本レポートのダウンロードはこちら（無料）
著者：アスタミューゼ株式会社 竹本 大策 博士（農学）
目次
農業における窒素循環技術とは
窒素は、植物の生育に欠かせない元素であると同時に、地球環境にも大きな影響をあたえる物質です。20世紀初頭に開発されたハーバー・ボッシュ法によって合成窒素肥料の大量生産が可能となり、農業の生産性は劇的に向上しました。しかし、つかった肥料にふくまれる窒素のうち、実際に作物が吸収できるのは約50%にとどまります。残りの半分は環境中に流出してしまうのです。
この「窒素損失」は、農業における最大の未解決課題のひとつです。失われた窒素の一部は亜酸化窒素（N₂O）として大気中に放出されます。N₂Oは人間活動に起因するN₂O 総排出量の60〜70%を農業が占めるとされており、地球温暖化やオゾン層破壊の原因となります。また、硝酸態窒素（NO₃⁻）として水系へ流出した窒素は、湖沼や沿岸域の富栄養化、さらに飲料水の汚染にもつながります。
「農業窒素循環技術」とは、こうした窒素損失を制御することで、（1）N₂O排出の削減（温暖化対策）、（2）硝酸態窒素の溶脱防止（水質保全）、（3）精密施肥による効率最大化（施肥最適化）という3つの課題を同時に解決しようとする技術領域です。
これら3つの課題に共通する根本原因は、土壌中の微生物がおこなう「硝化」と「脱窒」という代謝プロセスにあります。硝化とは、肥料由来のアンモニウムイオン（NH₄⁺）が微生物のはたらきによって亜硝酸態窒素（NO₂⁻）を経て硝酸態窒素（NO₃⁻）へと変換される過程です。一方、脱窒とは、NO₃⁻が段階的に窒素ガス（N₂）へと還元される過程であり、その途中で温室効果ガスであるN₂Oが副産物として放出されることがあります。
こうした問題への有効なアプローチのひとつが「硝化抑制剤」です。これはNH₄⁺からNO₂⁻への変換を抑制する物質です。NH₄⁺を土壌中に長く保持することにより、N₂Oの発生抑制・硝酸態窒素 の流出防止・施肥効率の向上という3つの効果を同時に実現します。先述の3つの課題に対して、1つの手段でアプローチできる点が、この技術の特徴です。
こうした技術的な取り組みと並行して、政策面での動きも加速しています。EUが2020年に策定した「Farm to Fork戦略」や日本が2021年に打ち出した「みどりの食料システム戦略」に代表されるように、化学肥料の使用削減と持続可能な農業の実現を長期目標にかかげる政策が各国で相次いでいます。技術開発と制作誘導が両輪となって動き始めている点が、この領域の重要なトレンドといえます。
本レポートでは、アスタミューゼ独自のデータベースを活用し、「農業窒素循環技術」に関連する技術動向を分析しています。対象は特許・論文・グラント（研究プロジェクト）・スタートアップ企業の4領域にわたり、2015年から2024年までの直近10年間のデータをもとに分析しました。
農業窒素循環技術に関連する特許の動向分析
アスタミューゼの保有する特許データベースから、タイトルおよび要約に「窒素固定」「硝化抑制」「N2O削減」「精密施肥」などのキーワードをふくむ特許母集団7,121件を抽出し、分析しました。図1は、2015年以降に出願された農業窒素循環技術に関連する特許タイトルと要約にふくまれるキーワードの年次推移です。
キーワードごとの成長率（Growth）は、2015年以降の出現回数を分母、2020年以降の出現回数を分子とした比です。値が1に近いほど出現の大半が2020年以降に集中していることを意味し、近年急速に注目されているキーワードといえます。
特許キーワードの動向からは、大きく3つの技術的潮流が読みとれます。
1つは、硝化抑制技術の多様化です。化学的硝化抑制剤の分子骨格に関するキーワードは2020〜2022年に集中して出現しており、なかでも「pyridine-4-carboxamide」は新規化合物の探索、「nitrapyrin」は既存剤の製剤技術（ポリマー複合体や微細カプセル化など）の改良に関する特許です。また、植物の根から自然に分泌される生物的硝化抑制物質「sakuranetin」に関する特許が2021年以降継続して増加しています。硝化抑制剤の研究開発は、新規化合物の探索にとどまらず、環境負荷の低減を意識した製剤・天然由来の代替手段へと関心が広がっています。
2つ目は、生物的窒素固定（BNF）技術の農業応用の拡大です。「nitrogen-fixation」「nitrogenase」など窒素固定の基盤技術に関するキーワードは、10年間安定した出願件数を維持しています。なかでも注目されるのが「endophytic（内生菌）」「non-leguminous（非マメ科植物）」に関連するキーワードの伸びです。これは、これまで窒素固定の主役とされてきたマメ科植物と根粒菌の共生関係に依存しない、新しいアプローチへの関心の高まりを示しています。「nosZ」「GmNAP1/GmNAS1/GmNFYC10a」といった遺伝子関連のキーワードも出現しており、分子生物学的な基礎研究の成果を特許として権利化する動きも始まっています。
第三は、N₂O削減・精密窒素管理の萌芽です。「variable-rate（可変施肥技術）」は、センサーやデータと連動したスマート施肥や精密な施肥を可能にする農業機械の特許に使われています。2015年以降ゆるやかに増加しており、徐々に発展していることがわかります。「n2o」「nitrous」など温室効果ガスとしてのN₂O（nitrous oxide）に直接言及するキーワードが2020年以降に増加していることは、農業窒素管理が気候変動対策として明示的に位置づけられていることを示しています。カーボンクレジット市場の整備や各国の政策動向を背景に、今後の出願が増加すると予測されます。
つづいて、国別の特許出願件数を見ていきます。図2は出願告別のグラフ、図3は中国を除いたグラフです。
国別では中国の出願件数がもっとも多く、2016、2017年にピークを形成したあと、2021年を底として2022年以降は回復傾向に転じています。ピーク期は有機廃棄物の再利用や肥料の物理的コーティングなど、肥料メーカーによる製品化を目的とした特許が主体でした。しかし2022年以降は、ドローンやAIを活用したスマート精密施肥、遺伝子編集技術によるBNF強化、N₂O削減を目的とした炭素管理システムへと技術の軸足がシフトしています。出願人の顔ぶれも、単独出願から大学とハイテク企業による産学連携へと変化しており、研究開発の質的な転換が読み取れます。
中国を除く国別推移をみると、米国が最多ですが、PCT国際出願（WO）も近い水準となっており、多国間での権利化を視野に入れた国際出願が活発化していることがうかがえます。近年の中国以外の出願では、遺伝子改変微生物による非マメ科植物への窒素固定、生分解性ポリマーを活用した環境配慮型製剤、カーボンクレジット市場と連動したN₂O排出定量化システムなど、バイオテクノロジーとデータビジネスを軸としたイノベーションが目立っています。
注目の特許事例を紹介します。
- Nitrification inhibitors to improve fertilizer efficiency（肥料効率を向上させる硝化抑制剤）
- 公報番号：US12365639B2
- 出願人：Soilgenic Technologies, LLC（米国）
- 出願年：2024年
- 概要：生分解性ポリマーを活用した液体肥料添加型の硝化抑制剤。土壌への残留性や非生分解性という従来製剤の課題を克服しうる新しいアプローチとして注目される。
- Synergistic microbial strains for increasing the activity of nitrogen-fixing microorganisms（窒素固定微生物の活性を高める相乗的微生物株）
- 公報番号：US2024284914A1
- 出願人：University of Washington（米国）
- 出願年：2022年
- 概要：植物内部に定着する内生固窒素菌を複数株の組み合わせ（コンソーシアム）として設計し、これまで窒素固定が困難とされてきた非マメ科の主要穀物への窒素供給を実現する特許。合成窒素肥料の大幅削減につながる技術として注目される。
- Agricultural land carbon emission prediction method and system（農業用地の炭素排出予測方法とシステム）
- 公報番号：CN116128161A
- 出願人：南京農業大学（中国）
- 出願年：2023年
- 概要：土地利用変化シミュレーションモデル「CLUMondo」と機械学習を組み合わせ、農地からのN₂O排出量を動的に予測するシステム。農地の窒素管理をカーボンクレジットや気候変動政策ツールとして活用する道を拓く、先進的な特許。
農業窒素循環技術に関連する論文の動向分析
企業や研究機関が発表する論文は、研究開発段階にあり、特許と比較して社会実装までに時間を要する中長期的な技術の様相が反映されます。特許分析と同様に、農業窒素循環技術と関連するキーワードを概要にふくむ論文33,802件を母集団として抽出し、分析をおこないました。2015年以降に出版された論文の概要にふくまれるキーワードの年次推移を示したものが図4です。
キーワードの年次推移から、以下のことがわかります。
まず1つ目は、硝化プロセスへの理解の深化です。「comammox（完全アンモニア酸化：complete ammonia oxidation）」は2015年に発見された細菌で、アンモニアを単独で硝酸まで変換するという特異な能力を持ちます。2019年以降このキーワードが急増しており、農業土壌における新たな窒素代謝経路として研究が急速に進んでいることを示しています。また、既存の硝化抑制剤（「4-dimethyl-1h-pyrazole」「piadin」など）の作用機序の解明や、硝化プロセスを標的とした新規化合物の合成・スクリーニングといった、創薬的アプローチを取り入れた研究も活発化しています。
2つ目は、生物的窒素固定（BNF）における植物と微生物の相互作用の解明と応用拡大です。「legume-rhizobial（マメ科－根粒菌共生）」「nodule-inhabiting（根粒に生息する）」など、根粒菌共生の分子機構を詳細に解明しようとする研究が進む一方、「Bradyrhizobium ottawaense」という根粒菌そのものへの注目も高まっています。この菌はN₂Oを直接還元して無害化する能力（nosZ遺伝子）が特に高く、温室効果ガス削減の観点からも研究が加速しています。
一方、トウモロコシ・小麦・イネなどの非マメ科穀物は根粒菌と共生できないため、生育に大量の化学窒素肥料を必要とします。この課題に対し、根粒菌共生に依存しない窒素固定メカニズム「non-rhizobia（非根粒菌系窒素固定）」の研究が近年急速に活発化しています。
3つ目は、バイオスティミュラントと根圏管理技術の台頭です。「biostimulants（バイオスティミュラント）」とは微生物・海藻抽出物・フミン酸などの天然由来資材を活用して植物の窒素利用効率（NUE）向上や施肥量削減に貢献する農業資材の総称です化学肥料の代替への関心の高まりを背景に2020年以降出現数が急増しています。「microbiome（マイクロバイオーム）」は本分析において出現数がもっとも多いキーワードのひとつであり、土壌・根圏の微生物群集と窒素動態の関係解明が現代農業科学の主流テーマとなっていることを示しています。
つぎに、論文発表数の国別動向です。農業窒素循環技術に関連する論文の国別発表件数の年次推移が図5です。
国別では中国が一貫して首位を維持しており、2020と2021年にピークを記録したあとも高水準がつづいています。米国が安定して2位を維持してきましたが、インドが急成長し、2023年には米国を上回りました。インドの研究は、中国や米国に見られるハイテク化やデータビジネス化とは趣を異にしており、小規模農家向けの低コスト実用技術（バイオ肥料、ニームコーティング尿素、簡易センサーによる精密施肥など）と伝統的農業素材の融合に重きを置いた、独自の研究潮流を形成しています。
注目の論文事例を紹介します。
- Kinetic analysis of a complete nitrifier reveals an oligotrophic lifestyle
- 雑誌名：Nature
- DOI：10.1038/nature23679
- 出版年：2017年
- 機関名：ウィーン大学他 (Kits et al.)
- 概要：単独でアンモニアを硝酸まで酸化できる完全アンモニア酸化細菌（Comammox）の一種であるNitrospira inopinataの純粋培養に初めて成功した論文。栄養分が乏しい環境でも効率よく増殖できるという既存の硝化細菌にはない生態的特性を、動態論的手法によって実証した。この発見を契機に、農業土壌での硝化制御を目指した研究に新たな潮流が生まれている。
- Drug discovery-based approach identifies new nitrification inhibitors
- 雑誌名：Journal of Environmental Management
- DOI：10.1016/j.jenvman.2023.118996
- 出版年：2023年
- 機関名：ゲント大学他（Beeckman et al.）
- 概要：医学の創薬手法を農業分野に応用し、45,400種類の低分子化合物ライブラリーをスクリーニングした研究。製薬産業の手法を農業資材開発に導入するという学際的なアプローチにより、異なる硝化抑制剤を組み合わせることで相乗効果が得られることを実証している。
- Nitrogen fixation and mucilage production on maize aerial roots is controlled by aerial root development and border cell functions
- 雑誌名：Frontiers in Plant Science
- DOI：10.3389/fpls.2022.977056
- 出版年：2022年
- 機関名：ウィスコンシン大学他（Pankievicz et al.）
- 概要：特定のトウモロコシ品種が地上部の気根（地面より上に露出した根）から分泌する粘液の中に窒素固定菌のコロニーが形成され、大気中の窒素を直接固定できることを実証した研究。根粒菌との共生に依存しない非マメ科植物による窒素固定メカニズムの新研究。
農業窒素循環技術に関連する注目のグラントとスタートアップ企業の事例
最後に、グラントとスタートアップ企業の動向をみていきます。グラント（競争的研究資金）は一般に、研究計画段階にある長期的な技術動向を示す指標です。しかし今回抽出された高配賦額のグラントには、基礎研究から実用化プロトタイプまでの幅広いステージを支援するものもふくまれていました。新技術の創出にとどまらず、国家的な政策目標の実現に向けた「社会実装」を積極的に後押しする流れが、この分野でも明確になっています。
スタートアップ企業については、農業窒素循環技術領域に特化した企業はまだ限られています。本レポートでは、実用化が進む技術の方向性として「センシング・データ活用による精密窒素管理」と「微生物・天然素材を活用したバイオロジカルアプローチ」の2つに注目し、代表的な事例を取り上げました。
グラント事例
- RII Track-2 FEC: Center for Climate Conscious Agricultural Technologies（CCAT）
- 研究機関：サウスダコタ州立大学他
- 助成機関：米国国立科学財団（NSF EPSCoR）
- 期間：2023〜2027年
- 助成額：約400万ドル
- 概要：現地の土壌・作物から、窒素固定・炭素固定・リン可溶化の能力を持つ微生物を分離・資材化する技術の開発を中核に据えたプロジェクト。得られた微生物バイオ肥料の有用性をダコタ地方の農村コミュニティで実証し、地域農家の収益性向上につなげることを目指す。
- From Nitrogen Use Efficiency to Farm Profitability（NUE-Profits）
- 研究機関：AgAnalyst Limited他
- 助成機関：UK Research and Innovation（UKRI）
- 期間：2023〜2027年
- 助成額：約350万ドル
- 概要：リモートセンシングと土壌センサー、現場計測を組み合わせ、窒素吸収データをリアルタイムに収集し、施肥量と施肥タイミングの意思決定を支援するフレームワークを構築するプロジェクト。多数の民間企業も参画するビジネス主導の取り組みとして研究成果の早期実用化が期待される。
- 資源循環の最適化による農地由来の温室効果ガスの排出削減（dSOIL）
- 研究機関：東北大学他
- 助成機関：NEDO ムーンショット型研究開発事業
- 期間：2020〜2029年
- 助成額：約2,000万ドル
- 概要：N₂O無害化能の高い微生物の探索・資材化を中心に、植物・土壌の人工デザインも組み合わせ、圃場レベルでのN₂O削減実証を目指す大型プロジェクト。2050年までに世界中の農地からのN₂O排出を大幅に削減することを最終目的とした、日本発の国際的な取り組み。
スタートアップ企業の事例
- Agrology
- https://www.agrology.ag
- 国：米国
- 設立：2019年
- 概要：農地からの温室効果ガス排出量をリアルタイムで計測・データ化するアグリテック企業。土壌健全性・N₂O排出量など多面的なデータを統合し、農業者が再生農業の環境インパクトを定量的に把握・証明できるプラットフォームを提供する。カーボンクレジット市場との接続においても重要な役割を担いうる存在として注目されている。
- Plantner
- https://www.plantner.kr
- 国：韓国
- 設立：2024年
- 概要：海藻由来のアルギン酸を活用した天然素材系緩効性肥料を開発する韓国発のスタートアップ企業。合成ポリマーコーティングによるマイクロプラスチック問題を回避しながら、窒素の放出を制御する新しいアプリーチを実現する。アジア市場を起点に、天然素材型農業資材の商業化を目指す。
農業窒素循環技術に関する研究開発動向のまとめ
農業窒素循環技術について、特許・論文・グラント・スタートアップという4つのデータソースの動向を総合してふりかえります。
特許情報からは、硝化抑制剤の製剤最適化、バイオ肥料の製品化、精密施肥機器の開発といった既存技術の改良と高精度化が、現在この分野の主流であることがわかります。
論文情報からは、2つの方向性が見えます。1つは、作用機序の解明,
新規標的分子の発見、創薬的アプローチの導入など、既存技術を高度化していく方向性です。着実な進歩が積み重なることで、実用に耐える成果が生まれてくることが期待されます。もう1つは、これまでとは異なるアプローチを追求する方向性です。個別の微生物や栄養代謝の研究にとどまらず、マイクロバイオーム（微生物叢）やバイオスティミュラント（施肥削減・栄養利用効率向上）といった、より複雑な系への介入、さらには非マメ科植物と微生物による新しい窒素固定メカニズムの解明など、実環境に即した研究が広がっています。系全体をデザインするシステム論的アプローチにより、効果が高く持続性のある次世代技術の基盤が築かれつつあります。
グラント情報からは、実用化までを見据えた大型プロジェクトの存在が確認されました。今回紹介した3件もその典型であり、基礎研究の成果を農地・市場・政策目標に直結させる方向に大きな資金が投じられています。スタートアップ企業の数はまだ限られていますが、グラントによる社会実装の促進を追い風に、今後は多様な技術が実用化されてくると予想されます。
こうした政策主導の動きと連動して、N₂O削減をカーボンクレジットに紐づける枠組みの整備も世界的に進んでいます。日本のJ-クレジット制度やEUの炭素除去認証枠組み（CRCF）に加え、国際的な民間認証基準であるVerraやClimate Action Reserveなど、N₂O削減を経済的インセンティブと結びつける仕組みが各国・各機関で具体化しています。農地ごとの環境条件による効果のばらつきを克服する、低コストなMRV（計測・報告・検証）手法の確立が、この分野の普及を加速する鍵となるでしょう。
農業窒素循環技術は、地球温暖化対策・水質保全・農業生産性向上という人類の三大課題を同時に前進させうる稀有な技術分野です。食料安全保障と地球環境の両立が急務となる今、世界の食料・環境政策において不可欠な役割を担う領域として、今後ますます注目が高まることが予想されます。
著者：アスタミューゼ株式会社 竹本 大策 博士（農学）
さらなる分析は……
アスタミューゼでは「窒素循環」に関する技術に限らず、様々な先端技術/先進領域における分析を日々おこない、さまざまな企業や投資家にご提供しております。
本レポートでは分析結果の一部を公表しました。分析にもちいるデータソースとしては、最新の政府動向から先端的な研究動向を掴むための各国の研究開発グラントデータをはじめ、最新のビジネスモデルを把握するためのスタートアップ/ベンチャーデータ、そういった最新トレンドを裏付けるための特許/論文データなどがあります。
それら分析結果にもとづき、さまざまな時間軸とプレイヤーの視点から俯瞰的・複合的に組合せて深掘った分析をすることで、R&D戦略、M&A戦略、事業戦略を構築するために必要な、精度の高い中長期の将来予測や、それが自社にもたらす機会と脅威をバックキャストで把握する事が可能です。
また、各領域/テーマ単位で、技術単位や課題/価値単位の分析だけではなく、企業レベルでのプレイヤー分析、さらに具体的かつ現場で活用しやすいアウトプットとしてイノベータとしてのキーパーソン/Key Opinion Leader（KOL）をグローバルで分析・探索することも可能です。ご興味、関心を持っていただいたかたは、お問い合わせ下さい。
