度 | 温度:20～30℃、湿度:10～85％RH |
| 17.外形寸法、質量 | 幅410mm×奥行き425mm×高さ420mm 質量＝15kg |
| 18.標準付属品 | A/D変換器用CD-ROM、I/O用CD－ROM 判定ソフトCD－ROM（取扱説明書入り） 電極用隔膜（5個入り2箱） 微生物膜用フィルター（100枚入り2個） フィルターホルダー（2個） 注射筒（2本） 電極内部液 50mL（2個） PC接続用USBコード（2本） |
| 19.出荷内訳 | 本体、標準付属品 |
◆微生物フィルター
| 1.フィルターサイズ | 13mmφ |
| 2.保存温度 | 25℃保存：Bacillus 菌、Pseudomonas菌、Ralstonia solanacearum（トマト青枯病）菌 4℃保存：Pythium oligandrum菌、レタス根腐病（Fusarium oxysporum）菌 |
| 3.保存液 | リン酸緩衝液(pH 7.0) |
| 4.保証保存期間 | 1ヶ月（指定の温度条件下、指定の保存液で保存した場合） |
■土壌診断用バイオセンサー『Soil Dock』の販売展開について
◆発 売 日
本製品は受注生産方式をとり
受注開始…2006年7月3日
出荷開始…2006年12月より順次
◆価格（税込希望小売価格）
本体…315万円
交換用微生物フィルター（5種類）各2枚入り…21,000円
◆販売先
全国の農業試験場、大学の研究室、農協など
※なお、将来的には海外での販売についても検討予定
◆販売目j標
本体、フィルター合わせて、受注開始より3年間（2006年7月～2009年6月）で累計2億5,000万円を予定
■ご参考
学校法人 片柳学園 東京工科大学
◆名称 学校法人 片柳学園 東京工科大学
◆所在地 東京都八王子市片倉町1404-1
◆創立 1986年
◆学長 相磯秀夫氏
◆学部・学科（大学）メディア学部、バイオニクス学部、コンピュータサイエンス学部
（大学院）バイオ・情報メディア研究科
独立行政法人 産業技術総合研究所
◆名称 独立行政法人 産業技術総合研究所
◆所在地 東京都千代田区霞ヶ関1-3-1 経済産業省別館
（バイオニクス研究センター: 八王子サイト:東京都八王子市片倉町1404-1）
◆理事長 吉川弘之氏
