千葉大など、使用後に肥料として使えるプラスチックの機能化手法を確立

千葉大学、東京工業大学(東工大)、東京大学(東大)の3者は、植物を原料とした高分子(プラスチック)の機能化手法を確立したこと、ならびに機能化されたプラスチックをアンモニア水で分解することで得られる分解生成物に、植物の成長を促進する肥料としての効果があることを確認したことを発表した。

今回の研究の概要図 (出所:プレスリリースPDF)

同成果は、千葉大学大学院工学研究院の青木大輔准教授、東工大物質理工学院応用化学系の阿部拓海大学院生(研究当時)、同大塚英幸教授、東大大学院農学生命科学研究科の神谷岳洋准教授らの研究チームによるもの。詳細は、4月11日付の「Polymer Chemistry」に掲載された。

主に石油由来のプラスチックは日常のさまざまなシーンで利用されているが、そのほとんどが廃棄され、リサイクル率は10％以下という状況だという。また、安定した高分子であるため、分解が難しいという課題があり、分解しやすい高分子であればリサイクルしやすくなるものの、強度が不十分となり、「安定性」と「分解性」という相反する2つの特性を考慮した分子設計の実現が循環型プラスチックの実現では求められていた。

研究チームでは、そうした課題の解決に向け、結合としての安定性と利用後の分解性を考慮した結果、そのままであれば安定しているが、塩基であるアンモニアと反応し、肥料などで用いられる尿素へと変換が可能なカーボネート結合に注目。先行研究では、この有機反応をポリイソソルビドという糖由来のポリマー(PIC)へと適用することで、分解生成物(糖由来のモノマーと尿素の混合物)がそのまま肥料として利用できることを報告していたが、PICはそのままでは脆く、材料として利用するためには、その機能を改善する方法(機能化手法)の開発が必要とされていたという。

そこで今回の研究では、PICの機能化手法の確立を目指し、糖であるマンニトールから1段階で合成できる植物由来モノマーで、一部の水酸基が保護された状態で存在し、共重合後に脱保護することでポリマー主鎖骨格中にマンニトール由来の水酸基を導入することができる「DBM(1,3:4,6-ジ-O-ベンジリデン-D-マンニトール)」をイソソルビドと共重合することにしたとする。

共重合体の合成と脱保護による水酸基の導入 (出所:プレスリリースPDF)

その結果、イソソルビトとDBMの共重合体は、汎用高分子材料よりも高い耐熱性を示し、ボロン酸試薬を用いて高分子合成後に機能団を導入可能であり、PICの課題である物性調整や新たな機能付与に利用できることが示されたとするほか、得られた共重合体のアンモニア分解についての評価から、PICと比べて分解が早いことも判明したという。

さらに、得られた共重合体の分解生成物(イソソルビド、マンニトール、尿素の混合物)を用いてシロイヌナズナの生育実験を行ったところ、開発された共重合体からの分解生成物が肥料として機能することも確認したという。