Selenium nanoparticles as slow-release fertilizers for mustard plants

セレニウムは、生殖、筋肉機能、そして身体の損傷に対する防御において極めて重要な役割を果たす、人体にとって非常に大きな役割を持つ微量元素です。しかし、その重要性にもかかわらず、その地域の土壌にこの元素が不足しているために、世界中の何百万人もの人々がセレニウムを十分に摂取できていません。農家は長年、土壌にセレニウムを添加することでこの問題を解決しようとしてきましたが、伝統的な方法は極めて欠陥があります。この目的で使用される一般的な化学塩類は、水に瞬時に溶けてしまいます。雨が降ったり灌漑が行われたりすると、これらの塩類は植物が利用する前に洗い流されてしまい、栄養素を河川や地下水へと運び去り、野生生物に害を与える可能性があります。これにより、土壌は枯渇し、環境は汚染されます。肥料が作物やそれを食べる人々に栄養を与えることができないという循環を生み出しているのです。

インド工科大学デリー校とドイツのヘルムホルツ・ツンドレン・ドレデン・ロッゼンドルフの研究者たちは、ある毒性のある廃棄物を、植物のための緩効性栄養源へと変えるという、異なる道を探求してきました。溶けやすい化学物質を使用する代わりに、彼らは微生物を用いて、固形かつ微小なセレニウムの球体を作り出しました。「バイオジェニック・ナノ粒子」として知られるこれらの球体は、単なる純粋なセレニウムではありません。それらは、それらを作り出した微生物によって生成されたタンパク質や糖類の天然のコーティングで包まれています。この外層は保護シェルとして機能し、中にあるセレニウムを保持しながら、まるでタイムリリース・カプセルのように時間をかけてゆっくりと放出します。研究チームは、これら「生命が生み出した球体」が、植物の栄養吸収を研究するためによく用いられる成長の早い作物であるセイヨウカラシナの土壌の中に、十分に留まることができるかどうかをテストしました。

このアイデアが機能するかどうかを確認するために、科学者たちはまず、2種類の異なる微生物を使用して、これらのセレニウム球体を作成しました。一つは一般的な細菌である大腸菌（E. coli）であり、もう一つは下水処理場のスラッジ（汚泥）に含まれる微生物の混合物です。彼らは、生成された粒子が純粋であることを確認するために注意深く洗浄を行い、その構造を調べました。その結果、大腸菌が作ったものはより小さな球体であり、スラッジの微生物が作ったものはより大きな球体であることが分かりましたが、どちらもその独特な特性を与える保護的な生物学的コーティングに覆われていました。研究者たちは、これらの粒子を土の入った鉢に入れ、実際の農場環境を模倣して定期的に水をやりました。そして、これらの新しい粒子を使用した場合と、従来の速溶性の化学塩類を使用した場合とで、土壌からどれだけのセレニウムが流出したかを比較しました。

結果は驚くべきものでした。チームが伝統的な塩類を使用したとき、セレニウムの大部分（一方のタイプでは60パーセント以上、もう一方では86パーセント以上）が、8週間以内に土壌から洗い流され、水へと流れていきました。対照的に、セレニウム球体はしっかりと留まっていました。大腸菌によって作られた粒子は、セレニウムの96.7パーセントを土壌内に保持し、スラッジから作られたものは91.7パーセントを保持していました。保護コーティングが放出を成功裏に遅らせ、栄養素が環境中に失われるのを防いだのです。これは、セレニウムが排水へと消えてしまうのではなく、植物が見つけられる状態で土壌に留まり続けることを意味していました。

チームは、これらの球体からセレニウムを実際に摂取できるかどうかを見るために、インディアナ・マスタード（セイヨウカラシナ）をこれらの鉢で栽培しました。8週間後、植物はセレニウムを与えられなかったものと比較して、著しく高く成長し、根も長く発達していました。より重要なことに、植物はこれらの球体からセレニウムを正常に吸収していました。マスタード植物は、大腸菌の球体からは提供されたセレニウムの約28パーセントを、スラッジ製の球体からは約24パーセントを吸収しました。伝統的な化学塩類は急速に吸収されましたが、同時に利用される前にあまりにも早く流れてしまいました。しかし、球体は植物が時間をかけてアクセスできる安定した供給を提供しました。この研究は、セレニウムが根に留まっているだけでなく、シュート（茎葉）や葉へと移動していることを示しました。もしこれらの植物が食用として栽培されるならば、そここそが人間が消費する際に最も有用な場所となります。

この研究は、微生物を用いてセレニウム球体を作ることが、農業における強力なツールになり得ることを示唆しています。それは、流出による深刻な環境負荷を伴わずに作物を施肥する方法を提供し、栄養素を本来あるべき土壌の中に留めます。研究者たちは、これらの球体が化学的な代替品よりも毒性が低く、廃棄物を用いて安価に製造できる可能性があると指摘しています。潜在的な汚染物質を安定した栄養源へと変えることで、このアプローチは、人間におけるセレニウム不足の問題と、水路におけるセレニウム汚染の問題の両方に対処しています。この研究は世界の食糧危機を解決したと主張しているわけではありませんが、これらの「生命が生み出した粒子」が土壌に留まり、効果的に植物に栄養を与えることができるという明確かつ測定された実証を行っており、従来の無駄の多い施肥法に代わる有望な選択肢を提示しています。