物質の循環：天然素材の微生物分解と炭素の再利用

衣服が役割を終えた後、物質としてどのように環境へ作用し、移行していくのか。本稿では、物理学と生物学の観点から、衣服の分解と循環に関する観測および実証の記録を公開する。
なお、本稿に記載する生化学的・熱力学的なプロセスの対象は、生地から縫製糸、副資材に至るまで「天然素材100%」かつ「天然染料のみ」で構成された衣類である。

微生物と酵素による分解プロセスの観測

現在、内部に構築した微生物培養システム（バイオリアクター）において、高密度に織り上げた綿ローン生地の分解プロセスを観測している。 実験開始から2週間が経過した現在、バイオリアクター内の微生物環境が整い、これから本格的な分解が始まろうとしている段階にある。生地の形状は現在もそのまま保たれている。 一方で、比較検体として「セルロース分解酵素」のみを入れた水溶液環境下においては、6日目が経過した時点で生地を手で引きちぎれるほどに物理的強度が低下する変化が確認された。 これらの結果は、特定の分子結合を切断する酵素の直接的な作用に対し、多様なバクテリアが拮抗する自然に近い土壌環境下においては、高密度な生地が分解プロセスに入るまでに、環境の構築を含めた相応の時間を要するという生物学的な事実を示している。

植物繊維の土壌還元と生化学的メカニズム

衣服を土壌環境に還元する際、繊維の組成によって生化学的なプロセスは異なる。 ウールやシルクなどの動物性繊維はタンパク質を主成分としており、土壌や植物に必要な「窒素」を含んでいる。そのため、堆肥化（コンポスト）のプロセスを経ることで、土壌に対する直接的な有機栄養源に変わり得る。 対して、綿や麻などの植物性繊維の主成分は「セルロース（(C₆H₁₀O₅)n）」である。これは植物が吸収した水と二酸化炭素（炭素）で構成されており、繊維自体に窒素は含まれていない。 植物性繊維を土壌に入れた場合、微生物はセルロースを炭素源（エネルギー）として利用し分解を進める。その際、微生物は自らの体を構成するために周囲の土壌から窒素を取り込むため、状況によっては一時的に土壌内の窒素が減少する現象（窒素飢餓）が起きるメカニズムが存在する。 高密度な生地の場合は分解スピードが緩やかであるため、急激な窒素不足は起こりにくいとされる。長期間にわたって少しずつ分解が進み、増殖した微生物が寿命を迎えて代謝を繰り返すことで、最終的にその死骸（菌体）が土壌の有機物（栄養）へと変わっていくのが、土壌環境下における植物繊維の循環プロセスである。

熱分解（炭化）による炭素の固定化

土壌での生化学的分解には長期的な時間を要するため、別の物理的アプローチとして「熱分解（炭化）」によるプロセスの実証を今後行っていく。 無酸素状態で植物繊維を加熱（熱分解）すると、生地に含まれる水分や、分子構造から分離した水素と酸素が結びついて水蒸気となり、大気へ解放され、水のサイクルへと戻る。そして構成要素である炭素はガス化せずに残る。 計算上の目安として、500gの植物繊維の衣服を熱分解した場合、水分と可燃性ガスが揮発し、最終的に約100g〜125gの純粋な炭素が「固体の炭（バイオ炭）」として手元に残る。 生成された炭自体に栄養分はないが、微細な孔が無数に存在する多孔質構造を持つため、土壌に混和することで保水性や通気性を高め、微生物が定着・増殖するための物理的環境として機能する。同時に、大気中の二酸化炭素を固体のまま長期間にわたり土壌に留置する「炭素固定」の役割を果たす。

発生熱の利用と炭素の再利用

今後の実証においては、熱分解のプロセスで発生するエネルギーと炭素の再利用を行う。 植物繊維を炭化させる際、揮発した可燃性ガスが燃焼することで高温の熱エネルギーが発生する。この発生熱を利用し、木灰汁（きあく）の抽出や、次に仕立てる生地の精練（油分落とし）の工程で必要となる大量の湯を沸かすための熱源として活用する。 さらに、生成された純粋な炭は微粉砕し、次の天然素材の生地を染めるための「顔料（炭染め）」として使用する。定着剤（バインダー）には合成樹脂を用いず、大豆から抽出した呉汁（タンパク質）などを使用して、炭素を繊維に物理的に結合させる実証を進めていく。

衣服を構成していた炭素と水が、時間をかけて土壌の微生物サイクルに組み込まれるプロセスと、熱力学を用いて分離され、新たな衣服の質量や色へと移行していくプロセス。引き続き、事実に基づく物理学・生物学的観点から物質の循環について観測を行っていく。 私たちがここで行うのは、目新しいシステムの開発ではない。古来より自然界で確立されている物理学・生物学的な理（ことわり）の、淡々とした確認作業である。 現在、市販の炭を最初の起点として顔料に用いた、染めのテストおよびプロトタイプの制作を実行中である。 ここから始まるサイクルにおいて、生み出されたこの衣服は、着古され役割を終えた後には自らが熱分解を経て純粋な炭となり、次に仕立てられる衣服を染め上げる顔料へと移行していく。 これこそが、物理的・生物学的な真実に立脚した、物質としての「衣服の循環」である。

※技術的注記 本稿における「熱分解（炭化）」のプロセスは、セルロースを主成分とする植物性繊維のみを対象としている。 ウールやシルクなどの動物性繊維はタンパク質を主成分とし、分子構造内に窒素や硫黄を含有している。そのため、熱分解プロセスにおいてアンモニアやシアン化水素（青酸ガス）、硫化水素といった有毒ガスが発生する極めて高い危険性を伴う。物理的な安全性および環境負荷の観点から、動物性繊維の炭化は行うべきではなく、前述の通り土壌への直接的な還元（堆肥化）による生化学的循環を推奨する。