微細藻類は、光合成によって二酸化炭素、栄養分、水といった無機分子を、タンパク質、脂肪、炭水化物へと変換する微小な生物です。
これらは容易に培養・収穫でき、食品やバイオエネルギーに利用できるバイオマス作物（「アルガカルチャー」）を生産することができます。
世界の食料生産が増加するなか、より持続可能なタンパク質源への需要に応えるため、研究者はバイオテクノロジーを活用しており、微細藻類はその中心的存在です。
1960年代半ばの幼少期、私の日々はデヴォン州の中心部にあるルーダウン村の酪農場での牧歌的な田舎暮らしに費やされていました。美しい田園地帯を探索する楽しい日々を数多く覚えており、自然や環境と調和した生活を送っていました――少なくとも、そう感じられていました。
しかし、牛舎の端には常に、堆肥で満たされたスラリー槽がありました。柵で囲われておらず、母は、そこに近づきすぎると、本質的には巨大な悪臭を放つ牛糞の槽で溺れて死ぬこともあり得ると、定期的に私に注意していました。5歳の私は、その場所には決して近づきませんでした。
当時は知りませんでしたが、この農場の堆肥槽は、私にとって危険であっただけでなく、環境にとっても問題でした。堆肥は、しばしば栄養分を含む肥料として農地に還元されており、その広範な影響が考慮されないまま、メタン、二酸化炭素、亜酸化窒素を含む温室効果ガスや、アンモニアなどのその他の有害な窒素系ガスを排出します。また、窒素を多く含む流出水が水路に流れ込み、河川、湖沼、海岸線を汚染し、魚類の死滅や観光業への波及的な影響を招いています。
つまり、自然と調和した農場での理想的な幼少期だと思っていたものは、実際にはそうではありませんでした。その後、生物科学者として、私は人生の多くの時間を、健全な地球の維持に役立つ微生物の研究に費やしてきました。60年近く経った今、私は欧州全域を対象とする先駆的なプロジェクトを率いており、潜在的に有害な廃棄物を価値あるものへと転換することに取り組んでいます。この過程で、私たちは「循環型経済」の構築に貢献でき、それは自然を再生させ、資源を循環させ続けるものです。そしてこの取り組みの中心にあるのが、驚くべき微小な生物――私たちの「グリーンゴールド」です。
自然の宝石
私たちは皆、木々が炭素を隔離することにおいてどれほど重要かを知っています。ですが、私たちは水に覆われた地球の3分の2を見過ごしがちです。海洋には、地球の生命循環にとって同様に不可欠な生物が満ちていますが、肉眼で見える個々の大きさは陸上植物より小さいため、私たちはそれらをほとんど無視しています。
微細藻類は、大型藻類（海藻）と混同してはいけませんが、海、淡水湖、河川に非常に豊富に存在します。これらの微小な生物は、地球上で重要な「一次生産者」として機能し、バイオマス工場のような役割を果たしています。光合成によって太陽光を利用し、無機分子（二酸化炭素、栄養分、水）を、タンパク質、脂肪、炭水化物、そして成長と生存に役立つさまざまな有機化合物へと変換します。これらの微小な生物は、海洋のあらゆる生命を支えており、その高い代謝回転率によって、地球の一次生産の約50%を担っています。
微細藻類の種類は文字通り数十万種に上ります。よく見られるグループの一つが珪藻類で、推定2万種が存在します。ガラスでできた、雪の結晶のように精巧で美しい細胞壁を持つ珪藻は、まさに自然の真の宝石です。もう一つの一般的なグループは円石藻類で、フリスビーのような精巧な炭酸カルシウムの白亜質プレートで覆われています。6,600万年前に終わった白亜紀には、円石藻類の大発生によってドーバーの白い崖が形成されました。
微細藻類には根、葉、茎がないため、陸上植物よりも効率的に二酸化炭素と栄養分を利用でき、より速く成長することができます。比較的容易に培養・収穫して、食品やバイオエネルギーに利用できるバイオマス作物（「アルガカルチャー」）を生産できます。また藻類バイオマスには、バイオプラスチック、バイオ燃料、健康製品、化粧品、食品原料に利用できる多様な有用分子も含まれています。
これらの魅力的な微生物が、廃棄物中の栄養分の上で成長し、有用なものを生み出すという驚くべき能力を持つことを知るにつれ、私は持続可能性と環境保護という二つの世界的課題の解決に貢献したいと思うようになりました。自然の「グリーンゴールド」を使って廃棄物中の栄養分を浄化すると同時に、持続可能な飼料やその他の製品を生産することは、私にとっては当然の選択に思えました。
70年代に遡りますが、A-levelの生物学の教師であったモンタギュー先生が、炭素と窒素の循環について私たちに紹介し、これらの循環のバランスが地球上の生命にとっていかに重要であるかを説明してくれたことを覚えています。温室効果や気温上昇について話してくれたことさえ覚えています。しかし当時の私たちは、二酸化炭素関連の気候変動の脅威がどれほど深刻であるか、また窒素が今日私たちが直面する複雑な環境課題の主要な要因として浮上することになるかどうかについては、理解していませんでした。
循環型経済に向けて
少しでも達成の見込みを持つには、地球規模の気候変動目標を達成し、持続可能な均衡を実現するためには、廃棄物と汚染を排除し、資源を循環させ、自然を再生させる循環型経済へと移行する必要があります。この循環型経済は、既存の直線的な「使用して廃棄する」モデルに取って代わらなければなりません。このモデルは、栄養循環のバランスを崩してきました。
これに対応して、農家、食品業界、廃水処理企業は廃棄物処理のため、嫌気性消化（AD）をますます活用しています。ADは、大型タンクであるダイジェスターの中で細菌が有機廃棄物（下水、食品廃棄物、農場の堆肥、その他の農業廃棄物）を分解して、炭素と水素を豊富に含むバイオガスを生成する自然なプロセスです。このバイオガスは回収して、再生可能な電力と熱の生成に利用できます。
有機廃棄物に含まれる窒素成分は、消化液と呼ばれる濃厚な液体に残ります。これは、農家が自然由来の肥料として農地に還元することができ、エネルギー集約的でCO₂を排出する工程を用いて製造される合成肥料よりも望ましいものです。しかし、ADの産業が拡大するにつれ、消化液の生産量と農地への還元量が増加し、栄養分による汚染のリスクが生じています。
その結果、英国とヨーロッパの多くの地域は現在、硝酸塩指令および硝酸塩脆弱地域（NVZ）法により制限されています。この法律は、農地に還元された窒素の過剰使用による汚染を防ぐために導入されました。現在、イングランドの土地の55%がNVZに指定されており、一方、ウェールズ全土も、同様の地域となる過程にあります。
この地域規制の課題を克服する方法の一つは、微細藻類を利用することです。そこで2017年に、ヨーロッパ全域を対象とする循環型経済プロジェクト「ALG-AD」が誕生しました。最終目標は、環境にリスクをもたらす窒素を、持続可能な家畜飼料に利用できる微細藻類へと転換することであり、その過程で、資源集約度の高い既存の飼料源を置き換えることを目指しています。次の資金を利用して、INTERREG北西ヨーロッパプログラムの支援を受け、スウォンジー大学は北西ヨーロッパ全域の10の他の組織と提携しました。同地域は人口密度が高く、農業活動が非常に盛んで、地下水の硝酸塩汚染に特に脆弱な地域です。そのベルギー、ドイツ、オランダ、デンマークの全域も、すでにNVZに指定されています。
不要な窒素を有用なものにリサイクルすることで、大気や水路への流出を防ぎ、土壌と大気の両方の汚染を減らすことができます。微細藻類は、窒素を自然にタンパク質やその他の栄養性分子へ変換し、それらは食物連鎖に戻して利用することができます。プロジェクト開始から5年を経て、私たちはこのような循環型経済の解決策が産業規模で実現可能であることをすでに示しています。
新たなタンパク質源
今後半世紀にわたる世界人口の増加の見通しを受け、世界の食料生産は増加すると見込まれており、少なくとも50%増える見通しです。また、私たちは皆、温室効果ガス排出と森林破壊を減らすため、肉類のタンパク質の消費を減らすよう奨励されています。したがって、新たなタンパク質源は最優先課題であり、微細藻類は有力な候補です。ネスレなどの企業はすでに、微細藻類の研究を進めており、動物飼料と人間向け食品の両方において代替タンパク質源として位置付けています。
微細藻類の生産産業はまだ初期段階にありますが、新たなタンパク質源を、肉類と大豆に伴う問題を生じさせずに生産できる能力は非常に魅力的です。さらに、微細藻類を、農家が動物飼料に利用する場所の近くで培養できることは、もう一つの明確な利点です。
私たちのヨーロッパプロジェクトにとって大きな課題は、この技術を本格的な操業規模での開発に向けて試験することでした。そのため、私たちは食品や農業廃棄物を処理するADの産業と直接協力し、微細藻類を培養するための、産業的に生産された窒素（消化液中）を得ています。
英国では、私が子どもの頃に暮らしていたデヴォンの農場からわずか30マイルの場所に、「藻類-AD」施設を、ラングエージ酪農場に隣接するADの企業に建設しました。Langage-ADは年間2万トンの食品廃棄物を処理する能力を持ち、熱と電気を生むバイオメタンを生産しています。私たちは、廃棄物処理場のすぐ隣にある大型の加温温室を提供されました。これは私たちの「アルガル光バイオリアクター」にとって理想的な場所でした。これは、昼光と人工光の両方にさらされ、栄養分を含む水性培地で微細藻類を育てる、縦型の透明なチューブの連なりです。
姉妹となる2つの光バイオリアクター施設が、フランスのブルターニュとベルギーのゲントに建設されました。すべてのパートナーは、どのように消化液を最も効果的に処理し、栄養吸収を最適化するかを決定するために詳細な研究を行いました。多すぎると微細藻類はそれを好まず、少なすぎるとほとんど何も起こりませんでした。
有望なことに、消化液で育てた微細藻類はタンパク質がより豊富であることが分かりました。一般的に使用される無機栄養分で育てた微細藻類と比較して、タンパク質含有量は生産された総バイオマスの最大約80%に達します。これは肉類および大豆製品に含まれるタンパク質量の2倍を大きく上回ります。タンパク質の不足が深刻化する中で代替肉が求められていることを踏まえると、これは大きな利点です。
現在、約世界の大豆生産量の75%は動物飼料のタンパク質源として利用されています。牛肉生産と同様に、大豆生産も特にブラジルブラジルおよびアルゼンチンにおける森林破壊への関与で精査を受けています。さらに、大豆を地球規模で輸送すること自体が膨大な炭素排出量を生みます。極め付けとして、大豆を高農業地域へ輸送することは、窒素の世界的なバランスを乱し、「栄養素のホットスポット」とNVZの増加を招いています。
私たちの研究により、微細藻類の可能性が、大豆タンパク質を補完・代替するタンパク質源として確認されました。しかし、現在の微細藻類の培養規模は、大豆市場に大きな影響を与えるには十分ではありません。そのため、私たちの実地の飼料試験実験では、これまで微細藻類を食品補助として試験することに集中してきました。目的は子豚と魚類の健康を改善することです。しかし、私たちは藻類由来の動物飼料および原料の市場が今後急速に成長する見込みであることを承知しています。
これらの新しいバイオテクノロジーの展開
現在までに英国では、一般的に見られる淡水性の緑色微細藻類2種、Chlorella vulgarisとScenedesmus obliquus（いずれも緑藻植物門に属する）です。両種には良好なレベルのタンパク質と、健康に有益な性質を持つ多くの分子が含まれており、私たちは現在もその研究を続けています。
しかし、微細藻類のもう一つの驚くべき点は、その多様性です。形状と機能が驚くほど多様な数万種のほかの種が存在し、まだ探索されるのを待っています。
今や、私たちの研究の基盤によって、先駆的な企業、規制当局、投資家が協力し、これらの新しいバイオテクノロジーをより広く展開できるようにすることが求められています。線形型から循環型の社会・経済へと移行するにつれ、廃棄物を利用しつつ環境汚染を防ぐことが可能となり、微細藻類は何らかの形で、私たちすべてにとってより身近な存在になっていくと思われます。
私たちのプロジェクトは既に、微細藻類が、土地不足、気候変動、非効率で持続不可能な肥料利用、それに伴う栄養分の流出や水質汚染といった食料安全保障関連の課題の軽減に大きな可能性を持つことを実証しています。こうして、微細藻類は欧州および世界全体の環境基準を引き上げるために活用できます。実際、私たちの取り組みは、最近発表された欧州グリーンディールを支持しており、循環型経済と自然保護を推進するとともに、新たな共通農業政策を支えるものであり、環境に配慮した農業慣行とアグロエコロジーを強く重視しています。
しかしながら、まだ比較的初期の段階にあります。どの廃棄物関連技術とも同様に、法律と規制は慎重に検討される必要があります。当面、最も簡単な方策は、動物由来の廃棄物ではなく、嫌気性消化された植物由来の廃棄物を利用することです。これにより、動物性廃棄物や動物由来の汚染が食物連鎖に戻るおそれを排除できます。
私たちはまた、藻類による消化液の取り込みをさらに増やしたいと考えており、どの新しい発展途上の技術とも同様に、コストと全体的な環境面での利益のバランスを取る必要があります。これを実現するため、私たちはパートナーシップ全体で結果を収集し、データをライフサイクル分析に用いるために統合しています。これにより、関心のある農家、食品生産者、他の産業は、この技術が自分たちに適しているかどうか、また、それぞれの特定のニーズに応じて何を最も良く達成できるかを判断できるようになります。
微細藻類が農業に貢献できるもう一つの方法は、バイオスティミュラント――少量で施用すると栄養吸収を高め、ストレス耐性を改善する天然由来の製品であり、そのため化学肥料の必要性を減らします。私たちはまた、微細藻類細胞内の他の多くの有用成分、特にヒトおよび動物の免疫調整因子、抗炎症剤および抗ウイルス剤です。微細藻類による新製品の全面的な利点は、まさに活用されるのを待っています。
皮肉なことに、私は働いてきた人生を通じて、子どもの頃に牛舎の端にある堆肥槽で醸成されていた危険な栄養分の混合物に近づかないようにという母の忠告に、正確には従ってきませんでした。しかし、そうしなかったことによって、私は廃棄物に対する見方と扱い方の革命の一部になってきたと考えたいと思います。牛糞やその他の有機廃棄物に含まれる貴重な栄養分を、私たちと地球の利益のためにますます利用できるようにしているのです。
