肥料に変換できるプラスチックの機能化に成功 循環型プラスチック社会を担う高分子材料の設計指針を提案

千葉大学 大学院工学研究院の青木大輔准教授、東京工業大学 物質理工学院 応用化学系の阿部拓海大学院生（研究当時）、大塚英幸教授、東京大学 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は、植物を原料とした高分子（プラスチック）^[用語1]の機能化手法を確立しました。さらに、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は、植物の成長を促進する肥料としての効果があることも確認されました（図1）。

本研究では、使用後の廃棄プラスチックを肥料として利用できる、次世代高分子材料の設計指針を提案しています。研究成果は4月11日にPolymer Chemistryに掲載されました。

日常生活に欠かせない高分子（プラスチック）は、そのほとんどが廃棄されており、そのリサイクル率は10%以下にとどまっています。安定した高分子は、材料として有用である一方、安定しているが故にその分解は難しくなります。また、分解性に優れた高分子はリサイクル可能である一方、強度が求められる材料として用いることは困難です。そのため「安定性」と「分解性」の相反する2つの特性を考慮した分子設計が循環型プラスチックの鍵となります。

このような背景のもと、研究チームは、結合としての安定性と利用後の分解性を考慮してカーボネート結合に注目しました。カーボネート結合はそのままでは安定している一方、身近な塩基であるアンモニアと反応し、肥料として働く尿素へと変換できます。

先行研究では、この有機反応をポリイソソルビド^[用語2]という糖由来のポリマー^[用語3]（PIC）へと適用することで、分解生成物（糖由来のモノマー^[用語4]と尿素^[用語5]の混合物）がそのまま肥料として利用できることを明らかにしました（図2）。しかし、PICはそのままでは脆く、材料として利用するためにその機能を改善する方法（機能化手法）の開発が求められていました。

PICの機能化手法の確立を目指し、糖であるマンニトール^[用語6]から1段階で合成できる植物由来モノマーである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^[用語7]しました。DBMは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^[用語8]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ます（図3）。

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^[用語9]試薬を用いて高分子合成後に機能団を導入可能であり（図4左）、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明らかとなりました。

さらに、得られた共重合体のアンモニア分解について評価したところ、PICと比べてその分解が早いことがわかりました。つまり、高分子の「機能化」にも「分解」にもポリマー中のマンニトール由来の水酸基が大きく寄与することがわかりました。

最後に、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^[用語10]の生育実験を行いました。その結果、本共重合体からの分解生成物が肥料として機能することが明らかになりました（図4右）。

図4.

左：蛍光性ボロン酸による修飾
右：分解生成物を用いたシロイヌナズナの生育実験。分解生成物を加えたもの(右)は、葉が多く生えている。

今回合成したポリカーボネートの共重合体は、グルコース、マンニトールと言った再生可能な植物由来の糖を原料としており、バイオエンジニアリングプラスチックとして今後利用されることが期待できます。ここで提案する高分子材料設計が「プラスチックの廃棄問題」と「人口増加による食料問題」を同時に解決する、革新的なシステムへと昇華されることを期待しています。

本研究は、以下の事業・研究領域・研究課題の支援を受けて行われました。

科学技術振興機構（JST） 戦略的創造研究推進事業 CREST
研究領域：「分解・劣化・安定化の精密材料科学」
研究総括：高原淳（九州大学 ネガティブエミッションテクノロジー研究センター 特任教授）
研究課題名：「カーボネート結合に基づく高分子材料循環システムの構築」（課題番号JPMJCR22L1）
研究代表者：青木大輔（千葉大学 大学院工学研究院 准教授）