平成 26 年度広島大学新技術説明会 ( 平成 26 年 5 月 16 日 ) 科学技術振興機構 (JST) 主催 光フェントン反応を用いた植物病害防除技術 イチゴうどんこ病などへの適用 広島大学大学院生物圏科学研究科環境循環系制御学専攻佐久川弘
研究の背景 従来の化学農薬は 農作物の病原菌への防除には有効であるが 環境中での残留性や生態系への影響等が懸念される 本研究では 新規農薬としてヒドロキシルラジカル ( OH) の強力な酸化力を利用した殺菌剤の開発を目指す 過酸化水素水に鉄を添加した光フェントン試薬は 数 ppm の低濃度でも太陽光のもとで OH を持続的に生成する能力があり 有害有機物の排水処理等に近年用いられるようになった OH は活性酸素種の代表物質であり 病原菌防除に大きな効果が期待される 光フェントン試薬は 化学農薬に比べ安全性が高く また太陽光や微生物により容易に分解されるので環境中での残留性が低いことが期待される
フェントン反応および光フェントン反応 フェントン反応 H2O2+Fe 2+ OH+Fe 3+ +OH H2O2+Fe 3+ O2H+Fe 2+ +H + OHの酸化還元電位 2.85V 水中での濃度 10 16 ~10 18 M 水中での寿命 μ 秒 ( 百万分の1 秒 ) 光フェントン反応 H 2 O 2 + Fe 2+ Fe 3+ + OH + OH -
フェントン反応および光フェントン反応による OH 発生速度 (H 2 O 2 = 0.05% Fe = 50mg/l ph = 2.8 擬似太陽光照射 ) 試薬 OH ラジカル発生速度 M min -1 Fe 3+ /UV-VIS/H 2 O 2 371 3.21 Fe 3+ /UV-VIS 43 3.30 H 2 O 2 /UV-VIS 12 0.23 Fe 3+ /H 2 O 2 (dark) 1.20 0.02 Fe 3+ (dark) ND H 2 O 2 (dark) 0.003 0.0003
OH OH 通常の光フェントン反応 Fe(OH) 2+ +hν OH+Fe 2+ +OH - H 2 O 2 + Fe 2+ Fe 3+ + OH + OH - OH OH OH OH シュウ酸鉄錯体などを利用した光フェントン反応 Fe( Ⅲ) - L h Fe( Ⅱ) L Fe( Ⅱ) H 2O 2 Fe( Ⅲ) OH OH (L: シュウ酸などの有機配位子 ) - OH OH OH OH
光フェントン溶液における鉄の存在形態 1.2 Fe(Ⅲ) 濃度 (μm) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Fe(OX) 2 - Fe 3+ FeOX + Fe(OX) - 2 Fe(OX) 3-3 Fe(OH) + 2 FeSO + 4 OX: シュウ酸 0 2 3 4 5 6 ph 化学平衡解析ソフト MINEQL+ による鉄の存在形態の解析結果 光フェントン溶液組成 1μM シュウ酸鉄カリウム 10μM 過酸化水素 ph は硫酸で調整
目的 イチゴおよびキュウリうどんこ病を対象に自然太陽光下での光フェントン試薬の処理条件 防除効果 効率的施用法等を検討し 作用機作の解明及び安全性や環境残留性を検討することで 農薬としての実用化の可能性を探る
イチゴうどんこ病への光フェントン反応の適用 試薬 1 OH 生成速度 :0.13μM/min 過酸化水素 100μM, シュウ酸 5μM, 鉄 (Ⅲ)1μM 試薬 2 OH 生成速度 :0.19μM/min 過酸化水素 200μM, シュウ酸 5μM, 鉄 (Ⅲ)1μM 試薬 3 OH 生成速度 :0.28μM/min 過酸化水素 400μM シュウ酸 5μM, 鉄 (Ⅲ) 1μM ( 試薬は ph5 擬似露水に溶解 )
光フェントン反応によるイチゴうどんこ病の防除効果 噴霧実験 Ⅰ 発病度 a) 噴霧実験 Ⅱ 発病度 試薬 1 13.9±6.3 c) ab b) 7.8±3.1 ab 試薬 2 6.1±2.3 b 5.6±2.2 b 対照区 26.1±4.8 a 14.4±1.8 a a) 発病程度 0: 発病なし,1: 病斑面積が 5% 以下,2: 6%~25%, 3: 26~50%,4: 51% 以上. 発病度 =Σ( 発病程度 葉数 ) 100/(4 調査葉数 ) b) 異なる英小文字間において, 有意差あり.(p <0.05,LSD 分析 ) c) 表中の数値は ( 平均値 ± 標準誤差 ) を示す. ( 佐久川 2008)
光フェントン試薬発病後処理によるイチゴうどんこ発病抑制効果発病程度 0: 発病なし,1: 発病面積が 5% 以下,2:6%~25%, 3:26~50% 4:51% 以上. 発病度 =Σ( 発病程度 葉数 ) 100/(4 調査葉数 ) エラーバーは標準誤差を示す. ( 佐久川 2008)
イチゴうどんこ病菌の分生子発芽に対する光フェントン反応の影響 分生子発芽率 % 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Fe ありなしなし 40mM MIX3 蒸留水 (ph4.0) ホールグラスに, イチゴうどんこ病菌分生子懸濁液 (10 5 spore/ml,0.1% ノニデットp-40) 20μlと光フェントン試薬 80μlを入れ, 直ちに太陽光に20 分あてた 20 darkで24 時間培養後, 顕微鏡下で分生子約 200 個の発芽の有無を調査し, 分生子発芽率を算出した 1 区約 200 個 6 反復 2008 年 12 月 17 日 9:49~10:09 太陽光照射, 天候晴れ, 照度 100,700 lux, 紫外線強度 3,010 μw/cm 2 ( 佐久川 2008)
キュウリうどんこ病への光フェントン反応の適用 通常型光フェントン試薬 (MIX1): 過酸化水素 50mM 硫酸第 1 鉄 0.7mM ph=2.5( 硫酸酸性 ) 通常型光フェントン試薬 (MIX2): 過酸化水素 50mM 塩化第 2 鉄 0.7mM ph=2.5( 硫酸酸性 ) シュウ酸鉄錯体型フェントン試薬 (MIX3): 過酸化水素 50mM 塩化第 2 鉄 0.7mM シュウ酸ナトリウム 3mM ph=4.0( 硫酸酸性 ) Control: 対照溶液 (MilliQ 水 ) 化学農薬 ( 殺菌剤 ):Fenarimol α (2 chlorophenyl) α (4 chlorophenyl) 5 pyrimidinemethanol
光フェントン反応による OH 発生速度および発生量 光フェントン試薬 OH 初期生成速度 (0-5min.) (µm/min) OH 生成量 (0-30 分間 ) (mm) MIX1 256 20.5 MIX2 213 16.7 MIX3 912 33.6 Photo Fenton's reagents were irradiated by solar simulator The generation rate of OH radical was normalized to spring solar noon conditions at 34 N
図7 Control MIX 1 MIX 2 MIX 3 キュウリへの光フェントン試薬による薬害の有無 (噴霧後7日後の様子)
Control MIX 1 MIX 2 MIX 3 キュウリへの光フェントン試薬による薬害の有無 ( 噴霧後 1 ヶ月後の様子 )
光フェントン試薬 (MIX1~MIX3) によるキュウリうどんこ病の治癒効果 100 90 Fenton (1) 80 発病度 70 60 50 40 30 20 10 Fenton (2) Fenton (3) Pesticide Contorl 0 噴霧前 4 日後 7 日後 11 日後 14 日後 18 日後 21 日後
コントロール 化学農薬 キュウリへの7日間 暴露後の様子 フェントン試薬 MIX1 フェントン試薬 MIX2 フェントン試薬 MIX3
コントロール 化学農薬 キュウリへの14日 間暴露後の様子 フェントン試薬 MIX1 フェントン試薬 MIX2 フェントン試薬 MIX3
コントロール 化学農薬 キュウリへの21日 間暴露後の様子 フェントン試薬 MIX2 フェントン試薬 MIX3 フェントン試薬 MIX1
光フェントン試薬によるキュウリ うどんこ病の予防効果 120 % of protective effect 100 80 60 40 20 0 1day (11d) 1day (20d) 4days (11d) 4days (20d) 7 days (11d) 7 days (20d) Mix 1 Mix 2 Mix 3 Fenarimol Reagent fumigated days before inoculation (days examined after fumigated)
キュウリうどんこ病の防御効果 ( 試薬噴霧 20 日後 ) MIX1 MIX2 MIX3 菌移植の 1 日前に試薬を噴霧 Fenarimol
結論 イチゴおよびキュウリうどんこ病への光フェントン試薬の殺菌剤としての有効性に関して研究を行った その結果 シュウ酸鉄錯体を用いた試薬 (MIX3 試薬 ) は薬害がほとんど確認されず うどんこ病の治癒および予防効果も高かった したがって 本研究で開発したMIX3 試薬は うどんこ病の殺菌剤として有望であり 特許出願を行い その実用化を進めることとした
研究成果発表 光フェントン反応で生成するOHラジカルによるイチゴうどんこ病の防除効果 (2008), 佐久川容子, 日本植物病理学会報, 74, 100 113 Protective and curative effects of foliar spray Fenton solutions against cucumber (Cucumis sativus, L.) powdery mildew. Sakugawa, H., Hasan, N., Oguntimehin, I., Belal, E., J. Environ. Sci. Health, Part A, 47, 1909 1918 (2012) 特願 2012 245366, うどんこ病の防除薬及び防除方法, 佐久川弘, ナヒドハッサン 謝辞 広島県立総合技術研究所農業技術センターの香口哲行氏 清水佐知子氏 佐久川容子氏にはうどんこ病への光フェントン試薬の適用に関して共同研究を行い その成果の一部を本研究で用いたので感謝します
お問い合わせ先 広島大学産学連携コーディネーター田井潔 TEL 082-257-5427 FAX 082-257-1567 e-mail : ktai@hiroshima-u.ac.jp