hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
モンテカルロ法にもとづくタイミング解析高速化の研究

先端集積回路の設計における最も重要な目標仕様の一つであるタイミング解析をモンテカルロ法により高速化する方法について検討した。デバイスの微細化にともなって顕著となる特性ばらつきや特性劣化の影響をモデル化することにより、これらをタイミング解析において正確に考慮可能とした。さらに、任意分布を扱えるモンテカルロ法の利点を維持しながらアルゴリズムをハードウェア実現することにより、既存手法に対し10倍以上の高速化を実現した。今年度は主として、モンテカルロ法による統計的タイミング解析高速化の基盤となる、タイミング解析手法のアルゴリズム、およびばらつきモデルの基礎検討を行った。1)タイミング解析アルゴリズムに関しては、複数の実現手法を比較検討し、まずは最もシンプルな形態の一つである、回路の最遅到着時間の伝搬をFPGA上にタイミンググラフの構造通りに実現する方法、を考案しその性能を評価した。この実現方法では、タイミンググラフ上を伝播させる最遅到着時間の計算が、グラフの各節点について並列に、かつパイプライン的に実行できる。この結果、小規模な回路では、ソフトウェア実装と比較して87倍の高速化が可能であるとの見込みを得ている。一方でこの手法の評価を通じて、乱数発生器の実装が計算効率と解析可能な回路規模を制約する主要因であることが明らかとなった。ハードウェアの並列性を最大限に活用しつつ解析規模を拡大する手法を検討することが今後の重要な課題の一つとなる。ハードウェア実装時の設計空間探索等についても基礎的な検討を行った。2)ばらつきモデルに関しては、トランジスタのしきい値等の特性ばらつき量を測定により把握する方法について検討した。特に、リングオシレータ回路を用いる測定方法は、ディジタル回路のみを用いて面積効率よくばらつき測定が実現できることから、今後、多くの回路に組み込まれ、タイミング解析結果と合わせて回路性能の向上へ活用されていくことが期待される。温度変動など非理想的な環境要因がばらつき量の測定に与える影響を考慮して測定精度を向上する方法を提案し、またばらつきにより変化する回路のタイミングを、実測に基づいて確認するための基礎データを得た。今年度は昨年度に引き続き、モンテカルロ法による統計的タイミング解析を高速化するための並列計算アルゴリズムの検討、および、時間的にパラメータが変動するばらつきモデルについての基礎検討を実施した。1)タイミング解析アルゴリズムに関しては、昨年度検討した回路の最遅到着時間の伝搬をFPGA上にタイミンググラフの構造通りに実現する方法、を発展させ、汎用のタイミング計算専用演算器を定義し、これがメモリに数値を読み書きするプロセッサ型の実装方法を提案した。この実装では、モンテカルロ試行レベルでの並列化を実現できる。従来法に存在していた回路規模の制約を無くし、大規模回路にも効率よく適用できる見通しを得ている。また、回路が変わる度に実行する必要があったFPGAへのマッピング処理を不要とし、実質的な解析時間を低減した。同時に、良質な乱数を多数同時に出力可能な乱数生成器をFPGA上に実現することで、従来手法と遜色の無いスループットが得られることを確認した。2)トランジスタの特性ばらつきは、チップ内の信号伝搬遅延時間に多大な影響を与える。近年になって、特にトランジスタのしきい値が回路の動作中、経時的に変動するNBTIやRTN等の現象がタイミングに与える影響が大きくなってきている。これらの影響をタイミング解析にフィードバックするため、チップ試作により特に時間的な変動に関するデータを取得した。チャネル面積の小さいトランジスタでは、全トランジスタの経時変化量やその速度が同一でなく、これらもトランジスタごとに異なっていることを実験的に明らかとした。さらに今後、ばらつきの影響が特に大きいと考えられる低電圧での回路動作と関連したタイミング解析についてもチップ試作を通じて検討を実施する。今年度は、タイミング解析に関連する統計的モデルの改善と、統計的タイミング解析のさらなる効率化に取り組んだ。統計的モデルに関しては、低電源電圧環境において特にトランジスタの特性変動が大きくなり、結果としてタイミング等の回路特性が大きく変動する点に着目して、その安定的動作範囲の解析手法を開発した。単体デバイスと要素回路の統計的な特性変動を効率よく取得可能とする回路を新たに設計し、65nmプロセスを用いて試作することにより、回路の特性変動を具体的に求め、解析手法の有効性を実測データと照合した。回路中の基本論理素子であるフリップフロップ(FF)回路が特にばらつきに弱いことに着目して考案した、FFのばらつきから回路全体の特性を予測するモデルが、実測結果をよく説明することを示した。本検討により、低電源電圧下での回路全体の特性の正確な推定が可能となっている。統計的タイミング解析の効率化に関しては、昨年度までに基本構想作成が完了していたモンテカルロ型解析手法の高ハードウェア実装についての性能評価を行い、既存手法に対して10倍以上の解析速度が実現できていることを確認した。また、任意遅延分布を正確に扱える自由度を残しつつさらなる高速化を狙い、遅延サンプルの頻度分布を伝搬させるヒストグラム伝搬方式のタイミング解析手法を開発した。テストプログラムの評価により、ヒストグラム伝搬方式では、回路トポロジー(分岐ノードと再収斂ノードの存在)により発生する遅延時間の相関を正確に考慮するためには、分岐ノード数の指数時間がかかる課題があることを明らかとした。

現実的な計算時間で扱える分岐ノード数は高々数個であることから、分岐ノードの重要性を近似的に評価する手法を開発した。モンテカルロ法に対して、数%から10%程度の許容できる誤差に抑えつつ、大幅な高速化が可能となった。タイミング解析の並列化は24年度に実施する予定であったが、専用演算器による実装の着想を得たため、1年前倒しで成果を得ることができた。一方このため、タイミング解析に用いるべきモデルの検討が、計画よりもやや遅れている。両者を総合すると、おおむね計画どおりの進展と考えられる。24年度が最終年度であるため、記入しない。現状、おおむね計画通りに研究が進んでいることから、研究計画に沿って今後も研究を進める。
新たなHMG関連タンパク質の骨吸収活性制御における役割

ラット骨髄細胞培養系を使用したDNAマイクロアレイ解析により、破骨細胞で高く発現する遺伝子としてHMG関連タンパク質Nucler protein1 (Nupr1)/p8を見出した。Nupr1は分子量の小さな核タンパク質でストレスや炎症、アミノ酸飢餓状態などで誘導され、細胞の増殖、アポトーシスやオートファジーにおける働きが報告されている。本研究ではNupr1の破骨細胞の分化と機能における働きを明らかにすることを目的とした。マウスマクロファージ細胞株と骨髄由来マクロファージを用いたin vitro破骨細胞分化培養系にRANKLを添加するとNupr1の発現が顕著に上昇した。レンチウイルスを用いてNupr1の発現をノックダウンしたところ、破骨細胞の分化が阻害された。Nupr1のin vivoの作用について検討するためにNupr1ノックアウト(KO)マウスを用いて解析を行った。KOマウスの大腿骨のμCT解析を行ったところ海綿骨量がWTマウスと比較し有意に上昇していた。さらに骨代謝動態を知るために骨形態計測を行った結果、WTマウスと比較しKOマウスでは骨面上の吸収面と破骨細胞数及び単核の破骨細胞前駆細胞数が顕著に減少していた。KOマウスの骨髄細胞を単離し骨髄マクロファージから破骨細胞を形成させるとWTと比較して、破骨細胞の形成、NFATc1、カテプシンKの発現が低下し、破骨細胞の前駆細胞表面のRANKの発現が低下していた。KOマウスでは、RANKLの初期シグナルであるMAPKのリン酸化は変わらなかったが、前駆細胞の増殖能が低下していた。さらに、KOマウスの破骨細胞はオートファジーが亢進し、アミノ酸飢餓におけるオートファジーによる細胞死が亢進していた。Nupr1は破骨細胞前駆細胞の増殖や破骨細胞の分化と生存を制御することにより骨吸収を制御するタンパク質であることが示唆された。ラット骨髄由来マクロファージを用いた破骨細胞分化系において、DNAマイクロアレイ法により破骨細胞で高く発現する遺伝子としてHMG(High Mobility Group)関連タンパク質、Nucler protein1(Nupr1)/p8を見出した。このNupr1の骨吸収活性制御における役割を明らかにすることを目的とした。マウスマクロファージ細胞株およびマウス骨髄由来マクロファージを用いた破骨細胞分化系において、RANKL刺激後Nupr1 mRNA、タンパク質発現が顕著に上昇することを確認した。また、蛍光免疫染色において破骨細胞分化のマスターレギュレーターと考えられているNFATc1との共局在を核において認めた。Nupr1プロモーター解析によりNFATc1結合コンセンサス配列を1000ベース上流付近までに7つ認め、NFATc1阻害剤であるFK506投与により用量依存性にNupr1の発現が抑制された。次にレンチウイルスを用いてNupr1発現をノックダウンしたところ破骨細胞形成が抑制され、アポトーシスやオートファジーに関わる遺伝子群の発現に変化が認められた。これらのことからNupr1は破骨細胞分化に重要な役割を持ち、アポトーシスやオートファジーの制御に関わる可能性が示唆された。マウスマクロファージ細胞株、マウス骨髄由来マクロファージを用いた破骨細胞分化系においてもNupr1発現が上昇することを確認した。免疫染色やプロモーター配列解析によりNupr1は破骨細胞におけるNFATc1の新たな標的タンパク質であると考えられた。また、Nupr1ノックダウンによりオートファジーやアポトーシス関連の遺伝子群の発現に変化が認められ、他のNupr1に関する報告と同様、破骨細胞においてもこれらの制御に関わることを示す結果が得られている。前年度の研究でin vitroにおいて、Nupr1は破骨細胞の分化過程で発現が上昇し、破骨細胞分化のマスターレギュレーターであるNFATc1と核で共局在することが分かった。また、レンチウイルスを用いたNupr1ノックダウン実験による遺伝子発現の変化から、Nupr1がアポトーシスやオートファジーの制御に関わる可能性が示唆された。今年度はNupr1ノックアウト(KO)マウスを使用し破骨細胞の分化、骨吸収能について解析した。Nupr1KOおよび野生型(WT)マウス骨髄由来マクロファージから破骨細胞を形成したところ、破骨細胞形成がNupr1KOにおいて抑制される傾向が認められた。これらの破骨細胞を用いて遺伝子発現を解析したところ、オートファジー関連タンパク質のFoxo3、Bnip3の発現が上昇していた。さらに、ウエスタン解析による、オートファジー指標タンパク質LC3-IIなどの発現解析の結果からはNupr1KOにおいてオートファジーが亢進していることが示唆された。また、破骨細胞形成後、培養液から血清を除去しオートファジーを誘導すると、Nupr1KOでアポトーシスが亢進していた。Nupr1KOのin vivoにおける影響を検討するため、Nupr1KOとWTマウスの大腿骨を用いてマイクロCT解析を行ったところ、Nupr1KOにおいて海綿骨量の有意な増加を認めた。さらにNupr1と疾患との関連を明らかにするため、2型コラーゲンを皮下注射しコラーゲン関節炎モデルの作成を試みたが、関節炎を誘導できず結果は得られていない。また、マウスに卵巣摘出術を行い骨粗鬆症モデルを作成し、現在匹数を増やして骨量減少における役割を検討している。以上のことから,Nupr1は破骨細胞においてオートファジーやアポトーシスを制御することにより骨代謝に重要な役割を担っていることが考えられた。

前年度はレンチウイルスを用いてNupr1の発現をノックダウンし、Nupr1が破骨細胞のオートファジーとアポトーシスを制御している可能性を遺伝子発現の変化から示した。本年度はNupr1KOマウスを用いてこの可能性を支持する結果が得られた。さらにマイクロCT解析の結果から、Nupr1KOで骨量が増加することが分かり、in vivoにおいてもNupr1が骨代謝に重要な役割を担うことを示す結果が得られており、おおむね順調に進展している。ラット骨髄細胞培養系を使用したDNAマイクロアレイ解析により、破骨細胞で高く発現する遺伝子としてHMG関連タンパク質Nucler protein1 (Nupr1)/p8を見出した。Nupr1は分子量の小さな核タンパク質でストレスや炎症、アミノ酸飢餓状態などで誘導され、細胞の増殖、アポトーシスやオートファジーにおける働きが報告されている。本研究ではNupr1の破骨細胞の分化と機能における働きを明らかにすることを目的とした。マウスマクロファージ細胞株と骨髄由来マクロファージを用いたin vitro破骨細胞分化培養系にRANKLを添加するとNupr1の発現が顕著に上昇した。レンチウイルスを用いてNupr1の発現をノックダウンしたところ、破骨細胞の分化が阻害された。Nupr1のin vivoの作用について検討するためにNupr1ノックアウト(KO)マウスを用いて解析を行った。KOマウスの大腿骨のμCT解析を行ったところ海綿骨量がWTマウスと比較し有意に上昇していた。さらに骨代謝動態を知るために骨形態計測を行った結果、WTマウスと比較しKOマウスでは骨面上の吸収面と破骨細胞数及び単核の破骨細胞前駆細胞数が顕著に減少していた。KOマウスの骨髄細胞を単離し骨髄マクロファージから破骨細胞を形成させるとWTと比較して、破骨細胞の形成、NFATc1、カテプシンKの発現が低下し、破骨細胞の前駆細胞表面のRANKの発現が低下していた。KOマウスでは、RANKLの初期シグナルであるMAPKのリン酸化は変わらなかったが、前駆細胞の増殖能が低下していた。さらに、KOマウスの破骨細胞はオートファジーが亢進し、アミノ酸飢餓におけるオートファジーによる細胞死が亢進していた。Nupr1は破骨細胞前駆細胞の増殖や破骨細胞の分化と生存を制御することにより骨吸収を制御するタンパク質であることが示唆された。Nupr1ノックアウトマウスを用いた解析を行い破骨細胞分化、骨吸収制御機構における機能解析を進めていく。特にオートファジーやアポトーシスとの関連を中心に実験を行う予定である。また、骨粗鬆症などの疾患モデルを作成し疾患との関連も検討する。Nupr1が破骨細胞の分化やオートファジーに関与し、その機能と骨量増加が関係してることが示唆された。今後さらに詳しいメカニズムの解明を行っていく。
革新的特性を有するホウ化物系超高温セラミックスの創製

強磁場中でのコロイドプロセスによるセラミック配向体作製法およびSPSによる共晶組織の複相化手法をホウ化物系超高温セラミックスに適用し、高性能化を図った。Si3N4系の強度と靱性の向上手法を参考に、Zr(Hf))B2系配向体について、優れた特性を得る為の添加元素、界面および微構造の要件を検討した。また、遷移金属ホウ化物(MeB2:Me=Ti, Zr, Ta, Nb, V)とB4Cの混合粉末をSPSにより液相生成温度前後で加熱することで、遷移金属ホウ化物ーB4C系の共晶複層組織の高次構造体の作製に成功した。この共晶複相組織構造体は、高強度・高靱性を示し、微構造と強度の関係を体系的に検討した。Zr(Hf))B2ーSiC系配向体を次の手法で作製した。Zr(Hf))B2およびSiC粉末をPEIを適量添加することにより、30vol%固体量のサスペンションを調整し、強磁場中(12T)でスリップキャストした。CIP処理後、パルス通電加圧焼結により、緻密な焼結体を作製した。ZrB2-SiC系の破壊靱性値向上のためBN添加を試み、30vol%BN添加まで上昇に、その値は5.3±0.2 MPam1/2であった。強度は、5vol%BN添加まで上昇し(602 MPa)、その後減少した。また、HfB2-SiCおよび5 vol%WCを添加した系において、HPにより緻密焼結体を作製し、曲げ強度を測定した。焼結中に原料粉末表面の酸化物が除去されることを熱力学的考察から明らかにし,1600°Cにおいても強度は、WC未添加系で389MPa、添加系で658MPaと大きな値を示した。特に、WC添加系では、(Hf,W)B2, (Hf,W)CおよびWBが析出し大きな高温強度を示すと解釈された。TiB2-TaC、TiB2-NbC、B4C-TaB2、B4C-VB2共晶系において、従来の一方方向凝固ではなく、短時間のパルス通電加熱焼結により共晶組織が得られ、室温および1600°Cという高温でも高い強度を示すことが実証された。材料の高機能化あるいは新機能の発現には、高次の構造制御が不可欠である。本研究では、申請者らが開発した強磁場中でのコロイドプロセスによるセラミック配向体作製法および共晶組織の複相化手法をホウ化物系超高温セラミックスに適用し、高性能化を図ることを目的とする。そのため、粉体プロセスの高度化、特に外場制御コロイドの高度化、共晶組織を利用した新規コンポジットの作製、パルス通電加熱やミリ波焼結利用による高次構造制御を行い、微構造と様々な特性との関係を明らかにし、優れた特性を有するホウ化物系超高温セラミックス作製の指針を示すことを目標とした。本年度は、Zr(Hf))B2系では、非水系および水系サスペンションを強磁場中でスリップキャストし、CIP処理後、パルス通電焼結することにより、緻密なZr(Hf))B2系配向体の作製に成功した。作製した配向体の硬度、曲げ強度、靭性、高温強度性と結晶方位との関係を検討した。ここで、第2相として、SiC,B4Cのほか、カーボンナノチューブの添加効果について検討した。特に、パルス通電焼結によるクリーン効果に着目し、酸化物不純物の軽減効果、および高温強度への効果について、ホットプレスと比較し、パルス通電焼結の方が強度、靱性も向上することを示した。さらに、B4C-MeIVB2(MeVB2)系、ここでMe=Ta, Nb, V,およびB4C-SiC,B4C-SiC-MeB2系において、複層コアシェル構造、あるいは共晶系複層構造体に関しては、前年に引き続き、組成を系統的に変えた系の素粉末混合粉をパルス通電焼結を用いて液相生成温度前後で作製し、微構造と力学特性を検討した。Zr(Hf))B2系では、分散したサスペンション非水系を作製し、強磁場中スリップキャスト、パルス通電焼結することにより、緻密なZr(Hf))B2系配向体の作製に成功した。また第2相として、カーボンナノチューブの添加効果について検討した。パルス通電焼結の方がホットプレスに比較して、粒界の正常化により、強度、靱性も向上することを示すことができた。さらに、B4C-MeIVB2(MeVB2)系、ここでMe=Ta, Nb, V,およびB4C-SiC,B4C-SiC-MeB2系において、複層コアシェル構造、あるいは共晶系複層構造体に関しては、前年に引き続き、組成を系統的に変えた系の素粉末混合粉をパルス通電焼結を用いて液相生成温度前後で作製に成功し、微構造と力学特性を検討することができた。本研究では、申請者らが開発した強磁場中でのコロイドプロセスによるセラミック配向体作製法および共晶組織の複相化手法をホウ化物系超高温セラミックスに適用し、高性能化を図ることを目的とした。粉体プロセスの高度化、特に強磁場中コロイド成形とパルス通電焼結(SPS)により配向Zr(Hf)B2および第2相としてB4C、SiC、WCを添加した系を作製した。

ここでは、高配向体を得るためには、凝集のない粒子が高分散した高濃度のサスペンションを作製することが重要であった。得られた配向体の硬度、曲げ強度(室温と高温)、靱性、酸化特性、熱伝導などの方位依存性を明らかにした。また、遷移金属ホウ化物とB4Cの混合粉末をSPS加熱することで、遷移金属ホウ化物ーB4C系共晶組織の高次構造制御を行い、高強度・高靱性セラミックスの構成に成功した。特に、NbB2単体などの遷移金属ホウ化物のSPSでは、炉内の窒素ガスとホウ化物表面の酸化物の反応により六方晶BNが生成し、遷移金属ホウ化物の曲げ強度が1600°Cまで室温と同等な値を示し、1700°CではBNの消失によりNbB2の曲げ強度は450 MPaと高い値を示した。これらの結果を基に、ホウ化物系超高温セラミックスの微構造と様々な特性との関係を明らかにし、優れた特性を有するホウ化物系超高温セラミックス作製の指針を示した。強磁場中でのコロイドプロセスによるセラミック配向体作製法およびSPSによる共晶組織の複相化手法をホウ化物系超高温セラミックスに適用し、高性能化を図った。Si3N4系の強度と靱性の向上手法を参考に、Zr(Hf))B2系配向体について、優れた特性を得る為の添加元素、界面および微構造の要件を検討した。また、遷移金属ホウ化物(MeB2:Me=Ti, Zr, Ta, Nb, V)とB4Cの混合粉末をSPSにより液相生成温度前後で加熱することで、遷移金属ホウ化物ーB4C系の共晶複層組織の高次構造体の作製に成功した。この共晶複相組織構造体は、高強度・高靱性を示し、微構造と強度の関係を体系的に検討した。磁場中成形により作製した配向体と従来法の無配向体との比較、HIPとパルス通電焼結の焼結法の違いによる組織と力学特性の関係の把握。また、TiB2-(Ta,Nb,V)B2系およびB4C-(Ta、Nb,V)B2系共晶組織と力学特性などの関係の検討を進める。以上の研究を通して、超高温ホウ化物系セラミックスの材料化に向けた研究を総合的に推進するとともに、新たな多機能材料としての可能性を追求する。また、複層コアシェル構造、あるいは共晶系複層構造の新規なホウ化物系超高温セラミックス創製につながるよう検討を進める29年度が最終年度であるため、記入しない。セラミックスプロセス29年度が最終年度であるため、記入しない。
真核生物エンドグリコセラミダーゼの機能解明と糖鎖工学への応用

エンドグリコセラミダーゼ(EGCase)は、スフィンゴ糖脂質の糖鎖-セラミド間のグリコシド結合を加水分解する酵素で、放線菌Rhodococcus sp.に初めて見いだされた。一方、真核生物由来のEGCaseは遺伝子や機能がこれまで全く明らかにされていなかった。研究代表者はEGCaseが刺胞動物で強く発現していることを見いだし、真核生物としては初めてユウレイクラゲ(Horibata, Y.et al.J.Biol.Chem.275,31297-31304,2000)とヒドラから新規EGCaseのcDNAクローニングを行った。本年度の研究では、ヒドラを用いてEGCaseの生物機能を解析した。ヒドラEGCaseはpH3.0-4.0で最大活性を示し、in situ hybridizatiohおよび免疫組織学的検討から、内肺葉、特に消化細胞に局在していた。^<14>Cで標識した糖脂質を用いてin vivoでの糖脂質代謝を調べた結果、糖脂質はEGCaseによって分解され、さらにセラミドはセラミダーゼにより脂肪酸とスフィンゴシンに分解され、続いて脂肪酸はグリセロ脂質の合成に利用された。哺乳類では糖脂質の糖鎖部分はエキソグリコシダーゼによって代謝されるが、ヒドラではEGCaseによって遊離糖鎖にされた後、一連のエキソグリコシダーゼにより分解されたことから、ヒドラにはEGCaseを介した新奇な糖脂質代謝経路が存在することが証明された。リソソーム内のスフィンゴ脂質分解酵素が遺伝的に欠損するとスフィンゴリピドーシスと呼ばれる疾患を生じる。この疾患の遺伝子治療のモデル系を構築するために、リソソームに発現するキメラEGCaseおよびキメラスフィンゴミエリナーゼ(SMase)を作製し、スフィンゴ脂質の分解活性を培養細胞を用いて調べた。今回、培養細胞内ではキメラEGCaseの十分な活性は認められなかったが、キメラSMaseは強い活性と細胞内スフィンゴミエリンの減少を示し、酸性SMase欠損病であるニーマンピック病の遺伝子治療への応用が期待された。エンドグリコセラミダーゼ(EGCase)は、スフィンゴ糖脂質の糖鎖-セラミド間のグリコシド結合を加水分解する酵素で、糖脂質の構造と機能を解析する試薬として現在広く使用されている。この酵素は最初放線菌Rhodococcus sp.に見いだされた。その後、本酵素の活性は、ヒルやミミズにも見出されていたが、共棲する微生物由来の活性である可能性も否定できなかった。研究代表者はEGCaseが刺胞動物の仲間で特に強く発現していることを見いだしたのでユウレイクラゲ由来の新規EGCaseのcDNAクローニングを行い、EGCaseがセルラーゼファミリーAと同一の祖先遺伝子から進化した可能性を示した(Horibata, Y. et al. J. Biol. Chem. 275.31297-31304,2000)。本年度の研究では、クラゲと同じ刺胞動物であるヒドラをモデル動物に用いて無セキツイ動物におけるEGCaseの機能を調べた。ホモロジークローニングによってヒドラEGCase遺伝子を単離した結果、本酵素は放線菌、クラゲのEGCaseとアミノ酸レベルでそれぞれ19%、50%の相同性を示すことがわかった。ヒドラ抽出液あるいはヒドラEGCaseを発現したCHOP細胞のライセートを酵素液としてpH依存性を調べたところ、最大活性はpH3.0付近で見られた。ヒドラEGCaseはN-グリコシド型の糖タンパク質で、分子量は57kDaであることが抗ヒドラEGCase抗体を用いたウエスタンブロッティングによって明らかになった。In situ hybridizationを行ったところ、本遺伝子は触手と足柄部の内肺葉で強く発現していることが明らかになった。ヒドラにエサであるブラインシュリンプを与えると本酵素が一過的に培地に放出された。またブラインシュリンプの糖脂質はヒドラEGCaseによって分解されることが確認された。これらの結果から、ヒドラEGCaseはエサ由来の糖脂質を代謝する消化酵素のひとつであることが示唆された。

リソソーム内のスフィンゴ脂質分解酵素が遺伝的に欠損するとスフィンゴリピドーシスと呼ばれる疾患を生じる。この疾患の遺伝子治療のモデル系を構築するために、リソソームに発現するキメラEGCaseおよびキメラスフィンゴミエリナーゼ(SMase)を作製し、スフィンゴ脂質の分解活性を培養細胞を用いて調べた。今回、培養細胞内ではキメラEGCaseの十分な活性は認められなかったが、キメラSMaseは強い活性と細胞内スフィンゴミエリンの減少を示し、酸性SMase欠損病であるニーマンピック病の遺伝子治療への応用が期待された。
高齢者の特性を考慮した下肢リンパ浮腫を軽減する継続可能な手技の開発

本研究は筋力低下、握力低下や注意力・集中力低下しつつある高齢下肢リンパ浮腫患者に対して,高齢者でも簡単にできるドレナージと低握力でも履けるストッキングを用いた圧迫療法の開発である。本研究の課題は以下のとおりである。1ステージII期にあるリンパ浮腫患者に用手微振動の効果があるか,腓腹筋の上下のゆすりに効果があるか検証する。2高齢者の握力で履けるストッキングでリンパ浮腫改善効果のある着圧を検証する。
ナノチューブ鋳造法による１次元遷移金属カルコゲナイドの精密合成と物性評価

カーボンナノチューブを鋳型に用い,遷移金属カルコゲナイド系の新奇ナノワイヤー,ナノリボンの高収率・高品質合成に成功した。特にナノワイヤーでは,理論上でしか予想されていなかった連続的な「ねじれ」の観察に世界に先駆けて成功した。この成果はすでにNano Lett.誌にオンライン公開され,掲載号(本年度8月号)の表紙を飾る予定である。また,これまで未踏だったNb系を含む6種類のナノリボン(MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, NbS2, NbSe2)の精密合成にも成功し,遷移金属カルコゲナイドナノリボンの系統的な構造・物性評価が可能になった。さらに重要な成果として,カーボンナノチューブの代わりに窒化ホウ素(BN)ナノチューブを用い,精密に合成したMoS2ナノリボンの光吸収(EELS)スペクトル測定に成功したことが挙げられる。BNナノチューブは6 eVもの巨大なバンドギャップをもつ絶縁体で,カーボンナノチューブと違って内包物の光学スペクトルに干渉しない。これにより,これまでは難しかったナノチューブ内部の詳細な分光評価が可能になり,ジグザグ型MoS2ナノリボンの電子状態がMoS2の単層シートとは異なることを明らかにした。また,以上の成果に関連し,優秀講演賞(分子科学討論会)やJournal of Materials Chemistry A賞(フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム)など,4件の学会賞も受賞している。当初の研究計画では,遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD, MX2)ナノリボンのみを研究ターゲットとして合成を目指していたが,それに加えて新奇ナノワイヤーの合成にも成功した。このナノワイヤーは「遷移金属モノカルコゲナイド(TMM, MX)」と呼ばれ、理論的には30年以上前から研究されている針状物質(量子細線)である。TMMナノワイヤーは特有のねじれ構造を持ち,ねじれ角の違いによって電子状態が変化することが予想されている(I. Popov et al., Nano Lett. 2008)。また,ナノスケールの微小デバイスの配線としての応用も期待されてるが、凝集して束になりやすい性質があるため、実験研究は進んでいなかった。本研究計画では,TMDナノリボンの合成に取り組む中,偶然このナノワイヤーの多量合成に成功し,さらに理論上でしか予想されていなかったねじれを世界に先駆けて電子顕微鏡で撮像することに成功した。この研究成果はすでにNano Lett.誌にオンライン公開され,国内外の多くのメディアでも取り上げられている。以上の理由により,本年度の研究は,当初の計画以上に進展していると言える。最終年度ではこれまでの研究の総まとめを行う。特に、現在までに合成したナノワイヤー,ナノリボンの物性評価を精力的に進める。特に、絶縁体であるBNナノチューブ内に合成したナノリボンについては,モノクロメーターを用いた最新鋭のSTEM-EELS技術と,励起子効果を加味した第一原理計算を合わせることで,構造との電子状態の相関を明らかにする。TMDナノリボンの構造ー物性相関を実験的に検証した例はなく,ナノサイエンスの分野において大きなインパクトを与えることが予想される。また、ナノワイヤーを内包したCNTについても各種物性・機能の評価を積極的に進めていく。テルルなどの重元素で構成されるナノワイヤーとCNTの間には,顕著な相互作用が働いていることが予想される。そのため,CNTの物性を劇的に変調させることが期待できる。国内外の共同研究者らと協力し,CNT薄膜の電気・熱輸送特性や触媒活性などを中心に評価測定を進めていく予定である。また、研究成果のプレスリリースやその他のアウトリーチ活動(ポータルサイトや科学雑誌などへの解説記事の寄稿など)も含めて、一般の人々に重要性をアピールしたい。

このナノワイヤーは「遷移金属モノカルコゲナイド(TMM, MX)」と呼ばれ、理論的には30年以上前から研究されている針状物質(量子細線)である。TMMナノワイヤーは特有のねじれ構造を持ち,ねじれ角の違いによって電子状態が変化することが予想されている(I. Popov et al., Nano Lett. 2008)。また,ナノスケールの微小デバイスの配線としての応用も期待されてるが、凝集して束になりやすい性質があるため、実験研究は進んでいなかった。本研究計画では,TMDナノリボンの合成に取り組む中,偶然このナノワイヤーの多量合成に成功し,さらに理論上でしか予想されていなかったねじれを世界に先駆けて電子顕微鏡で撮像することに成功した。この研究成果はすでにNano Lett.誌にオンライン公開され,国内外の多くのメディアでも取り上げられている。以上の理由により,本年度の研究は,当初の計画以上に進展していると言える。最終年度ではこれまでの研究の総まとめを行う。特に、現在までに合成したナノワイヤー,ナノリボンの物性評価を精力的に進める。特に、絶縁体であるBNナノチューブ内に合成したナノリボンについては,モノクロメーターを用いた最新鋭のSTEM-EELS技術と,励起子効果を加味した第一原理計算を合わせることで,構造との電子状態の相関を明らかにする。TMDナノリボンの構造ー物性相関を実験的に検証した例はなく,ナノサイエンスの分野において大きなインパクトを与えることが予想される。また、ナノワイヤーを内包したCNTについても各種物性・機能の評価を積極的に進めていく。テルルなどの重元素で構成されるナノワイヤーとCNTの間には,顕著な相互作用が働いていることが予想される。そのため,CNTの物性を劇的に変調させることが期待できる。国内外の共同研究者らと協力し,CNT薄膜の電気・熱輸送特性や触媒活性などを中心に評価測定を進めていく予定である。また、研究成果のプレスリリースやその他のアウトリーチ活動(ポータルサイトや科学雑誌などへの解説記事の寄稿など)も含めて、一般の人々に重要性をアピールしたい。
改訂道徳的感受性質問紙日本語版（J-MSQ） 学生版の開発

研究目的は学生に使用可能な道徳的感受性尺度の開発である。看護学生を対象としたFGIを行い質問文の追加と修正をした後に、質問紙調査により得られたデータを用いて探索的因子分析を行った結果、看護師用の改訂道徳的感受性質問紙日本語版と同じ3因子構造を得た。確証的因子分析の結果、十分なモデル適合度を示した。大学生のレジリエンス測定尺度を外的基準とする基準関連妥当性が支持された。信頼性係数(Cronbach'sα)について、得られた3因子のうち2因子については十分な信頼性を確保できたが、「道徳的責任感」については十分ではなかった。1年後の追跡調査を行った結果、「道徳的強さ」因子のスコアが有意に高くなった。本研究の目的である、理論的な知識、および状況の文脈的な理解から道徳的な問題を識別する能力である道徳的感受性について、看護学生がどの程度身についているかを客観的に測定することのできる信頼性と妥当性を備えた尺度を開発するために、今年度は、フォーカスグループインタビュー、および質問紙調査を行った。1.これまでに開発した改訂道徳的感受性質問紙日本語版(J-MSQ)学生版第1版で明らかになった修正点を改良したJ-MSQ学生版第2版原案を作成した。2.J-MSQ学生版第2版原案の表面妥当性について、看護学生で構成されたフォーカスグループインタビューにより、尺度で問われている場面の理解について問題点を明らかにした。参加者は、看護専門学校生の2年生6名、3年生7名の合計13名だった。各グループのインタビュー時間は、それぞれ60分であった。また、フォーカスグループインタビューに基づいて、J-MSQ学生版第2版原案の6項目について修正した。これについてまとめたものを学会発表した。3.J-MSQ学生版第2版原案を改訂したJ -MSQ学生版第2版原案改訂版を用いて、専門学校4校、大学3校の合計1073名の学生を対象とした質問紙調査を行った。この結果、414名の学生から回答を得た。得られたデータを基に、統計解析を行った。27年度の研究実施計画において、改訂道徳的感受性質問紙日本語版(J-MSQ)学生版第1版を修正したJ-MSQ学生版第2版原案を用いて1.フォーカスグループインタビュー、およびインタビュー結果に基づいてJ-MSQ学生版第2版原案を改訂したJ-MSQ学生版第2版原案改訂版を用いて、2.質問紙調査を行うことを予定していた。現時点で1.フォーカスグループインタビュー、および2.質問紙調査が終了し、統計解析も終了している。以上の結果から、概ね計画通りに実施できている。本研究の目的である、倫理に関する理論的な知識、および状況の文脈的な理解から道徳的な問題を識別する能力である道徳的感受性について、看護学生がどの程度身についているかを客観的に測定することのできる信頼性と妥当性を備えた尺度を開発するために、今年度も昨年度と同様にフォーカスグループインタビュー、および質問紙調査を行った。1.27年度に開発した改訂道徳的感受性質問紙日本語版(J-MSQ)学生版第2版原案ver.2の結果をまとめたものを学会発表した。2.J-MSQ学生版第2版原案ver.2で明らかになった修正点について、1つの設問に対して表現、およびキーワードを変えた類似の質問を複数作成して第2版原案ver.3を作成した。3.第2版原案ver.3の表面妥当性について、看護学生で構成されたフォーカスグループインタビューにより、(1)尺度で問われている場面の理解について問題点を明らかにし、さらに(2)1つの設問に対して複数ある質問候補の中から最も理解しやすい質問を選んでもらい、尺度を構成する質問の候補として選別した。参加者は、看護専門学校の2年生6名、3年生6名の合計12名であった。4.フォーカスグループインタビューに基づいて質問の追加を行った第2版原案ver.4(24項目)を用いて、調査協力の得られた看護専門学校7校、看護大学2校に質問紙を配布した。回収率が低かったため、追加で調査依頼を行い、最終的に看護専門学校8校、看護大学3校の合計1,995名の看護学生を対象とした質問紙調査を行った。480部の回収を得て、現在データ解析を進めている。看護師向けの道徳的感受性質問紙日本語版(J-MSQ)と同じ3因子構造となる学生版の道徳的感受性尺度の開発を進めているが、期待する因子構造が得られず、追加の質問文の表現の修正を行い、フォーカスグループインタビューの確認が入ったが、本調査の遂行に向けて、おおむね計画通りに進んでいる。本研究の目的は、道徳的感受性(倫理に関する理論的な知識、および状況の文脈的な理解から道徳的な問題を識別する能力)が、看護学生にどの程度身についているかを客観的に測定することのできる信頼性と妥当性を兼ね備えた尺度を開発することである。そのために、昨年度実施したフォーカスグループインタビュー、および質問紙調査の解析を行った。併せて、昨年度の調査対象の内の一部の対象ではあるが、1年後の追跡調査(看護専門学校2年生および3年生に進級した学生を対象として)を行い、開発した道徳的感受性質問紙学生版を用いて看護学生の道徳的感受性の発達を尺度のスコアの変化として捉えることができるかを検討した。1)28年度に実施した質問紙調査の中間報告をまとめたものを日本看護倫理学会で学会発表した。

2)フォーカスグループインタビュー、および質問紙調査で得られた結果について、項目分析の後に探索的因子分析を実施し、その後モデル適合度の算出による確証的因子分析などを実施して、内容妥当性、基準関連妥当性、構成概念妥当性と信頼性の検討を実施して十分な妥当性とある程度の信頼性のある道徳的感受性質問紙学生版を得た。3)2で得られた結果について、国際誌であるNursing Ethicsに投稿した。4)1校の専門学校の2年生、および3年生を対象として1年後の追跡調査(縦断調査)を実施した。参加者は、2年生39名、3年生39名であった。現在、1年後の変化についてのデータ解析を進めている。研究目的は学生に使用可能な道徳的感受性尺度の開発である。看護学生を対象としたFGIを行い質問文の追加と修正をした後に、質問紙調査により得られたデータを用いて探索的因子分析を行った結果、看護師用の改訂道徳的感受性質問紙日本語版と同じ3因子構造を得た。確証的因子分析の結果、十分なモデル適合度を示した。大学生のレジリエンス測定尺度を外的基準とする基準関連妥当性が支持された。信頼性係数(Cronbach'sα)について、得られた3因子のうち2因子については十分な信頼性を確保できたが、「道徳的責任感」については十分ではなかった。1年後の追跡調査を行った結果、「道徳的強さ」因子のスコアが有意に高くなった。1.フォーカスグループインタビュー、および2.質問紙調査が終了し、統計解析を行った。本研究で開発する学生の道徳的感受性尺度のオリジナルである看護師向けの改訂道徳的感受性質問日本語版(J-MSQ)と同じ3因子構造となることを目的として尺度開発を進めてきたが、異なる因子構造の結果となり、学生の道徳的感受性を的確に測定できる尺度にはならなかった。そのため、今後、さらなる尺度の修正を行い、J-MSQと同じ3因子構造が得られるまで1.フォーカスグループインタビュー、および2.質問紙調査を行う予定である。28年度の調査で収集したデータの解析を行い、信頼性、妥当性を確保した学生版の道徳的感受性尺度を完成させ、それを用いて1年後(29年度末)に再調査を行う。看護学平成27年度の調査が効率よく進んだ結果、すべての支出品目において予定より少額となり、繰越すこととなった。28年度においては、調査結果より明らかになった課題について再調査を行ない、その費用と合わせて使用することとした。調査協力の得られた学校の数が少なく、調査の対象者数が少なくなった。さらに対象者からの回収率も低かったため経費が削減された。また、購入を予定したいた統計解析ソフトのバージョンアップが予定されていたため今年度に購入することとしたため、その分の予算が未執行となった。平成27年度に行ったフォーカスグループインタビュー、および質問紙調査の結果から、質問項目の再検討の必要性について明らかになった。当初計画していたように、信頼性、妥当性の備わった質問紙に向けて、再度質問項目の検討をした後、フォーカスグループインタビュー、および質問紙調査を行う。29年度は、質問紙調査で得られたデータの解析のために、バージョンアップされた統計解析ソフトSPSS(Ver.24)を購入する予定である。また、再調査のための経費、ならびに研究成果の国際誌投稿のための英文校閲等の経費に充てる予定である。
群作用と力学系の研究

川久保は最初の論文において、同変代数的K一群を定義し、これがMackeyファンクターであること、各種の誘導定理をみたすことを示した。その応用として同変位相的K群の誘導定理や制限定理を得、Atiyak-Singerの指数準同型が誘導準同型と可換であることを示した。川久保は第2の論文において、G多様体の接Gホモトピー同値性と安定同値性とは等しい概念であること、および接G単純ホモトピー同値性と球安定同値性とは等しい概念であることを示した。また、同変s-コボルディズム定理は一般には成立しないことを示した。川中は、彼自身による「一般化されたGelfand-Graev表現」の理論を発展させ、その応用として例外Chevalley群の既約指標のベキ単元での値を決定した。副産物として、ある種のGauss和の値も決定した。落合は結び目が自明であるか否かを判定するo-waveによる方法をn-wave(n≧o)にまで拡張しても、判定不能な例があることを、コンピュータによるJones多項式の計算を実行することによって構成した。加須栄はユークリッド空間あるいは双曲的空間の中の十分遠方で全測地的に近づいていく部分多様体を考察し、適当な幾何学的条件の下に、その部分多様体が完全に決定されることを示した。これは極小曲面に対するBersteinの定理や有界調和関数に対するLiouvillの定理などの延長線上にあるものといえる。小林は、吉田氏による問題に対し、3次元球面の向きを変える同相写像まで拡張できる曲面上のPseudo-Anosov同相写像は、無限に多く存在することを3次元球面のHeegaard曲面を用いて示し、この問題を否定的に解決した。川久保は、その著書において、変換群論に関する基礎的事項を要領よくまとめ、また最近の成果にも言及した。
魚類補体におけるC3アイソタイプの機能分化とC3多重化が感染防御に果たす役割

補体系は宿主生体防御機構のひとつで、非自己細胞の認識、異物細胞の破壊、感染部位への白血球の誘引、貪食作用の促進、B細胞の活性化など多様な生体防御機能を担う。約30種の液性タンパクと膜型タンパクから構成され、その中でもC3は上記生理活性の多くを媒介する多機能性生体防御因子である。魚類補体系の特徴は中心成分C3が遺伝子重複により多重化し、通常の「His型C3」に加えて「Non-His型C3」を持つことである。本研究は、2種の異なるC3アイソタイプのコイ生体防御機構における役割をタンパク質レベルで解明し、魚に最適な予防医学の確立に貢献することを目的としている。コイでは、His型C3-H1とNon-His型C3-Sが血清中の主要なアイソタイプとして存在し、これまでの研究で2つのC3アイソタイプが様々な標的異物に対して異なる結合スペクトルを示すことが明らかになった。また、大変興味深いことに、2種のC3アイソタイプは、コイ血清中で複合体を形成していることが示唆された。これまで、どの生物種からもC3同士の複合体は報告されていなかったため、今年度は新奇C3複合体の同定とその生体防御機能の解明に注力した。その結果、(i)C3複合体はコイの生理的条件下において血清から分離でき分子量約440kDaの2量体を形成していること、(ii)複合体の形成に二価イオンを要求しないこと、(iii)精製したC3-H1とC3-Sから複合体を再構築できること、(iv)C3複合体中に未活性化型C3-H1が含まれていることが明らかになった。これらの結果から、コイC3複合体はこれまで報告されているC5転換酵素の様な複合体とは全く組成が異なることが示唆された。さらに、再構築したC3複合体がC3完全除去血清の溶解活性を回復できたことから、この複合体が溶解反応に関与することが示唆された。新奇C3複合体のさらなる機能の解明は、魚類補体系におけるC3多重化の意義を解明する重要な糸口となると考えられる。硬骨魚類の補体系の特徴は、中心成分であるC3が遺伝子重複により複数のアイソタイプとして存在し、通常のHisタイプのC3(分子内にチオエステルの開裂と異物への結合反応を触媒するヒスチジンを持つ)に加え、non-HisタイプのC3(触媒性Hisを持たない)が存在することである。本研究の目的は、魚類C3アイソタイプの反応機構とその生体防御における意義をC3アイソタイプの機能の違いに着目し明らかとすることである。今年度は、Hisタイプ(C3-H1)とnon-Hisタイプ(C3-S)のコイC3アイソタイプの異物への結合能や、異種赤血球に対する溶解経路活性化能を比較する機能解析を行った。魚病細菌3種、自己細胞2種を含む計12種の標的に対する各C3アイソタイプの結合特異性をフローサイトメトリーにより解析したところ、non-HisタイプのC3-Sが幅広い異物に対して結合できることが明らかとなった。また、各C3アイソタイプ特異的なモノクローナル抗体(抗C3-H1抗体,抗C3-S抗体)を用いて、ウサギ赤血球もしくは感作ヒツジ赤血球に対する溶血活性を阻害したところ、抗C3-S抗体を血清に添加すると、溶血活性を完全に失活させることが判明した。ざらに、コイ血清中から目的のC3アイソタイプを除去した血清の作製を試み、作製段階の各C3アイソタイプ除去血清を用いて異種赤血球に対する残存溶血能を測定したところ、C3-S除去血清で溶血活性の大幅な減少が見られた。これらの結果から、魚類の補体系では、通常のHisタイプのC3よりも魚類に特有なnon-HisタイプのC3が重要な役割を担っていることが示唆された。哺乳類とは異なる魚類に特有な生体防御システムが明らかとなることで、養殖業における魚病対策に有用な知見をもたらすことが期待できる。魚類の免疫系を解明することは、効果の高い魚病ワクチンや免疫賦活剤の開発に大変重要です。補体系は主要な自然免疫機構のひとつで、その中でもC3は侵入してきた異物に直接結合し、補体溶解経路を活性化させたり、感染部位に白血球を誘引したり、貪食細胞の食作用を促進するなど、多様な生物活性を有しています。魚類の補体系の特徴は、中心成分であるC3を複数のアイソタイプとして持つことです。さらに、複数種存在する魚類C3アイソタイプの中には、哺乳類のC3とは特徴が大きく異なる「Non-His型」と呼ばれるC3が含まれています。本研究の目的は、これら魚類に特有なC3アイソタイプの反応機構と生体防御における役割をタンパク質レベルで解明することです。今年度は、樹立した2種のモノクローナル抗体(MAb 5C7, MAb 3H11)を用いて、コイ正常血清から各C3アイソタイプの除去を試み、C3除去血清を用いた生体防御活性の測定を行いました。その結果、血清中から「Non-His型」であるC3-Sの完全除去に成功し、この血清が異種赤血球に対する溶血活性を完全に消失することが明らかになりました。また、大変興味深いことに、MAb 5C7固相化ビーズを用いて血清中からC3-Sを免疫沈降した場合、C3-H1も共沈されることがWestern Blottingにより観察されました。

このことから、血清中ではC3-SとC3-H1が複合体として存在していることが推察されました。そこで、分子量マーカーを用いたゲル濾過クロマトグラフィーによりコイ血清を分画したところ、C3モノマーの約2倍に相当するサイズのC3複合体が検出されました。これまで、どの生物種においてもC3が血清中で複合体を形成しているという報告はなく、その形成メカニズムや生物学的意義に興味が持たれたため、実験計画を大幅に変更し、C3複合体の同定に注力しました。補体系は宿主生体防御機構のひとつで、非自己細胞の認識、異物細胞の破壊、感染部位への白血球の誘引、貪食作用の促進、B細胞の活性化など多様な生体防御機能を担う。約30種の液性タンパクと膜型タンパクから構成され、その中でもC3は上記生理活性の多くを媒介する多機能性生体防御因子である。魚類補体系の特徴は中心成分C3が遺伝子重複により多重化し、通常の「His型C3」に加えて「Non-His型C3」を持つことである。本研究は、2種の異なるC3アイソタイプのコイ生体防御機構における役割をタンパク質レベルで解明し、魚に最適な予防医学の確立に貢献することを目的としている。コイでは、His型C3-H1とNon-His型C3-Sが血清中の主要なアイソタイプとして存在し、これまでの研究で2つのC3アイソタイプが様々な標的異物に対して異なる結合スペクトルを示すことが明らかになった。また、大変興味深いことに、2種のC3アイソタイプは、コイ血清中で複合体を形成していることが示唆された。これまで、どの生物種からもC3同士の複合体は報告されていなかったため、今年度は新奇C3複合体の同定とその生体防御機能の解明に注力した。その結果、(i)C3複合体はコイの生理的条件下において血清から分離でき分子量約440kDaの2量体を形成していること、(ii)複合体の形成に二価イオンを要求しないこと、(iii)精製したC3-H1とC3-Sから複合体を再構築できること、(iv)C3複合体中に未活性化型C3-H1が含まれていることが明らかになった。これらの結果から、コイC3複合体はこれまで報告されているC5転換酵素の様な複合体とは全く組成が異なることが示唆された。さらに、再構築したC3複合体がC3完全除去血清の溶解活性を回復できたことから、この複合体が溶解反応に関与することが示唆された。新奇C3複合体のさらなる機能の解明は、魚類補体系におけるC3多重化の意義を解明する重要な糸口となると考えられる。
海底堆積物中メタンハイドレートの定量方法

メタンハイドレートとは、水分子が作る篭状の格子中にメタン分子が取り込まれたメタン水和物(包接体)の一種である。メタンハイドレートは天然に広く分布し、現在最も注目を集めている次世代エネルギー資源であるとともに、温室効果ガスの巨大貯蔵庫でもある。近年、日本近海のハイドレート存在推定域が明らかにされ、南海トラフ等の海域では海底堆積物中からメタンハイドレート実試料が採取されている。しかし海底メタンハイドレート研究は世界的にも研究の歴史は浅く、例えば海底堆積物中メタンハイドレート量の見積もりには物理的方法(音波、電気伝導率、温度測定など)が用いられているが正確さの点で問題も指摘されており、メタンハイドレート定量方法の確立は採掘・利用のためにも重要な課題である。本研究では、研究分担者及び海外共同研究者と共に、ロシア国サハリン沖で天然メタンハイドレート含有海底堆積物の採取に成功し、試料の北見工業大学への輸送にも成功した。その後、得られた天然メタンハイドレート含有海底堆積物を用いて、(1)堆積物間隙水の採取、及び(2)間隙水中溶存各種成分の化学分析をおこなった。その結果、メタンハイドレートを含まない海底堆積物間隙水中の硫酸イオン濃度が海底面下深度2mでも海水中濃度と同レベルなのに対し、メタンハイドレート含有堆積物間隙水中硫酸イオン濃度は海底面下深度0.5-1mで急激に減少することを見出した。硫酸イオン濃度は湧昇水中メタンとの化学反応によって減少し、海底面下の硫酸イオン濃度/深度プロファイルは、湧昇メタンフラックス及びメタンハイドレート生成の活発さに関する情報を与えると考えられるので、海底堆積物間隙水中硫酸イオン濃度が堆積物中メタンハイドレート定量のための指標化学種となりうることを明らかにした。海底堆積物中メタンハイドレートの定量方法の確立は、メタンハイドレートの産状把握・採掘・資源利用の観点において重要であり、これまで海底擬似反射面測定(BSR音波探査)、堆積物温度、堆積物含水率、間隙水中塩化物イオン濃度測定等による方法が個別に提案されてきたが、定量方法としての正確さに問題があった。そこで本研究では、堆積物中メタンハイドレート定量方法確立のための基礎的知見を得ることを目的に、平成15年度は以下の項目を検討した。すなわち、(1)ロシア国サハリン北東海域でメタンハイドレート含有海底堆積物の採取、(2)採取試料の日本への輸送、(3)堆積物間隙水の分離採取方法の確立、(4)間隙水中硫酸イオン濃度の測定をおこなった。(1)研究分担者らと共に平成15年8-10月にロシア国サハリン北東オホーツク海域の複数箇所で国際共同調査をおこない、重力コアラーおよび水圧コアラーを用いてメタンハイドレート含有海底堆積物の採取に成功した。(2)メタンハイドレート試料の分解および海底堆積物の変性を防ぐため、それぞれ液体窒素温度および冷蔵温度で北見工業大学への輸送に成功した。(3)堆積物間隙水を分離採取するために、加圧搾り出し機(スクイーザー)を開発した。間隙水の分離採取方法を、スクイーザー及び遠心分離器を用いて、必要時間、必要堆積物量、含水率と採取効率等の観点より比較し、スクイーザー分離の利点を明らかにした。(4)堆積物間隙水中硫酸イオン濃度とメタンハイドレート存在の有無との相関関係を見出した。すなわちメタンハイドレート含有堆積物間隙水中硫酸イオン濃度は、堆積物深度の増加と共に急激に減少したのに対し、メタンハイドレートを含まない堆積物間隙水中硫酸イオン濃度は、堆積物深度数mに渡りゆるやかに減少した。

メタンハイドレートは天然に広く分布し、現在最も注目を集めている次世代エネルギー資源であるとともに、温室効果ガスの巨大貯蔵庫でもある。近年、日本近海のハイドレート存在推定域が明らかにされ、南海トラフ等の海域では海底堆積物中からメタンハイドレート実試料が採取されている。しかし海底メタンハイドレート研究は世界的にも研究の歴史は浅く、例えば海底堆積物中メタンハイドレート量の見積もりには物理的方法(音波、電気伝導率、温度測定など)が用いられているが正確さの点で問題も指摘されており、メタンハイドレート定量方法の確立は採掘・利用のためにも重要な課題である。本研究では、研究分担者及び海外共同研究者と共に、ロシア国サハリン沖で天然メタンハイドレート含有海底堆積物の採取に成功し、試料の北見工業大学への輸送にも成功した。その後、得られた天然メタンハイドレート含有海底堆積物を用いて、(1)堆積物間隙水の採取、及び(2)間隙水中溶存各種成分の化学分析をおこなった。その結果、メタンハイドレートを含まない海底堆積物間隙水中の硫酸イオン濃度が海底面下深度2mでも海水中濃度と同レベルなのに対し、メタンハイドレート含有堆積物間隙水中硫酸イオン濃度は海底面下深度0.5-1mで急激に減少することを見出した。硫酸イオン濃度は湧昇水中メタンとの化学反応によって減少し、海底面下の硫酸イオン濃度/深度プロファイルは、湧昇メタンフラックス及びメタンハイドレート生成の活発さに関する情報を与えると考えられるので、海底堆積物間隙水中硫酸イオン濃度が堆積物中メタンハイドレート定量のための指標化学種となりうることを明らかにした。