エアロポニックス

エアロポニックスは、土壌や集合培地を必要とせず、空気または霧の環境で植物を栽培するプロセスです。「エアロポニック」という用語は、古代ギリシャ語の「aer（空気）」と「ponos （労働、困難、苦労）」に由来しています。エアロポニックスでは水を使用して植物に栄養分を届けるため、水耕栽培のカテゴリに分類されます。 ^[1]

エアロポニック栽培の基本原理は、植物を密閉または半密閉環境に吊るし、垂れ下がった根と下部の茎に栄養豊富な水溶液を霧状または噴霧状に散布することです。^[2]葉と冠を含む植物の上部はキャノピーと呼ばれ、上部に伸びています。植物支持構造により根が分離されています。労力と費用を最小限に抑えるため、多くの場合、閉鎖気泡フォームを下部の茎の周りに圧縮し、エアロポニックチャンバーの開口部に挿入します。より大きな植物の場合は、植物と果実の重量を支えるためにトレリスが使用されます。

目標は、害虫や病気のない環境を維持し、植物が成長培地で栽培されたものよりも早く成長できるようにすることです。ただし、ほとんどのエアロポニック環境は外部から完全に遮断されていないため、害虫や病気が脅威となる可能性があります。制御された環境は、さまざまな植物種や栽培品種の植物の発育、健康、成長、開花、結実を促進します。

根系が敏感なため、エアロポニックスは従来の 水耕栽培と組み合わせられることが多く、エアロポニックスシステムに何らかの障害が発生した場合に、栄養と水のバックアップ供給として機能し、緊急時の「作物の救済」として機能します。

高圧エアロポニックスとは、20～50 マイクロメートルのサイズ範囲のミスト ヘッドを使用して根に栄養分を供給する方法です。これは、約 80 ポンド/平方インチ (550 kPa) で動作する高圧ダイヤフラム ポンプを使用して実現されます。

空中栽培は、空気への露出を最大限にして、最適な植物の成長を促進します。空中栽培で育てられた植物を保持し支える材料と装置は、病気や病原菌がまったく存在しないものでなければなりません。本物の空中栽培と装置の重要な特徴は、植物を支える機能が最小限であることです。この設計により、植物と支持構造の接触を最小限に抑え、植物の周囲に最大限の空気の流れを確保できます。長期的な空中栽培では、根系が制約を受けず、制限のない成長、根の拡張、純水への妨げのないアクセス、十分な空気交換、病気のない状態を確保することが重要です。^{[2] [検証失敗]}

根圏（根域）における十分な酸素（O _{2 ）の利用可能性は、植物の健全な成長を促進するために不可欠です。植物が空気と微細な}水滴の環境で栽培される空中栽培では、酸素、水、栄養素が豊富に供給されることで、ほぼすべての植物が成長し、成熟することができます。

一部の栽培者は、他の水耕栽培法よりも空中栽培システムを好む。これは、栄養液の通気性が向上することで植物の根に酸素が供給され、成長が促進され、病原菌の形成を防ぐのに役立つためである。^{[2] [検証失敗]}

きれいな空気は、空中栽培における植物の環境を浄化する上で重要な役割を果たします。植物の自然な成長と生理的発達を成功させるには、空気への制限のないアクセスが必要です。サポート構造が植物の自然な成長を制限すると、植物の損傷とそれに続く病気の発生のリスクが高まります。^{[2] [検証失敗]}

研究者たちは、根域のガス組成が植物の生育に与える影響を研究するために、空中栽培を利用してきました。ソファーとバーガー (1988) は、彼らが「空中水耕栽培」と名付けたシステムにおける溶存酸素濃度の影響について研究を行いました。このシステムには、根域内に明確なゾーンを持つ 3 層の水耕および空中システムが含まれていました。彼らの結果は、溶存酸素が根の形成に不可欠であることを示しました。さらに、彼らは、栄養ミストが供給されたミスト セクションでは、水没またはミストなしのセクションと比較して、根の数と長さが一貫して大きいことを発見しました。テストされた最低の酸素濃度でさえ、ミスト セクションでは根の発達が良好であることが示されました。^{[2] [検証失敗]}

_{エアロポニックスでは、システム内の空気中のCO2}レベルの管理も必要であり、これは植物の光合成速度に影響を与えます。

成長のために人工照明を利用すると、太陽光照明に比べて成長率の向上や信頼性の向上などの利点があります。この照明方法は、空中栽培と効果的に組み合わせて植物の成長を最適化することができます。^{[2] [検証失敗]}

空中栽培は、植物同士の接触を減らし、噴霧のたびに無菌状態を保つことができるため、病気の伝染を制限できるという利点がある。対照的に、病気は土壌、骨材、その他の栽培用培地に容易に広がり、複数の植物に影響を与える。従来の温室では、作物を収穫するたびに固形培地を殺菌する必要があり、これらの培地は単に廃棄され、新鮮な無菌培地と交換されることもある。^{[2] [検証失敗]}

エアロポニック技術の大きな利点の 1 つは、システムの隔離された性質により、他の植物を破壊したり感染させたりすることなく、 病気の植物を植物支持構造から素早く除去できることです。

エアロポニックス特有の病気のない環境により、水耕栽培、土壌栽培、栄養フィルム技術(NFT) などの従来の栽培方法と比較して、多くの植物を高密度 (1 平方メートルあたりの植物数) で栽培できます。市販のエアロポニックス システムには、作物の根系の拡大に対応するハードウェア機能が組み込まれています。

研究者たちは、エアロポニックスが特定の苗枯れ病や根腐れ病に対する耐性遺伝子型の予備スクリーニングに有用で、シンプルで迅速な方法であることを強調しています。^[3]エアロポニックシステムの隔離性により、研究者は土壌培養でこれらの感染症を研究する際に遭遇する合併症を回避することができます。

エアロポニック設備では、噴霧器、ミスト噴霧器、噴霧器、またはその他の装置を使用して、植物の根に栄養分を届けるための溶液を微細な霧状にします。エアロポニック システムは、通常、信頼性が高く一貫した空気栽培を維持するマクロ環境とミクロ環境を提供するように設計された閉ループ システムです。エアロポニックの噴霧とミスト噴霧を容易にするために、いくつかの発明が開発されました。エアロポニック環境での根の発達には、水滴のサイズが重要です。商業用途では、360° のハイドロ噴霧スプレーが使用され、空気圧ミストを利用して広い範囲の根をカバーします。

ミスト技術の一種であるフォグポニックスでは、超音波噴霧器を使用して低圧の空中栽培装置で栄養溶液をミスト状に噴霧します。

水滴の大きさは、空中栽培の成長を維持する上で重要な役割を果たします。水滴が大きすぎると、根系への酸素の供給が制限される可能性があります。逆に、超音波ミストによって生成される水滴が細かすぎると、空中栽培システムでの持続的な成長に必要な側根系を発達させることなく、根毛が過剰に成長する可能性があります。 ^{[2] [検証失敗]}

超音波トランスデューサーのミネラル化にはメンテナンスが必要であり、部品が故障するリスクがあります。これは金属製のスプレー ジェットやミスターの欠点でもあります。水へのアクセスが制限されると、植物の膨張力が失われ、萎れてしまう可能性があります。

NASA は、空中栽培における信頼性の向上とメンテナンスの軽減を目的とした新しい先進材料の研究開発に資金を提供しています。空中栽培の持続的な成長には、5 ～ 50 マイクロメートルの微小液滴を含む高圧水噴霧ミストが必要であることが判明しています。

長期的な成長を確保するには、ミスト システムは密集した根系に効果的に浸透するのに十分な圧力を備えている必要があります。空中栽培では、繰り返し性を達成することが非常に重要であり、これには適切な水噴霧液滴サイズの維持が含まれます。ミスト ヘッドのミネラル化によってスプレーが劣化すると、水栄養溶液の供給が妨げられ、空中栽培システム内の環境の不均衡が生じます。

この問題に対処するため、特殊な低質量ポリマー材料が開発され、次世代のハイドロアトマイジングミストおよびスプレージェットにおける鉱化を防ぐために使用されています。これらの材料は、ミストシステムの効率と効果を維持するのに役立ちます。

間隔と継続時間のエアロポニックスの離散的な性質により、さまざまな条件下でも時間の経過に伴う栄養素の吸収を測定することができます。Barakらは、エアロポニックシステムを使用して、クランベリーの水分とイオンの吸収率を非破壊的に測定する研究を実施しました（Barak、Smithら、1996）。^[4]

研究チームは、投入溶液と流出溶液の濃度と量を測定すれば、栄養吸収率を正確に計算できることを発見しました。研究結果を検証するため、研究結果を N同位体測定と比較しました。分析法が検証されると、Barak らはクランベリーに特有の追加データの収集に着手しました。これには、栄養吸収の日内変動の研究、アンモニウム吸収とプロトン流出の相関関係の調査、イオン濃度と吸収の関係の調査などが含まれます。これらの研究結果は、エアロポニックスが栄養吸収を研究するための貴重な研究ツールとしてだけでなく、植物の健康状態を監視し、閉鎖環境での作物栽培を最適化する手段としても潜在的可能性を浮き彫りにしています。^[5]

65 ポンド/平方インチ (450 kPa) を超える圧力で噴霧すると、栄養素の生物学的利用能が高まります。したがって、葉や根の焼けを防ぐために、栄養素の濃度を大幅に下げる必要があります。右の写真の大きな水滴は注目に値します。これは、給餌サイクルが長すぎるか、休止サイクルが短すぎる可能性があることを示しています。どちらのシナリオでも、側根の成長と根毛の発達が妨げられます。最適な結果は、給餌サイクルをできるだけ短くし、根がわずかに湿っていても過度に乾燥していない場合に得られます。一般的な給餌/休止サイクルは、2 秒未満の給餌に続いて約 1.5～2 分の休止が継続的に維持されます。ただし、アキュムレーター システムを組み込むと、サイクル時間をさらに短縮して、約 1 秒未満の給餌と約 1 分の休止にすることができます。

開発されて間もなく、エアロポニックスは貴重な研究ツールとして登場し、研究者に成長中の根を非侵襲的に調べる方法を提供しました。この革新的な技術は、より多くのパラメータとより広い範囲の実験条件を提供することで、実験を行う可能性を広げました。^[6]

根域の水分レベルと水の供給を正確に制御できるため、空中栽培は水ストレスの研究に特に適しています。K. Hubickは、空中栽培を、干ばつや洪水の生理学実験に利用できる、最小限の水ストレスで植物を一貫して生産する手段として評価しました。^[7]

根の形態を調べる場合、空中栽培の方が適しています。凝集体がないため、研究者は土壌や凝集体から根を取り除く際に生じる可能性のある損傷を与えることなく、完全な根の構造全体に簡単にアクセスできます。空中栽培では水耕栽培に比べてより自然な根系が得られることが観察されています。^[8]

空中栽培では、空中培養で植物を育て、自然に成長させます。^{[2] [検証失敗]}

空中栽培とは、特に空中培養で植物を育てるプロセスを指します。

空中栽培システムとは、空中栽培における植物の成長をサポートするために設計されたハードウェアとコンポーネントの集合を指します。

エアロポニック温室は、空気/ミスト環境で植物を栽培するために必要なツールを備えた、ガラスまたはプラスチックで作られた制御された環境構造です。

空中栽培条件は、特定の植物種のニーズに合わせて調整された、空中栽培における植物の成長を維持するために必要な特定の環境パラメータに関係します。

空中栽培の根とは、植物が空中栽培で育てられるときに発達する根系を指します。

ほとんどの低圧エアロポニックガーデンでは、植物の根は養液の貯水槽の上か、貯水槽に接続されたチャネル内に吊り下げられています。低圧ポンプを使用して、ジェットまたは超音波トランスデューサーを介して養液を送り、余分な溶液は滴り落ちるか、または排出されて貯水槽に戻ります。ただし、これらのユニットで植物が成長するにつれて、根系の特定の部分が乾燥することがよくあり、適切な栄養の吸収が妨げられます。これらのユニットには通常、養液を浄化し、不均一性、破片、有害な病原体を効果的に除去するために必要な機能が欠けています。コストの制約により、このようなユニットは小規模なベンチトップ栽培やエアロポニックスの原理のデモンストレーションに適していることがよくあります。

高圧ポンプによるミスト生成を利用する高圧エアロポニック技術は、高価値作物や植物標本の栽培によく使用されています。園芸でこの方法を使用することで得られる利点は、それに伴う高額な設置コストを補うことができます。

高圧エアロポニックシステムには、空気と水の浄化、栄養素の殺菌、低質量ポリマーの利用、加圧栄養素供給システムなどの高度な技術が組み込まれています。これらの機能により、エアロポニックスのセットアップの効率と効果が向上します。

商業用エアロポニックシステムは、高圧装置のハードウェアと生物システムで構成されています。生物システムマトリックスには、植物の寿命を延ばし、作物の成熟を促進することを目的としたさまざまな機能強化が組み込まれています。

生物学的サブシステムとハードウェア コンポーネントには、排水制御システム、疾病予防対策、病原体耐性メカニズム、栄養溶液の正確なタイミングと加圧、加熱および冷却用センサー、溶液の温度制御、最適化された光子束を備えた効率的な光アレイ、スペクトルろ過機能、フェイルセーフセンサーと保護メカニズム、メンテナンスの削減と省力化機能、人間工学に基づいた設計と長期的な信頼性機能 など、さまざまな機能と機能が含まれています。

高圧装置を含むこれらの商業用空中耕システムは、主に高価値の作物を栽培するために使用され、継続的な商業規模での 複数の輪作を可能にします。

高度な商用システムでは、データ収集、監視、分析フィードバック、インターネット接続をさまざまなサブシステムに組み込むことで、全体的な効率と生産性が向上します。^[9]

1911年、VM アルツィホフスキー [ru] は「空中植物栽培について」という論文を「Experienced Agronomy」誌に発表しました。この論文で彼は、さまざまな物質を周囲の空気中に散布して根系の生理学的研究を行うという、現在では空中栽培法として知られる手法を紹介しました。アルツィホフスキーは最初の空中栽培システムを設計し、植物栽培におけるその有効性を実証しました。

1942年、W・カーターは空中栽培に関する先駆的な研究を行い、根の検査を容易にするために水蒸気で植物を栽培する方法を考案しました。^[10] 2006年以来、空中栽培は世界中の農業で広く使用されています。^[11]

1944年、LJクロッツは柑橘類の植物に霧吹きをすることで重要な発見をし、柑橘類やアボカドの根に影響を与える病気の研究に役立ちました。1952年、GFトロウェルは噴霧栽培技術を使用してリンゴの木を育てることに成功しました。^[6]

1957年、FWウェントは空中栽培法を「エアロポニックス」という造語で表現した。ウェントは根を空中に浮かべたコーヒーの木やトマトを栽培し、根の部分に栄養ミストを吹きかけて栄養を与えた。^[6]

最初の市販の空中栽培装置は、1983年にGTiによって製造され、市場に投入されました。当時、この装置は映画『スタートレックII カーンの逆襲』に触発されてジェネシスマシンと名付けられました。ジェネシスマシンは「ジェネシス発根システム」として販売されました。^[12]

GTiの装置はマイクロチップで制御されるオープンループの水駆動システムを備えていた。この装置は、空中栽培室内に高圧の水噴霧栄養剤を噴霧した。ジェネシスマシンは、水道の蛇口と電源コンセントに接続できるように設計されており、動作に必要なリソースを提供した。^[12]

空中栽培は、植物のクローン（栄養繁殖）に革命をもたらしました。空中栽培では、これまで困難または不可能と考えられていた多くの植物の繁殖が、幹挿しによってはるかに容易になりました。挿し木で繁殖すると細菌感染に敏感だった繊細な広葉樹やサボテンも、今では空中栽培システムでうまく繁殖できます。空中栽培での繁殖が成功したのは、根の周りの通気性の高い環境が根毛の発達を促進したため（Soffer and Burger, 1988）、^[13]と、空中栽培システムによる栄養供給による根と全体の成長の促進（Santos and Fisher, 2009）によるものです。^[14]さらに、発根培地がないため、根の病気のリスクが軽減されます（Mehandru et al., 2014）。^[15]

エアロポニックスは、栄養繁殖の成功率が低い植物、重要な薬用用途を持つ植物、需要の高い植物の繁殖、および特定の植物種の新しい栽培品種の作成において重要な役割を果たします。たとえば、種子と挿し木の両方で繁殖率が低い重要な薬用植物であるLeptadenia reticulata ^[15]は、エアロポニックスによる繁殖が容易であることがわかりました（Mehandru et al.、2014）。^[15]エアロポニックスは、オランダニレ病に深刻な影響を受けたUlmus Americana栽培品種を含むニレの木の入手可能性にも貢献しました（Oakes et al.、2012）。^[16]

エアロポニックスは、従来のオーバーヘッドミスト噴霧器を使用する方法よりも有利な代替手段です（Peterson et al., 2018）。^[17]オーバーヘッドミスト噴霧器には、大量の水が必要、不衛生な状態になる可能性がある、霧の噴霧範囲が不均一である、葉の栄養素が浸出する可能性があるなどの欠点がありますが、エアロポニックスはそれよりも成功率が高いです（Peterson et al., 2018 ）。 ^[17]本質的には、エアロポニック装置の使用により、無菌で栄養分が豊富で酸素が豊富で湿った環境を通じて、より速くよりきれいな根の発達が開始されるため、クローニングが容易になりました（Hughes, 1983）。^{[2] [検証に失敗]}

エアロポニックスは組織培養技術において大きな進歩を遂げ、植物のクローン作成を迅速化し、従来の組織培養技術に伴う労働集約的なステップを削減しました。エアロポニックスの注目すべき利点の 1 つは、組織培養栽培者にとって課題となっていた土壌へのステージ I およびステージ II の植え付けが不要になることです。組織培養では、植物は最初に無菌培地 (ステージ I) に植えられ、次に無菌土壌 (ステージ II) に移され、最終的に畑の土壌に移植されます。このプロセス全体は労働集約的であるだけでなく、病気、感染、および失敗も起こりやすくなります。

エアロポニックスを利用することで、栽培者は空中に根を張った植物を直接クローン化し、畑の土壌に移植することができます。エアロポニックスの根は、水耕栽培などの従来の方法と比較して、萎れ、葉の喪失、移植ショックに対してより耐性があります。さらに、空中に根を張った植物はより健康的で、病原菌感染の影響を受けにくい傾向があります。^[6]ただし、カビバエ、藻類、嫌気性細菌などの問題の発生を防ぐために、根室の相対湿度（RH）を70°F（21°C）未満に保つことが重要です。

GTi は、マイクロプロセッサで制御されるオールプラスチックの空中栽培法と装置を開発し、植物の人工生命維持の新時代を切り開きました。土壌や従来の水耕栽培法を使わずに、植物を自然に育てることができるようになりました。実際、GTi は 1985 年に革新的な空中栽培システムの特許を取得しました。

エアロポニックスは時間とコストを節約できる技術として認知されてきました。^{[引用が必要]}農業におけるエアロポニックスの経済的応用は、21 世紀に開発中です。^{[引用が必要]}

1985 年、GTi は「Genesis Growing System」として知られる第 2 世代の空中栽培ハードウェアを発表しました。この新しい装置は、クローズド ループ システムを導入したため、空中栽培技術の大きな進歩を示しました。Genesis Growing System は、マイクロプロセッサによって正確に制御されたリサイクルされた排水を利用しました。この革新により、空中栽培の機能が拡張され、種子の発芽のサポートも含まれるようになり、GTi のシステムは世界初の植物栽培と収穫を行う空中栽培システムとなりました。

注目すべきは、これらの初期のオープンループおよびクローズドループの空中栽培システムの多くが、今日まで正常に動作し続けていること です。

空中栽培は研究室から商業栽培分野へと移行した。1966年、商業用空中栽培の先駆者であるブルース・ブリッグスは、空中根付けによって広葉樹の挿し木に根を生やすことに成功した。彼は、空中根付けされた挿し木は土壌で形成されたものに比べてより丈夫で硬くなることを発見し、空中根付けは健全な原理であると結論付けた。ブリッグスは、空中根付けされた木は、水耕栽培の移植でよく見られる移植ショックを経験することなく土壌に移植できることも発見した。^[18]

1982年、イスラエルのアイザック・ニールは、圧縮された低圧空気を利用して、大きな金属容器内の発泡スチロール^[要説明]で支えられた吊り下げられた植物に栄養液を供給する空中栽培装置の特許を開発した。^[19]

1976年、英国の研究者ジョン・プレワーは英国で一連の空中栽培実験を行い、ポリエチレンフィルムチューブを使用してレタスを種子から成熟するまで22日間で栽培しました。これらの実験で使用された霧の滴は、カリフォルニア州のミー・インダストリーズが提供した装置によって生成されました。 ^[20]ジョン・プレワーと共同で、ワイト島のキングス・ナーセリーズという商業栽培業者は、1984年に異なる設計の空中栽培システムを使用してイチゴの苗を栽培しました。イチゴは繁茂して豊作となり、顧客、特に高齢者に高く評価されました。彼らは果物の清潔さ、品質、風味、そしてかがまなくても収穫できる便利さを評価しました。

1983年、リチャード・ストーナーは、プラスチック製の密閉された空中栽培室に水道水と栄養素を供給するために設計された最初のマイクロプロセッサインターフェースの特許を申請しました。その後、ストーナーは、商業的な空中栽培作物の生産のための空中栽培ハードウェア、インターフェース、生物的防除、コンポーネントの研究と開発に専念するいくつかの会社を設立しました。^[6]

ストーナーの会社であるジェネシステクノロジー社は、商業用作物生産のための温室での大規模な閉ループエアロポニックシステムの製造、マーケティング、応用において先駆的な役割を果たしました。^[21]

1990 年代、General Hydroponics [Europe] (GHE) は、趣味の水耕栽培市場にエアロポニックスを導入しようと試み、エアロガーデン システムを発表しました。エアロガーデンは、細かい霧ではなく液滴を生成するため、「真の」エアロポニックスの基準を満たしていませんでしたが、趣味の市場でエアロポニック栽培の需要を生み出しました。^{[誰が? ]}ミスト エアロポニックスと液滴エアロポニックスの区別は、多くの人の目にはあいまいになりました。^{[誰が? ]}しかし、Nutriculture という英国の会社が真のミスト エアロポニックスの試験を実施し、Nutrient Film Technique (NFT) や Ebb & Flood などの従来の栽培技術と比較して良い結果を示しました。コストとメンテナンスの欠点にもかかわらず、Nutriculture は、自社ブランドのX-stream 空中栽培器で植物を繁殖させ、特別に設計された滴空中栽培システムに移すことで、より良い結果が得られることを認識して、拡張可能で使いやすい Amazon と呼ばれる液滴空中栽培システムを開発しました。

1986年、ストーナーは空中栽培で育てた新鮮な食品を全国規模の食料品チェーンに販売することに成功した最初の人物となり、重要なマイルストーンを達成しました。彼の業績は注目を集め、NPRのインタビューに招待され、現代の農業だけでなく宇宙探査においても水の保全という観点から空中栽培の重要性を強調しました。^[11]

植物が地球の軌道に初めて遭遇したのは、1960年のスプートニク4号とディスカバラー17号という2つの別々のミッションのときでした（最初の30年間の宇宙での植物の成長に関する包括的なレビューについては、ハルステッドとスコット、1990年を参照）。^[22]スプートニク4号のミッションでは、小麦、エンドウ豆、トウモロコシ、ネギ、ニゲラダマスケナの種子を運び、ディスカバラー17号のミッションではクロレラピレノイドサの細胞を軌道に乗せました。^{[11] [23]}

これらの初期の取り組みに続いて、バイオサテライトII、スカイラブ3号と4号、アポロ・ソユーズ、スプートニク、ボストーク、ゾンドなど、バングラデシュ、中国、ソ連とアメリカの共同研究によるさまざまなミッションで植物実験が行われました。初期の研究結果は、低重力が根と芽の方向にどのような影響を与えるかを明らかにしました（Halstead and Scott、1990）。^[11]

その後の研究では、低重力が植物に及ぼす影響を、生物レベル、細胞レベル、細胞内レベルなど、さまざまなレベルで詳しく調査しました。生物レベルでは、松、オート麦、緑豆、レタス、クレソン、シロイヌナズナなどのいくつかの種が、低重力条件下では実生、根、芽の成長が低下しました。しかし、コスモスミッションで栽培されたレタスは逆の効果を示し、宇宙で成長が促進されました（Halstead and Scott、1990）。宇宙で育った植物のミネラル吸収も影響を受けることがわかりました。たとえば、宇宙で育ったエンドウ豆は、リンとカリウムのレベルが上昇しましたが、2価カチオンであるカルシウム、マグネシウム、マンガン、亜鉛、鉄のレベルは低下しました（Halstead and Scott、1990）。^[24]

1996 年、リチャード・ストーナーの有機病害防除 (ODC) に関する研究が NASA から資金提供を受けました。その目的は、農薬を使わずに植物の病気を防ぎ、収穫量を増やすことができる、閉ループ水耕栽培システム用の天然液体生物防除ソリューションを開発することでした。1997 年までに、NASA はストーナーの ODC ソリューションを使用して生物防除の実験を行いました。実験は、小型栽培チャンバーで構成される BioServe Space Technologies の GAP テクノロジーを使用して行われました。豆の種子は、MIR 宇宙ステーション、ケネディ宇宙センター、コロラド州立大学で行われた 3 回の実験で ODC ソリューションで処理され、光による影響を排除するために完全な暗闇の条件下で行われました。NASA の実験の焦点は、生物防除の利点の研究のみにありました。

NASA の MIR 宇宙ステーションとシャトルでの密閉環境豆実験の結果、ODC は発芽率の向上、発芽の改善、成長の促進、および植物の自然な病気のメカニズムの活性化を促進することが確認されました。当初は NASA 向けに開発されたものですが、ODC は宇宙での用途に限定されません。土壌栽培や水耕栽培の栽培者も、有機農業に関する USDA NOP 基準に準拠しているため、ODC を栽培技術に組み込むことができます。

ODCの農業への拡大の顕著な例の1つは、大麻産業への応用です。ODC製品ラインは、大麻のような新興農作物のために特別に開発されました。ODC大麻ラインの有効成分には、濃度0.25％のオリジナルのキトサン成分、0.28％のコロイド状窒素、0.05％のカルシウムが含まれています。^{[25] [26]}

NASA は、水耕栽培システムと空中栽培システムの植物病害に対する耐性を高め、化学添加物への依存を減らすために、これらのシステムの設計に環境生物防除を統合することを検討しています。2018 年から国際宇宙ステーション (ISS) に配備されている先進植物生息地 (APA) は、このアプローチの例です。180 を超えるセンサーを備えた APA は、化学添加物による生物防除の必要性を減らしながら、植物の成長と健康を最適化します。センサーは、照明の強度、スペクトル、光周期、温度、CO2 レベル、相対湿度、灌漑、植物由来のエチレンと揮発性有機化合物(VOC) の除去など、さまざまな環境要因を監視します。さらに、APA には、葉と根域の温度センサー、根域の水分センサー、酸素濃度計が備わっています。^{[27] [28] [29]}

これらの環境制御は、植物病の抑制において主に2つの目的を果たします。第一に、病気、菌類、害虫の増殖を直接妨げる環境条件を維持することです。温度や湿度などの要因を注意深く制御することで、環境が病気の増殖を助長しにくくなり、葉の灰色カビ病などの感染リスクが軽減されます。第二に、これらの制御は植物の自然な病気予防メカニズムを促進する条件を作り出し、間接的に植物病の影響を抑制します。たとえば、青色光条件下で行われたピーマンの実験では、うどんこ病に対する耐性が高まったことが示されています。^[30]

1998 年、ストーナーは NASA から資金提供を受け、地球と宇宙の両方で使用できる高性能の空中栽培システムを開発しました。研究を通じて、ストーナーは空中栽培システムで栽培したレタスは他の栽培技術に比べて成長率が大幅に向上することを実証しました。その後、NASA はストーナーが開発した空中栽培の進歩の多くを採用しました。

研究努力は、さまざまな重力環境で植物を急速に成長させるための技術を特定し、開発することに重点を置いてきました。低重力環境では、植物への水と栄養素の効率的な供給や老廃物の回収などの課題があります。宇宙での食料生産には、水管理、水使用量の最小化、システム重量の削減などの問題への対処も必要です。さらに、月や火星などの惑星での将来の食料生産には、低重力環境への対処が必要になります。重力レベルによって流体力学が異なるため、栄養素供給システムの最適化は、植物成長システムの開発における主要な焦点となっています。

現在、地球上および低重力環境の両方で、さまざまな栄養供給方法が採用されています。基質依存の方法には、従来の土壌耕作、ゼオポニックス、寒天、および栄養素を充填したイオン交換樹脂が含まれます。基質依存のアプローチに加えて、栄養フィルム技術、潮汐耕、空中栽培など、土壌を使用しない方法も開発されています。養液処理能力の高い水耕システムは、植物の急速な成長を実現します。ただし、これには大量の水と溶液の大幅なリサイクルが必要であり、微小重力条件での溶液の制御が課題となります。

エアロポニックシステムでは、水噴霧スプレーを使用して栄養素を送達するため、水の使用量が最小限に抑えられ、根の酸素化が促進され、植物の成長が良好になります。エアロポニックシステムの栄養溶液スループットは、低重力環境向けに設計された他のシステムと比較して高くなっています。エアロポニックスでは基質が不要になり、他の生命維持システムで管理しなければならない廃棄物の量が減少します。基質の必要性がなくなることで、植え付けと収穫のプロセスが簡素化され、自動化が容易になり、消耗品の重量と体積が削減され、病原体の伝染の潜在的な経路が排除されます。これらの利点は、微小重力環境でのエアロポニック生産の可能性と、宇宙での食料生産における効率性を浮き彫りにしています。^{[2] [検証失敗]}

1999年、NASAは宇宙と地球の両方で高性能な食料生産を行うための膨張式低質量空中栽培システム（AIS）の開発を支援するために資金を割り当てました。^[31] AISは、空中栽培環境で植物の根に栄養素とミストを供給するように設計された自己完結型で自立型のシステムです。その膨張式構造は軽量であるという利点があり、輸送中や保管中に収縮させて容積を小さくすることができます。この現在のバージョンのAISは、製造と輸送にコストがかかる傾向がある剛性構造を採用した以前の設計よりも改良されています。^[21]

地球上では、材料費と輸送費が、商業栽培者にとって空中栽培システムの経済的実現可能性に対する課題となる可能性があります。しかし、宇宙輸送のペイロード質量による制限を考慮すると、これらの課題はさらに顕著になります。

これらの制限を克服するために、NASAは膨張式居住施設や構造物用の過酷な宇宙環境に耐えられる特殊な材料を開発しました。アラミド繊維に似たこれらの材料は現在、ビゲロー・エアロスペースによる膨張式居住施設の開発に使用されています。ビゲローの膨張式活動モジュールの1つを使用して宇宙で成功したテストが行​​われ、宇宙環境でのこのような膨張式構造物の実現可能性が実証されました。^{[32] [33]}

エアロポニックスは、植物栽培方法としてその有効性と効率性に貢献する数多くの特性を備えています。

エアロポニックスで育てられた植物は、99.98% の時間を空気中で過ごし、水噴霧された栄養液と直接接触するのはわずか 0.02% です。水との接触が最小限であるため、根は効率的に酸素を捕捉できます。さらに、水噴霧されたミストは、根に効果的に酸素を供給する上で重要な役割を果たします。エアロポニックスと栄養フィルム技術(NFT) を比較すると、エアロポニックスの栄養スループットは 1.5 ミリリットル/分であるのに対し、NFT は 1 リットル/分であることがわかります。

空中栽培における栄養素のスループットの減少は、植物の発育に必要な栄養素の総量の減少につながります。

スループットの削減によるもう 1 つの利点は、特に宇宙用途に関係しますが、使用される水の量が減ることです。水の量が減ると、植物の成長に必要な重量が軽減されるだけでなく、バ​​ッファーの量も減ります。さらに、空中栽培では植物から排出される排水の量が最小限に抑えられるため、再利用のために処理が必要な水の量も減ります。

エアロポニックスでは比較的少量の溶液を使用し、水噴霧ミストへの根の露出を制限することで、根同士の接触を最小限に抑え、植物間の病原体の拡散を減らします。

エアロポニックスは、水耕栽培などの他の植物栽培システムと比較して、根域の周囲の環境をより細かく制御できます。エアロポニックスでは、植物の根は培地によって継続的に囲まれることはありません。

エアロポニックスでは、以前の溶液やマトリックスを洗い流すことなく、さまざまな栄養溶液を根域に投与できる柔軟性があります。この高度な制御は、さまざまな栄養療法が特定の植物種に与える影響を研究するのに特に役立ちます。さらに、エアロポニックスでは、他の栄養供給システムと比較して、より幅広い成長条件が可能です。たとえば、栄養スプレーの間隔と期間は、植物種の特定の要件を満たすように細かく調整できます。つまり、地上組織は根とは異なる環境を経験できるということです。

空中栽培システムの設計により、植物の取り扱いが容易になります。これは、植物が個別に分離され、根を絡め取る可能性のあるマトリックスが一切ない状態で空中に浮遊しているためです。その結果、各植物の収穫が簡単な作業になります。同様に、感染した植物の除去も、近くの植物を根こそぎにしたり汚染したりするリスクなしに簡単に行えます。

エアロポニックシステムは、他のシステムと比較してコスト効率に優れています。前述のように、溶液処理量の削減により、システムに必要な水と栄養素の量が少なくなります。さらに、基質が不要になり、多くの可動部品が不要になることで、コスト削減にもつながります。

エアロポニックスは、種子ストックにおける病原菌の悪影響を最小限に抑えるソリューションを提供します。前述のように、植物の分離と共有成長マトリックスの不在がこの利点に貢献しています。さらに、エアロポニックスは密閉され制御された環境を提供するため、病原菌のない種子ストックを栽培するのに理想的なシステムです。密閉された成長チャンバーと植物同士の隔離を組み合わせることで、外部の病原菌による初期汚染を防ぎ、植物間での既存の病原菌の拡散を制限します。

エアロポニックスは、植物の人工的な生命維持における大きな進歩であり、植物にダメージを与えないサポート、効率的な種子の発芽、正確な環境制御、無制限の成長などの利点を提供します。数十年にわたって使用されてきた水耕栽培や点滴灌漑などの従来の農業技術と比較して、エアロポニックスは植物栽培に顕著な改善をもたらします。

現代の空中栽培技術は、コロラド州ボルダーのコロラド大学キャンパスにあるNASA の BioServe Space Technologies ( Wayback Machineに 2018-06-15 にアーカイブ) で広範に研究されてきました。この研究センターは、空中栽培システムの開発と商業化に重点を置いています。さらに、エイムズ研究センターの科学者は、将来の宇宙植民地化の取り組みをサポートするために、低重力環境で食用作物を栽培する方法を調査する密閉ループシステムの研究を実施しました。

2000年、ストーナー氏は空中栽培システムでの無農薬栽培を可能にする有機病害防除生物防除技術の特許を取得しました。

エアロポニックスにおける注目すべきマイルストーンは、2004年にエアロファームズの創設者エド・ハーウッドがマイクロフリース布を使ってレタスを栽培する革新的なエアロポニックスシステムを発明したときに起こりました。^{[34] [35]}エアロファームズは、ハーウッドの特許取得済みのエアロポニックス技術を活用し、現在、ニュージャージー州ニューアークで年間栽培能力に基づいて世界最大の屋内垂直農場を運営しています。この最先端の農場は、エアロポニックス技術を採用し、毎年最大200万ポンドの無農薬葉物野菜を生産し、配布しています。

エアロポニックバイオファーミングは、植物内で医薬品を栽培するために使用される革新的なアプローチです。この技術は完全な封じ込めを提供し、バイオ医薬品作物の廃液と副産物が閉ループ施設内に閉じ込められることを保証します。2005 年の注目すべき開発では、サウスダコタ州立大学のニール リース博士がエアロポニックスを使用して遺伝子組み換えトウモロコシを栽培する GMO 研究を実施しました。

リース博士は、バイオマス用の空中栽培システムでトウモロコシを栽培することに成功したことは大きな成果だと考えています。これまで、水耕栽培を使用してさまざまな種類のトウモロコシを栽培する試みは失敗に終わっていました。

リース博士は、高度な空中栽培技術の導入により、遺伝子組み換えトウモロコシの成熟した穂を収穫すると同時に、トウモロコシの花粉と使用済み排水を効果的に封じ込め、環境への放出を防ぐことに成功しました。この封じ込めにより、周囲の環境が GMO 汚染から守られます。

リース博士は、エアロポニックスは経済的に実行可能なバイオファーミングの実践の可能性を秘めており、医薬品生産の有望な手段になると強調している。^[11]

2006年、ベトナム国立農業大学のバイオテクノロジー研究所はストーナーと共同で、空中栽培に重点を置いた大学院博士課程を設立しました。グエン・クアン・タック教授が率いる農業バイオテクノロジー研究センターは、空中栽培の研究室を利用して、ベトナムのミニ塊茎ジャガイモの生産を促進し、認定された種イモの栽培に取り組んでいます。

この開発は、国家が農業部門を強化し、農業の経済成長を促進し、高まる需要に応え、食品の品質を改善し、全体的な生産量を増やすために空中栽培を特に優先した初めての事例であり、歴史的に重要な意義を持っています。

「我々は、他のどの農業技術よりも空中栽培がベトナムのジャガイモ生産を大幅に向上させることを証明しました。耕作可能な土地がほとんどないため、空中栽培は我々にとって完全に経済的に理にかなっています」とタック氏は断言した。^[36]

ベトナムの農業におけるエアロポニックスの導入は、低コストで無病の有機ミニ塊茎の生産から始まります。これらのミニ塊茎は、種芋や商業用ジャガイモの畑植えに従事する農家への現地供給品として役立ちます。エアロポニックスの導入により、農薬を使用せずに栽培された無病の種芋がジャガイモ農家に提供されるため、農家は恩恵を受けるでしょう。重要なことに、タック氏によると、エアロポニックスは運営コストを削減し、収穫量を増加させることにもなります。^[11]

• 気根
• 植物の栄養

• NASA Web サイト: Aeroponic Plants
• NASA Web サイト: 空中栽培による高性能食料生産 (2012 年 3 月 26 日、Wayback Machineにアーカイブ)
• NASA Web サイト: 低質量エアロポニックス ( Wayback Machineで 2012-03-26 にアーカイブ)
• 「宇宙飛行植物栽培のための空中栽培の再検討」
• 宇宙飛行士ドン・ペティット、ISS第31次長期滞在でズッキーニを栽培
• AeroFarms (有料)