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ミトミネ農場

IT業界の末席から農業の世界に飛び込んでみて日々感じたことや学んだ事を書き連ねます。

農業で活用する微生物(納豆菌・酵母菌・放線菌・乳酸菌etc..)〜有機農業研修レポート〜

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微生物は把握できないくらいかなりの種類がいるのですが、農業で使える微生物はそのなかでも一部なのだそうです。今回の研修では、微生物について学習したいと思います。

微生物の分類

ここでは"微生物"として括っていますが、分類としては以下のように分けられます。

真核生物 動物 -
植物 -
カビ、キノコ、酵母菌
原核生物 細菌(バクテリア) 放線菌、納豆菌、光合成細菌、乳酸菌
古細菌 真核生物でも細菌(真正細菌)でもない第3の生物群

農業で使う菌は、真核生物に区分される「菌」や原核生物に区分される「細菌(バクテリア)」です。真核生物は、なんでも錆びつかせる酸素からDNAを守るために核の中にDNAを内包しています。細菌(バクテリア)は、DNAがむき出しになっていることもあり、基本的には酸素が苦手です。そのため、細菌(バクテリア)は水分が50%以上ないと活動できません。

絶対好気 糸状菌
放線菌
通性好気 納豆菌
バチスル菌
通性嫌気 酵母菌
絶対嫌気 クロストリジウム菌
乳酸菌
光合成細菌

また、真核生物は原核生物に比べカラダも大きいです。細菌(バクテリア)を見るのは、富士山の頂上からふもとにある米粒をみるようなものです。600倍の顕微鏡でも見えるのは微生物の影くらいです。顕微鏡は少し高額ですが、近隣の農業グループで1つくらいは持っているとよいそうです。

グラム染色法による微生物の分類

微生物は、外壁の違いによって2種類に分類できます。グラム染色法で紫に染まるものは外壁がセルロースでできていて、赤色に染まるものは外壁が油でできているものがあります。外壁がセルロースでできていると酸素に触れても問題ありません。外壁が油でできているバクテリアは主に、水の中(酸素がない状態)で繁殖します。

畑の水分量は25%が理想です。水分量が40%を超えてくるとバクテリアが出てきてしまいます。グラム陽性の微生物は毒性をあまり持っていませんが、陰性は毒素を持っている場合があります。

グラム染色法外壁繁殖毒性
陽性(紫色) セルロース 酸素OK ほぼ毒性なし
陰性(赤色) 酸素NG(水中で繁殖) 毒性ありの場合あり

農業に役立つ(阻害する)主な菌

前述したように菌にはいろいろな種類があるのですが、農業で活用する菌は、主に以下の菌です。最後の硝化菌は、有機農業ではアミノ酸肥料を酸化してしまう菌で、その発生を抑える必要があります。

糸状菌 カビ。他の微生物のために糖をつくる。
納豆菌 デンプンも、タンパク質も、セルロースも分解する"分解屋"
酵母菌 誰とでも仲良し"合成屋" 炭酸ガスで団粒化。
放線菌

固いキチン質を分解

乳酸菌

殺菌作用のある有機酸「乳酸」を作る、"掃除屋"

放線菌

固いキチン質を分解

クロストリジウム菌

セルロースを分解

根粒菌

マメ科植物の根で、大気中のチッソを植物に供給

セルロース分解菌

難分解性のセンイを分解(トリコデルマ菌等)

アミノ酸生成菌

タンパク質をアミノ酸に分解

光合成細菌

紅色硫黄細菌等。根の障害を予防するが嫌気で働く。

菌根菌 菌根圏(きんこんけん)にいる菌(VA菌、根粒菌等)
VA菌

土壌のチッソやリン酸、ミネラルを吸収して植物に供給

硝化菌

硝酸菌と亜硝酸菌。アミノ酸を硝酸にする

有機農業では、堆肥やアミノ酸肥料を使いますが、元々動物や植物のカラダだったタンパク質やセルロースを微生物の力で分解して、植物づくりに活用します。自然の流れでは有機物は一度無機物になって植物によって有機物になります。微生物は有機物を分解し、すぐに植物に活かすことができます。

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発酵と腐敗の違い 

発酵:再利用可能なカタチに分解すること
種類微生物名働き
アルコール発酵 酵母菌 ブドウ糖→エチルアルコールと二酸化炭素
C6H12O6→2C2H5OH+2(CO2)+2ATP
乳酸発酵 乳酸菌 ブドウ糖→乳酸
C6H12O6→2C3H6O3+2ATP
酪酸発酵 酪酸菌 ブドウ糖→酪酸菌と二酸化炭素
C6H12O6→C3H7COOH+2(CO2)+2H2
酢酸発酵 酢酸菌 エタノール→酢酸と水
C2H5OH+O2→CH3COOH+H2O
腐敗:再利用不可な腐敗物質に分解すること  
種類微生物名働き
腐敗     発酵以外の
ほとんどの
微生物
タンパク質
→ アンモニア、硫化水素インドール  
スカドール、アミン細菌性毒素

腐敗は嫌気状態で進む

バクテリアが活動するには水分量50%以上が必要です。腐敗によって生まれる腐敗物質には以下のものがあげられます。バクテリアは嫌気状態(酸欠)で腐敗を進めます。

  • インドール:C8H7N  *大便臭
  • スカトール:C9H9N *毒性あり

いずれの腐敗物質にも酸素Oはありません。土の中で腐敗が進み、インドール、スカトールができてしまうと、植物はそれを吸ってもアミノ酸が合成できず細胞がつくれなくなります。空気中にも土にも必ずバクテリアは存在します。上記の腐敗物質は、酸素を入れたり、納豆菌を入れるなどして分解することもできますが、7日以上かかります。

そのため、堆肥づくりの際は、嫌気発酵で腐敗物質ができないようエアーレーション等を行い、好気発酵でつくります。

微生物の働き
  • タンパク質アミノ酸  に分解
  • セルロース有機酸(クエン酸・酢酸 等)に分解

有機物を農業に使う場合は必ず微生物を一緒に使うことが重要です。”堆肥”の中には微生物の使い方が悪く、腐敗物質が出来てしまう場合があります。腐敗物質が出来てしまうと、さらに時間をかけなければなりません。スピードのある農業をしたい場合は、きちんと微生物を使いこなすことが重要です。

B/F比率(細菌類/カビ比率)

自然界では、細菌類が土壌中のチッソを吸収しているため、カビ胞子の発芽が抑制された状態になっています。B/F比率(細菌類/糸状菌比率)が、100/1以上であれば植物にとって安心できる状態です。

糸状菌(カビ)

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画像引用:発酵肥料の化学的な作り方

糸状菌は、菌類のうち、菌糸と呼ばれる管状の細胞から構成されているものの総称です。いわば、"カビ"です。カビは植物の病気の原因にもなるのですが、堆肥作りの一次発酵などで糸状菌を活用します。

糸状菌の働き
  • デンプンに変える。糖は、他の多様な微生物のエサとなり増殖を助けます。
  • セルロースを溶かす酵素(セルラーゼ)、デンプンを溶かす酵素(アミラーゼ)、タンパク質を溶かす酵素(プロテアーゼ)を体外に分泌し、有機物を分解する。
糸状菌の使い方
  • 堆肥の一次発酵で、糸状菌が活躍する。堆肥の材料の"デンプン"を糖に変え、糖は他の微生物のエサになる。
  • 糸状菌自体は、カビの仲間で、植物の外壁(セルロース)をも溶かしてまう。これにより、細菌が植物内に侵入するため、植物の病気の原因にもなる。そのため、一次発酵で糖を作らせたあとは、二次発酵で高温状態にし糸状菌は活動できない状態にする。

参考:ルーラル電子図書館:糸状菌

納豆菌(バチルス菌)

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画像引用:arasastyle.biz

農業で活用する菌といえば、納豆菌(バチルス菌)です。堆肥づくりでも、納豆菌を中心に考えて菌を組み合わせることで、機能性のある堆肥を作ることができます。

納豆菌の特徴
  • 酵母菌のように炭酸ガスは発生させないため、団粒化には効果がありません。
  • 繁殖力旺盛で、25℃且つ栄養状態がよい環境だと、約31分で2倍になります。1個でも16時間後に40億個に増えます。
  • C/N比15〜25の環境が繁殖しやすい。
納豆菌の働き
  • デンプンを分解する酵素(アミラーゼ)を出す。
  • タンパク質を分解する酵素(プロテアーゼ)を出すことで、カビヨトウムシの防除になる。
  • セルロースを糖に分解し、有機酸を作ります。
  • 植物ホルモン(サイトカイニン)を生成し、葉を大きくします。
  • カビ病を抑制カビ1に対してバチルス菌が100以上いれば、カビ胞子は発芽できなくなると言われています。)
  • 亜硝酸の還元具体的には、亜硝酸を納豆菌が食べることで納豆菌のカラダでアミノ酸に変化させ、納豆菌が死ぬことで植物にアミノ酸が取り込まれます。
  • ビタミンB群を合成します。
納豆菌の使い方
  • チッソが足りなくて発芽できなかったカビが、アミノ酸肥料を撒くことによって発芽できる状態になってしまいます。そのため、アミノ酸肥料を撒くときは、カビを防御する納豆菌(酵母菌でも良し)を撒くとよいです。細菌(バクテリア)とカビの比率が100/1以上なら安心です。 
  • 培養する際は、温度が高いほうが活性化しやすいため、温度を30℃程度にします。また、他の腐敗菌が活性化しないように酸素を入れます。
  • 納豆菌のエサとして砂糖(糖)と豆乳(タンパク質)を入れます。
  • 納豆菌と酵母菌はいっしょに培養できないので別々に培養して混合して使います。
  • 自作液肥(納豆菌系)の有効性を確かめる際には、酵母菌を少し入れてみます。顕微鏡でみて酵母菌が死んでいなかったら、有効な堆肥と認められるそうです。

参考:納豆菌_現代農業用語集

納豆菌の培養方法 
  1. 水の重さの3~5%の糖蜜または黒砂糖を溶かした水にミキサーにかけて砕いた納豆を入れる。
  2. 栄養源として豆乳を入れる。
  3. 温度が高い方が拡大培養が盛んになる。(培養時間の最短は18時間。倍増時間:30分)1個からでも16時間後には40億個になる、ゆえに培養する際は納豆菌のカラダとなるタンパク質が必要となる。

バチルス・チューリンゲンシス菌(BT菌)

納豆菌の仲間であえるバチルスチューリンゲンシス菌は、ヨトウムシ対策に効果があります。

バチルスチューリンゲンシス菌の働き

バチルスチューリンゲンシス菌(BT菌)が体外分泌する酵素が、ヨトウムシの体内を分解し火傷を負わすため、ヨトウムシは水分が摂取できなくなり、干からびて死ぬ。ヨトウムシの体内はアルカリだが、この環境でバチルスチューリンゲンシス菌は増殖することできる。

酵母菌

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画像引用:日清フーズ イースト

酵母菌は、パンやお酒作りに使われる菌です。市販されているドライイーストも酵母菌です。

酵母菌の特徴
  • 通性嫌気性、絶対嫌気性菌など種類が多い。
  • 納豆菌のようにカビや病原菌をやっつける力はない。
  • 酵母菌はフザリウム菌をはじめ、他の菌とも相性が良い。
酵母菌の働き
  • ブドウ糖をアルコールに分解し、炭酸ガス(CO2)を発生させます。この炭酸ガスによって土壌を団粒化する。
  • 根の周辺で酵母菌が死ぬと、酵母菌のカラダから、アミノ酸・ミネラル・核酸・植物ホルモン(花を大きくするオーキシン)・ビタミンなどの生理活性物質が放出される。根はこれらを容易に吸収することができる。
  • 植物ホルモン(オーキシン)を生成し、花を大きくします。そのため、実がなる野菜(トマトやキュウリ等)では酵母菌がよく使われる。
  • 有機物の腐敗を防止
  • 硝酸を還元するので、土壌中の硝酸を減らすことができる。
  • 土の中で栄養貯蔵庫の役割する。(アミノ酸肥料を使う時は、アミノ酸を他の微生物に食べられないよう酵母菌も一緒に撒く。酵母菌自体はすごく弱くて死んでしまうので、土にはアミノ酸がキープされた状態が続く。)
酵母菌の培養方法
  1. 酒粕やアケビなどから採取します。市販のドライイーストを使うこともできます。
  2. 水の重さの3~5%の糖蜜または黒砂糖を溶かした水に、ドライイーストを入れる。
  3. 酵母菌の栄養源として、豆乳を入れる。
  4. 25~30℃の時に拡大培養が盛んになる。40℃を超える高温では死んでしまうことがあるので要注意。培養時間の最短は18時間。

* 1個のブドウ糖は、酵母菌に分解させると2個の炭酸ガスと1個のアルコールに分解されます。(アルコールは酸化され、酢酸になります)

【自然の原理】

  • ブドウ糖の分子量(1molあたり質量)は180g
  • 気体の体積は全て、1mol=22.4L
  • 1個のブドウ糖から、2個の炭水ガスCO2と1個のアルコールができる

この原理を利用して、土壌の団粒化によって増やしたい体積(高さ10cm増)を計算して、砂糖とドライイースト(酵母菌)の施肥量を決めます。

参考:酵母菌_現代農業用語集

放線菌

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画像引用:放線菌 - Wikipedia

放線菌は、グラム陽性(外壁がセルロース)の真正細菌のうち、細胞が菌糸を形成して細長く増殖する形態的特徴を示す菌の総称です。

放線菌の特徴
  • 絶対好気。
  • 堆肥に多く含まれている。
  • 乾燥すると白い糸のようなものを目視で確認できます。(堆積してある堆肥の表層より少し内側に白い粉があれば放線菌であることが多い)
  • 害虫の固い外壁「キチン質」を分解する酵素キチナーゼを持っています。
放線菌の働き
  • キチン質を分解する酵素キチナーゼを出すので、センチュウ対策に効果がある。
  • 抗生物質を作る
  • 太陽熱養生処理の際、45℃以上の熱がかかると、団粒の隙間に生じた糸状菌が、放線菌に置き換えることができる。※糸状菌はカビの仲間なので、植物の病気の原因になる。
放線菌の使い方
  • 放線菌は、山の落ち葉や腐植土から採取することができます。
  •  中熟堆肥作りの二次発酵や養生発酵で活躍し、キチン質を分解します。絶対好気の菌なので、空気を送って活動しやすい状態にします。

参考:放線菌_現代農業用語集

放線菌の培養方法
  1. 堆積してある堆肥の表層より少し内側に白い粉状の層があれば放線菌であることが多い。もしくは、山の落ち葉や腐植土から採取する。
  2. 採取した放線菌を水に溶かし、キチン質を含むカニガラやエビカラの粉末を加え、エアレーションをすると拡大培養ができる。

乳酸菌

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乳酸菌は、ヨーグルトや漬物などにもいろ身近な菌です。

乳酸菌の特徴
  • 通性嫌気性(嫌気状態で乳酸を作るが酸素があってもOK)
  • 糖をエサにし、殺菌作用がある有機酸「乳酸」を作ります。
  • 乳酸によりpHが下がることで雑菌が抑制され、他の有効菌が働きやすい状態になります。(菌の掃除屋)
  • 土壌中のミネラルをキレート化し、植物に吸われやすくします。
乳酸菌の使い方
  • 殺菌作用がある乳酸を出し、雑菌を抑制します。ただし、有用菌も殺菌してしまうため、畑での施用は控える。
  • ジャガイモのソウカ病の原因は、放線菌。基肥として堆肥を入れる際、乳酸菌を入れることで、放線菌を殺菌できる。
  • 水田に水を入れる際、乳酸菌を入れると有機質肥料の腐敗防止になる。
  • ナスなどで、畝間に水を流すときに入れると、有機質肥料の腐敗防止になる。

参考:乳酸菌_現代農業用語集

 

乳酸菌の培養方法

酒蔵や生酒、米のとぎ汁から採取することができます。乳酸菌飲料のラブレ菌を使うと、二酸化炭素を発生させることができます。培養方法はこちらから。

ag.dotsnest.com

クロストリジウム菌

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画像引用:クロストリジウム属 - Wikipedia

クロストリジウム菌は絶対嫌気の細菌で、セルロースを二酸化炭素を水に分解します。中熟堆肥作りの二次発酵で活躍してもらい、植物の繊維であるセルロースを分解します。

根粒菌

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画像引用:根粒菌 - Wikipedia

根粒菌は、マメ科植物の根に"根粒"を作り、大気中のチッソを植物に供給する菌です。根粒によって植物内のくだを詰まらせてしまうこともあるため、植物を栽培するときに活用するというよりは、緑肥として使うことが多いです。

セルロース分解菌

難分解性のセンイを分解する働きのある菌で、正式な分類名ではありません。トリコデルマ菌は、廃菌床によくいる好気性の菌で、分解する力が強いです。米ヌカと切りワラを混ぜて培養することができます。

アミノ酸生成菌

これも正式な分類名ではありませんが、タンパク質をアミノ酸に分解する菌です。アミノ酸を生成するだけではなく、粘質物質も出すため土壌団粒化にも効果があります。雑菌の少ない山の腐葉土などから採取でき、米ぬかと大豆カスで培養することができます。

光合成細菌

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画像引用:インドでの光合成細菌培養

有機物の多いドブやため池、田んぼにいる菌で、ほとんどが嫌気性です。大きく「紅色硫黄細菌」「緑色硫黄細菌」「紅色非硫黄細菌」に分けられます。

  • 光合成細菌は嫌気性の菌でもあり、また放線菌のエサになるのでほとんど役にたたない。
  • 光合成することでアミノ酸やビタミン、酢酸物質を生成します。(ただし酸素は合成しません)
  • 紅色硫黄細菌は、光合成に硫化水素を使うため、硫化水素による根の障害を予防することができます。
光合成細菌の培養方法

魚液などで嫌気発酵することで培養できます。

菌根菌

植物の根の周りには、菌根圏(きんこんけん)というエリアがあります。このエリアが根酸を出しているエリアで、他のエリアに比べて、かなり多くの菌がいます。(根酸は、炭水化物なので菌にとって栄養)植物は光合成から得たブドウ糖のうち10%を根酸として根から出していることが分かっています。

この菌根圏というエリアにいる菌を菌根菌と総称しています。VA菌(アーバスキュラー菌根)や根粒菌、きのこ類も菌根菌といえます。

VA菌(アーバスキュラー菌根)

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画像引用:地面の下の微生物に挑む

VA菌根菌は、菌根菌のなかでも、最も普遍的に見られる菌で、アーバスキュラー菌根と呼ばれています。土壌のチッソやリン酸、ミネラルを吸収して植物に供給します。VA菌根菌資材も販売されていて、原料が天然物資で、科学合成処理を行っていないものは、有機JASでも使用が認められています。

硝化菌(硝酸菌と亜硝酸菌)

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画像引用:硝化細菌(硝化菌)(硝化菌)

硝酸菌は、亜硝酸を硝酸に酸化する菌のことです。亜硝酸菌は土壌中のアンモニアを亜硝酸に酸化する菌のことです。両者をまとめて「硝化菌」といいます。

酸素が多く、6.5以上のアルカリ性土壌 且つ 土壌の栄養が多いとき、亜硝酸菌が増え、アミノ酸を硝酸にしていまいます。また、土壌が乾いてしまうと、土壌中のチッソも酸化してしまい、アミノ酸肥料を施肥したとしても硝酸態になってしまいます。

硝酸の発生を防ぐために、マルチや籾殻を使うことで乾燥を防ぎ、酸素を与えないようにします。少数多潅水をしたほうが、土壌の必要以上の乾燥を防ぎ硝酸態チッソの発生を防ぐことができます。pFメーター(土壌水分計測器)等を使い、土壌の水分を把握し潅水することが重要です。

まとめ

かなりボリュームたっぷりの内容になってしまいましたが、まだまだたくさん菌はいます。菌の働きはもちろん、活動しやすい温度や酸素量も把握する必要があります。農家さんでは、菌を利用したオリジナル液肥を作っているケースも多いので、菌と仲良くなるためにもしっかり学習していきたいと思います。

 

この記事は、研修を実施する「とくしま有機農業サポートセンター」の許諾の元、筆者の復習を目的に記載されています。内容の正確性を保証するものではありませんのであらかじめご了承ください。内容に誤りや不適切な点があった場合こちらまでご連絡いただけると幸いです。