「マイクロプラスチック汚染」解決へのアプローチ~コストへの挑戦

(写真:ロイター/アフロ)

 先日、生分解性のあるプラスチックを補強するための素材を入れても、強度と生分解性が保たれることを確認したという発表があった。マイクロプラスチックによる海洋汚染が問題になっているが、技術的な解決法がまた一つ加わったことになる。気になるコストの問題はどの程度クリアになっているのだろうか。

生分解性プラスチックとは

 このリリースは、NEDO(国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構)と産総研(産業技術総合研究所)、京都大学が発表したもので、プラスチック補強用機能性ナノ繊維として用いられるアセチル化リグノセルロースナノファイバー(アセチル化リグノCNF)という素材で生分解性プラスチックを補強しても良好な生分解性を確認したという。この成果により、高強度の生分解性プラスチック材料の開発が期待される。

 生分解性というのは、物質が土の中や水の中など自然環境中に存在する微生物によって分解される性質のことだ。生分解性プラスチックは、こうした環境中にいる微生物によって分解され、最終的には二酸化炭素と水になる。

 プラスチック汚染への対策としては、環境中へこれ以上、汚染物質を出さないことが重要だ。さらに、自然環境で無害な状態で分解される素材でプラスチック製品を作ることが求められている。今回の成果は、後者を実現するための技術ということになる。

 環境中へ放出されたプラスチックは、その多くが風雨や紫外線で細かく砕け、海水などより重いものは沈み、軽いものは水面を漂いながら拡散する。マイクロプラスチックは、1~5ミリに砕かれたプラスチックの破片、ペットボトルや漁具などのプラスチック片、フリースなどの化学繊維、タバコのフィルターなどによる微粒子だ。

 プラスチックは、内分泌撹乱などを引き起こすとされるビスフェノールA(bisphenol A、BPA)、発がん性のあるポリ塩化ビフェニル(PCB)、ポリスチレン(polystyrene)などを発生させる。また、マイクロプラスチックなどの細かく砕かれたプラスチック素材は、これらの有害物質を吸着し、生物の体内へ取り込まれてシャチやヒトなど生態系の上位にいる生物の脂肪などに蓄積する危険性が指摘されている。

 プラスチック製品の製造時に添加されるフタル酸エステル類が影響し、それが内分泌撹乱物質、いわゆる環境ホルモンになるのではないかと危惧する研究者も多い。最近の調査研究では、海洋生態系の上位にいるイルカからフタル酸系の化合物が検出されている(※1)。

 WHO(世界保健機関)は、プラスチック製品やゴム製品に共通して使用されるスチレン(Styrene)に発がん性が疑われると発表している。これはスチレンを使用する仕事に就いていた7万3036人を対象にした長期間の追跡調査で、スチレンの暴露によりリンパ性がんのリスクが上がることを示唆している(※2)。

 また、マイクロプラスチックの汚染が世界の水道水に含まれていることを明らかにした研究もある(※3)。これは米国のミネソタ大学などの研究チームによるもので、世界の水道水(159サンプル)や北米五大湖沿岸で作られているビール(12ブランド)、商用の海水塩(12ブランド)のサンプルを調べたという。その結果、81%にプラスチックの粒子が混ざっていたことがわかった。

マイクロプラスチック汚染

 この研究で調べられた粒子の構成は、0.1~5mmの大きさの繊維状のものが大半(98.3%)だった。繊維質のプラスチックはフリースなどの衣類由来と考えられるが、マイクロプラスチックは野生生物だけではなく、日々の食事や飲料水に混ざって我々の体内にも入り込んでいるだろう。

 植物繊維系や無害な化学合成系などこうした研究は多い。天然繊維の複合材の研究は自動車用の部品などで開発が進められているが、米国のコロラド大学の研究グループが採用したコハク酸(ポリヒドロキシ酪酸、Polyhydroxybutyrate、PHB)という微生物でプラスチックを分解する研究がある(※4)。バクテリアで作るバイオマス由来のコハク酸は、毒性もなく環境中で分解し、コスト面や生産性で有望だという。

 環境中にあるプラスチックを微生物に食べさせるという研究も多い。中国科学院などの研究グループは、ある真菌がポリウレタンを分解することを発見し(※5)、2017年にはプラスチックを食べる昆虫の幼虫がいるという研究報告が出て話題になった(※6)。

 こうした研究開発のほか、格段に安い従来の化石燃料製よりコスト面で同等か勝る生分解性を持つプラスチック製品にも期待が寄せられてきた。生分解性プラスチックは製造原価が高いという高コストと強度が低いという弱点があったが、強度を補う材料を入れると生分解性が落ち、その材料による安全性も担保できなくなる。強度と生分解性、安全性はトレードオフの関係だった。

 今回の成果発表で使われたアセチル化リグノセルロースナノファイバー(アセチル化リグノCNF)は木質バイオマスを原料にした自然素材だ。このアセチル化リグノCNFを生分解性プラスチックに補強材として混ぜて複合材料にする。アセチル化リグノCNFは安全性も担保され、生分解性の高いプラスチックに混ぜても高強度と生分解性を保っていたという。

画像

アセチル化リグノCNFで補強した生分解性プラスチック:NEDOのリリースより

高コストをどうするか

 問題はコストだが、今回のアセチル化リグノCNFの製造コストは1300円/kgとのことだ。世界の経済状況や為替、ナフサや添加剤など原材料代の上下動にもよるが、HDPE(高密度ポリエチレン)やPP(ポリプロピレン)の原価が約75円/kg、一般的なPET(ポリエチレンテレフタレート)最終製品の製造原価は400~600円/kgなので、アセチル化リグノCNFだけでもまだ倍以上する。ただ今後、多くの需要が見込まれれば量産効果でコストは下がるだろう。

 今回の成果は、セルロースナノファイバーの製造から生分解性プラスチック材料との配合、原材料の複合化まで一貫して行う、京都大学の生存圏研究所による「京都プロセス」で行われた。京都プロセスでは、すでに年間1トンのセルロースナノファイバーを製造することのできるプラントを立ち上げている。

 京都プロセスで作られた生分解性プラスチックを実際のプラスチック製品に使い、商品として製造販売する事例はあるのだろうか。NEDOによれば、商品としての製造販売した例は現時点で把握していないそうだ。

 製造販売のハードルはやはりコストだ。NEDOは、セルロースナノファイバーの市場調査や技術動向を整理し、社会実装に向けた取り組みを推進していくとする。

 一方、アセチル化リグノCNFは、セルロースナノファイバーに特定の化学的性質(アセチル基)を与えるアセチル化した一種のパルプだが、このアセチル基の置換度(0.69)を変化させ、海水中での生分解性を持たせたアセチル化リグノCNFの開発を進めているという。今後、海洋での生分解性を確認できれば、海洋プラスチックごみ問題の解決に寄与できる可能性がある。

※1:Leslie B. Hart, et al., "Urinary Phthalate Metabolites in Common Bottlenose Dolphins (Tursiops truncatus) from Sarasota Bay, FL, USA." GeoHealth, doi.org/10.1029/2018GH000146, 2018

※2:Mette Skovgaard Christensen, et al., "Styrene Exposure and Risk of Lymphohematopoietic Malignancies in 73,036 Reinforced Plastics Workers." Epidemiology, Vol.29(3), 342-351, 2018

※3:Mary Kosuth, et al., "Anthropogenic contamination of tap water, beer, and sea salt." PLOS ONE, doi.org/10.1371/journal.pone.0194970, 2018

※4:Xiaoyan Tang, et al., "Chemical synthesis of perfectly isotactic and high melting bacterial poly(3-hydroxybutyrate) from bio-sourced racemic cyclic diolide." nature COMMUNICATIONS, Doi: 10.1038/s41467-018-04734-3, 2018

※5:Sehroon Khan, et al., "Biodegradation of polyester polyurethane by Aspergillus tubingensis." Environmental Pollution, Vol.225, 469-480, 2017

※6:Carina Weber, et al., "Polyethylene bio-degradation by caterpillars?." Current Biology, Vol.27, Issue15, PR744-R745, 2017