JP2007071758A - 光合成評価装置または評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 正確に制御された模擬的な地球環境を簡易かつコンパクトに再現し、精度の高い光合成による二酸化炭素の固定量の評価を行う装置または評価方法を提供すること。
【解決手段】 原料空気１と二酸化炭素濃度ガス２とを混合し、所定の二酸化炭素濃度の試験用空気を発生する試験用空気発生手段３と、該試験用空気発生手段３によって得られた試験用空気が導入されるとともに、光合成を行う被検体Ｔを内部に密閉可能な試験用チャンバー４と、前記被検体Ｔに光を照射する光源部１１と、前記試験用チャンバー４出口ガス中の二酸化炭素濃度を測定する二酸化炭素濃度測定手段７と、前記試験用空気の二酸化炭素濃度と前記二酸化炭素濃度測定手段７で測定された二酸化炭素濃度から、前記被検体によって固定化された二酸化炭素の量を算出する処理手段８とを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光合成評価装置または評価方法に関し、模擬的に自然環境を再現し、植物の光合成による二酸化炭素の固定量の評価あるいは光合成による被検体の生育状態の評価を行う装置または評価方法に関する。

近年、地球環境の大きな改善テーマの１つとして、地球の温暖化の防止、具体的には温暖化ガスの低減があり、植物の光合成による二酸化炭素の固定化は、そうした温暖化ガスの低減方法の１つとして考えられている。従って、自然環境における植物の光合成による二酸化炭素の固定化のプロセスを明確にするために、模擬的に自然環境を再現し、実際の植物の光合成による二酸化炭素の固定化のメカニズムを解析する種々の試みがなされている。

例えば、図９に示すように、閉鎖式の同化箱を利用した光合成測定方法が提案されている。つまり、空気の循環経路を構成した同化箱９１内に測定対象の植物９２を入れ、同化箱９１内の空気を循環させながら二酸化炭素濃度の経時的変化により光合成速度を測定する方法において、同化箱９１の気密性は高いものの、完全気密ではないものを使用するとともに、植物９２を入れない状態において換気率を測定し、植物９２を入れて所定時間経過後に測定した二酸化炭素濃度の変化分から、換気による二酸化炭素濃度の変化分を除いたものにつき光合成速度を算出することができる（例えば特許文献１参照）。

特開平８−１７２９１３号公報

しかしながら、従来の方法では、模擬的に自然環境を再現することが困難であり、正確な植物の光合成による二酸化炭素の固定化のメカニズムを解析することができない。つまり、乾燥空気または加湿空気および二酸化炭素ガスを個別に植物用チャンバーに供給した場合には、植物用チャンバー内での水分や二酸化炭素の濃度分布が均一性に欠け、あるいは濃度の安定性に欠け、植物の光合成にムラがでるなど、正確な光合成の評価ができないことがある。特に草木全体を設置可能な大掛かりな植物用チャンバーを用いた場合には、こうした不均一な分布がより大きな影響を及ぼすことになる。また、外部の空気を一部導入した場合には、「二酸化炭素濃度の濃度補正」が必要となるなど、測定条件が変わるだけでなく、その評価に手間と時間がかかることになる。

さらに、例えば通常の研究室レベルの植物用チャンバーを用いて草木の光合成による二酸化炭素の固定化の評価を行う場合においては、照射する光の波長や光量あるいは照射時間など環境を形成する指標によって、二酸化炭素の固定化の状態が大きく変化するが、従来こうした複数の指標との相関を得ることが困難であった。また、植物用チャンバー内に自然状態での草木の葉あるいは枝を設置したときには、光の照射の均一性を確保することができず、光合成の計測についてもその部分しかできないことから、草木の部分的な評価にとどまるのが現状あった。

そこで、この発明の目的は、正確に制御された模擬的な地球環境を簡易かつコンパクトに再現し、精度の高い光合成による二酸化炭素の固定量の評価を行う装置または評価方法を提供することにある。また、こうした光合成による二酸化炭素の固定化は、生命体である被検体にとっては代謝機能を意味するものであり、光合成による被検体の生育状態の評価を行う装置または評価方法を提供することを、本発明の目的の１つとする。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す光合成評価装置または評価方法によって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

つまり、本発明は、（１）原料空気と二酸化炭素ガスとを混合し、所定の二酸化炭素濃度の試験用空気を発生する試験用空気発生手段と、（２）該試験用空気発生手段によって得られた試験用空気が導入されるとともに、光合成を行う被検体を内部に密閉可能で、内部の温度および風量の制御が可能な試験用チャンバーと、（３）前記被検体に光を照射する光源部と、（４）前記試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度を測定する二酸化炭素濃度測定手段と、（５）前記試験用空気の二酸化炭素濃度と前記二酸化炭素濃度測定手段で測定された二酸化炭素濃度から、前記被検体によって固定化された二酸化炭素の量を算出する処理手段とを有することを特徴とする(請求項１)。

本発明は、地球環境を簡易かつコンパクトに模擬的閉鎖式装置内に再現することによって、光合成による二酸化炭素固定量を定量的に把握することが可能となったものであり、あらゆる植物に適用することが可能である。従って、精度の高い光合成評価装置の提供が可能となった。ここで、「原料空気」とは、二酸化炭素および水分を含まない（あるいは各濃度が一定の）窒素および酸素を主成分とし、その組成が大気と同じものをいい、一般にいう、本装置の環境雰囲気の「大気」あるいは「外部の空気」のように、二酸化炭素および水分を含みその濃度が変化するものとは異なる。

また、本装置は完全密閉が可能な構造とすることによって、被検体が置かれる極限的な環境下での評価を可能とし、外部の空気が試験用チャンバー内に導入されることがないため、従来のような「二酸化炭素濃度の濃度補正」をすることなく、試験用チャンバーに供給される二酸化炭素量と供出される二酸化炭素量とのトランジェントな比較から、安定な環境下での刻一刻変化する被検体の二酸化炭素固定機能を正確に把握・評価することが可能となる。

さらに、原料空気と二酸化炭素ガスとを混合して所定の二酸化炭素濃度の試験用空気を試験用空気発生手段にて発生させて試験用チャンバーに導入するため、二酸化炭素ガスとを直接試験用チャンバーに導入して試験用チャンバー内で空気と混合する場合と比較し、試験用空気中の二酸化炭素が均一化する。従って、被検体はムラのない光合成を行うことができるため、その評価も安定したものとなる。

なお、二酸化炭素の固定化は、生命体である被検体にとっては代謝機能を意味するものであり、後述する被検体の代謝機能のメカニズムをも把握することが可能となる。

本発明は、上記光合成評価装置であって、前記試験用空気発生手段が、乾燥空気用、加湿空気用および二酸化炭素用の３つの流路と、各流路に設けられた流量制御部と、これらの流路を接続する混合部とを有し、該混合部において、乾燥空気用流路と加湿空気用流路が接続された流路の後に二酸化炭素用流路を接続する流路を形成し、前記流量制御にて流量制御された乾燥空気・加湿空気および二酸化炭素を混合することを特徴とする(請求項２)。

光合成による二酸化炭素の固定量評価においては、試験用空気中の成分濃度の管理が重要な意味をもつことから、上記のように、原料空気、水分および二酸化炭素の発生濃度を厳格に制御する必要がある。本発明は、乾燥空気用、加湿空気用および二酸化炭素用の３つの流路を高い精度で流量制御を行い、これらの流路を混合部で均一化することによって、厳格に濃度制御された試験用空気を供給することができることを検証したものである。

また、本発明は、上記３つの流路の混合をその接続に順位付けを行うこと、が有効であることを見出したものである。つまり、二酸化炭素は、水分に溶解する性質から、水分を多量に含む加湿用流路に二酸化炭素用流路を接続すると二酸化炭素濃度が変化するおそれがある。従って、乾燥空気と加湿空気とを混合した後に、二酸化炭素を混合することによって、このような変化を低減する効果がある。

被検体の光合成による二酸化炭素の固定量は、環境下にある二酸化炭素の濃度に関係するとともに、経時的にみるとその試験開始から終了時まで大きく変化する場合が多い。このとき、試験用チャンバー出口の二酸化炭素の濃度は、例えば数１００ｐｐｍレベルの最大値から１ｐｐｍ以下の最小値まで変化する。固定量を正確に測定するには、こうした両方のレベルの濃度を正確に測定する測定手段を必要とすると同時に、試験用空気の濃度も同様に正確度の制御を必要とすることを意味し、本発明においては、試験用チャンバーへの試験用空気の供給条件を上記のように設定することによって、これを可能にしたものである。

本発明は、上記光合成評価装置であって、前記光源からの光によって前記被検体を照射するとともに、該被検体に近接して光センサを配設することを特徴とする(請求項３)。

光合成による二酸化炭素の固定量評価においては、模擬的な自然環境の再現とともに、実際に被検体に照射される光量を観察することが好ましい。本発明においては、植物の形状など種々の条件によって異なる光量を、被検体に近接して光センサを配設することによって、平均的あるいは代表的に評価の対象として適切な位置の光量を検出することができる。同時に、植物の成長などによって変化する光量の観測も可能となる。

また、本発明は、上記光合成による二酸化炭素の固定量評価装置であって、前記試験用チャンバー内に設けられたテーブルの中央に光センサを配設し、その周囲を取り囲むように被検体を配置して、前記テーブルの上部に設けられた光源によってテーブル全体を照射してもよい。つまり、光センサにおいても、試験用チャンバー内に設けられたテーブルの中央に光センサを配設し、その周囲を取り囲むように被検体を配置することによって、被検体に対する最大の照射光量の確保と検出用の光センサの最適位置の確保を図ることが可能となる。さらには、光合成による地衣類の生育に伴い光センサへの光の遮断等があれば、光センサの光量変化を基に、後述するような地衣類の生育状態の把握に利用することも可能となる。

さらに、前記試験用チャンバー内に前記被検体の重量を測定する手段を有し、前記被検体によって固定化された二酸化炭素の量および被検体の重量変化を測定してもよい。光合成による二酸化炭素の固定化は、生命体である被検体にとっては代謝機能を意味するものであり、二酸化炭素の固定量および被検体の重量の変化を基に生育状態の把握を行うことができる。つまり、固定化された二酸化炭素の量と被検体の重量増加分との関係から被検体の代謝量の測定を行うことができるとともに、さらに植物など被検体の最適な生産条件を求め、人工栽培あるいは製品改良や量産化に利用することも可能となる。

本発明は、光合成評価方法であって、原料空気と二酸化炭素ガスとを混合し、所定の二酸化炭素濃度の試験用空気を発生させるステップ、該試験用空気を密閉可能な試験用チャンバーに導入するステップ、前記試験用チャンバーに被検体を設置するステップ、該被検体に光を照射するステップ、前記試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度を測定するステップ、前記試験用空気の二酸化炭素濃度と前記試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度から前記被検体によって固定化された二酸化炭素の量を演算するステップ、を有することを特徴とする(請求項４)。

模擬的閉鎖式装置内に地球環境を再現し、関係する諸要素を適切なステップを経て制御することによって、精度の高い光合成による二酸化炭素の固定量の評価方法の提供が可能となった。また、本発明において、試験用空気の流量、温度、湿度、および二酸化炭素濃度や、試験用チャンバー内の温度や、被検体に照射する光の波長や光量および照射時間、試験用チャンバー内のファンによる風速などを、制御要素として、これら制御要素を指標として光合成を評価する場合ｍ、より精度の高い光合成評価装置の提供を可能とすることができる。

以上のように、本発明によれば、正確に制御された模擬的な地球環境を簡易かつコンパクトに再現することによって、精度の高い光合成評価装置または評価方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜本発明に係る光合成評価装置の全体構成＞
本発明に係る光合成による二酸化炭素の固定量評価装置の構成例を図１に示す。原料空気１および所定濃度の二酸化炭素ガス２を原料として加湿された試験用空気が、試験用空気発生手段３から被検体Ｔを内部に密閉可能とする試験用チャンバー４に導入され、その出口ガスが除湿器５、流量計６を介して二酸化炭素濃度測定手段７に導入される。二酸化炭素濃度測定手段７の出力は処理手段８に送信され、二酸化炭素の固定量の計算に供される。なお、被検体Ｔには、例えばコケ等の地衣類を用いている。

ここで、試験用空気発生手段３と試験用チャンバー４は外部の温度の影響を排除するために、例えば４〜５０℃の範囲において温度制御された試験用恒温槽９内に配設することが好ましい。また、試験用空気発生手段３の供出口と試験用チャンバー４の入口を、直接あるいは切換弁等必要最小限の部材以外を設けることなく接続することが好ましい。長い接続流路あるいは複数の中間接続部材による流路での水分の吸着や浸透や滞留などを排除し、厳格に濃度制御された試験用空気を供給することができる。

図２は、上記構成例に係る光合成評価装置の外観を例示する。ここでは、原料となるガスの温度をより正確に管理するために、高圧容器に充填した原料空気１および二酸化炭素ガス２を試験用恒温槽９の内部に収納した装置を示しているが、外部に設置することも可能である。試験用チャンバー４において、図２では開放状態となっている空間部４ａに被検体Ｔが設置され、後述する光源部（図示せず）を有する蓋体（図示せず）によって密封状態が形成される。

（１）試験用空気発生手段の詳細
試験用空気発生手段３においては、圧力調整弁１０ａによって設定圧に調整した状態で導入された原料空気１を２つに分岐し、１つの流路においては、流量制御部３１ａによって所定流量に調整して混合部３２に導入する（以下「乾燥空気用流路Ｄ」という）。他の流路においては、流量制御部３１ｂによって所定流量に調整して加湿部３３に導入し、加湿部３３の内部に貯留された水によって加湿後、混合部３２に導入する（以下「加湿空気用流路Ｗ」という）。また、圧力調整弁１０ｂによって設定圧に調整した状態で導入された二酸化炭素ガス２は、流量制御部３１ｃによって所定流量に調整して混合部３２に導入する（以下「二酸化炭素用流路Ｃ」という）。

このとき、各流路の流量は、乾燥状態で流量制御部３１ａ、３１ｂおよび３１ｃに導入し制御することが好ましい。加湿によって空気の粘性などの特性が変化することから、加湿量を変化させる本装置においては、流量制御における誤差要因となる可能性がある。こうした要因を排除することで、水分を指標の１つとして二酸化炭素の固定量を評価するに際し高い精度を確保することが可能となる。

流量制御部３１ａ、３１ｂおよび３１ｃとしては、流量検知機能および流量調整機能を有する手段であれば、特に制限はないが、精度面などを考慮すると、マスフローセンサが好ましい。図３は、マスフローセンサを流量制御部３１ａ、３１ｂおよび３１ｃとして用いたときの各流量の安定性を示している。

各流路の流量を制御することによって、任意の試験用空気の供給流量、試験用空気中の水分量（湿度）、二酸化炭素濃度を発生することができる。ただし模擬的自然環境の状態を基準とすることから、通常、加湿空気用流路Ｗは０〜５００ｍＬ／ｍｉｎ程度を、乾燥空気用流路Ｄは０〜５００ｍＬ／ｍｉｎ程度を、二酸化炭素用流路Ｃは例えば５％の二酸化炭素ガス２（残ガスのベースを空気と同組成とする）を用いた場合には０〜１０ｍＬ／ｍｉｎ程度を調整範囲とすることによって、試験用空気流量０〜５００ｍＬ／ｍｉｎ、水分濃度０〜９８％、二酸化炭素０〜１，０００ｐｐｍの試験用空気を供給することが可能である。

なお、加湿空気用流路Ｗには、加湿部３３の前後に切換弁３４ａおよび３４ｂを設けて加湿部３３をパスするバイパス流路を設けることが好ましい。乾燥空気と混合した特定濃度の二酸化炭素を含む試験用空気と、これと同一濃度の二酸化炭素を含む加湿された試験用空気を供給することができ、光合成による二酸化炭素の固定量に対する水分の影響度を把握する試験に有用である。

上記試験用空気発生手段３においては、図４（Ａ）に例示するように、加湿空気用流路Ｗに設けた加湿部３３を、または加湿部３３と加湿部３３によって加湿された空気中の液体成分を分離する気液分離部３５を、温度制御された恒温水槽３６内に設けることが好ましい。加湿空気供給流路Ｗにおける加湿用水温の制御を熱容量の大きな同一媒体である恒温水を用いて行うことによって、試験用空気発生手段３の周辺の温度変化があっても十分な熱の遮断および制御温度の維持を図ることができる。恒温水槽３６への恒温水は、恒温水供給部３７において温度制御されて供給され、加湿部３３および気液分離部３５との熱交換を経由して再び恒温水供給部３７に戻る。こうした循環式によって、エネルギー効率および温度制御精度の向上を図ることが可能となる。

また、乾燥空気用流路Ｄ、加湿空気用流路Ｗおよび二酸化炭素用流路Ｃの３つの流路を１つの混合部３２に接続することが好ましい。これらの流路を１つの混合部３２に接続し、混合部３２において事前に均一に混合された試験用空気をその供出口から試験用チャンバーの入口までに切換弁等必要最小限の部材以外を設けることなく接続することによって、厳格に濃度制御された試験用空気を供給することができる。

混合部３２としては、乾燥空気用流路Ｄと加湿空気用流路Ｗが接続された流路と二酸化炭素用流路Ｃとを接続する流路を形成することが好ましい。具体的には、図４（Ｂ）に例示するような混合部３２Ｂを用い、３つの流路の混合をその接続にこうした順位付けを行い混合する方法を挙げることができる。水分を除く同じ空気をベースとする乾燥空気用流路Ｄと加湿空気用流路Ｗを接続することによって、両者の拡散混合の効率を高くすることができるとともに、水分の稀釈により凝縮や吸着などによる水分濃度の変化を防止することができる。さらにこの状態で二酸化炭素用流路Ｃを接続し、二酸化炭素を添加混合することによって、水分への溶解や吸収によるロスあるいは試験用空気中の二酸化炭素濃度の微量なムラの発生を防止することが可能となる。

また、混合部３２として、一体形状の混合部ではなく、図４（Ｃ）のように配管接続部３８ａおよび３８ｂの組合せた混合部３２Ｃも可能である。つまり、乾燥空気用流路Ｄと加湿空気用流路Ｗが配管接続部３８ａを用いて接続された後、配管接続部３８ａの出口流路と二酸化炭素用流路Ｃとを配管接続部３８ｂを用いて接続することによって、図４（Ｂ）と同様の機能を有する流路を簡便に形成することが可能となる。

さらに、混合部３２として、図４（Ｄ）のように、乾燥空気用流路Ｄと加湿空気用流路Ｗを配管接続部３８ａを用いて接続した後に、螺旋管等３９を接続して再度恒温水槽３６内に設置し、その後配管接続部３８ｂを用いて二酸化炭素用流路Ｃを接続し、二酸化炭素を添加混合している。本発明者の知見によると、こうした混合部３２Ｄを構成することによって、乾燥空気と加湿空気との混合空気の安定性がさらに増し、二酸化炭素を添加混合した後も試験用空気中の二酸化炭素濃度の微量なムラが殆どみられなかった。

試験用空気の温度は、試験用恒温槽９において、例えば４〜５０℃の範囲で温度制御され、一定に維持された状態で試験用チャンバー４に導入される。ここで、試験用空気発生手段３全体の温度は、加湿空気の加湿温度よりも高めに設定することが好ましい。例えば加湿温度を９℃とした場合、恒温水槽３６の水温を９℃に維持するとともに、試験用空気発生手段３全体を１０℃に制御することによって、流路内における水分の凝縮あるいは露結の防止を図っている。

試験用空気の湿度は、加湿温度と乾燥空気および二酸化炭素との混合比率によって決定され、試験用チャンバー４における試験条件に従って相対湿度０〜９８％の範囲で設定される。つまり、例えば加湿温度を１０℃とした場合、加湿空気の水分濃度は約１．２％であり、乾燥空気と１：１で混合した場合、相対湿度５０％、水分濃度約０．６％の試験用空気を得ることができる。

（２）試験用チャンバーの詳細
試験用恒温槽９には、図１に示すように、光合成を行う被検体Ｔ（図示せず）が密閉可能な状態で導入される試験用チャンバー４と、該被検体Ｔに光を照射する光源部１１が設けられている。試験用チャンバー４は、被検体Ｔの種類や形状などによって、大きさや形状や風速、あるいは被検体Ｔの設置条件などを任意に設定されるが、一例として、詳細を後述する。

光源部１１は、日光のうち光合成および葉緑素活性化に必要な波長を持つ光量子を可変的に照射させることができる素子で構成される。具体的には、４００〜７００ｎｍの波長域の光を含む白色蛍光ランプや発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることが好ましく、試験用チャンバー４の上面全体に複数個配置して、自然環境に近い条件を作り出すことが好ましい。

光源部１１の波長域の選択性は、白色蛍光ランプやＬＥＤの特性によって選定可能な場合には、例えば赤色ＬＥＤや青色ＬＥＤまたは白色ＬＥＤなどの素子を利用することによって確保することができる。従って、評価試験においては複数の波長域の素子を準備し、適宜交換することによって波長を変更する方法を採ることができる。こうした素子での選択性の確保ができない場合には、光源部１１に所望の波長域を透過する光学フィルタを用いることによって選択性を確保することができる。従って、評価試験においては、複数の波長域の光学フィルタを準備し、適宜交換することによって波長を変更する方法を採ることができる。

また、光量は、４００〜７００ｎｍの波長域において、光合成有効光量子束密度（ＰＰＦＤ）が０〜５００［μｍｏｌ／ｍ^２・ｓｅｃ］であることが好ましく、評価試験においては、印加電圧を制御することによって、光量を変化する方法を採ることができる。

さらに、光源の照射時間は、自然環境に近い条件としては、プログラムによるＯＮ−ＯＦＦ制御による方法、あるいは加速試験や自然環境と異なる条件での試験では、パルス点灯式の白色蛍光ランプやＬＥＤなどの場合にはそのパルス幅（デューティ）を変更する方法などを採ることが可能である。

また、試験用チャンバー４の前後に切換弁１２ａおよび１２ｂを設けて試験用チャンバー４をパスするバイパス流路を設けることが好ましい。試験用チャンバー４に供給する試験用空気と、試験用チャンバー４出口ガスとを切換えて二酸化炭素濃度測定手段７に導入することができ、所定の流量で試験用空気を被検体Ｔに供給している状態での瞬時の光合成による二酸化炭素の固定量を把握する試験に有用である。

次に、具体的な試験用チャンバー４の形状あるいは機能について述べる。
被検体Ｔを内部に密閉可能な構造を有し、内部の温度制御が可能なように試験用恒温槽９に入れられた試験用チャンバー４の一例を、図５（Ａ）および（Ｂ）に示す。図５（Ａ）は、試験用チャンバー４の内部を真上から見た図で、図５（Ｂ）は、真横から見た図である。テーブル４１に配置された被検体トレー４２の上面に配置された被検体Ｔ全体を、複数の光源部１１からの光によって照射するとともに、二酸化炭素濃度および水分が制御された試験用空気をガス導入口４３から導入して、模擬的な地球環境を試験用チャンバー４内に形成し、光合成による評価試験を行う。試験用チャンバー４で使用された試験用空気は、排出口４４から二酸化炭素濃度測定手段７に供出される。さらに、被検体Ｔに近接して、光センサ４５、温度センサ４６、湿度センサ４７および風速センサ４８を配設する。光センサ４５、温度センサ４６、湿度センサ４７および風速センサ４８の位置は、評価の対象として適切な任意の位置に設定することが可能である。

図５（Ａ）および（Ｂ）では、被検体Ｔがコケ等の地衣類の場合の試験用チャンバー４を例示する。試験用チャンバー４の試験用チャンバー４内に設けられたテーブル４１の中央に光センサ４５を配設し、その周囲を取り囲むように被検体Ｔを配置した被検体トレー４２をテーブル４１に置き、テーブル４１の上部に設けられた光源部１１によって被検体トレー４２全体を照射するように構成されている。植物の内でもコケ等の地衣類は、平面状の生息形態をとるとともに光合成による二酸化炭素の固定量も微量であるため、極力受光面積を大きくすることが好ましい。被検体Ｔに対する均一な照射光量の確保と光センサ４５の最適位置の確保を図ることが可能となる。また、被検体トレー４２をテーブル４１との間に空間を設けて設置することによって、被検体トレー４２に設置された被検体Ｔに対する温度あるいは風速の均一化を図ることが可能となる。

テーブル４１の上部には、光源部１１が配設された試験用チャンバー４の蓋体４ｂが設けられ、その空間部４ａ側には、空間部４ａと光源部１１とを仕切り、かつ光源部１１からの光を所望の波長域（４００〜７００ｎｍ）に選択可能なようにパイレックス（登録商標）ガラスが設けられている。

さらに、図５（Ｂ）では、ガス導入口４３を、テーブル４１の下部で、かつ被検体Ｔに対してできる限り上流に相当する位置に設けている。試験用空気の導入から被検体Ｔ、さらには被検体Ｔの上方に設けた排出口４４までの距離を長く得ることによって、導入した試験用空気の攪拌を図り、均一な条件で被検体Ｔの環境雰囲気を形成することが可能となる。

被検体Ｔに近接した光センサ４５によって、光合成に有効な光量を平均的あるいは代表的に検出することができる。この光合成に有効な光量Ｌを測定することによって、二酸化炭素の排出量からＰＰＦＤを算出することができる。また、図５（Ｂ）では、光センサ４５の保護と光学フィルタの役割を担うために、カバー４５ａが光センサ４５を覆うように設けられている。

温度センサ４６によって被検体Ｔ近傍の温度を検出し、該温度を基準に試験用チャンバー４内部の温度を制御することによって、被検体Ｔの機能を正確に把握することが可能となる。また、被検体Ｔがコケ等の地衣類の場合には、温度に対して非常に敏感なことから、例えば１５℃を超えない温度において安定な温度制御を行うことが必要となる。従って、図４に例示したように、被検体Ｔに極力近接した状態で温度センサ４６を配設し、後述するファン４８の機能を利用することによって、被検体Ｔ全体の温度の均一性を確保することが可能となる。

また、湿度センサ４７によって被検体Ｔ近傍の湿度を検出し、被検体Ｔにおける水分の消費量あるいは蒸散量を検出する。図５（Ａ）および（Ｂ）に例示したように、被検体Ｔに極力近接した状態で湿度センサ４７を配設することが好ましく、同時に光合成後の状態を検知可能な位置に配設することによって、光合成の効果を評価することも可能となる。

さらに、試験用チャンバー４内部の温度の均一性を確保するとともに、風量あるいは風速を変化できるファン４９および風速センサ４８を備えている。ファン４９としては、軸流ファンやクロスフローファンなど特に限定されるものではないが、例えば試験用チャンバー４のコンパクト化や制御の容易性などを考慮するとクロスフローファンが好ましい。本発明における試験用チャンバー４内部の風速は、０〜０．７ｍ／ｓｅｃ程度が好ましく、上記のようなコケ等の地衣類については０．５ｍ／ｓｅｃ程度が好ましい。また、風速センサ４８は、被検体Ｔ上方かつ近傍に設け、かつ被検体Ｔ全体への風流を代表する位置に設けることが好ましい。

以上のように、試験用チャンバー４内部に、光センサ４５、温度センサ４６、湿度センサ４７および風速センサ４８を備えることによって、被検体Ｔに対して、照射光、温度、湿度および風量を変化させて模擬的な地球環境を再現させ、その条件を変化させることが可能となる。

このとき、被検体トレー４２自体を重量測定手段とすることによって、被検体Ｔの光合成による重量変化、つまり被検体Ｔの生育状態（代謝量）を計測することができる。固定化された二酸化炭素の量と被検体Ｔの重量増加分との関係から被検体Ｔの代謝量の測定を行うことができるとともに、各指標を変化させることによって被検体Ｔの生育状態を評価することが可能となる。

（３）二酸化炭素濃度測定手段等について
試験用チャンバー４の出口ガスは、除湿器５を経由して流量計６および二酸化炭素濃度測定手段７に供給されるが、これは、本発明の主たる目的の１つである二酸化炭素の固定量を高い測定精度により把握することを考慮したものである。試験用チャンバー４への試験用空気の供給量は、流量制御部３１ａ、３１ｂおよび３１ｃをドライ条件で制御することから、二酸化炭素濃度についても除湿器５を介してドライに近い条件で測定することによって、二酸化炭素の固定量を二酸化炭素の総量として把握することが可能となり、精度の高い評価を行うことができる。

二酸化炭素濃度測定手段７は、上記のように二酸化炭素の固定量を高い測定精度により把握することを目的とすることから、高精度の測定手段として、非分散式赤外線分析計を用いることが好ましい。また、分解能が高く、応答が速い連続測定が可能な分析計として本発明には最適である。

処理手段８においては、図１に示すように、二酸化炭素濃度測定手段７からの濃度出力、試験用空気発生手段３の流量制御部３１ａ，３１ｂ，３１ｃからの各流量出力、試験用チャンバー４の光センサ４５，温度センサ４６，湿度センサ４７および風速センサ４８からの各情報出力をデータロガー８１に受け、コンピュータ８２を用いて二酸化炭素の固定量の計算を行う。

なお、図１〜５には図示しないが、別途制御手段によって、制御要素（試験用空気の流量、温度、湿度および二酸化炭素濃度、光源部の波長、光量および照射時間、試験用チャンバー内の温度、湿度および風速）を制御することが好ましい。各制御要素は、それぞれを指標として光合成による二酸化炭素の固定量の評価、および光合成による被検体の生育状態の評価に利用することができる。また、制御方法は、本発明においては、被検体Ｔに近接した位置の温度など正確な制御を必要とすることから、各制御要素の測定値に基づいてフィードバック制御を行うことが好ましい。

以上の構成からなる光合成による二酸化炭素の固定量評価装置を用いることによって、試験用空気の流量、温度、湿度および二酸化炭素濃度、光源部１１の波長、光量および照射時間、試験用チャンバー４内の温度および風量、を指標として、精度の高い被検体Ｔの光合成による二酸化炭素の固定量を評価することが可能となる。さらに、加えて被検体Ｔの重量変化を検出することによって、生命体である被検体Ｔの生育状態の評価を行うことが可能となる。

＜光合成による二酸化炭素の固定量評価方法＞
次に、具体的な光合成による二酸化炭素の固定量評価方法について述べる。本発明においては、図６に示すように、以下の各工程を有する方法を構成する。

（１）試験用空気の発生
原料空気１、原料空気１を加湿した加湿空気および所定濃度（例えば５％）の二酸化炭素ガス２を混合し、流量、温度、湿度および二酸化炭素濃度を制御した試験用空気を発生させる。このとき、例えば流量は０〜５００ｍＬ／ｍｉｎ、温度４〜５０℃、相対湿度０〜９８％および二酸化炭素濃度０〜１，０００ｐｐｍの範囲で任意に制御し、一定条件を所定時間継続することによって、その条件下での光合成による二酸化炭素の固定量を得ることができる。

（２）試験用空気の試験用チャンバーへの導入
上記試験用空気を試験用チャンバー４に導入する。このとき、試験用チャンバー４内部の残留成分を除去するために所定の時間パージを行うことが好ましい。

（３）試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度の測定、メモリ
供給される試験用空気中の二酸化炭素濃度を測定してメモリし、後述する試験開始後の試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度と比較することによって、瞬時における被検体での二酸化炭素の固定量を測定することができる。

（４）試験用チャンバーの内部温度の制御
予め被検体Ｔに対応した試験温度を１０〜３０℃の範囲内において設定し、試験用チャンバー４の内部温度をその設定温度になるように制御する。

（５）試験用チャンバーへの被検体の設置
被検体Ｔを試験用チャンバー４内の所定位置に配置する。例えば、コケ等の地衣類について図５のような試験用チャンバー４を用いた場合には、予め被検体Ｔの中央を円形に除去し、テーブル４４の中央部の光センサ４５などに嵌め合うように設置することによって、正しい評価を得ることができる。

（６）試験用チャンバーの内部風速の制御
予め被検体Ｔに対応した風速に設定し、試験用チャンバー４内部の風速をその設定値になるようにファン４９を制御する。被検体Ｔがコケ等の地衣類の場合には、０．５ｍ／ｓｅｃ程度が好ましい。このとき、試験条件としては、試験用空気を連続的に供給しながら行う場合と供給を停止し完全密閉状態で行う場合のいずれか、あるいはその切換を選択することも可能である。

（７）被検体への光の照射
予め被検体Ｔに対応した波長域の光源部１１を選定し、光量および照射時間を予め設定した条件で制御し、光源部１１を作動させて被検体Ｔに光を照射する。被検体Ｔがコケ等の地衣類の場合には、図５に示すように、略全面を照射するように複数の光源部１１を用いることが好ましい。また、このときの光センサ４５の出力をメモリすることによって、長時間に渡る試験の場合には、光源部１１自体の変化あるいはコケ等の地衣類などの生育による被覆の状態を確認することができる。

（８）試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度の測定
試験用チャンバー４から供出される出口ガス中の二酸化炭素濃度を測定する。試験条件として試験用空気を連続的に供給しながら行う場合には、連続的に測定し、供給を停止し完全密閉状態で行う場合には、バッチ的に測定し、その測定値は光合成による二酸化炭素の固定量を評価するデータとして利用される。

（９）制御要素を指標とする固定化された二酸化炭素量の演算
制御要素を指標として被検体Ｔによって固定化された二酸化炭素の量を演算する。試験条件として（ａ）試験用空気を連続的に供給しながら行う場合には、（３）においてメモリした二酸化炭素濃度を基準に演算する。演算は、試験時間における両者の積分値同士の差分を求める方法や両者の差分の積分値を求める方法などがあるが、二酸化炭素量の微量な変化を求めることから前者の方法が好ましい。また、（ｂ）試験用空気を連続的に供給しながら定期的に図１の切換弁４３ａおよび４３ｂを作動させて試験を行う場合には、（ｂ−１）その作動の度にその基準値を変更する方法、（ｂ−２）測定値に変化があれば作動間隔の変化を直線近似する方法、（ｂ−３）作動の度の二酸化炭素濃度から近似曲線を求める方法、があり、それらを基準として、両者の積分値同士の差分を求めることによって、二酸化炭素の固定量を演算することが可能となる。さらに、（ｃ）試験用空気の供給を停止し完全密閉状態で行う場合には、（３）においてメモリした二酸化炭素濃度を基準に上記（ａ）と同様の演算を行うことによって、二酸化炭素の固定量を演算することが可能となる。

以上の光合成による二酸化炭素の固定量評価方法によって、試験用空気の流量、温度、湿度および二酸化炭素濃度、光源部１１の波長、光量および照射時間、試験用チャンバー４内の温度、湿度および風速、を指標として、精度の高い被検体Ｔの光合成による二酸化炭素の固定量を評価することが可能となる。

＜実施例＞
以上の光合成による二酸化炭素の固定量評価方法に基づき、実際に行った試験結果の一部について述べる。

（１）試験条件
（１−１）試験用空気の条件：流量５００ｍＬ／ｍｉｎ、温度１１℃、相対湿度９０％、二酸化炭素濃度７８０ｐｐｍ（加湿空気：流量４００ｍＬ／ｍｉｎ，乾燥空気：流量１００ｍＬ／ｍｉｎ，二酸化炭素ガス：流量０．３ｍＬ／ｍｉｎ）
（１−２）光源部の条件：赤色ＬＥＤ（中心波長６６０ｎｍ）、ＰＰＦＤ１０２〜１７８［μｍｏｌ／ｃｍ^２・ｓｅｃ］、連続照射
（１−３）試験用チャンバー内の条件：風速０．２ｍ／ｓｅｃ、温度１１℃
（１−４）被検体：スナゴケ（約１２５ｍｍ×１２５ｍｍ）

（２）試験結果
（２−１）試験用チャンバー内の温度および湿度の安定性
図７（Ａ）に例示するように、約４０時間の試験時間において、温度に関しては、ベース温度で最大約０．２℃、加熱部の作動に伴うリップルが最大約０．３℃であった。湿度に関しては、ベースで最大約６ＲＨ（相対湿度）、加熱部の作動に伴うリップルが最大約１．５ＲＨであった。
（２−２）試験用チャンバー内のＰＰＦＤおよび出口の二酸化炭素の濃度変化
図７（Ｂ）に例示するように、約４０時間の試験時間において、ＰＰＦＤに関しては、初期を除き約５μｍｏｌ／ｃｍ^２・ｓｅｃの変化が見られた。二酸化炭素（ＣＯ_２）濃度に関しては、初期の光合成により約１４０ｐｐｍの濃度減少が見られたが、約１０時間の間に徐々に固定化が減衰した。

＜光合成による被検体の生育状態評価方法＞
次に、具体的な光合成による被検体の生育状態評価方法について述べる。本発明においては、図８に示すように、以下の各工程を有する方法を構成する。なお、上記＜光合成による二酸化炭素の固定量評価方法＞と同じ事項については、説明を略す。
（１）試験用空気の発生
（２）試験用空気の試験用チャンバーへの導入
（３）試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度の測定、メモリ
（４）試験用チャンバーの内部温度の制御
（５）試験前の被検体重量の測定、メモリ
予め被検体Ｔの重量を測定し、後述する試験開始後の被検体Ｔの重量と比較することによって、瞬時における光合成による被検体Ｔの重量変化を測定することができる。
（６）試験用チャンバーへの被検体の設置
（７）試験後の試験用チャンバーの内部風速の制御
（８）被検体への光の照射
（９）試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度の測定
（１０）被検体重量の測定
試験開始後の被検体Ｔの重量を測定する。光合成による被検体Ｔの重量変化は、被検体Ｔの中での代謝がある程度進行した結果となると推定されることから、連続的に測定する方法以外に、所定の時間間隔で測定する方法もある。測定値は（９）から得られる光合成による二酸化炭素の固定量とともに被検体Ｔの生育状態を評価するデータとして利用される。
（１１）制御要素を指標とする固定化された二酸化炭素量および被検体の重量変化の演算
制御要素を指標として被検体Ｔによって固定化された二酸化炭素の量および被検体Ｔの重量変化を演算する。試験条件として（ａ）試験用空気を連続的に供給しながら行う場合および（ｂ）試験用空気の供給を停止し完全密閉状態で行う場合のいずれも、（３）においてメモリした二酸化炭素濃度および（５）においてメモリした被検体Ｔの重量を基準に演算する。演算は、試験時間における両者の積分値同士の差分を求める方法や両者の差分の積分値を求める方法などがあるが、二酸化炭素量および被検体の重量の微量な変化を求めることから前者の方法が好ましい。ただし、二酸化炭素の固定量については、試験用空気を連続的に供給しながら定期的に図１の切換弁１２ａおよび１２ｂを作動させて基準値を確認することが可能であり、（ｃ−１）その作動の度にその基準値を変更する方法、（ｃ−２）測定値に変化があれば作動間隔の変化を直線近似する方法、（ｃ−３）作動の度の二酸化炭素濃度から近似曲線を求める方法、があり、それらを基準として、両者の積分値同士の差分を求めることによって、二酸化炭素の固定量を演算することが可能となる。

以上の光合成による被検体Ｔの生育状態の評価方法によって、試験用空気の流量、温度、湿度および二酸化炭素濃度、光源部１１の波長、光量および照射時間、試験用チャンバー４内の温度、湿度および風速、を指標として、生命体である被検体Ｔの精度の高い生育状態の評価を行うことが可能となる。

以上のように、この発明は、光合成による二酸化炭素の固定量評価だけではなく、被検体の生育状態の評価を行うことも可能であり、被検体については、植物に限らず、光合成を行うあらゆる生体をも対象とすることができる。

また、上記では被検体の重量の変化を基に、被検体の生育状態の評価を行うことについて述べたが、被検体の生育状態の評価は、被検体の種類によって種々の異なる方法を用いることも可能である。例えば多葉植物を被検体とする場合には、重量だけではなく生体電位を検出することによって生育状態の評価を行うことができる。また、例えばコケ等の地衣類を被検体とする場合には、重量だけではなく、中央に配設された光センサがコケ等の生育によって被覆する量つまり光センサの減衰光を検出することによって生育状態の評価を行うことができる。

さらに、被検体の生育状態の評価を進めることによって、植物など被検体の最適な生産条件を求めることが可能となり、評価結果を人工栽培あるいは製品改良や量産化に利用することも可能となる。

本発明に係る二酸化炭素の固定量評価装置の構成例を示す説明図。 本発明に係る二酸化炭素の固定量評価装置の外観を例示する説明図。 本発明に係る試験用空気発生手段を構成する３つの流路での流量の安定性を表す説明図。 本発明に係る試験用空気発生手段の構成例を示す説明図。 本発明に係る試験用チャンバーの構成例を示す説明図。 本発明に係る二酸化炭素の固定量評価方法のプロセス例を示す説明図。 本発明に係る二酸化炭素の固定量評価の試験結果の一例を示す説明図。 本発明に係る被検体の生育状態評価方法のプロセス例を示す説明図。 従来技術に係る光合成測定方法の実施態様を示す説明図。

符号の説明

１ 原料空気
２ 二酸化炭素ガス
３ 試験用空気発生手段
４ 試験用チャンバー
５ 除湿器
６ 流量計
７ 二酸化炭素濃度測定手段
８ 処理手段
９ 試験用恒温槽
１０ａ、１０ｂ 圧力調整弁
１１ 光源部
１２ａ、１２ｂ、３４ａ、３４ｂ 切換弁
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ 流量制御部
３２ 混合部
３３ 加湿部
３５ 気液分離部
３６ 恒温水槽
４１ テーブル
４２ 被検体トレー
４５ 光センサ
４６ 温度センサ
４７ 湿度センサ
４８ 風速センサ
４９ ファン
Ｃ 二酸化炭素用流路
Ｄ 乾燥空気用流路
Ｔ 被検体
Ｗ 加湿空気用流路

Claims (4)

1. 原料空気と二酸化炭素ガスとを混合し、所定の二酸化炭素濃度の試験用空気を発生する試験用空気発生手段と、
   該試験用空気発生手段によって得られた試験用空気が導入されるとともに、光合成を行う被検体を内部に密閉可能な試験用チャンバーと、
   前記被検体に光を照射する光源部と、
   前記試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度を測定する二酸化炭素濃度測定手段と、
   前記試験用空気の二酸化炭素濃度と前記二酸化炭素濃度測定手段で測定された二酸化炭素濃度から、前記被検体によって固定化された二酸化炭素の量を算出する処理手段と
   を有することを特徴とする光合成評価装置。
2. 前記試験用空気発生手段が、乾燥空気用、加湿空気用および二酸化炭素用の３つの流路と、各流路に設けられた流量制御部と、これらの流路を接続する混合部とを有し、該混合部において、乾燥空気用流路と加湿空気用流路が接続された流路の後に二酸化炭素用流路を接続する流路を形成し、前記流量制御にて流量制御された乾燥空気・加湿空気および二酸化炭素を混合することを特徴とする請求項１記載の光合成評価装置。
3. 前記光源からの光によって前記被検体を照射するとともに、該被検体に近接して光センサを配設することを特徴とする請求項１または２記載の光合成評価装置。
4. 原料空気と二酸化炭素ガスとを混合し、所定の二酸化炭素濃度の試験用空気を発生させるステップ、該試験用空気を密閉可能な試験用チャンバーに導入するステップ、前記試験用チャンバーに被検体を設置するステップ、該被検体に光を照射するステップ、前記試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度を測定するステップ、前記試験用空気の二酸化炭素濃度と前記試験用チャンバー出口ガス中の二酸化炭素濃度から前記被検体によって固定化された二酸化炭素の量を演算するステップ、を有することを特徴とする光合成評価方法。

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