hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
脳卒中患者に対する非侵襲脳刺激法と運動錯覚を併用した神経リハビリテ－ションの開発

非侵襲脳刺激法(tDCS)と視覚性運動錯覚(ミラーセラピー)を使用して,健常者や脳卒中者の運動機能と脳活動の変化を検証した.その結果,健常者ではtDCSとミラーセラピーの併用効果は認めるものの,tDCS単独介入による効果が大きいことが明らかになった.また,脳活動の側面からも,tDCS単独介入で運動関連領域の局在的な活動増大を認めた.脳卒中者においては,特異的な治療効果を認めず,通常リハビリテーションと同程度の効果であった.最終年度においては,これまでの健常者に対する研究成果に基づき,脳卒中患者に対する非侵襲性脳刺激法(経頭蓋直流電気刺激:tDCS)と運動錯覚を組み合わせた介入を実施した.健常者の研究においては,tDCSによる上肢巧緻運動の学習効果および鏡による運動錯覚介入の効果を検証しており,今回はこの手法を脳卒中後の運動障害,感覚障害を有する患者に臨床応用することとした.クロスオーバーデザインを使用して,研究参加に同意した脳卒中後患者4名に対してtDCSと運動錯覚治療を組み合わせた介入を実施し,その効果を検証した.全症例ともに,有害事象なく安全にtDCSを実施することができた.介入の結果,運動機能の向上を示したが,tDCSや運動錯覚治療に特異的な機能の回復を示さず,通常リハビリテーションにおける回復と比較しても有意な変化を示さなかった.重度感覚障害例に対するtDCSによる介入効果に関しても,運動および感覚機能の有意な改善を認めず,その効果を示さなかった.機能的近赤外イメージング(fNIRS)による脳活動レベルの変化も検討したが,tDCS陽極刺激側の運動皮質の興奮性が若干増加を認めたが,健常者で観察されたような脳活動変化を示さなかった.本研究計画では,健常者および脳卒中者に対するtDCSと運動錯覚介入の効果を検証した.健常者においては,運動学習におけるtDCSの有意な効果を認め,また運動錯覚治療との併用によってその効果が逓減することを示した.脳卒中者においては,tDCSおよび運動錯覚介入との組み合わせ治療における有意な治療効果を示さなかった.脳卒中などの病理学的背景にある際,tDCSによる脳活動の興奮や抑制作用の発現は,刺激時点での脳活動の状況に影響を受ける可能性があると考えられ,臨床応用の際には脳の興奮性レベルを運動誘発脳電位などで検査した後に,これらの介入を適応する必要があると考える.非侵襲脳刺激法(tDCS)と視覚性運動錯覚(ミラーセラピー)を使用して,健常者や脳卒中者の運動機能と脳活動の変化を検証した.その結果,健常者ではtDCSとミラーセラピーの併用効果は認めるものの,tDCS単独介入による効果が大きいことが明らかになった.また,脳活動の側面からも,tDCS単独介入で運動関連領域の局在的な活動増大を認めた.脳卒中者においては,特異的な治療効果を認めず,通常リハビリテーションと同程度の効果であった.本年度は,非侵襲性脳刺激法(経頭蓋直流電気刺激:tDCS)と運動錯覚を使用した介入法によって,健常者における上肢巧緻運動の運動学習に及ぼす影響を検討した.また,頭表上への刺激電極の設置部位による影響も併せて検討した.tDCSによって脳の興奮性を向上させ,さらに鏡を使用した視覚性錯覚刺激を付与することによって,tDCS単独介入よりも学習が促進されるかどうかを明らかにすることを研究目的とした.3日間の上肢巧緻運動の運動学習課題を実施し,経日的にその運動学習効果を測定した.また,機能的近赤外イメージング(fNIRS)を使用して,介入前後の脳活動を記録し,比較した.結果は,tDCS単独の介入に比較して,tDCSに運動錯覚を組み合わせた介入において,運動学習の成績が有意に低下することが確認された.fNIRSの結果からは,運動錯覚介入やtDCSと運動錯覚組み合わせ介入では,大脳皮質の運動関連領域の賦活はあるものの,その範囲が広範性であり,運動前野,左右前頭前野にまで拡大した.一方,tDCS単独介入では,運動課題に寄与する一次運動皮質に限局性にその活動増加が観察された.さらに,tDCSと運動錯覚を組み合わせる際の電極の設置部位に関しては,運動課題に関与する半球側に陽極刺激をする方法が,若干学習成績が良好な傾向が観察された.運動スキルの向上とともに,脳イメージングによって運動関連皮質の活動増加が観察され,またそれらの活動がより限局性であるほどに,運動スキルの学習が促進されることが明らかとなった.今後は,脳卒中患者にtDCSによる非侵襲性脳刺激を適応し,さらには上肢運動障害の治療に応用されているミラーセラピーを組み合わせて,その臨床効果を検討していく予定である.研究計画の通りに研究環境が整備され,おおむね順調に研究が遂行できている.また,その成果も少しずつ公表できている.現在は,臨床研究へと発展していくための準備を進めており,各病院における倫理委員会審査を経て,研究環境の整備が進行中である.臨床研究において,患者に対するtDCS介入の有用性・有効性を検証することにより,神経リハビリテーションの新しい治療方法論の確立が期待できると考えている.平成24年度の未使用額が122,417円あるが,これに関してはtDCS消耗品等の支出および人件費・謝金の支出が抑えられたことによるものであるが,次年度には複数施設での臨床研究を実施予定のため,移動費および謝金等に繰り越して使用を計画している.

次年度研究費に関しては,物品費(fNIRSデータ解析用可搬型PC,tDCS消耗品),旅費(研究データの公表,複数施設での臨床研究の実施にともなう移動費),人件費・謝金などの使用を予定している.
養鶏現場で簡便かつ迅速に実施できるカンピロバクター保菌鶏の超高感度検出法の確立

カンピロバクター保菌鶏を検出するために、迅速、簡便、超高感度な蛍光イムノクロマト法の確立を試みた。確立した蛍光イムノクロマト法の試作キット(蛍光IC Campy)の検出感度は、1.1×10001.7×10000 CFU/ml(C. jejuni)及び1.4×10001.8×10000 CFU/ml (C. coli)であった。蛍光IC Campyは、従来の金コロイドイムノクロマト法より高感度であり、カンピロバクター保菌鶏の現場即応型検査法として有望であると考えられた。食鳥処理過程でカンピロバクター保菌鶏の腸内容物に汚染された鶏肉は、カンピロバクター食中毒の主な感染源となる。本食中毒の発生を抑えるためには、養鶏現場にて鶏の保菌実態を詳細に把握し、それを踏まえて養鶏場の清浄化に取り組むことが重要であることから、本研究は、超高感度な蛍光イムノクロマト法によるカンピロバクター保菌鶏の現場即応型検出法を開発し、それを用いて養鶏場における鶏の保菌実態を把握することを目的としている。今年度は、まず、蛍光イムノクロマトの試作キットを作成し、それを用いて、様々な菌濃度に調整したカンピロバクター加熱死菌液を測定し、最適の検体量及び反応時間とその際の検出感度について検討した。その結果、最適検体量は7085μLで、最適反応時間は2030分であった。また、測定に際して、検体に0.1%濃度で界面活性剤(TritonX-100)を加えることにより、フロースピードが適正化されて非特異反応の発生を抑えることができた。この条件での試作キットの最小検出感度は、1mlあたり560CFUであった。次いで、本試作キットを鶏糞便の検査に応用する前に、その検出感度が優れていることを更に検証するために、市販鶏肉(未加熱)60検体の24時間増菌培養液を用いて、細菌培養法、金コロイドイムノクロマト法及び本試作キットによるカンピロバクター検査を実施し、その結果を比較した。細菌培養法では、20検体からカンピロバクターが検出された。その内、金コロイドイムノクロマト法では7検体(35%)が陽性になったのに対して、本試作キットでは14検体(70%)が陽性となった。一方、細菌培養法で陰性となった40検体については、両法共に陰性であった。従って、食品の増菌培養液を用いたカンピロバクター検査においても、従来の金コロイドイムノクロマト法より本試作キットが優れていることが実証された。従って、養鶏現場にて鶏の保菌実態を詳細に把握し、それを踏まえて養鶏場の清浄化に取り組むことが、本食中毒の発生を抑える上で根本的な対策となる。そこで、本研究は、超高感度な蛍光イムノクロマト法によるカンピロバクター保菌鶏の現場即応型検出法を新たに開発し、それを用いて養鶏場における鶏の保菌実態を把握することを目的としている。今年度は、前年度に構築した蛍光イムノクロマト法の試作キットをカンピロバクター保菌鶏の検査に利用するために、鶏糞便の前処理法について検討した。その結果、市販キットを用いて調製した鶏糞便懸濁液を低速遠心(800×g、1分)後、その上清に10%Triton X-100を1/10量添加する方法が最適の前処理法であった。そこで、本糞便前処理法を用いて、カンピロバクター保菌鶏の現場即応型検出法としての蛍光イムノクロマト法の性能を評価した。評価には、食鳥処理場において採取した鶏盲腸便80検体を用いた。その結果、従来の金コロイドイムノクロマト法では陰性となった検体についても、本蛍光イムノクロマト法では陽性となり、本蛍光イムノクロマト法は、1gあたり10^5 CFU以上のカンピロバクターを含む検体を確実に検出することができた。また、細菌培養法でカンピロバクター陰性であった鶏盲腸便については、本蛍光イムノクロマト法でも全て陰性となった。以上の結果から、本蛍光イムノクロマト法は従来の金コロイドイムノクロマト法より高感度であり、カンピロバクターの現場即応型検査法として有望であることが示唆された。平成27年度の研究計画は、食鳥処理場等から多数の鶏糞便をサンプリングし、前年度に構築した蛍光イムノクロマト法の試作キットを用いてカンピロバクター検出を実施し、その実用性を評価することであった。そのために実験を行い、以下のことを達成することができた。1.鶏糞便の前処理法を検討し、その最適な処理条件を設定することができた。2.実検体(鶏盲腸便)を対象とした評価において、本蛍光イムノクロマト法は従来の金コロイドイムノクロマト法より高感度であり、カンピロバクター保菌鶏の現場即応型検出法として優れていることを実証することができた。以上のように、平成27年度の研究は、おおむね順調に進展した。

従って、養鶏現場にて鶏の保菌実態を詳細に把握し、それを踏まえて養鶏場の清浄化に取り組むことが、本食中毒の発生を抑える上で根本的な対策となる。そこで、本研究は、超高感度な蛍光イムノクロマト法によるカンピロバクター保菌鶏の現場即応型検出法を新たに開発し、それを用いて養鶏場における鶏の保菌実態を把握することを目的としている。3年間の研究期間の最終年度である今年度は、過去2年間の研究において確立した蛍光イムノクロマト法と鶏糞便前処理法の組み合わせを用いて、5箇所の養鶏場においてカンピロバクターのモニタリング調査を実施した。調査に供したサンプル数は計69検体で鶏の日齢は2748日齢であった。蛍光イムノクロマト法で調査した結果、カンピロバクター保菌鶏の割合は、約10%であった。また、これらのカンピロバクター陽性となった鶏におけるカンピロバクターの保菌数は、糞便1gあたり最高で10000000cfuであった。カンピロバクター保菌鶏の検出は、農場により偏りがあり、全く保菌鶏が検出されなかった農場も存在した。また、蛍光イムノクロマト法を用いて、鶏肉におけるカンピロバクターの汚染実態調査も継続して実施した。282検体の市販生鶏肉類を検査した結果、カンピロバクターの汚染率は約26%であった。この結果は、同時に実施した培養法と同程度であった。カンピロバクター保菌鶏を検出するために、迅速、簡便、超高感度な蛍光イムノクロマト法の確立を試みた。確立した蛍光イムノクロマト法の試作キット(蛍光IC Campy)の検出感度は、1.1×10001.7×10000 CFU/ml(C. jejuni)及び1.4×10001.8×10000 CFU/ml (C. coli)であった。蛍光IC Campyは、従来の金コロイドイムノクロマト法より高感度であり、カンピロバクター保菌鶏の現場即応型検査法として有望であると考えられた。既に作出している抗カンピロバクターモノクローナル抗体4B4(4B4抗体)は、抗カンピロバクター抗体として優れた親和性を持つことが実証されているので、今年度は、これを用いて、蛍光イムノクロマト法によるカンピロバクター検出系を開発するための実験を行い、以下のことを達成することができた。1.蛍光イムノクロマトキットを試作し、その最適な使用条件を設定することができた。2.最適な使用条件での本試作キットの最小検出感度は1mlあたり560CFUであり、従来の金コロイドイムノクロマト法と比較して、約100倍の高感度を達成することができた。3.実検体(市販鶏肉の増菌培養液)を用いて、本試作キットが従来の金コロイドイムノクロマト法より優れていることを実証することができた。以上のように、今年度の研究は、おおむね順調に進展した。今後は、鶏糞便を用いて、その前処理法について検討する必要がある。その際、今年度に実施した本試作キットによる食品増菌培養液からのカンピロバクター検出の際に得られた知見が大いに役立つ考えられる。平成28年度は、前年度に構築した鶏糞便前処理法と蛍光イムノクロマトキットの組み合わせを用いて、実際の養鶏農場においてモニタリングを実施し、その実用性を評価したい。その際、細菌培養法および金コロイドイムノクロマト法によるカンピロバクター検出も同時に実施し、それらの結果と比較することにより、本蛍光イムノクロマト法の有用性について検証する。また、鶏糞便のサンプリングは、複数箇所の養鶏農場を対象に定期的に実施して、鶏の週齢、サンプリング時期、農場の違いによって、汚染の程度にどのような違いがあるのかも検討したい。食品細菌学平成27年度は、養鶏場及び食鳥処理場から多数の鶏糞便をサンプリングし、平成26年度に構築した蛍光イムノクロマト法の試作キットを用いてカンピロバクターの検出を実施し、その実用性を評価したい。
悪性中皮腫におけるオートファジー活性化機序の解明と新規診断法、治療法への応用

これまで研究代表者は、悪性中皮腫細胞株において、恒常的にオートファジーが活性化し、そのことが、細胞の増殖、生存に関与していることを見出している。今年度は、昨年度に見出したオートファジーを調節する蛋白質Aについて、さらに詳しく分子機序を解析した。2種類の悪性中皮腫細胞株(MSTO-211H、ACC-MESO-4)に蛋白質Aに対するsiRNAを導入し、蛋白質Aの発現を抑制すると、いずれの細胞株においてもcleaved caspase-3が増加(caspase-3が活性化)し、アポトーシスが誘導されていることが示唆された。また、細胞増殖のシグナル分子であるERKやAKTについて調べると、MSTO-211Hでは蛋白質Aの発現を抑制したときにERKが活性化(リン酸化蛋白質の増加)し、ACC-MESO-4では蛋白質Aの発現を抑制してもERKの活性化に変化はなかった。しかし、ACC-MESO-4では、細胞内に元々リン酸化ERK蛋白質量が多く、恒常的にERKが活性化しているため、変化しなかった可能性がある。また、AKTについては、いずれの細胞株においても変化はなかった。これらのことから、悪性中皮腫細胞株の種類ごとに、蛋白質Aがオートファジーを調節する機序や細胞の増殖や生存を調節する機序が異なる可能性があると考えられた。研究の目的は、悪性中皮腫細胞におけるオートファジー活性化の機序、悪性中皮腫細胞におけるオートファジーの機能や役割を解明することであったが、悪性中皮腫においてオートファジーを調節する蛋白質Aを見出し、分子機序の一端を解明することができたため、目的はおおむね達成できたと考えている。悪性中皮腫細胞株において、恒常的にオートファジーが活性化し、そのことが、細胞の増殖、生存に関与していることを見出している。本年度は、悪性中皮腫において、オートファジーにおける遺伝子Aがコードする蛋白質Aの役割を検討した。悪性中皮腫細胞株において、蛋白質AをsiRNAにより、発現を抑制すると、細胞内のLC3-II蛋白質発現量は、減少した。同時に、細胞内のGFP-LC3を観察すると、GFPのドット(オートファゴソーム)が減少した。このことから、蛋白質Aは、オートファジーを調節することが分かった。この時、細胞増殖は減少したが、シスプラチン感受性には変化はなかった。一方、オートファジーが活性化すると、オートファジーの基質の一つであるp62蛋白質は、細胞内で分解されて減少することが知られている。しかし、悪性中皮腫細胞株において、無血清培地でオートファジーを誘導するとp62蛋白質は増加した。一部の細胞では、オートファジーが活性化していてもp62蛋白質が細胞内で増加することやp62蛋白質の増加が細胞の増殖、抗がん剤抵抗性に関与することが報告されていることから、悪性中皮腫細胞株のp62蛋白質の発現をsiRNAで抑制すると、細胞増殖が抑制され、シスプラチン感受性が増加した。悪性中皮腫細胞株において、蛋白質Aがオートファジーを調節することが分かった。また、p62蛋白質が悪性中皮腫細胞株の細胞増殖やシスプラチン感受性に関与することが示唆される知見を得ている。1.悪性中皮腫細胞株で蛋白質Aのオートファジー調節機構や細胞増殖調節機構について、種々の阻害剤処理やsiRNAを導入して、LC3-II蛋白質発現量やGFP-LC3を観察することで検討する。2.悪性中皮腫細部株でp62蛋白質が関与する細胞増殖機構やシスプラチン感受性について、種々の阻害剤処理やsiRNAを導入することにより、その影響を検討する。

以上より、悪性中皮腫のオートファジーと関わる細胞増殖や薬剤感受性などの機序を解明し、悪性中皮腫におけるオートファジーを標的とした治療法の開発を試みる。前年度の補助金については、主に物品(消耗品)の購入に使用したが、使用計画していた物品を変更したこと、効率的に研究を行うことができたことなどにより、次年度使用額が生じた。次年度使用額は、次年度の研究を円滑に進めるための物品購入等に使用する予定である。
寄生植物ナンバンギセルの寄生誘導因子に関する生物有機化学

ハマウツボ科のナンバンギセルは、最も有名な寄生植物である。ナンバンギセルは葉緑素を持たないため光合成を行わず、ススキ(Miscanthus sinensis)などのイネ科植物の根に寄生し、そこから養分を取り生育する。ナンバンギセルは、イネ科やカヤツリグサ科と特異性の高い寄生関係にあるため、その寄生にはストリゴラクトン類と異なる未知の共生因子の存在が予想された。ごく最近、申請者らは、AM菌とミヤコグサの共生に関与するストリゴラクトン類の一種である5-デオキシストリゴールを化学合成した。ナンバンギセルの寄生が、既知のストリゴラクトン類によるものとどのように異なるのか興味深い。ナンバンギセルの発芽誘導物質は、そのホスト植物であるススキの根から分泌される。根分泌成分の吸着回収成分を原材料とする活性物質の精製を進める。生物活性分子の分離は、ナンバンギセルの種に対する発芽誘導潜性を指標とした生物検定試験に基づいて行う。ミヤコグサ(Lotus japonicus;マメ科モデル植物)やシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana;アブラナ科モデル植物)の種子を用いる対照試験を同時に行うことで、ナンバンギセルの種子に特異的な発芽誘導活性を示す物質を探索した。目的とする活性物質は、水溶性の高い成分であるが分離法の確立には至っていない。ナンバンギセルの発芽誘導物質は、そのホスト植物であるススキの根から分泌されると考えられている。本年度は、根分泌成分の吸着回収成分を原材料とする活性物質の精製を検討した。一方、ススキ地下部分を採集した後、ススキ根より抽出物を調整し、ナンバンギセルを用いた活性試験方法を検討している。現在のところ再現性の高い試験方法の開発には至っていないが、栽培条件の検討等を含めて再度検討を行う予定である。ナンバンギセルの種子は発芽率が低く、安定的な実験材料の供給には、栽培条件等について詳しい検討が必要と考えられる。これと平行して、分析ならびに活性試験のポジティブコントロールとして使用すべく、根寄生植物の寄生現象を誘導する活性物質である5-デオキシストリゴールならびに誘導体の合成を完了した(JOC, 2009)。合成経路は、連続的環形成反応を含み、各種の立体異性体を同時に供給しうるものである。次年度は、合成した両鏡像体並びに立体異性体を用いた活性試験を行う。近年、種々の植物から、寄生誘導物質としてストリゴール誘導体が単離されており、ナンバンギセルの活性本体がこれらとは異なることを示したい。
Positive Devianceによる課題解決手法を通じた栄養改善への効果

本研究では、ネパールにおいて学童を対象にPositive Deviance(PD)手法を用いた栄養改善活動が学童の栄養・発育状態や摂食状況に及ぼす影響について、クラスター化ランダム比較試験を用いた介入研究を実施した。介入群の12校では、有志の学童による子どもグループを作成し、PDを学校保健栄養活動を通して共有した。教員が適宜助言を行えるようファシリテーター・トレーニングを実施した。プログラム評価の際の結果、栄養に関する知識は増加した。またPD研修を実施した学校では昼食を持ちよる学童数が増加した。また栄養に関する教師の意識も変化し、積極的に栄養改善活動を実施していた。ネパールにおいて平成27年4月に発生した大地震の影響で、当初の研究対象地での研究を計画通り実施することが困難となった。そのため研究対象県を変更し、介入内容を検討した。また、Positive Deviance(PD)手法の有効性検証の一環としてPD手法に関するワークショップを実施した。平成27年度の研究実施内容は以下の通りである。1) 4月に発生した大地震後に地域住民、援助団体への聞き取り調査を実施した。2)ネパール政府による震災被害の把握状況や国際支援団体の活動報告に関する情報収集をした。3) PD手法に関するワークショップ及び公開セミナーを平成27年11月に東京で実施しPD手法のネパールでの適用について検討した。4)上の1)から3)を踏まえて研究計画書を作成し東京大学大学院医学系研究科・医学部倫理委員会にて承認を得た。1)及び2)の結果、最も被害が大きくネパール政府や国際支援団体から多くの直接支援が行われているSindhupalchok県を介入研究の対象地から除外した。そして、被災による被害が比較的大きい県と比較的少ない県の2県を対象県とすることにした。大震災により住民は農作物の苗・種や家畜を失い、食糧不足及び栄養不足に見舞われている。栄養不足の根本的な解決には、地域住民が入手できる食糧を利用した栄養改善施策が必要になる。そのため次年度以降に実施する介入として、大震災後の困難な社会経済状況下にありながらも、必要な食糧を賄えている住民の行動をモデルとする。そしてかかるモデルを住民主体で検討し、スケールアップできるポイントを定めてから介入を実施していくこととなった。一方3)により、世界各国で実施されてきたPD手法をネパールでの栄養改善にどのように活かすか、ネパールでのPD手法の実施の経験を持つユニセフ専門家を招聘して検討し4)の研究計画書を作成した。現地の実情に合わせて研究内容を変更した。Sindhupakchok県は地震の被害が大きく、学校の倒壊も多く見られた。また政府・外部団体からの支援プログラムが複数存在しており、食料の直接配給も行われていた。PD手法の有効性を検証する目的には適さないと判断し、対象県をDhadhing県とMyagdi県に変更した。また、震災後にガソリンの値段が高騰したため、プロジェクト対象地域を比較的カトマンズから近いDhadhing県・Myagdi県にある都市の学校とした。1)最も被害が大きくネパール政府や国際支援団体から多くの直接支援が行われているSindhupalchok県を介入研究の対象地から除外した。そして、被災による被害が比較的大きい県(Dhadhing県)と比較的少ない県(Myagdi県)の2県を対象県とすることにした。介入として、大震災後の困難な社会経済状況下にありながらも、必要な食糧を賄えている住民(Positive Deviants)の行動をモデルとした。2)事前調査(6-9月)、事後調査(3月)をDhading県、Myagdi県にて実施した。本研究は介入研究である。ベースライン調査では学校保健担当の教員24名、8-10年生の学童2,400名への質問紙調査、および学童の身体測定を実施し、1991名からの回答を得た。介入研究を実施するにあたりDhadhing県、Myagdi県の対象校24校をランダムに対照群(12校)・介入群(12校)に振り分け、介入群の有志の学童による子どもグループを作成し、学校保健栄養活動を通してPDを共有した。その際、教員が適宜助言を行えるようファシリテーター・トレーニングを行った。介入期間は6ヶ月とし、教師へのトレーニング終了6か月後にプログラムを評価した。プログラム評価の際には介入群・対照群両方において、ベースライン調査を実施した学童1,991名を対象にした質問紙調査および身体測定を実施し、1,542名より回答を得た。質問紙はベースライン調査と同じものを用いた。調査結果を基に、PDを用いた栄養改善活動が学童の栄養・発育状態や摂食状況に及ぼす影響について評価する。本研究は、困難な条件下でも優れた実践を行う例を住民主体で発見、普及するPositive Deviance(PD)手法を用いて、1学童の栄養状態、及び2学童の栄養に関する知識、行動や態度の変化を知るために実施された。

本研究では、ネパールにおいて学童を対象にPDを用いた栄養改善活動が学童の栄養・発育状態や摂食状況に及ぼす影響について、クラスター化ランダム比較試験を用いた介入研究を実施した。ベースライン調査では教員24名、8-10年生の学童2,400名への質問紙調査および学童の身体測定を実施し、1991名の回答を得た。介入研究を実施するにあたりネパールDhadhing県、Myagdi県の対象校をランダムに対照群(12校)・介入群(12校)に振り分け、介入群の有志の学童による子どもグループを作成し、PDを学校保健栄養活動を通して共有した。教員が適宜助言を行えるようファシリテーター・トレーニングを実施し、トレーニング終了6か月後にプログラムを評価した。プログラム評価の際には介入群・対照群両方において、ベースライン調査を実施した学童1,991名を対象にした質問紙調査および身体測定を実施し、1,542名より回答を得た。調査結果を基に、PDを用いた栄養改善活動が学童の栄養・発育状態や摂食状況に及ぼす影響について評価した。6か月という短期間のためもあり身体測定の結果は大きな変化はなかった。しかし、栄養に関する知識は増加した。またPD研修を実施した学校では昼食を持ちよる学童数が増加した。また栄養に関する教師の意識も変化し、積極的に栄養改善活動を実施していた。現在、この結果をもとに学術論文を執筆中である。本研究では、ネパールにおいて学童を対象にPositive Deviance(PD)手法を用いた栄養改善活動が学童の栄養・発育状態や摂食状況に及ぼす影響について、クラスター化ランダム比較試験を用いた介入研究を実施した。介入群の12校では、有志の学童による子どもグループを作成し、PDを学校保健栄養活動を通して共有した。教員が適宜助言を行えるようファシリテーター・トレーニングを実施した。プログラム評価の際の結果、栄養に関する知識は増加した。今年度は調査地(Dhadhing県・Myagdi県)における対象者(公立高校の教員と学童およびその保護者)にベースライン調査、介入研究、プログラム評価を行う。質・量的調査を用いた事前調査により地域のPDを特定し、その結果を用いた学校への介入研究を実施する。本研究のPDとは困難な社会経済状況下で実施可能な食料入手方法、適切な摂食・衛生行動である。PDを子ども主導の学校保健栄養活動を通じて学童とその保護者、地域に共有していくことで低栄養対策を行う。本研究はクラスター化ランダム比較試験を用いた介入研究である。ベースライン調査では学校保健担当の教員24名、8-10年生の学童2,400名への質問紙調査、および学童の身体測定を実施する。学童への質問紙調査の結果を基に、経済状況などが不利な状況下で栄養状態や摂食状況が優れた児童を発見する。該当する児童の保護者を対象に質的調査を実施しPDを特定する。
TGF-β1遺伝子によるI型糖尿病発症抑制機構の解明と膵β細胞移植応用の基礎研究

本申請では、臓器特異的自己免疫疾患の一つである1型糖尿病の治療に直結する可能性があり、「自己免疫を抑制することを我々が証明したTGF-β1遺伝子による、膵β細胞破壊の予防機構を解明」し、さらに「自己免疫学的破壊に抵抗性を示す膵島の構築とその移植」に基く1型糖尿病の治療法の基礎を確立するために、トランスジェニックマウス(Tg)を用いて種々の実験を試み、以下の知見を得た。1)NOD-RGP-TGF-β1(hemi)同士の交配によりNOD-RGP-TGF-β1(homo)を作成し、TGF-β1のシグナルが増強した場合の膵β細胞に及ぼす影響を検討した。その結果、hemiマウスと同様、糖尿病の発症は認められなかったが、糖負荷後の血糖値に明らかな耐糖能異常が認められた。また、血清インスリン値の低下、および膵β細胞の形態学的な異常を認め、胎生期から持続したTGF-β1のシグナルの増加が、膵β細胞の分化および形成、アポトーシスの誘導に重要であることを確認した。2)NOD-RGP-TGF-β1(hemi)を糖尿病を発症しない異種マウスのC57BL/6に戻し交配し、C57BL/6の遺伝的背景下でTGF-β1をhomoで発現するTgを作製し、膵β細胞に及ぼす影響を検討した。その結果、NODマウスの遺伝的背景下と同様に、糖負荷後の血糖値、血清インスリン値、膵β細胞の形態に明らかな異常が認められた。このことより、両種マウスの交配系(F2インタークロス)を用いた多因子連鎖解析を行うことで、TGF-β1遺伝子のhomo発現下で、膵β細胞のアポトーシスの誘導に関与する遺伝子座位を解析することが可能であることを確認した。3)NOD-RGP-TGF-β1の膵島細胞を「糖尿病発症NODマウス」および「STZ誘発糖尿病マウス」の腎皮膜下に移植し、移植膵島細胞の免疫学的破壊の防止にTGF-β1遺伝子を用いることができるか否か検討した。現在までに、Tgの腎皮膜下へのNODマウスの膵島細胞の移植では、リンパ球の浸潤は認められない。「糖尿病発症NODマウス」へのTgの膵島細胞の移植を継続して行っており、リンパ球による免疫学的馳破壊に対する抵抗性を検討中である。本申請では、臓器特異的自己免疫疾患の一つである1型糖尿病の治療に直結する可能性があり、「自己免疫を抑制することを我々がトランスジェニックマウス(Tg:NOD-RGP-TGF-β1)で証明したTGF-β1遺伝子による膵β細胞破壊の予防機構を解明」し、さらに「自己免疫学的破壊に抵抗性を示す膵島の構築とその移植」に基く1型糖尿病の遺伝子治療法の基礎を確立するために、Tgを用いて種々の免疫学的実験を試み、現在までに以下の知見を得た。

1)NOD-RGP-TGF-β1(hemi)の交配により、Southern法にてコピー数を確認したNOD-RGP-TGF-β1(homo)を作成し、TGF-β1のシグナルが増強した場合の膵β細胞に及ぼす影響を検討した結果、糖尿病の発症率にはhemiマウスと差は認められなかったが、糖負荷後の血糖値に明らかな耐糖能異常が認められた。また、血清インスリン値の低下、および膵β細胞の形態学的な異常を認め、胎生期から持続したTGF-β1のシグナルの増加が、膵β細胞の分化に重要な作用をもつことを確認した。2)「糖尿病未発症NODマウス」または「糖尿病発症NODマウス」の片側の腎皮膜下5-7週齢のNOD-RGP-TGF-β1の膵島細胞を移植し、移植膵島細胞の免疫学的破壊の防止にTGF-β1遺伝子を用いることができるかどうかを検討中である。現在までに、膵島細胞の単離法、腎皮膜への移植手技は完全に確立できたので、TGF-β1遺伝子を発現するTgの膵島細胞をNODマウスまたは、他種マウスに移植した場合の、リンパ球による免疫学的馳破壊に対する抵抗性を検討中である。臓器特異的自己免疫疾患の一つである1型糖尿病の治療に直結する可能性があり、「自己免疫を抑制することを我々が証明したTGF-β1遺伝子による、膵β細胞破壊の予防機構を解明」し、さらに「自己免疫学的破壊に抵抗性を示す膵島の構築とその移植」に基く1型糖尿病の治療法の基礎を確立する目的で検討を行い、以下の知見を得た。1)昨年度の解析により、NOD-RGP-TGF-β1(hemi)を糖尿病を発症しない異種マウスのC57BL/6に戻し交配し、C57BL/6の遺伝的背景下でTGF-β1をhomoで発現するTgを作製し、膵β細胞に及ぼす影響を検討した。その結果、NODマウスの遺伝的背景下と同様に、糖負荷後の血糖値、血清インスリン値、膵β細胞の形態に明らかな異常が認められた。このことより、両種マウスの交配系(F2インタークロス)を用いた多因子連鎖(QTL)解析を行うことで、TGF-β1遺伝子のhomo発現下で、膵β細胞のアポトーシスの誘導に関与する遺伝子座位を解析することが可能であることを確認した。現在、このQTL解析を目的として、500匹近いマウスの表現型、遺伝子型のデーターを集積している。2)NOD-RGP-TGF-β1の膵島細胞を「糖尿病発症NODマウス」および「STZ誘発糖尿病マウス」の腎皮膜下に移植し、移植膵島細胞の免疫学的破壊の防止にTGF-β1遺伝子を用いることができるか否か検討した。現在までに、Tgの腎皮膜下へのNODマウスの膵島細胞の移植では、リンパ球の浸潤は認められない。「糖尿病発症NODマウス」へのTgの膵島細胞の移植を継続して行っており、リンパ球による免疫学的馳破壊に対する抵抗性を検討中である。
メダカの鰭長の集団間変異に関する進化発生生態学的研究

性的二型、即ち雌雄間での表現型の違いは、近縁種間や集団間でも大きな変異が見られる。にも関わらず、二次性徴形質の進化的変化の遺伝的基盤に関する知見はまだ少ない。本研究は、野生メダカに見られる集団間の二次成長形質の程度の差異、即ち鰭の(1)伸長プロセスおよび(2)求愛行動の頻度を指標とし、QTLマッピングによって二次性徴形質に進化的変化をもたらす候補遺伝子領域を探索することを目的とする。鰭の性的二型はメダカに限らず広い分類群の魚で見られることから、メダカで得られた成果は、他の魚種でも共通の遺伝基盤で鰭の性的二型の多様化が起こるのか否かについて研究していく上での基盤データとなることが期待される。本年度は、F2集団の作出と表現型の測定を行った。具体的には、鰭の伸長プロセスが遺伝的に異なることが分かっている青森、沖縄の野生集団を用いて、青森♂×沖縄♀および沖縄♂×青森♀の二系統の家系を作出し、それぞれから約200個体のF2集団を得た。(1)得られたF2の稚魚は実験室内の共通環境で個体の成長が追跡できるように1個体ずつ個別に飼育し、成魚に至るまでの成長の各段階でデジカメを用いて写真撮影を行った。得られた画像から、画像解析ソフトを用いて体長および鰭長を測定し、個体の成長に伴う鰭の伸長プロセスのデータを得た。(2)また、最後の撮影が終了したメダカについては交配実験を行い、配偶行動の観察を行った。オスの場合は、メスへのクイックサークル(求愛円舞)や追いかけの頻度、メスの場合はオスの求愛を受け入れるまでの時間や産卵数などを配偶行動の指標とする。行動観察が終わった個体は、遺伝子型を決定するために体組織の一部をエタノール保存した。今年度に得た表現型のデータと、来年度以降に解析する遺伝子型のデータを用いて、QTL解析ソフトで鰭の伸長プロセスおよび配偶行動の集団間変異に関与する候補遺伝子領域を特定する。日本に生息するメダカ(Oryzias latipes)種内には鰭の長さに地理的変異があり、高緯度の集団ほどオスの尻鰭が短い傾向がある。この尻鰭長の緯度間変異は、鰭の伸長プロセスの差異によってもたらされることがわかっている:低緯度のオスでは成長のある時点(体長約15mm)で鰭の伸長率が著しく増加するのに対し、高緯度のオスではそうした顕著な変化が見られない。こうした鰭長の集団間変異は、性ホルモンが関与する一連のシグナル伝達系における集団間の差異を反映していることが示唆される。青森と沖縄の2集団のメダカを共通環境(26°C、14L:10D)で飼育し、稚魚から成魚に至るまでの様々なステージでサンプリングを行い、脂溶性ステロイドを抽出し、テストステロン(Te)およびエストラジオール17β(E2)の濃度を、時間分解蛍光免疫測定法(TR-FIA)を用いて測定した。その結果、メスではホルモン濃度の動態に集団間で明確な差異は見られなかった。一方、体長15mm以上のオスでは、青森より沖縄の個体の方がテストステロン濃度は有意に高く、逆にエストラジオール17β濃度は有意に低かった。エストラジオール濃度に対するテストステロン濃度の比をとると、体長増加に伴うその変化パターンは、鰭条の伸長プロセスの集団間/雌雄間のパターンに非常に一致することが分かった。これらの結果は、テストステロンをエストラジオールに変換する酵素であるアロマターゼの生成量に、特にオスにおいて、集団間で差異がある可能性を示唆している。

今年度に得た表現型のデータと、来年度以降に解析する遺伝子型のデータを用いて、QTL解析ソフトで鰭の伸長プロセスおよび配偶行動の集団間変異に関与する候補遺伝子領域を特定する。
熱放射光のその場分光・顕微観察によるAu基板上グラフェンの光物性の解明

次世代半導体として期待されているグラフェンの光物性の変調は,グラフェンを利用した光・電子デバイスの実用に向けて極めて重要である.本研究ではグラフェン支持基板のAuの微細構造の制御によってグラフェンの光物性を変調させることを試みる.グラフェンの光物性の変調を本研究独自の手法である熱放射光学顕微鏡により直接観察し,更に,グラフェンの電子状態の解析とAu微細構造の観察と組み合わせることで,グラフェンの光物性の変調のメカニズムを解明することが本研究の目的である.次世代半導体として期待されているグラフェンの光物性の変調は,グラフェンを利用した光・電子デバイスの実用に向けて極めて重要である.本研究ではグラフェン支持基板のAuの微細構造の制御によってグラフェンの光物性を変調させることを試みる.グラフェンの光物性の変調を本研究独自の手法である熱放射光学顕微鏡により直接観察し,更に,グラフェンの電子状態の解析とAu微細構造の観察と組み合わせることで,グラフェンの光物性の変調のメカニズムを解明することが本研究の目的である.
マウスの卵管管腔上皮におけるヒダの形態的パターン形成の力学的機構

卵管は卵を卵巣から子宮へと運ぶ役割がある。マウスなどの哺乳動物においては、卵管の管腔上皮は卵管の長軸方向に沿って多数のヒダを形成しており、卵の輸送の際の構造的な機能があると考えられている。一方、卵管は、鳥類、両生類、あるいは、爬虫類など様々な生物種でも見られる。これらの生物種では、卵は巨大な卵黄と卵殻を保持したセンチメートルのオーダーに及ぶサイズを有する点で、数十マイクロメーターのサイズしかない哺乳動物の卵とは大きく異なる。したがって、これらの生物種の卵管において、卵を輸送する機能にどの程度の共通性と多様性があるかは自明ではない。そこで、卵管のヒダに注目して、その形態を生物種間で比較した。具体的には、マウスに加えて、ウズラとアフリカツメガエルを用いて実験を行った。その結果、卵管およびヒダのサイズはこれらの生物種によって大きく異なっていたが、それにもかかわらず、卵管の長軸方向に沿った多数のヒダは共通して観察された。また、ヒダの本数についてはいずれも数十個のオーダーであり、卵管のサイズとの比例関係は認められなかった。以上から、卵管のサイズによらず、長軸方向のヒダは種間で保存された形質であり、卵管の機能発揮において重要であることが推測される。次に、多様性については以下が分かった。マウスでのみ、卵管断面内の放射状のヒダが観察された。また、アフリカツメガエルでのみ、ヒダの配向が部分的に三叉状になるなどの位相欠陥が観察された。以上から、卵管のヒダの形態について、生物種間での共通性と多様性の一端が明らかになった。本研究から、卵管の管腔上皮のヒダの形態についてマウス以外の生物種における新たな発見があった。マウスのヒダについて、これまでに長軸方向に整列したパターンと、放射状のパターンの2通りを発見していた。一方で、ウズラとアフリカツメガエルの研究から、長軸方向に整列したパターンが卵管あるいはヒダ自体のサイズに依存しないこと、および、位相欠陥を有するパターンが存在することがわかった。これらのパターンは当初予想していなかったものである。卵管などの管腔器官で観察されるヒダは、機械的な力によって作り出されると考えられている。ヒダのパターン形成についての理論的な研究は多くなされているが、位相欠陥を有するパターンに関する研究例はほとんどない。位相欠陥と放射状の2つのパターンを説明するためには、新たな物理的な枠組みが必要だと考えている。今後の研究展開の上で重要な進展だと考えている。卵管の管腔上皮のヒダについて、位相欠陥と放射状の2つの新規のパターンを発見したので、これらのパターンが形成されるメカニズムについて研究を進める。放射状のパターンは、これまでの数理的な研究によって再現できているが、一方でヒダの本数が実際の組織と大きく異なるなど、現実を十分に再現できているとは言い難かった。また、これまでの組織学的な解析から、湾曲した卵管のインコース側に生じる傾向があることを見出しており、卵管自体の幾何学的な情報が重要であることを示唆している。一方、位相欠陥を有するパターンは、これまでの数理的な研究では再現できていない。一つの可能性として、位相欠陥のパターン形成には、円筒形のシンプルな管腔ではなく、湾曲した管腔という幾何学的環境が必要なのかもしれない。今後、これらの仮説を検証するために、湾曲した管腔を仮定した数理的な解析を行っていく。そのためには比較的大きな組織のシミュレーションを行える数理的な枠組みが必要なので、その開発を行っていく。これらの数理的な解析と、組織学的な知見を比較することで、ヒダのパターン形成の理解を目指す。マウスの卵管管腔上皮は、多数のヒダを形成している。これらのヒダの形態は、卵を卵巣から子宮に運ぶ際の構造的な基盤になっていると考えられている。野生型マウスでは、ヒダは卵管の走る方向(長軸方向)に沿って整然と並んでいる。一方、平面内細胞極性(PCP)関連因子の一つであるCelsr1の遺伝子変異体では、ヒダの方向性がランダムとなり、さらに、ヒダが長軸方向に多数の枝分かれを呈するなど劇的な表現型を示すことを、我々はすでに報告している。また、この遺伝子変異体は不妊である。本研究では、ヒダの3次元的な形態について、より詳細な解剖学的知見を得ると同時に、その形態的パターンが形成される機構を力学的な観点から明らかにすることを目的とした。マウスの卵管の組織標本を作製し、ヒダの3次元的な形態を詳細に調べた。その結果、ヒダの枝分かれは、卵管の長軸方向だけでなく、卵管断面内の放射方向にも観察されることが分かった。このような枝分かれを伴うヒダは、他の管腔器官(気管、腸など)においても我々が知る限り報告例はない。卵管のような小さな管腔器官に現れる特徴的な形態の可能性がある。また、卵管1断面あたりのヒダの本数は約20本であった。次に、ヒダの3次元的な形態的パターンが形成される仕組みを検討した。すでに、野生型とCelsr1遺伝子変異体におけるヒダの形態に関する力学的な数理モデルを構築している。しかし、これまでの数理モデルでは放射方向の枝分かれは形成されなかった。そこで、卵管の発生過程(管の成長速度)を考慮した新たな数理モデルを構築した。このモデルを用いてシミュレーションを行ったところ枝分かれが生じた。

しかし一方で、ヒダの本数に生体内とは大きな食い違いが生じた。本年度で、組織学および数理的な基盤的な技術を構築できた。今後の研究展開における重要な基礎になると考えている。卵管の詳細な組織学的な知見を得ることを計画した。計画通り、発生の各ステージについての固定標本を作製し、卵管の管と上皮シートの成長の情報を取得した。また、組織切片像から、画像情報学的な方法を用いて卵管の3次元再構築像を作成することに成功した。これは当初の計画にはなかったが、ヒダの3次元構造を取得するうえで重要な進展であると考えている。一方、数理モデリングについては当初は次年度以降の計画としていた。しかし、当該年度で発生過程を考慮した新たな数理モデルの枠組みを構築することができた。実際にこの数理モデルを用いたシミュレーションによって、放射方向の枝分かれの形成機構についての示唆が得られており、大きな進展があったと考えている。また、これまでの数理モデルでは、上皮シートの性質は考慮できるが、個別の細胞の動態・性質を直接導入することは困難であった。しかし、新たな数理モデルでは、個別の細胞の動態・性質を考慮できると同時に、卵管の湾曲を考慮するなど、卵管の広範囲にわたるシミュレーションが可能になる。したがって、本数理的枠組みは、卵管にとどまらず、より大きな管腔器官への応用の可能性があり、重要な進展であると考えている。卵管は卵を卵巣から子宮へと運ぶ役割がある。マウスなどの哺乳動物においては、卵管の管腔上皮は卵管の長軸方向に沿って多数のヒダを形成しており、卵の輸送の際の構造的な機能があると考えられている。一方、卵管は、鳥類、両生類、あるいは、爬虫類など様々な生物種でも見られる。これらの生物種では、卵は巨大な卵黄と卵殻を保持したセンチメートルのオーダーに及ぶサイズを有する点で、数十マイクロメーターのサイズしかない哺乳動物の卵とは大きく異なる。したがって、これらの生物種の卵管において、卵を輸送する機能にどの程度の共通性と多様性があるかは自明ではない。そこで、卵管のヒダに注目して、その形態を生物種間で比較した。具体的には、マウスに加えて、ウズラとアフリカツメガエルを用いて実験を行った。その結果、卵管およびヒダのサイズはこれらの生物種によって大きく異なっていたが、それにもかかわらず、卵管の長軸方向に沿った多数のヒダは共通して観察された。また、ヒダの本数についてはいずれも数十個のオーダーであり、卵管のサイズとの比例関係は認められなかった。以上から、卵管のサイズによらず、長軸方向のヒダは種間で保存された形質であり、卵管の機能発揮において重要であることが推測される。次に、多様性については以下が分かった。マウスでのみ、卵管断面内の放射状のヒダが観察された。また、アフリカツメガエルでのみ、ヒダの配向が部分的に三叉状になるなどの位相欠陥が観察された。以上から、卵管のヒダの形態について、生物種間での共通性と多様性の一端が明らかになった。本研究から、卵管の管腔上皮のヒダの形態についてマウス以外の生物種における新たな発見があった。マウスのヒダについて、これまでに長軸方向に整列したパターンと、放射状のパターンの2通りを発見していた。
バイオ炭によるメタン発酵消化液の清澄化技術の開発 ―微細藻類培養を目指して―

メタン発酵消化液を用いた微細藻類の培養は、汚水処理の経済性を向上させる重要な技術であるが、消化液が含む微生物・重金属などの汚染物質が、幅広い藻類生産への実用化を妨げている。様々な余剰バイオマスから生成可能なバイオ炭は、消化液のろ過処理に用いることで微生物などの汚染を除去し、栄養塩を残存させたまま消化液を清澄化できる可能性がある。本研究ではバイオ炭の選定とろ過速度の最適化を通して、消化液の汚染物質(微生物・重金属)選択的除去と栄養バランス(窒素・リン・ミネラル)の改善を目指す。メタン発酵消化液の栄養塩を用いた微細藻類の培養は、汚水処理の経済性を向上させる重要な技術であるが、消化液が含む微生物・重金属などの汚染物質が、幅広い藻類生産への実用化を妨げている。バイオ炭はその吸着能からろ過処理に用いることで栄養塩を残存させたまま消化液を清澄化できる可能性がある。そこで本研究ではバイオ炭を用いて、栄養塩を残存させたまま夾雑物質の選択的な除去が可能かを明らかにすることを目的とした。本年度は異なるバイオ炭を用いてろ過試験を実施し、焼成温度や流れの向きが微生物・有機物・重金属の除去特性に与える影響を評価した。バイオ炭の原料は竹チップを用い、350°C(BC350)と800°C(BC800)で製炭した。比較として活性炭(AC)を用いた。実験系列は計4系列で、流向が上向きのBC350、BC800、AC up区と、追加実験として流向が下向きのAC down区を実施した。これらのバイオ炭を長さ17cmの小型容器に10cmの高さで充填し緩速ろ過を行った。その結果、すべての系列において固形物(5060%)と溶存有機炭素(683%)が除去された。消化液中の大腸菌数はdown区では供給水と比較して約90%が除去されていたが、up区ではむしろ増加する結果となった。これは、down区では酸素の流入により好気性菌がバイオフィルムを形成して大腸菌群を除去したが、up区では嫌気性の大腸菌が増殖したと考えられる。栄養塩はアンモニアがほぼ100%、リンは6590%残存した。重金属は、活性炭のみ鉛の50%程度の除去が見られたが、バイオ炭では除去が見られなかった。以上のことからバイオ炭を用いた消化液のろ過により栄養塩を残存させたまま微生物・固形物・溶存有機炭素の除去が可能であることがわかった。一方で上記の処理能力には向上の余地があり、重金属対策が必要であることが示された。異なるバイオ炭を用いた微生物・懸濁態固形物・溶存有機炭素等の除去効果を明らかにすることができたことで、概ね計画を達成した。計画では処理性能が悪い場合に2018年度中に砂ろ過を試験する可能性も示唆したが、当初計画になかった供給の向きの検討をすることで処理性能が向上したことから、計画にあった問題は概ね解決されたと考える。砂ろ過に関しては2019年度にバイオ炭との性能比較のために実施する計画である。バイオ炭を用いた消化液のろ過により栄養塩を残存させたまま微生物・懸濁態固形物・溶存有機炭素の除去ができた一方で、微細藻類培養のためには処理能力を向上させる必要がある。例えば、大腸菌は最大90%が除去されたが、微細藻類を食品に用いるためにはこれより数オーダー高い除去率が望ましい。これら汚染源が完全に除去されなかった理由は大きく分けて2つあると考えられる。第1にろ過塔の規模である。2018年度は複数のバイオ炭を比較するために高さ10 cmという小規模で実験を行った。他方、一般的な緩速砂ろ過では高さ50120 cm程度で処理が行われている。そのため供給水とろ材の接触が短く、粒子やイオンの吸着・分解が十分に行われていなかった可能性がある。したがって2019年度は高さ150 cmのカラムにろ材を70 cm充填して実験を行い、その処理性能を評価する。第2にバイオ炭のろ材としての目の粗さである。2018年度に行った実験ではバイオ炭および活性炭は2 mm程度に粒径を揃えた。緩速砂ろ過では通常粒径0.30.45 mm程度の砂を用いる。この違いにより、粒子の除去性能や、均質なバイオフィルムの形成による微生物除去性能が異なっていた可能性がある。2019年度は砂ろ過との性能の比較を行うことで、バイオ炭のろ材としての性能を評価する。以上の実験を行うことで、バイオ炭の緩速ろ過材としての性能を評価し、微細藻類培養に向けた消化液清澄化の実現化に向けた方策を検討する。

メタン発酵消化液の栄養塩を用いた微細藻類の培養は、汚水処理の経済性を向上させる重要な技術であるが、消化液が含む微生物・重金属などの汚染物質が、幅広い藻類生産への実用化を妨げている。バイオ炭はその吸着能からろ過処理に用いることで栄養塩を残存させたまま消化液を清澄化できる可能性がある。そこで本研究ではバイオ炭を用いて、栄養塩を残存させたまま夾雑物質の選択的な除去が可能かを明らかにすることを目的とした。本年度は異なるバイオ炭を用いてろ過試験を実施し、焼成温度や流れの向きが微生物・有機物・重金属の除去特性に与える影響を評価した。バイオ炭の原料は竹チップを用い、350°C(BC350)と800°C(BC800)で製炭した。比較として活性炭(AC)を用いた。実験系列は計4系列で、流向が上向きのBC350、BC800、AC up区と、追加実験として流向が下向きのAC down区を実施した。これらのバイオ炭を長さ17cmの小型容器に10cmの高さで充填し緩速ろ過を行った。その結果、すべての系列において固形物(5060%)と溶存有機炭素(683%)が除去された。消化液中の大腸菌数はdown区では供給水と比較して約90%が除去されていたが、up区ではむしろ増加する結果となった。これは、down区では酸素の流入により好気性菌がバイオフィルムを形成して大腸菌群を除去したが、up区では嫌気性の大腸菌が増殖したと考えられる。栄養塩はアンモニアがほぼ100%、リンは6590%残存した。重金属は、活性炭のみ鉛の50%程度の除去が見られたが、バイオ炭では除去が見られなかった。以上のことからバイオ炭を用いた消化液のろ過により栄養塩を残存させたまま微生物・固形物・溶存有機炭素の除去が可能であることがわかった。一方で上記の処理能力には向上の余地があり、重金属対策が必要であることが示された。異なるバイオ炭を用いた微生物・懸濁態固形物・溶存有機炭素等の除去効果を明らかにすることができたことで、概ね計画を達成した。計画では処理性能が悪い場合に2018年度中に砂ろ過を試験する可能性も示唆したが、当初計画になかった供給の向きの検討をすることで処理性能が向上したことから、計画にあった問題は概ね解決されたと考える。砂ろ過に関しては2019年度にバイオ炭との性能比較のために実施する計画である。バイオ炭を用いた消化液のろ過により栄養塩を残存させたまま微生物・懸濁態固形物・溶存有機炭素の除去ができた一方で、微細藻類培養のためには処理能力を向上させる必要がある。例えば、大腸菌は最大90%が除去されたが、微細藻類を食品に用いるためにはこれより数オーダー高い除去率が望ましい。これら汚染源が完全に除去されなかった理由は大きく分けて2つあると考えられる。第1にろ過塔の規模である。2018年度は複数のバイオ炭を比較するために高さ10 cmという小規模で実験を行った。他方、一般的な緩速砂ろ過では高さ50120 cm程度で処理が行われている。そのため供給水とろ材の接触が短く、粒子やイオンの吸着・分解が十分に行われていなかった可能性がある。したがって2019年度は高さ150 cmのカラムにろ材を70 cm充填して実験を行い、その処理性能を評価する。第2にバイオ炭のろ材としての目の粗さである。2018年度に行った実験ではバイオ炭および活性炭は2 mm程度に粒径を揃えた。緩速砂ろ過では通常粒径0.30.45 mm程度の砂を用いる。この違いにより、粒子の除去性能や、均質なバイオフィルムの形成による微生物除去性能が異なっていた可能性がある。