カリ溶解菌とは？土の中のカリウムを作物が使える形にする土壌微生物とカリウム肥料の減らし方

多くの農地には10アールあたり数百キロものカリウムがありますが、そこで育つ作物はそのほとんどに手が届きません。土のカリウムの90から98%は長石、雲母、粘土鉱物の結晶構造の中に閉じ込められており、鉱物が風化したときにしか放出されません。通常の条件では数年から数十年かかります[1]。植物が1シーズンに吸収できるのは、土壌溶液に溶けているか粘土の表面にゆるく保持されている1から2%で、カリウム肥料を施用して補充しているのはこの小さな部分です。

カリ溶解菌は、残りの98%に働きかけます。最もよく研究されているのはBacillus mucilaginosusで、有機酸と粘り気のある多糖を分泌して、鉱物の結晶格子からカリウムを引き出し、根圏での鉱物の風化を速めます[2][3]。このガイドでは、その仕組み、実績のある菌株、研究が示していること、そして微生物を使う場合と使わない場合の土へのカリウムの補い方をまとめます。カリウムの施肥に微生物資材を取り入れるかどうかを検討している生産者と営農指導者、そして資材を供給する販売代理店に向けた内容です。これらの微生物がリン酸や窒素に関わる微生物とどう組み合わさるかの全体像は、まず有用な土壌微生物の働きのガイドをご覧ください。

この記事のポイント

• 土のカリウムは4つの形態に分かれます。今シーズンの作物が使えるのは、水溶性と交換性のカリウムだけで、全体の1から2%です。残りは鉱物の中にあります。
• カリ溶解菌は、鉱物の表面を溶かす有機酸と、鉱物に結びついてその酸をとどめる多糖を分泌し、長石、雲母、イライトからカリウムを放出します。
• Bacillus mucilaginosusが基準となる菌株です。他のいくつかのBacillus属と糸状菌のAspergillus nigerも副次的な機能としてカリウムを溶かすため、複数菌株のブレンドは通常この機能もカバーしています。
• 査読付きの試験では、特に土の総カリウムは多いのに有効態カリウムが少ない場合に、接種した作物でカリウム吸収量と生育が増えています。効果は土と鉱物の組成によって変わります。
• 土にカリウムを補う最も速い方法は、今もカリウム肥料です。微生物はカリウム肥料を置き換えるのではなく、必要な量と固定されてしまう量を減らします。
• ABIは米国ウィスコンシン州でBacillus mucilaginosusを1グラムあたり100億CFUで製造しています。単一菌株でも特注ブレンドでも供給し、すべてのロットでPCRにより菌株の同一性を確認しています。

目次

1. カリ溶解菌とは？
2. 土のカリウムはどこにあるか：4つの形態
3. カリ溶解菌の働き
4. カリウムを溶かす菌株
5. 研究が示していること
6. 土にカリウムを補う方法
7. 植物と作物のカリウム欠乏のサイン
8. 施肥体系でのカリ溶解菌の使い方

1. カリ溶解菌とは？

カリ溶解菌（研究文献ではKSBと略され、カリウム動員菌と呼ばれることもあります）は、溶けにくい鉱物性のカリウムを、植物の根が吸収する溶けたカリウムイオン（K+）に変える土壌微生物です[2]。この言葉は特定の科ではなく、機能によるグループを指します。文献の多くがもとにしているのはBacillus mucilaginosus（Paenibacillus mucilaginosusとしても分類されます）で、ほかにBacillus edaphicus、Bacillus circulans、いくつかのPseudomonas属とBurkholderia属、Acidithiobacillus ferrooxidans、Frateuria aurantiaも知られています[2][3]。糸状菌では、Aspergillus nigerとAspergillus terreusが同じ化学的な仕組みで同じ働きをします[3]。

これらの細菌は、もともとカリウムを含む岩石の表面から分離されました。そこでは鉱物を風化させ、中の養分を得て生きています。根圏でも根のそばで同じことをし、根の分泌物を餌にしながら、同じ鉱物に含まれるケイ素、リン、微量要素とともにカリウムを放出します。これを微生物資材として使うということは、風化させる鉱物性カリウムがたっぷりある土で、実績のある風化菌を高密度で根のある場所に置くということです。

2. 土のカリウムはどこにあるか：4つの形態

カリウムは、土の中では通常三要素のうち最も多く、土の重量の0.5から2.5%程度を占めます。作土層では10アールあたり数トンになります[1]。しかし、使えるものはほとんどありません。土壌学では、互いに平衡している4つの形態に分けて考えます[1]。

一般的な土壌診断で測っているのは最初の2つで、それを有効態カリウム（交換性カリ）として報告します。総カリウムが膨大な土でも、この数字は低く出ることがあり、その差の部分こそがカリ溶解菌が働きかけるカリウムです。

カリウムは、十分に施肥された圃場でも管理が難しい養分です。施用したカリウム肥料はその場にとどまりません。2:1型粘土の多い土では、施用のたびに一部が粘土の層の間に固定され、溶脱からは守られますが、作物からも遠ざけられます。乾湿を繰り返すと、さらに固定が進みます[1]。またカリウムは、植物が吸う水と一緒に流れてくるのではなく、主に土壌水の中を拡散して根に届きます。拡散は土が乾くと急に遅くなるため、春の土壌診断で問題がなかった圃場でも、乾いた夏にカリウム欠乏の症状が出るのです[4]。根が大きく、よく広がっている作物ほど、そこにあるカリウムに多く届きます。

3. カリ溶解菌の働き

その化学は、細菌の細胞の周りの薄い膜の中で速く進む鉱物の風化です。主に3つの仕組みが働いています[2][3][5]。

有機酸の生産。カリ溶解菌は、シュウ酸、クエン酸、酒石酸、グルコン酸、コハク酸、リンゴ酸などの低分子の有機酸を分泌します。酸が鉱物の表面のpHを下げると、水素イオンが格子からカリウムイオンを追い出し、酸のカルボキシル基が格子を支えるアルミニウム、ケイ素、鉄をキレートします。それらが抜けると、カリウムも一緒に出てきます。多くの研究でシュウ酸とクエン酸が最も効果的とされているのは、酸であると同時に強いキレート剤だからです[2]。

菌体外多糖。Bacillus mucilaginosusの名前の由来になった性質です。この細菌は、細胞を鉱物の表面に貼りつけるぬめりのある多糖の莢膜をつくります。莢膜は分泌した酸を拡散させずに鉱物に押し当て、放出されたカリウムとケイ素を吸収するため、周りの濃度が低く保たれ、風化の反応が前に進み続けます[3][5]。長石の粒の上でバイオフィルムとして育つ細胞は、同じ溶液の中を漂う細胞よりはるかに速く鉱物を風化させます。

根の生育と根圏への効果。同じBacillus属の菌株は、主にインドール-3-酢酸などの植物ホルモンをつくり、根の分枝と根毛の密度を高めます[2]。カリウムは短い距離を拡散して根に届くため、より多くの土を探る根は、どれだけ溶かされたかにかかわらずより多くのカリウムを取り込みます。圃場試験では、この根への効果と溶解の効果を分けるのは難しく、生産者にとってはどちらがカリウムを届けたかはあまり問題ではありません。

その結果、根圏では鉱物のカリウムから溶液へ、少しずつ絶え間なくカリウムが放出され、粘土に再び固定される前に根が吸収できる距離で供給されます。何世紀もかけて土に有効態カリウムを蓄えてきたのと同じ風化を、風化を進める微生物を根のすぐそばに大量に置くことで速めているのです。

4. カリウムを溶かす菌株

カリウムを溶かす力は、菌株によって大きく違います。同じ種でも分離株ごとに放出するカリウムの量が大きく異なるため、ラベルの種名よりも、菌株そのものとその実績が重要です[2]。下の表は、ABIの製品のうちカリウムへの働きが意味のあるものを、各菌株ページで公開している機能プロファイルのスコア順に並べたものです。

カリウムが目的なら、指定すべき菌株はBacillus mucilaginosusです。ほかの菌株が表にあるのは、カリウムを抱える鉱物にはケイ素も、アパタイトの包有物があればリンも含まれ、一つを解き放つ有機酸がほかのものも解き放つからです。よく設計された施肥用ブレンドが、カリウムの菌株とBacillus megateriumやPenicillium bilaiaeのようなリン酸の菌株を組み合わせるのはそのためで（リン溶解菌（細菌と糸状菌）のガイドで解説しています）、既存の施肥体系にカリウムの菌株を加えた生産者が、リンの数字も変わるのを目にすることが多いのもそのためです。

製品を比べるときは、2つの点に注意してください。一つは、属の名前だけを根拠に、実績のない菌株にカリウムを溶かすと書いているラベルがあることです。その分離株自体のデータを供給元に求めてください。もう一つは、B. mucilaginosusのようなぬめりをつくる菌のCFUは、すっきりした芽胞形成菌よりもともと低いことです。これは普通のことで、CFUとは何かのガイドで解説しています。1グラムあたり100億CFUは、この種としては高い数字です。

5. 研究が示していること

カリウムの溶解は何十年も研究されてきました。ほとんどの研究で、接種した作物のカリウム吸収量が増えていますが、その増え方には大きな幅があります。

管理された試験では、長石またはイライトを加えた土で育てた小麦にBacillus edaphicusを接種すると、無接種の対照に比べてカリウム吸収量と生育が増え、培養でもこの菌が両方の鉱物からカリウムを放出しました[6]。安価なカリウム含有副産物である廃雲母とともにBacillus mucilaginosusを施用すると、2種類の土でスーダングラスのカリウム吸収量が増え、シーズンを通して非交換性カリウムから有効態カリウムへの移行が進みました[7]。リン鉱石とカリウム鉱石に加えてカリ溶解菌とリン溶解菌を一緒に接種すると、接種しない同じ鉱石に比べて、ナスで両方の養分の可給性と吸収量が増えました[8]。2014年のMeenaらのレビューは、穀物、野菜、油糧作物でカリ溶解菌の接種によりカリウム吸収量が増え、多くの場合収量も増えたとする研究を集め、効果が最も大きいのは総カリウムが多く有効態カリウムが少ない土であり、水溶性のカリウム肥料ではなく雲母や長石のような低品位の鉱物資源を使う場合だと結論づけています[2]。

反応の大きさは、土にどのカリウム鉱物が含まれているかで変わります。イライトと黒雲母は風化しやすく、微斜長石は風化が遅い鉱物です。水溶性のカリウム肥料をすでに十分に施用している場合は、そもそも作物がカリウム不足ではないため、反応は小さくなります。また、発表された研究の多くは温室または短期の圃場研究なので、正しい読み方は「仕組みは一貫しているが、圃場での大きさはさまざま」であり、決まった割合ではありません。

ABI自身のデータも同じ方向を示しています。2020年に米国テネシー州東部の生鮮市場向けトマトで行った事例では、Waypoint Analyticalによる土壌分解分析で、目に見えて栄養不足の株が育つ土に10アールあたり数百キロのカリウムがあることがわかり、BeCropのDNA分析では、養分を使える形にする生物学的な経路の働きが低いことが示されました。ABIの複数菌株の微生物資材を施用して3週間後、葉のカリウム濃度は約20%上がり、リンと窒素もともに上がりました。生育期中の2回の植物体分析にもとづくため、これは管理された試験ではなく圃場での観察ですが、微生物が取り残された土のカリウムを作物が吸収できるカリウムに変える様子を直接示しています。この事例の窒素の側面は窒素利用効率のガイドで紹介しています。

6. 土にカリウムを補う方法

この疑問を持つ生産者が知りたいのは、たいてい2つです。欠乏症が出ている作物への最も速い対処と、毎年その対処をしなくてすむ方法です。

まず土壌診断から。有効態カリウム（交換性カリ）が、その土と作物の基準値より低ければ、作物は今シーズンカリウムの施用に反応します。米国のコーンベルトの畑作物では、酢酸アンモニウム法で120から170 ppm程度が目安とされていますが、日本では都道府県の土壌診断基準や施肥基準に従ってください。診断値が基準付近かそれ以上なのに作物が欠乏のように見える場合は、吸収の問題を示しています。多くは乾燥、土の固締、根の障害、固定が原因で、カリウム肥料を増やしても解決しません。

土にカリウムを補う最も速い方法は、水溶性のカリウム肥料です。塩化カリ（塩加、K2O 60%）が最も安く一般的で、硫酸カリ（硫加、K2O 50%）は塩素を嫌う作物に向き、硫黄も補えます。硝酸カリや硫酸カリ苦土は、園芸作物などの施肥体系に合います。植付け前に全面施用して混和するか、植付け時に作条施用します。価値の高い作物で生育期中に急いで対処するには、水溶性の肥料をかん水と一緒に施用するか、葉面散布用のカリウム資材で時間を稼ぎます。水溶性のカリウムは数日で根が使えるようになり、この速さには微生物はかないません。

自然な方法で土にカリウムを補うには、草木灰（効きが速く、pHを上げるので控えめに）、海藻粉末などの海藻資材、堆肥と家畜ふん（穏やかだが安定した供給源で、カリウムを多く与えた家畜のふんはかなりの量になることもあります）、そして緑砂（グリーンサンド）や花崗岩・長石の粉末があります。最後のグループは非常にゆっくり放出される鉱物性のカリウムで、カリ溶解菌が最もよく働く材料です。研究で両者が組み合わされるのはそのためです[2][7]。

長期的にカリウム肥料を減らすには、土が自らの蓄えからカリウムを供給する力を高めます。根を育て、かん水できるなら吸収の盛期に土を湿らせておき、土の固締を避け、総カリウムが多い土で実績のあるカリ溶解菌を根圏に置きます。ほとんどの農地では総カリウムは多いものです。総カリウムが多く有効態カリウムが少ない土では、微生物を使う方法こそが、収量を落とさずにカリウム肥料の量を減らす手段になります。

7. 植物と作物のカリウム欠乏のサイン

カリウムは植物の中で動きやすいため、不足すると古い葉から新しい生育に回され、症状は株の下のほうから現れます。典型的なサインは古い葉の葉縁に沿った黄化で、やがて縁が茶色く枯れたようになりますが、中肋は緑のままです。トウモロコシでは、茎が弱く、中がスカスカになって生育後半に倒伏し、穂の先端まで実が入らなくなります。ダイズでは、古い葉と中位の葉に葉縁の黄化が出て、生育が不そろいになり、圃場の中で最も乾いた、固いところで症状が重くなりがちです。アルファルファでは葉縁に小さな白や黄色の斑点が出ます。果樹や野菜では、果実が小さい、熟し方がふぞろい、糖度が低いといった形で現れます。カリウムは果実への糖の転流を担うからです[4]。

乾いた土ではカリウムの拡散が妨げられるため、診断では十分だった土でも乾燥が続くと欠乏症が出て、雨が降ると消えることがよくあります。このパターンは吸収の問題の特徴で、根を大きくし、根圏を活発にすることが最も効果を発揮する場面です。

8. 施肥体系でのカリ溶解菌の使い方

ABIのお客様の経験と研究から得られた、いくつかの実用的なルールを紹介します。

土に合わせる。反応が最も強いのは、鉱物性カリウムが豊富で有効態の数字が低い土です。花崗岩や雲母を多く含む母材に由来する風化土、施用したカリウムを固定してしまう粘土の多い土、交換性カリウムが長年の作付けで少なくなった圃場などです。鉱物性カリウムの少ない砂質土では放出できるカリウムも少ないため、根の生育への効果と、鉱物性カリウム資材との組み合わせに頼ることになります。

早めに、根圏へ施用する。ABIのBacillus mucilaginosusは、10アールあたり約125から250グラムを点滴かん水、かん注、養液土耕で施用するか、植付け時に土壌施用し、生育期に2回目を施用します。この菌には、作物のカリウム需要がピークを迎える前に、定着して鉱物の表面にバイオフィルムをつくる時間が必要です。多くの作物でピークは旺盛な栄養成長期から生殖成長の初期です。生育途中の対処よりも、植付け時の作条施用（10アールあたり約25から50グラム）か、最初のかん水と一緒の施用が効果的です。

適切なパートナーと組み合わせる。カリウムの菌株、リン酸の菌株、そしてBacillus subtilisのような幅広いPGPRを組み合わせると、1回の施用で鉱物溶解の3つの主な機能をカバーできます。さらに内生菌根菌を加えると、作物が自力では届かない土まで根の働きが広がります。ABIはこうした組み合わせを、目的の機能と菌株ごとのCFUでカスタムブレンドビルダーで指定しています。買う側から見たその流れは特注微生物ブレンドの製造ガイドで解説しています。

化学的な相性を守る。液体肥料は希釈してからタンクで混合し、微生物は除草剤、殺菌剤、殺細菌剤などの農薬とはタンク混合せず、散布間隔は技術資料の指示に従ってください。これらの菌株は芽胞形成菌で、幅広いpHと温度に耐えますが、希釈していない濃縮液のタンクに入れると、製品を無駄にしてしまいます。

測って確かめる。処理区と無処理区で同じ生育ステージに植物体のカリウムを分析し、土壌診断の有効態カリウムを年ごとに追ってください。収量マップよりもこの2つの数字のほうが、土自身のカリウム供給力がより多くを担い始めているかどうかを教えてくれます。

仕入れをご検討の方へ：ABIは米国ウィスコンシン州の工場でBacillus mucilaginosusと上記のBacillus属菌株を製造しています。単一菌株なら1グラムあたり100億CFUで、またはご指定の仕様で配合し、すべてのロットでPCRによる菌株の同一性確認と分析証明書を付けています。仕様と価格を問い合わせる、またはブレンドの仕様を決めることができます。