微生物機能を応用した地盤改良技術の研究開発
天然に存在する土構造物
自然界には、ビーチロック（Wikipedia）やストロマトライト（Wikipedia）など、天然に堆積する土構造物が存在します。 これらの土構造物は、環境中の微生物が、周辺の土粒子や有機物等を取り巻き集合体を形成し、石灰化・鉱物化することで堆積したと考えられおり、形成後は波浪や高潮に対しても安定で、周辺には多様な生態系が保持されています。 このような自然界で起こる生物化学反応を理解し、石灰化・鉱物化を促進・制御することができれば、必要な場所で土砂を固め安定化させることができます。本研究室では、この天然の土構造物の生成メカニズムに倣い、環境中の微生物機能を活かした砂の工学的特性の改良技術について、研究開発を行っています。
写真／長崎県指定の天然記念物・ビーチロック（長崎県脇岬海岸、2020年8月撮影）
周囲はナマコやウニなどが数多く生息し、生物多様性に富んでいた。満潮時は一帯が全て海面下に沈む。
写真／ストロマトライト（オーストラリア西オーストラリア州ヤルゴラップ国立公園、Dr. van Paassen（オランダ）より提供
周辺の岩場ではシアノバクテリアが観察された
微生物機能を応用して土の工学的性質を改良する
ウレアーゼの触媒機能を利用した砂の固化
微生物機能を利用した地盤の固化技術は、バイオセメンテーションやバイオグラウト、Microbial Induced Carbonate Precipitation （MICP）などと呼ばれ、2010年ごろから国内外で研究開発が活発化し、セメントなどの従来の土木用固化材に代わる新たな土の固化技術として期待されています。MICPでは、炭素化合物の分解により生成する二酸化炭素CO2を、無機鉱物沈殿（主に炭酸カルシウムCaCO3）の生成に利用し、得られたCaCO3によって土を固化させます。MICPの既往研究の多くは、このCO2の獲得に尿素（(NH2)2CO）とウレアーゼ（尿素加水分解酵素）機能を持つ微生物を用いています。CaCO3の沈殿形成に尿素を用いる利点は、尿素加水分解に伴い最適なpH環境が得られるとともに効率的にCO2が供給できる点にあります。
本研究では独自の固化剤を用いることで、少量の固化剤かつ短時間で砂を固化させる技術を開発中です。本法は、低コストかつ低環境負荷な新たな砂の固化技術として現場での適用に期待が持てます。
－環境問題の解決に活かせないか－
国土開発が進み国土の地理・地形が変化することで、山間部から河川を通じて運搬される沿岸部への自然土砂堆積量は減少傾向にあります。また、気候変動や温暖化により加速する海抜上昇、大雨や洪水などの自然災害の多発は、沿岸土砂の侵食要因となり、今後、海岸侵食は深刻化すると考えられます。このような河川・海岸侵食の問題は、世界共通の深刻な環境問題の一つです。本研究では、生物化学反応に倣った砂の固化技術を確立し、侵食対策をはじめとする次世代の地盤改良・修復技術としての実用可能性を追求していきます。
写真／沿岸部に発生した浜崖（静岡県袋井市浅羽海岸、2022年8月撮影）
波浪や高潮により砂浜や砂丘が削られて侵食が進む。地方自治体が毎年浜崖の補修工事を実施しているが新たな浜崖が発生し、年々発生規模が拡大している。
バイオガスを利用した飽和砂地盤の不飽和化
微生物が放出する気体（＝バイオガス）を応用して、砂地盤中の水分量をコントロールする技術についても研究しています。土中に注入した微生物の脱窒反応により、土の間隙中で窒素ガス（N2）を発生させます。緩やかに脱窒反応が進むにつれて、発生したN2の体積分だけ水が徐々に土の外へと排水されます。これにより間隙部分の気相の割合が増え、水で飽和状態だった土の飽和度を低下させることができます。砂の力学的挙動は飽和度によって大きく変化するため、本法により砂の飽和度をコントロールすることができれば、砂地盤を地盤改良できる可能性があります。
Publications
Nakano A. (2024) Sand improvement by microbially induced carbonate precipitation with casein micellesGéotechnique Letters 14
Nakano A. (2023) Effect of soil surface characteristics on denitrification activity and induced calcium carbonate precipitation on the surface. Proceedings of the 9ICEG (9th International Congress on Environmental Geotechnics) Chania, Greece.
Nakano A. (2018) Microbe-induced desaturation of sand using pore pressure development via denitrification.Géotechnique Letters 8, 1-4.
Pham V., Nakano A., van der Star WRL, Heimovaara T.J., van Paassen L.A. (2016) Applying MICP by denitrification in soils: a process analysis.Environmental Geotechnics 5, 79-93.
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