窒素源としてクロソルジャーバエの幼虫に基づく持続可能な肥料組成物の統計的最適化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20505 (2022) この記事を引用

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本研究では、コアシェルNPK（窒素-リン-カリウム）肥料の持続可能なコーティングの統計的最適化を調査しました。 環境に配慮したグリーンコーティングは、バイオマスおよび再生可能資源、すなわち野菜廃棄物で飼育されたクロソルジャーバエ幼虫（BSFL）（ハーメティア・イルセンス、双翅目：層層虫科）の窒素が豊富な部分を使用して窒素が豊富に含まれています。 コアへの接着などの製造挙動と均一性や可塑性などの物理的特性の両方を考慮して、コーティングの最適な配合を計算することを目的とした合理的なアプローチが提案されました。 循環経済の観点から、BSFL からの窒素が豊富な画分 (51 ～ 90 wt.%) とともに、水とグリセロールが、10 ～ 32 wt.% および 0 ～ 17 wt.% の異なる割合でコーティング配合物として考慮されました。それぞれ重量％。 実験計画法技術は、コーティング配合物のテストの総数を制限するために実装されました (18 テスト)。 より正確で客観的な定式化を導き出すための数学的モデルを取得することを目的として、ANOVA が使用されました。 結果は、グリセロールの使用を回避できること、および最適化されたコーティング配合物を得るために必要な水の量は限られた量 (11 wt.%) だけであることを示しており、その後コーティング製造に関連する技術的および物理的特性を満足させることができます。 。

世界人口は、2050 年には 97 億人、21001 年には 109 億人に達すると予想されています。この増加には、気候変動とそれが世界の食料生産に及ぼす影響に対処する必要があります。21 世紀末までに、気候変動は次のような影響を与えると予測されています。世界の土地の 1.8% から 4.6% が乾燥地に変わり、2 億 7,000 万人以上が影響を受けます2。 現在、耕作地も都市化3、そしてその結果としてのより激しい搾取4によって増大する圧力にさらされるだろう。 さらに、農業および土地利用に関連する活動は、2015 年に食料生産システムからの温室効果ガス (GHG) 排出量の 71% を占めており、そのため、農業システムの持続可能性と効率性を強化することが重要です5,6。

これに関連して、肥料、特に「環境に優しい肥料」（EFF）は、単位土地当たりの作物生産量の大幅な増加を可能にし、植物に必要な主要栄養素を提供するため、現代農業の主要な柱の1つです。彼らの成長7、8、9、10。 EFF を製造するには、石油由来のポリマーと比較して、環境への影響が少なく、容易に入手でき、土壌中の汚染物質を回避または制限するのに役立つ天然、天然由来、または有機材料が一般に好まれます 11、12。 13. さらに、土壌の有機物含量を増加させたり、特定の栄養素で土壌を豊かにするなど、他のプラスの特性も備えている可能性があります11,14。 しかし、EFFの製造に使用される材料には、その普及を妨げるいくつかの欠点がある。たとえば、製造プロセスが複雑または高価であることが多く、環境条件が実際の栄養素放出パターンに与える影響は未知数である12、15、16。

尿素ベースの肥料は 40 ～ 70% の損失を特徴とするため、植物の主要栄養素の中で窒素は最も要求の厳しいものの 17 です。 地下水は浸出した硝酸塩で汚染され、大気はNH3の揮発とN2O18、19、20、21などのGHG排出の両方にさらされるため、この損失はいくつかの汚染プロセスの原因となります。 一方、アンモニアベースの肥料は、得られるNH3 1000 kgごとに2000 kgのCO2が生成され、生産プロセス全体が天然ガスの使用に依存しているため、環境に非常に有害です22。 これに関連して、窒素の代替源が必要であり、有機廃棄物の処理から生じる生態学的問題を部分的に解決しながら、同時に有機廃棄物の変換において考えられる窒素源を特定することができる23,24,25,26。 、27、28。 有機廃棄物を変換する生物学的または化学的方法の中で、クロソルジャーバエ幼虫 (BSFL) (Hermetia Illucens、双翅目: 層層虫科) の使用は、それらの処理のための効率的で安全な生物変換ツールと考えられています 29,30,31。 実際、副産物や廃棄物の価値化を検討する場合、物理的 (形状と寸法) および生物学的化学的 (主要栄養素の利用可能性) の制限により、変換を通じて主要栄養素の観点からその価値を活用することが非常に多くの場合必要になります。 BSFL は、その作用により初期廃棄物重量の顕著な減少 (初期乾燥質量の最大 68%32)、サルモネラ菌などの病原菌の抑制 33,34、GHG 排出量 35 および臭気排出量 36 の削減につながるため、効率的なバイオ廃棄物リサイクルが提案されています。標準的な堆肥化手順と比較。 さらに、BSFL は飼料変換率が非常に効率的であるため、窒素 (30 ～ 50 wt.%) と脂質 (21 ～ 40 wt.%) が豊富な貴重なバイオマスが生成されます 37。その組成は、使用する有機廃棄物によって異なります。 工業用凝集剤などの特定の添加剤や人工光などの装置を使用した発酵戦略 38,39,40,41,42。これから、主にタンパク質とキチンを含む窒素に富んだ BSFL 画分は、次のように表すことができることがわかります。作物の成長に役立つ貴重な有機窒素源であり、その後は安価で持続可能な有機肥料の生産に役立ちます43。 しかし、現在のヨーロッパの法律では、BSFL による生物変換に使用される有機基質の種類にいくつかの制限が設けられており、肥料や正式に「廃棄物」として認識されている基質を動物の飼料として使用することが禁止されています44。 特に、果物および野菜の残留物は、2006 年イタリア立法令 152 の第 184 条の 2 に従って副産物として認定されるようです45。実際、そのような残留物は、認定を受けるために法律で要求される 4 つの条件を満たすために必要な特性を備えているようです。副産物としての残留物。 4 つの条件は次のとおりです。 (a) 残留物は、それらが不可欠な部分である生産プロセスに由来し、その主な目的がそのような残留物の生産ではないこと。 (b) 物質または物体のさらなる使用が確実であること。 (c) 物質または物体は、通常の工業慣行以外のさらなる加工を行わずに直接使用できます。 (d) さらなる使用は合法である、つまり、物質または物体が特定の用途に関連するすべての製品、環境および健康保護要件を満たしており、全体的な環境または人の健康への悪影響をもたらさないこと。 したがって、残留物が 4 つの条件を満たしている場合、副産物として認定され、許可を必要とせず、また廃棄物管理やトレーサビリティ制度の対象となることなく、自由に再利用することができます。 さらに、この研究で使用されている果物と野菜の残留物は、規則 (EC) No. 178/2002 (第 3 条 (4)) の「飼料」 (または「飼料」) の定義に該当する可能性があるようです。 「動物への経口給餌に使用することを目的とした、加工済み、部分加工済み、未加工を問わず、添加物を含むあらゆる物質または製品」。 このため、規制 (EC) No. 767/2009、第 2 条の明示的な禁止により、これらの残留物を「家庭廃棄物などの都市固形廃棄物」で構成することはできません。 ただし、それらは産業活動からのみ導き出すことができます (欧州議会、2009 年; 欧州議会 2002 年)。