窒素循環技術：土壌から地球を変えるサスティナブルな農業技術 ～特許・論文・グラント・スタートアップからの技術動向分析～

アスタミューゼ株式会社
アスタミューゼ株式会社（本社:東京都千代田区、代表取締役社長 永井歩）は、農業における窒素循環に関する技術領域において、弊社の所有するイノベーションデータベース（論文・特許・スタートアップ・グラントなどのイノベーション・研究開発情報）を網羅的に分析し、動向をレポートとしてまとめました。



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」（注1）や日本が2021年に打ち出した「みどりの食料システム戦略」（注2）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。

注1：https://food.ec.europa.eu/system/files/2020-05/f2f_action-plan_2020_strategy-info_en.pdf
注2：https://www.maff.go.jp/j/kanbo/kankyo/seisaku/midori/

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。

図1：農業窒素循環技術に関連する特許におけるキーワードの年次推移（2015～2024年）

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。

図2：農業窒素循環技術に関連する特許出願件数の国別年次推移（2015～2024年）


図3：中国を除いた農業窒素循環技術に関連する特許出願件数の国別年次推移（2015～2024年）

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。


（以降、農業の窒素循環に関する論文およびグラント、スタートアップ企業の事例やキーワード分析、および全体のまとめについては、弊社コーポレートサイトの該当ページでご確認ください）

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。
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