hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
乱流の素過程として見た渦線の再結合と音の放射

衝撃波管を利用して高速の圧縮性渦輪を生成し,(a)2つの渦輪が正面衝突する場合,(2)斜め衝突する場合,および(c)平板に衝突する場合について,色素パルスレーザを光源としたシャドウグラフ法および偏光レーザ干渉法により,渦と衝撃波の干渉,渦による衝撃波の発生,渦運動,渦の変形や渦線の変化の様子を観測した.渦輪は,大気中で球面状に拡がった衝撃波と最初に相互干渉をする.ノズル内のマッハ数が1.21.35の範囲では,衝撃波は渦輪によって回折,屈折し大きな影響を受ける.いずれの場合も,両渦核がその直径程度に接近すると,渦核間に定在衝撃波が形成される.この衝撃波の生成のメカニズムは,超音速ラバールノズル内で形成される衝撃波と同じ機構によることが,実験条件と同じ条件で行われ提出された数値シミュレーションの圧力分布等の結果から確かめられた.強い渦核が近くに存在し,圧縮された領域からその狭い隙間を通り抜けるような流れでは,渦核はノズル壁の役割をして,衝撃波が形成されると考えられる.渦輪が接近するにつれて渦線は波打ちはじめる.この不安定波は接触状態になる前はクリア-に観測でき,レイノルズ数が高いほどその振幅は小さく波の数は多い.接触後渦線は互いに絡み合い,正面衝突では半径方向に大きく伸びて次第に消滅していく.斜め衝突では消滅と繋ぎ替えによる渦線のトポロジカルな様子は,数値シミュレーションの結果とほぼ一致している.渦輪が平板に近づくにつれて壁面上の剥離渦が成長し立ち上がり,渦核に巻付き絡まっていく,いずれの場合も渦線が接触し絡み合った後には,波の発生,伝播を示す軌跡が見られる.音波の測定結果との比較から,これらは渦線の絡まり合いなどによる渦度の大きな変化によって生じた音波であると考えられる。乱流の素過程と考えられる渦の変形や合体、渦線の繋ぎ変えなどの機構の問題を、実験的に調べることが目的である。本年度は、衝撃波管を用いて高速渦輪を生成し、以下の相互作用による渦運動状態の時間発展を、色素パルスレーザを光源としたシャドウグラフ法によって観測した。得られた新しい知見は以下のようである。1.2つの渦輪がpi/2またはpi/3の角度をもって衝突して行く場合の、渦の合体、再結合の問題。両場合とも、まず放射された衝撃波と相互干渉をする。渦輪は衝撃波によってほとんど影響を受けないが、渦核内を通過する衝撃波は、進行速度が遅れ、捻れた形で渦領域内に取り残される。渦輪の一部(ヘッド)が互いに接近すると、両渦核を結んで定在衝撃波が生成され、両渦核が接触し始めるに連れて消えていく。渦が合体消滅など激しく干渉すると音波が放射される。pi/3の角度で衝突していく場合は、渦が合体し再結合を起こして大きく変形していく様子が見られた。しかし渦輪生成後の後引き流れで第2の渦輪ができ、それが最初の渦輪同志の合体などに影響を与えており、衝撃波後の流れを少なくする必要がある。2.渦輪が平板に衝突していく場合の、渦輪と平板境界層との相互作用の問題。渦輪が平板に接近すると、渦輪の直径より少し大きな円形の強い境界渦が壁面上に形成される。この壁面渦は成長し、渦輪の直径の伸びと共に伸びていくが、前と同様に、渦輪と壁面渦との間には衝撃波が形成される。壁面渦はさらに発達して、壁面に垂直方向に伸びだして、ソレノイド状に渦輪に巻付いていく。このとき音波が放射される。巻付いた境界渦は少しずつまとまって立ち上がっていき、弱い渦となって拡散していく。

渦輪は直径が大きく伸ばされて、細い渦輪となって壁面前に停滞する。本年度は,さらに強い高速の圧縮性渦輪を生成し,2つの渦輪が正面衝突していく時の流れ場の様子を,シャドウグラフ法と偏光レーザ干渉法によって調べた。生成渦輪は背後に流れを伴っている。ノズル内の衝撃波マッハ数が1.34と強い場合,背後の流れには渦輪とノズル出口を結んで斜め衝撃波が形成され,それはX型に変形し進行するが次第に弱くなる。流れと外気との間には剪断層が観測され,これはケルビン・ヘルムホルツの不安定によって巻上がり,次々に小さな渦輪が形成される。これらの渦輪には合体現象が観測される。後ろの渦輪は小さくなって急速度で前の渦輪の中に入る。両渦輪が接近すると,両渦核を結んで衝撃波が形成される。この生成の機構は,数値シミュレーションの圧力分布,超音速等マッハ線図や音速線図などの結果の考察から,超音速ラバールノズル内の流れと同じ機構によるものと考えられる。渦輪が接近するにつれて渦線は波打ちはじめる。この不安定波は接触状態になる前はクリア-に観測でき,レイノルズ数が高いほどその振幅は小さく波の数は多い。接触後渦線は互いに絡み合い,正面衝突では半径方向に大きく伸びて次第に消滅していく。シャドウグラフに見られる波の軌跡は,放射音の測定結果との比較から,渦線の絡まり合いなどによって渦度が大きく変化して生じた音と考えられる。ウォラストンプリズムを用いて干渉縞を作り,観測する方法を工夫した。この干渉法では,両渦輪間に圧縮によって生じる衝撃波などは良く観測できるが,渦の巻込や渦核などはシャドウグラフのように明瞭に観測できない。圧縮性乱流中のshockletの観測などに使用すると有効であろう。
相変化に伴う体積変化を考慮した電磁熱流動の数値解析手法に関する研究

本研究では,温度による体積変化を考慮した溶融金属の熱流動解析プログラムを次の4段階で開発した.(1)固液界面を有する流動計算法VOF (Volume of Fluid)法を用いて固液界面で速度差が生じる時も対応できる熱流動解析を開発した.1次元の凝固現象を解析したところ,相変化に伴う流れを解析でき,その結果は,系を入出する速度と界面の速度差はほぼ一致した.(2)温度による体積変化量を考慮した熱流動計算法圧縮性の質量保存式を用い,検査体積において温度変化に伴う体積変化量を湧き出し・吸い込みとなるよう設定することにより,温度による体積変化に伴う流れを解析できる計算法を開発した.1次元の凝固現象を解析したところ,系を入出する速度は,系全体の体積変化量と一致した.(3)2次元鋳造現象の数値解析2次元凝固現象の数値解析を行った.その結果,型近傍より温度が低下し,溶融金属が凝固する様子が観察された.また,温度による体積変化に伴い,溶融金属が鋳造型に向かって流れる様子も確認できた.しかし,本計算において,型表面温度を一定とする境界条件を用いたため,実際の鋳造と比較できなかった.しかし,本計算プログラムにより引巣の発生位置も推定できることがわかった.(4)アーク溶接の溶融池内の流動(電磁力計算)電流保存式とガウスの法則より,電磁場を求め,NS方程式に電磁力を追加することにより,電磁力による流れを計算するプログラムを作成した.アーク溶接における溶融池内の流動計算を行い,電磁力により溶融池内に対流が発生させることができた.本研究において,固液界面と気液界面の両方を有する熱流動解析プログラムの開発まで至らず,アーク溶接時の溶込み形状変化を実験と比較できなかった.相変化現象は,加工などの製造過程や原子力発電など様々な分野で利用されているが,この現象を効果的に制御するには,相変化により生じる流動特性を解明する必要がある.数値解析による解明の試みは,相変化に伴う体積変化の影響がかなり大きいにも関わらず,二相間の密度を等しいと仮定したものや,液体の流動のみ解析したものがほとんどである.本研究では,相変化に伴う体積変化を考慮した熱流動の数値解析手法の開発を試みた.得られた主な結果は以下のとおりである.1.界面移動と表面張力の同時計算法の開発界面を界面位置,界面の法線方向,曲率を用いて多項式で近似し,界面速度を用いてラグランジュ法で移動させる界面移動法を開発した.界面移動後に曲率は既知量であるので表面張力は四則演算のみで求められる.開発した界面移動法で,球体や楕円球体の移動,球体の分離を計算した結果,かなりの精度で界面移動できることが分かった.過熱液中の気泡成長問題では,界面がほぼ球状で成長する結果を得た.しかし,界面に高周波成分の凹凸が生じていた.これは,界面を多項式で近似したために生じた曲率の誤差が,表面張力による力として流動場に影響を及ぼしたためであった.ゆえに,表面張力の影響が小さい現象において,本界面移動法が有効であることが分かった.2.溶接アークの熱流束分布測定次年度に行う予定であるアーク溶接における溶融池内の熱流動計算の境界条件として用いるために,溶接アークの熱流束分布の測定を試みた.2つの水冷銅板を並べ,その上部にアークを移動させ,水冷銅板より流出する水の温度差から熱流束分布を求めた.その結果,熱流束分布はガウス分布に近かい事が分かった.しかし,一定のアーク状態を維持した時の1枚の冷却銅板による熱量計測結果より,測定された熱量は冷却銅板の表面温度により10%程度変わることが分かった.本研究では,温度による体積変化を考慮した溶融金属の熱流動解析プログラムを次の4段階で開発した.(1)固液界面を有する流動計算法VOF (Volume of Fluid)法を用いて固液界面で速度差が生じる時も対応できる熱流動解析を開発した.1次元の凝固現象を解析したところ,相変化に伴う流れを解析でき,その結果は,系を入出する速度と界面の速度差はほぼ一致した.(2)温度による体積変化量を考慮した熱流動計算法圧縮性の質量保存式を用い,検査体積において温度変化に伴う体積変化量を湧き出し・吸い込みとなるよう設定することにより,温度による体積変化に伴う流れを解析できる計算法を開発した.1次元の凝固現象を解析したところ,系を入出する速度は,系全体の体積変化量と一致した.(3)2次元鋳造現象の数値解析2次元凝固現象の数値解析を行った.その結果,型近傍より温度が低下し,溶融金属が凝固する様子が観察された.また,温度による体積変化に伴い,溶融金属が鋳造型に向かって流れる様子も確認できた.しかし,本計算において,型表面温度を一定とする境界条件を用いたため,実際の鋳造と比較できなかった.しかし,本計算プログラムにより引巣の発生位置も推定できることがわかった.(4)アーク溶接の溶融池内の流動(電磁力計算)電流保存式とガウスの法則より,電磁場を求め,NS方程式に電磁力を追加することにより,電磁力による流れを計算するプログラムを作成した.アーク溶接における溶融池内の流動計算を行い,電磁力により溶融池内に対流が発生させることができた.本研究において,固液界面と気液界面の両方を有する熱流動解析プログラムの開発まで至らず,アーク溶接時の溶込み形状変化を実験と比較できなかった.
小脳ー視床ー大脳皮質応答の系統発生学的比較:細胞内HRP染色法による研究

初年度は、ネコおよびラットを用いて小脳核ー視床ー大脳皮質応答の解析を細胞内HRP法を用いて行った。ネコの頭頂連合野での細胞内HRP法による解析は、これまで報告がなく、本研究により頭頂連合野の錐体細胞の形態学的特徴と反応特性を運動野の知見と比較し、その異同を明らかにし、一部の結果を論文として発表した(Yamamoto et al.J.Comp.Neurol.265:1987)。同時にラットでの解析を行い、皮質深層での反応性及び形態学的所見を得た後、表層の細胞の解析を次年度への継続課題とした。系統発生学的見地から、サルを用いた実験も行ったが、電気生理学的所見は、データの収集がもう少し必要である。同時に行ったHRPやPHA-Lによる投射経路の所見は、小脳ー視床投射の部位所見について新しい知見を得たので一部発表した(Yamamoto et al.1988)。今年度は、ラットの皮質での反応特性および細胞内染色の形態学的データの収集に努めた。皮質浅層の細胞の安定した記録は容易でなく、染色による形態学的データの収集に少し手間取ったが、ラットでの実験結果を本年4月の生理学会で発表する予定であり、現在論文も準備中である。2年間の本研究遂行中に、細胞内染色法による形態学的特徴の敏速かつ多面的な解析の必要が生じ、コンピューター補助による神経細胞の3次元立体構築の解析システムの開発を行ってきた。このシステムは、今後の改良が必要ながら、ネコの大脳皮質構成細胞の形態学的特徴解析に有効であることがわかり、一部学会で発表し、今後ラット・サルでも試みるつもりである。今年度は,ネコとラットを用いて,小脳核,延髄錐体または橋核刺激による大脳皮質錐体細胞の電気生理学的同定を併用した実験を行った.ネコの運動野におけるデーターは既に報告したが(野田ら, Brain Res.268;1983,野田と山本, Brain Res.306:1984),頭頂連合野でも細胞数200余りのデーターを得て現在論文を準備中であり,皮質V層錐体細胞の細胞内HRP注入による形態学的所見は,運動野と同様速および遅錐体路細胞の2群に形態学的に分類できることが明らかになり, J.Comp.Neurol.265:1987に論文が掲載された.非錐体細胞の分析結果も,一部第10回神経科学学術集会において発表した.さらに皮質構成細胞の比較のため体性感覚野での実験も行い,学会発表およびBrain Res.437:1987に論文を掲載した.これらネコの実験は,今後電子顕微鏡を用いたシナプスレベルでの研究を追加する予定である.一方,ラットを用いた研究は,現在まで皮質V-VI層の細胞を中心に黒く細胞内HRP染色に成功しており,今後は皮質浅層の細胞の解析を加えていく予定である.現在までの所見は,ラットのV層錐体細胞はLandry et al.(Exp.Brain Res.57:1985)の報告にあるように,先端樹状突起に棘(spine)が豊富な細胞のみが染色されており,ネコ・サルと皮質細胞の構成が異なっているように思われる.

ただ先端樹状突起は分枝が皮質表層で豊富であり,このような形態学的特徴は,小脳-大脳皮質応答の波形(皮質誘導発電位は,ラットでは表面陰性波が優勢であり,表面陽性波が顕著なネコの運動野と異なる. )と対応している可能性があり,興味深い点である.またサルにおける実験は,本格的には来年度に計画しているが,予備実験として行ったHRP順行性標識の結果,佐々木ら(Exp.Brain Res.37:1979)が報告している前頭前野(9野)への小脳性投射が,視床のMD核で中断される可能性を示唆する所見を得ている.昨年度は、ネコおよびラットを用いて小脳核-視床-大脳皮質応答の解析を細胞内HRP法を用いて行った。ネコの頭頂連合野での細胞内HRP法による解析は、これまで報告がなく、本研究により頭頂連合野の錐体細胞の形態学的特徴と反応特性を運動野の知見と比較し、その異同を明らかにし、一部の結果を論文として発表した(Yamamoto et al.J.Comp.Neurol.265:1987)。同時にラットでの解析を行い、皮質深層での反応性および形態学的所見を得た後、表層の細胞の解析を次年度への継続課題とした。同時に系統発生学的見地から、サルを用いた実験も行なったが、電気生理学的データの収集がもう少し必要である。同時に行ったHRPやPHA-Lによる投射経路の所見は、小脳-視床投射の部位所見について新しい知見を得たので一部発表した(Yamamoto et al.1988)。今年度は、ラットの皮質での反応特性および細胞内染色の形態学的データの収集に努めた。皮質浅層の細胞の安定した記録は容易でなく、染色による形態学的データの収集に少し手間取ったが、ラットでの実験結果を本年4月の生理学会で発表する予定であり、現在論文も準備中である。さらにPHA-Lによる、視床-皮質投射線維の形態学的特徴の解析も行いつつある。2年間の本研究遂行中に、細胞内染色法による形態学的特徴の敏速かつ多面的な解析の必要が生じ、コンピューター補助による神経細胞の3次元立体構築の解析システムの開発を行ってきた。このシステムは、今後の改良が必要ながら、ネコの大脳皮質構成細胞の形態学的特徴解析に有効であることがわかり、一部学会で発表し、今後ラット・サルでも試みるつもりである。
船殻建造工程へのレーザ・アークハイブリッド溶接適用のための実用的な拘束条件の検討

高品質の溶接継手を製作可能な,レーザ・アークハイブリッド溶接を船体建造工程に導入するためには,実施工時の煩雑な段取りおよび大規模な部材拘束装置をできる限り省略することが必要である.本研究では,溶加材を使用しないレーザ照射のみにより部材仮付けを適切な間隔で施工する手法を提案し,同手法を用いて完全溶込みT継手を製作した.製作後に種々の継手性能を照査し,提案する簡便な仮付け手法を利用しても健全な継手の製作が可能であることを確認した.船舶建造高品質化・効率化技術の主な柱として期待される,レーザ・アークハイブリッド溶接技術を,我が国の主な建造船種である一般商船の建造に適用するために克服すべき重要課題である,溶接施工前段階での部材拘束を欧州で実践されている大がかりな拘束装置を用いずに実施する方法及び,本研究で検討する手法を用いて製作した溶接継手の健全性を調査した.部材拘束手法としては,我が国の船舶建造工程で通常利用されているアーク溶接継手製作時と同様に適切な間隔での仮付けによる手法を採用することが,実際の建造現場へレーザ・アークハイブリッド溶接を導入するためには必要不可欠である.本研究では,レーザ・アークハイブリッド溶接装置の構成並びに,実施工時における煩雑な段取りをできる限り省略することを勘案し,アーク溶接部の溶接ワイヤは使用せずレーザのみを照射して点状の仮付け点を適切な間隔で導入する方針を立てた.これについて,造船所において溶接技術を担当する複数の技術者にヒアリング調査を行った結果,おおむね許容可能な対応であることを確認している.次に,レーザ単体による点状仮付け点の間隔について,実験に先立ち熱弾塑性FE解析により検討し,妥当な点付間隔を確認した.その後,レーザ・アークハイブリッド溶接の施工条件(溶接速度,レーザ部の焦点合わせ条件・出力・照射角,アーク溶接部の電流・電圧・ワイヤ送給条件等)について,複数回の予備施工を実施して絞り込みを図った.これら予備検討結果を踏まえて仮付け溶接を施工,施工後の溶接部ビード及び断面マクロ観察を実施し,仮付け部には溶接欠陥は存在していないことを確認した.船舶建造高品質化・効率化技術の主な柱として期待される,レーザ・アークハイブリッド溶接技術を,我が国の主な建造船種である一般商船の建造に適用するために克服すべき重要課題である,溶接施工前段階での部材拘束を欧州で実践されている大がかりな拘束装置を用いずに実施する方法及び,本研究で検討する手法を用いて製作した溶接継手の健全性を調査した.部材拘束手法としては,我が国の船舶建造工程で通常利用されているアーク溶接継手製作時と同様に適切な間隔での仮付けによる手法を採用することが,実際の建造現場へレーザ・アークハイブリッド溶接を導入するためには必要不可欠である.レーザ・アークハイブリッド溶接装置の構成並びに,実施工時における煩雑な段取りをできる限り省略することを目指し,溶加材を使用せずレーザ照射のみによる仮付けを適切な間隔で導入する手法を採用した.なお評価対象継手の形状はT継手である.昨年度の研究では熱弾塑性FE解析により適切な点付間隔を確認できたので,この結果を参照しつつ4種類の仮付け条件(仮付け溶接長)を設定し,これらの仮付けを実施した後に,片側1パス施工および両側各1パス施工による完全溶込みT継手を製作した.製作後に断面マクロ観察,溶接変形,仮付け部の本溶接による溶融状況および仮付けビード部の溶接割れ生成状況,断面部のビッカース硬さ分布を調査し,提案する仮付け手法を利用しても健全な継手の製作が可能であることを確認した.高品質の溶接継手を製作可能な,レーザ・アークハイブリッド溶接を船体建造工程に導入するためには,実施工時の煩雑な段取りおよび大規模な部材拘束装置をできる限り省略することが必要である.本研究では,溶加材を使用しないレーザ照射のみにより部材仮付けを適切な間隔で施工する手法を提案し,同手法を用いて完全溶込みT継手を製作した.製作後に種々の継手性能を照査し,提案する簡便な仮付け手法を利用しても健全な継手の製作が可能であることを確認した.交付申請時の計画に沿って進捗していると判断できるため.船舶海洋工学研究初年度に設定した方案に沿って取り組む.
感応性高周期元素－遷移金属多重結合を有する金属錯体の創製と触媒機能

新しい機能性物質の開発研究に取り組み,ケイ素およびゲルマニウムと金属との間に多様な多重結合を持つ高感応性錯体を多数合成・単離した。生成物の分光学的性質や結晶構造を明らかにすると共に,それらを用いて幾つかの新しい反応を見出した。特筆する成果として,三重結合錯体を用いた研究から,様々な新規[2+2]環化付加生成物,ケトンのカックリング生成物を単離し,また,ケイ素の系では初めてであり反応化学の観点で極めて重要な,メタセシス的な熱分解反応を見出した。1.ヒドリド(ジアルキルシリレン)ルテニウム錯体の反応性ヒドリド配位子とジアルキルシリレン配位子とを併せ持つルテニウム錯体がケトンのヒドロシリル化反応の触媒になることを見出した。この反応では,溶媒として用いた重ベンゼンの炭素ー重水素結合の活性化も起こる。反応条件や基質の当量を変えた実験に基づき、反応機構を考察した。また、昨年までに、このシリレンルテニウム錯体と二トリルとの反応において、新規なアザーシラーπアリル錯体が副生成物として生成することを見出していたが、今回、シリレン上の置換基のイソプロピル基をかさの小さいメチル基に置き換えるとアザーシラーπアリル錯体が主生成物になることを見出した。2.ゲルミリン錯体とα,β-不飽和ケトンとの反応ゲルミリン錯体はα,β-不飽和ケトンと温和な条件で反応し,ゲルマニウムー酸素ー炭素=炭素ー炭素の連結からなる5員環骨格を含む生成物を高収率で与えることを見出した。この反応においてゲルミレン錯体の三重結合が一気に切断され、含ヘテロ小員環がワン・ポットで形成する反応は前例が無く、新しい有機基質の変換反応として興味深い。また、α,β-不飽和ケトンの末端にメチル基を持つ基質との反応では、ゲルミレン錯体の三重結合の切断が可逆的に起こるという極めて珍しい現象を発見した。3.8族金属を中心金属とする水素架橋ビス(シリレン)錯体の合成とその反応性研究新たに、ルテニウムおよび鉄の水素架橋ビス(シリレン)錯体の合成と単離を行い、その結晶構造解析に成功した。これらの錯体も、これまでに合成したタングステン錯体と同様に、様々な不飽和有機化合物を容易に活性化することを見出した。タングステン錯体とこれらルテニウムおよび鉄の錯体の中では,ルテニウム錯体が最も反応性が高いことが明らかになった。特に,ルテニウム錯体は常温常圧で二酸化炭素を定量的に活性化することを見出した。1.ヒドリド(ジアルキルシリレン)鉄錯体の合成と触媒反応:前年までにルテニウムのヒドリド(ジアルキルシリレン)錯体がベンゾフェノンのヒドロシリル化反応の触媒になることを見出した。そこで昨年度は,同族でルテニウムより安価で天然に豊富にある鉄を中心金属とする類縁錯体の合成を検討し,目的の錯体を単離することに成功した。この鉄錯体は重ベンゼンの炭素ー重水素結合の活性化を伴い,アセトンのヒドロシリル化反応の触媒になることを見出した。2.タングステンーゲルマニウム三重結合錯体の新規合成法:先にタングステンーゲルマニウム三重結合化合物であるゲルミリン錯体を,ヒドリド(ヒドロゲルミレン)錯体からイソシアナートにより脱水素することで合成する方法を見出しているが,今回,ヒドリド(ヒドロシリレン)錯体にNHCカルベンを反応させることで,プロトンおよびヒドリドとして水素を外しゲルミリン錯体を合成する新たな方法を開発した。この反応では,中間体として新規なアニオン性ゲルミレン錯体が生成している。この中間体はFrustrated Lewis Pairと見なせるため,今後の触媒反応開発の足がかりになると期待される。3.タングステンーケイ素三重結合錯体の合成:上述したゲルミリン錯体の新規合成法を応用して,嵩高いアルキル基を持つケイ素三重結合錯体(シリリン錯体)の単離に成功した。しかし,このアルキル置換シリリン錯体は非常に不安定で単離収率が低いため,新しく嵩高いアリール基置換基を持つシリリン錯体の合成の研究も行った。その結果,シリリン錯体をイソカルボニル配位によって二量化した形で単離することに成功した。このシリリン錯体二量体は溶液中で単量体と解離平衡にあり,加熱により単量体に平衡が偏る。また,この錯体はジメチルアミノピリジンとの反応において単量体としてふるまうという知見を得た。1.アニオン性シリレン錯体の合成とh2-シラアルデヒド錯体の単離:ヒドリド(ヒドロシリレン)錯体からN-ヘテロサイクリックカルベンにより金属上の水素をヒドリドとして引き抜き,アニオン性のシリレン錯体の合成に成功した。これまでに中性やカチオン性のシリレン錯体の合成例はかなりあるが,アニオン性錯体の例は数が少ない。この錯体を用い酸素化反応を行ったところ,Si=O二重結合がh2-で配位した初めての例となるh2-シラアルデヒド錯体を単離し構造決定に成功した。京都大学の榊先生(A03班)との共同研究により,この錯体の結合についての理論的解析も行った。

2.タングステンーケイ素三重結合錯体による[2+2]環化付加反応:近畿大学の松尾研(A01班)との共同研究として,縮環した剛直なアリール置換基(Eind基)を持つシリリン錯体の合成に成功しているが,今回,不飽和有機化合物との反応を検討し,錯体のW-Si三重結合部分とカルボジイミドやジアリールケトンのC=NやC=O結合との間で,[2+2]環化付加反応が起こることを明らかにした。ジアリールケトンとの反応では,2分子の基質が段階的に挿入し,炭素ー水素結合切断と炭素ー炭素結合形成を経て6員環骨格を持つシロキシ錯体を与えた。このような反応はこれまで全く例がない。3.ロジウムのカチオン性水素架橋ビス(シリレン)錯体の合成:これまでに,タングステン,ルテニウムおよび鉄の水素架橋ビス(シリレン)錯体が様々な有機基質に高い反応性を示すことを明らかにしてきたが,化学量論反応にとどまっている。そこで,通常触媒として活性が高い9族金属を中心金属とする新しい水素架橋ビス(シリレン)錯体の合成に取り組んだ。種々検討した結果,ロジウムを用いてカチオン性の目的錯体を低温で発生させることに成功した。9族の金属中心を持つこのタイプの錯体として初めての例になる。これまでに,タングステン,ルテニウムおよび鉄のシリレン錯体(金属ーケイ素二重結合錯体)の合成と,それらの置換基が少し異なる誘導体の合成を行い,これらの錯体が様々な有機分子と選択的に反応することを明らかにしてきた。特に,中心金属が8族のルテニウムや鉄である金属錯体では,ベンゾフェノンやアセトンのヒドロシリル化反応が触媒的に進行することを見出している。また,触媒反応ではないが,これまでに合成した中性のタングステンシリレン錯体を原料として,珍しいアニオン性のシリレン錯体を合成し,この錯体を用いることで,中性のシリレン錯体では合成できなかったSi=O結合が金属にh2-配位したシラアルデヒド錯体の単離に初めて成功した。長年合成ターゲットとされてきた重要な化学種の一つである。また,ゲルマニウムの二重結合錯体の合成も進んでおり,シリレン錯体との反応性の類似点および相違点を明らかにしてきている。触媒反応の開発の点では,まだまだ十分な成果とは言い難いが,分子構造が明確にされているシリレン錯体あるいはゲルミレン錯体による新規反応の例は蓄積されてきている。これらの結果とその反応機構の考察は,今後の分子設計の重要な情報になっている。また,これまで合成が困難とされてきた三重結合錯体に関する研究では,近畿大学の松尾研(A01班)との共同研究を行い,金属ーケイ素間に三重結合を持つシリリン錯体を合成する方法をほぼ確立することができた。反応性の研究を進めており,現在のところ,C=OやC=N二重結合を持つ化合物との[2+2]環化付加反応などを見出している。今後,このタイプの三重結合錯体をうまく利用した基質の変換反応を開発したいと考えている。これらを総合すると,期待以上の成果まではいっていないが,おおむね順調に進展していると判断する。1.アニオン性シリレン錯体とアルキンとの[2+2]環化付加反応:カルベン錯体を用いたアルキンの[2+2]環付加反応は、有機合成反応の中でも重要なメタセシス反応を構築する素反応である。この反応のケイ素版と言える反応が、最近、合成に成功したアニオン性のシリレン錯体を用いることにより高収率で進行することを見出した。類縁の中性シリレン錯体では進行しなかった反応である。2.タングステンーケイ素三重結合錯体によるメタセシス的な分子変換反応の開発:近畿大学の松尾研(A01班)との共同研究により合成した嵩高いアリール置換基を持つシリリン錯体の反応性の研究を推進し,アルデヒドを反応
反応性金属陽極を用いる高塩素有害物質の有用機能物質への効率的変換

本研究では、本質的な無公害プロセスであり、多くの特長をもつ反応性金属陽極を用いる有機電気化学反応により、有効な除去浄化技術の確立が望まれているPCBやDDTなどの有害な高含塩素有機化合物と、炭酸ガスやカルボニル化合物との還元的カップリング反応を検討した。得られた成果は、二次的な環境汚染を引き起こさせることなしに、有害物質から有用機能物質へ効率的に変換させるという、環境保全と資源の有効利用との一石二鳥的な意義を持つ新技術の開発に貴重な貢献を果たすものである。1.炭酸ガス存在下でのPCBおよびDDTの電極還元反応による炭酸固定化反応C_<12>H_7Cl_3の平均分子量を持つポリ塩化ビフェニル(PCB)および1、1、1-トリクロロ-2、2-ビス(4-クロロフェニル)エタン(DDT)の電極還元反応では各々8F/mol、32F/molでそれぞれほぼ出発物質は消費され、炭酸化された生成物の率が良いことを見いだした。また、PCB,DDTの両方の反応において反応性電極としては陽極に亜鉛を用いた反応が最も有効であることが判明した。2トリクロロ化合物とカルボニル化合物との電極還元カップリング反応一般にDDTと同様に人体に有害である場合が多いgem-トリクロロ化合物をアルデヒドの存在下、反応性金属陽極を用いる電極還元法による脱塩素反応を検討した結果、クロスカップリング生成物として対応するα-クロロカルボニル化合物が効率的に得れることを見いだした。例えばトリクロロトルエンとベンズアルデヒドのカップリング反応ではマグネシウム陽極を用いると収率54%でα-クロロベンジルフェニルケトンが得られた。一方、トリクロロ酢酸エステルとの反応では亜鉛陽極でカップリング生成物の収率がはるかに良いことが判明した。
宗教施設を地域資源とした地域防災のアクションリサーチ

本年は、モデル地域で実施したアクションリサーチの結果を総括し、課題を抽出し、全国レベルで宗教施設を取り込んだ地域防災を展開する上での方策を検討した。具体的には、調査としては、東京都宗教連盟が主体となり、大阪大学とJTB総合研究所が共同で東京都下の宗教施設を対象として「東京都宗教施設における平常時・災害時の受入体制調査」を実施した。大阪府茨木市にて、大阪市北部地震により被災した神社寺院等を訪問し、被災・復旧状況の観察と地域住民による避難行動に関する聞き取りを行った。熊本県熊本市、益城町、西原村、南阿蘇村、阿蘇市を訪問し、被災した神社寺院の被災・復旧状況の観察と、地域コミュニティ復興への神社・祭事の寄与に関する聞き取りを行った。岡山県倉敷市にて、西日本豪雨のさい地域住民が避難した神社寺院を訪問し、周辺地域の被災・復旧状況と災害時協力に関する観察調査を行った。京都市防災危機管理室や由布市役所・由布市まちづくり観光局でヒアリング調査を行った。共同実践としては、大阪などで、自治体、民間組織、市民、宗教者などと連携し、「災害救援マップ」をツールに、宗教施設と自治体、学校、NPO等による地域防災のワークショップを実施した。伊勢おはらい町避難訓練を、行政、地元関係者、観光客、学生と連携して実施した。中越地震の被災地である塩谷集落における田植え行事でアクションリサーチを行った。最終的には、アクションリサーチの成果に基づき、宗教者・団体と自治体、地域のパートナーシップのもと、宗教施設を取り込んだ地域防災の仕組みを提案し、成果を広く国内外に発信した。地域資源としての神社の機能を考察すると共に、成果の発表を中心に取り組んだ。災害リスクマネジメント国際会議で発表し、その成果を英文論文として投稿した。また、国内学術大会で発表するとともに、参加者との討議を行った。平成30年度が最終年度であるため、記入しない。本研究は、宗教施設と自治体の災害時協力の実態を調査し、防災への取り組みをもとにした宗教施設と地域コミュニティのつながり(ソーシャル・キャピタル)の創出に関するアクションリサーチを実施し、宗教施設を取り込んだ地域防災の構築を目的とする。1年目(H26年度)の計画は以下であった。1全国の自治体と宗教施設の災害時協力や災害協定の実態調査として、全国の自治体に書面調査を実施し、情報のデータ化を行うとともに、次年度の本格的な聞き取り調査への準備を行う。2既に構築した「未来共生災害救援マップ」をもとに、タブレット端末やスマートフォンで使用可能な「災害救援マップ」システムの制度設計をする。1に関しては、計画通り、政令指定市の区を含む全国1,916自治体(市区町村)の全数調査を2014年7月に実施し、1,184(回答率62%)の有効回答を得た。本調査で、協定締結と協力関係を合わせると災害時における自治体と宗教施設の連携は、自治体数で303、宗教施設数で2,401にものぼり、2,103の宗教施設が自治体から避難所指定されていることがわかった。また、東日本大震災後に、自治体と宗教施設の災害協定の締結が増加していることも明らかになった。2に関しては、、開発を進めたタブレット端末・スマホ対応のアプリ「災害救援マップ」システムは、30万件にのぼる指定避難所および宗教施設の位置や属性情報をユーザ側へ転送する際に、地図に表示されている範囲とその周辺に限定することで大幅に通信量を軽減させるシステムとなった。さらに、アプリ起動と同時にGPS機能により現在地周辺の避難所、宗教施設が表示され、大災害時、避難所や宗教施設に避難した時に、施設アイコンをタップし、被災状況、メッセージ、写真を投稿できるような双方向の仕組みができた。・1年目(H26年度)に実施した全国の自治体と宗教施設の災害時協力や災害協定の書面調査では、協定締結と協力関係を合わせると災害時における自治体と宗教施設の連携は、自治体数で303、宗教施設数で2,401にものぼり、2,103の宗教施設が自治体から避難所指定されていることがわかった。この調査にもとづき、本年度(H27年度)は、本格的な聞き取り調査を実施し、具体的にどのような宗教施設と自治体の災害時協力・災害協定か、現状と課題を抽出した。・前年度、開発を進めたタブレット端末・スマホ対応の「災害救援マップ」システムは、30万件にのぼる指定避難所および宗教施設の位置や属性情報をユーザ側へ転送する際に、地図に表示されている範囲とその周辺に限定することで大幅に通信量を軽減させるシステムとなった。本年度は、この「災害救援マップ」システムの普及を促進し、利用者の声をもとに以下のように改良した。アプリで施設をタップして表示される項目を変更。アプリの写真投稿の際に、スマホ内の既に撮影した写真画像の投稿に加えて、カメラが立ちあがり、撮影して投稿できる機能の追加(機種によっては使用できないと記載)。災害救援マップの施設被災状況(アプリ投稿)の一覧を閲覧可能な権限を施設管理者等に設定する機能を追加。登録権限に対しての、権限やエリアに応じた備蓄品データ等のエクスポート機能を実装。・次年度に実施する「災害救援マップ」をツールとし、宗教施設と自治体、学校、NPO等によるつながり(ソーシャル・キャピタル)の創出に関するアクションリサーチをモデル地域で実施するための準備をした。以下の点から、年度計画通りに順調に進展している。

・全国の自治体と宗教施設の災害時協力や災害協定・協力に関しての本格的な聞き取り調査を実施し、具体的にどのような宗教施設と自治体の災害時協力・災害協定か、現状と課題を抽出した。・「災害救援マップ」システムの普及を促進し、利用者の声をもとに改良した。・次年度に実施する「災害救援マップ」をツールとし、宗教施設と自治体、学校、NPO等によるつながり(ソーシャル・キャピタル)の創出に関するアクションリサーチをモデル地域で実施するための準備をした。1年目に実施した全国の自治体と宗教施設の災害時協力や災害協定の書面調査では、協定締結と協力関係を合わせると災害時における自治体と宗教施設の連携は、自治体数で303、宗教施設数で2,401にものぼり、2,103の宗教施設が自治体から避難所指定されていることがわかった。また、東日本大震災後に、自治体と宗教施設の災害協定の締結が増加していることも明らかになった。2年目、開発を進めたタブレット端末・スマホ対応の「災害救援マップ」システムは、30万件にのぼる指定避難所および宗教施設の位置や属性情報をユーザ側へ転送する際に、地図に表示されている範囲とその周辺に限定することで大幅に通信量を軽減させるシステムとなった。3年目の(H28度)は、継続して、全国の市町村における宗教施設との災害時協力の聞き取り調査を実施し、具体的にどのような宗教施設と自治体の災害時協力・災害協定か、現状と課題を抽出した。特に、群馬県高崎市、宮崎県日向市・日南市、北海道苫小牧市、東京都渋谷区、熊本県熊本市、熊本県天草市においては、行政と宗教施設の災害時協定・協力関係の実態について訪問して聞き取り調査を実施し、周辺状況も「未来共生災害救援マップ」アプリで確認をした。上記と並行して、宗教施設と地域の様々な社会的アクターとの関係が構築されている大阪府和泉大津市および三重県伊勢市において、「未来共生災害救援マップ」をツールに、宗教施設と自治体、学校、NPO等による地域防災のワークショップ、防災まち歩きを実施した。実施にあたっては、市の危機管理担当者、自主防災組織会長、NPO、自治会組織、市議会議員等と連携して行った。また、防災のみでは波及効果が薄いので、地域の見守り、観光につげる可能性を模索した。以下の点から、年度計画通りに順調に進展している。・「災害災害救援マップ」をツールとして、宗教施設と自治体、学校、NPO等によるつながり(ソーシャル・キャピタル)の創出に関するアクションリサーチとして防災まちあるき、ワークショップを大阪府泉大津市、三重県伊勢市で実施した。この4年間に、全国の自治体と宗教施設の災害時協力や災害協定の書面調査、本格的な聞き取り調査の実施により、具体的にどのような宗教施設と自治体の災害時協力・災害協定か、現状と課題を抽出することができた。開発を進めたタブレット端末・スマホ対応の「災害救援マップ」システムを普及促進し、利用者の声もとに改良した。「災害救援マップ」の施設データの更新を行っている。具体的には以下のような研究実践を行った。
微小疎水空間を有する金属酵素モデルの創製と反応性制御

金属蛋白質内の「微小疎水空間」をモデル化した金属錯体を合成し、様々な知見を得た。モリブデン・タングステン酵素モデルでは、疎水空間内への基質の効率的な取り込みにより反応を加速させ、反応性の低い基質の還元、水溶性ミセル中での微小疎水空間の導入に成功し、非極性溶媒中での特異な反応性を明らかにした。非極性溶媒に可溶なマグネシウム含有ホスファターゼモデルでは水素結合の切り替えによる反応性制御を達成した。[4Fe4S]骨格を持つフェレドキシンモデルでは、疎水空間とNH...S水素結合により、クラスター構造や電子状態を制御できる事を示した。金属酵素の活性中心は蛋白質の疎水性アミノ酸残基に囲まれた疎水的な反応場であり、その中で水素結合、基質の取り込みや認識など弱い相互作用が効果的に行われている。このような空間を「微小疎水空間」と呼ぶ。本年度は、研究実施計画に従い以下の研究実績を得た。1.嵩高く疎水的な置換基とNH...S水素結合を併せ持つモリブデン・タングステン酵素モデルを合成し、トルエンのような非極性溶媒中での構造、性質、反応性を調べ、疎水的環境では基質の還元反応が加速する事を見出した。2.微小疎水空間を持つジメチルスルホキシド(DMSO)還元酵素モデルを合成し、DMSOを効率的な取り込むことでジメチルスルフィドへの還元を達成した。3.ミセルを用いて、水溶性のモリブデン酵素モデルを作成し、生体内での還元剤であるNADHの類似化合物を用い、触媒的に基質の還元に成功した。4.分子内NH...O水素結合を有し非極性溶媒に可溶なマグネシウム依存性ホスファターゼモデル錯体を合成し、結晶構造および非極性溶媒中の構造を調べた。MgーO結合の強さ、配位水の酸性度、基質の加水分解速度が水素結合の様式で大きく変化する事を明らかにした。亜鉛誘導体でも、同様の傾向を示したがその差は明らかに小さく、酵素が水素結合の切り替えるだけで反応性を大きく変化させ、その変化量の大きいマグネシウムイオンを利用している事が示された。5.分子内NH...S水素結合と非常に嵩高い疎水性置換基と併せ持つ配位子を用い、トルエンに可溶で2つのチオラートが配位した中性のビス(アレーンチオラート)金属錯体を合成し、水銀、コバルト錯体については結晶構造を明らかにした。水銀錯体は2配位の直線構造であったが、コバルトは2つのチオラートと2つのアミド基のカルボニル酸素が配位した4配位構造であった。カルボニル酸素の配位は容易に溶媒分子と置き換わる事が示された。モリブデン酵素の一種であるジメチルスルホキシド(DMSO)還元酵素は還元状態がMo(IV)で、DMSOを酸素原子移動反応(OAT)によりジメチルスルフィド(DMS)へと還元し、Mo(VI)=Oを生じる。このオキソ配位子には近傍のトリプロファン(Trp)側鎖のNHとの間に水素結合が形成されている。一方、Mo(VI)からMo(IV)へ戻る過程は2電子還元ではなく、Mo(V)-OHを経由する2段階の1電子還元と考えられている。本研究では、錯体を用い微小疎水空間内で形成されるNH+...O=Mo水素結合をモデル化した。酵素の基質でもあるMe3NOの還元反応は極性溶媒中では、従来と同じOATにより進行し、Mo(VI)=Oを与えた。一方、非極性溶媒であるトルエン中では、1/2当量のMe3NOでMo(V)を生じた。また、対カチオンがルチジニウムイオンの場合は、トルエンに溶解するだけでMo(V)を生じた。この結果は、疎水的空間で強く形成されるNH+...O=Mo水素結合によりモリブデンからルチジニウムカチオンへの1電子移動が誘起された事を意味し、酵素の触媒サイクル中でTrpH...O=Mo水素結合がMo(V)-OH種の生成に寄与している事を示唆する。本研究で設計した分子内NH...S水素結合と非常に嵩高い疎水性置換基を併せ持つ配位子を用い、中性のビス(アレーンチオラート)鉄錯体を合成、硫黄(S)の添加によるクラスター形成を検討した。報告に従い、[8Fe-7S]クラスターの合成を試みたが、中間体である[2Fe-2S]クラスターが結晶として得られた。従来、[4Fe-4S]クラスターは極性溶媒中で最も安定な構造の一つと考えられてきたが、先の嵩高い配位子を用いたところ、アセトニトリル中で容易に分解する事が明らかになった。ホスフィンとの反応はルイス塩基性に依存して、配位子交換または架橋硫黄原子の引き抜きがおこり、[8Fe-7S]の生成は確認できなかったものの、Et3PSが配位した[2Fe-2S]クラスターを結晶として得た。モリブンデン酵素について、当初予定していたキサンチンオキシダーゼ(XO)、サルファイトオキシダーゼ(SO)のようなジチオレン配位子を1つしか持たない酵素モデルについては、現在検討中であるが、DMSO還元酵素モデルでは予期せぬ反応を見出し、酵素の触媒サイクルに関係した興味深い結果を得た。一方、平成26年度に予定していた[4Fe-4S]クラスターの合成に成功し、脱硫黄反応による[8Fe-7S]クラスターの形成の検討まで実施した。

残念ながら得られた結晶は[2Fe-2S]であったが、脱離した硫黄がEt3PSとして配位しており、目的の反応は進行している事が示された。単核のビス(チオラート)鉄(II)錯体へ硫黄の導入による[8Fe-7S]クラスターの生成は反応中間体で配位不飽和なため不安定となるはずの[2Fe-2S]錯体が本研究で用いた配位子により予想外に安定化されるという結果となったが、この[2Fe-2S]クラスターを[8Fe-7S]クラスター合成のための新たな原料として反応に使用できると考えている。当初の予定の変更を余儀なくされたが、おおむね順調に進展していると判断した。モリブデン(Mo)酵素は、大きく三つのファミリーに分類され、ジメチルスルホキシド還元酵素(DMSOR)ファミリーは、プテリンコファクターと呼ばれるジチオレン配位子を二つ持つが、他のキサンチンオキシダーゼ(XO)、亜硫酸オキシダーゼ(SO)ファミリーは一つのジチオレン配位子を持つ。一方、タングステン(W)酵素は、DMSORと同じ二つのジチオレンを持ち、配位構造もよく似ているが、反応性は大きく異なる。DMSORモデル錯体を用い、微小疎水空間が基質の取り込みを向上させ還元反応を加速すること、NH+...O=Mo水素結合がモリブデンの電子状態や触媒サイクルに多大な影響を与える事を明らかにした。MoとW酵素モデル錯体の比較研究では、Wモデル錯体の方が類似のMoモデル錯体に比べNH...S水素結合は弱いが、より効果的に酸化還元電位を正側にシフトさせる事が明らかとなった。つまり水素結合が形成するとMoとWの酸化還元電位の差が小さくなることを示している。この結果は、W酵素からMo酵素へと多様化した進化の過程において、酵素の活性を大きく変える事無く、WからMoへと変換可能であることを示唆している。非常に嵩高い疎水基を持つジチオラート配位子を用いて、SOモデル錯体の合成も行った。得られたモデル錯体は、トルエンなどの非極性溶媒にも可溶であり、基質との反応など今後の発展が期待できる。本研究で設計した分子内NH...S水素結合と非常に嵩高い疎水性置換基と併せ持つチオラート配位子は、様々な予想外の結果をもたらした。本研究で合成した[4Fe4S]クラスターの構造は、一般的なフェレドキシンと酸化還元電位が大きく異なるHiPIPに近く、疎水的環境と立体障害により蛋白質内部での環境の再現に成功したと考えられる。また、本研究で合成したチオラート配位子はヨウ素酸化によりジスルフィドを生成せず、反応中間体を結晶として与えた。金属蛋白質内の「微小疎水空間」をモデル化した金属錯体を合成し、様々な知見を得た。モリブデン・タングステン酵素モデルでは、疎水空間内への基質の効率的な取り込みにより反応を加速させ、反応性の低い基質の還元、水溶性ミセル中での微小疎水空間の導入に成功し、非極性溶媒中での特異な反応性を明らかにした。非極性溶媒に可溶なマグネシウム含有ホスファターゼモデルでは水素結合の切り替えによる反応性制御を達成した。[4Fe4S]骨格を持つフェレドキシンモデルでは、疎水空間とNH...S水素結合により、クラスター構造や電子状態を制御できる事を示した。当初予定していたユニマーミセル型モデル錯体は配位子の合成、特に精製・単離が困難であり、合成を断念した。代わりに水溶性ミセル溶液を用い、水系でのモリブデン酵素モデルを作成し、基質の触媒的還元反応を達成した。
微生物膜固定化電極を用いる低処理エネルギー型CO_2還元資源化に関する研究

本反応系に適用しうる陽・陰極電極材の選定に対し,利用する絶対嫌気性の水素資化性メタン生成菌,ホモ酢酸生成菌の活性に大きな影響のある陽極からの酸素生成に着目して,各種電極材を組合わせた電極系で水の電解実験を行い,陽極材として炭素は金属に比べ,酸素生成を極めて抑制でき,系内を無酸素環境に維持しうるが,電気化学酸化によりCO_2が生成し,CO_2の効率的還元変換を目的とする本系には適さず,酸素生成の多い金属電極に酸素不透過性隔壁を設置して生成酸素の反応液への溶存を妨げることで,適用しうると考えられた.本結果に従い,陽極として鉛棒を用い,セラミック製電解隔壁により反応液本体を隔離した液容積約2L,陰極面積約810cm^2の円筒型実験装置を製作した.なお,劣化,腐食等がなく,上記微生物が固定化される陰極には,その付着性で優位な炭素材を用い,微生物膜は,嫌気性消化汚泥を種汚泥としてNaHCO_3および痕跡量の無機塩類から成る水溶液を添加しつつ,約2ヶ月間訓養を行い作成した.連続実験は,流入NaHCO_3濃度一定で,滞留時間,電流密度(電流値)を変化させて行い,本法によるCO_2変換特性について以下の知見を得た.連続操作におけるCO_2のメタンへの変換は,常時安定して生じた.電流密度(電流値)の増大に伴い,メタン生成速度は増大し,電流密度0.35mA/cm^2程度以下の操作条件では,電解生成水素の90%以上がメタン変換へ高効率に利用されたが,さらに,電流密度を増大すると,未反応電解生成水素が気相中に増加し,水素利用効率に対して電流密度の最適操作条件が存在することが示唆された.一方,通電量に対し,CO_2流入負荷を操作することで高CO_2変換を達成でき,本法の適用可能性が示唆された.また,高い水素利用率で,CO_2の酢酸への変換も可能であることが別途に行ったメタン生成阻害剤を用いた回分実験から得られた.本反応系に適用しうる陽・陰極電極材の選定に対し,利用する絶対嫌気性の水素資化性メタン生成菌,ホモ酢酸生成菌の活性に大きな影響のある陽極からの酸素生成に着目して,各種電極材を組合わせた電極系で水の電解実験を行い,陽極材として炭素は金属に比べ,酸素生成を極めて抑制でき,系内を無酸素環境に維持しうるが,電気化学酸化によりCO_2が生成し,CO_2の効率的還元変換を目的とする本系には適さず,酸素生成の多い金属電極に酸素不透過性隔壁を設置して生成酸素の反応液への溶存を妨げることで,適用しうると考えられた.本結果に従い,陽極として鉛棒を用い,セラミック製電解隔壁により反応液本体を隔離した液容積約2L,陰極面積約810cm^2の円筒型実験装置を製作した.なお,劣化,腐食等がなく,上記微生物が固定化される陰極には,その付着性で優位な炭素材を用い,微生物膜は,嫌気性消化汚泥を種汚泥としてNaHCO_3および痕跡量の無機塩類から成る水溶液を添加しつつ,約2ヶ月間訓養を行い作成した.連続実験は,流入NaHCO_3濃度一定で,滞留時間,電流密度(電流値)を変化させて行い,本法によるCO_2変換特性について以下の知見を得た.連続操作におけるCO_2のメタンへの変換は,常時安定して生じた.電流密度(電流値)の増大に伴い,メタン生成速度は増大し,電流密度0.35mA/cm^2程度以下の操作条件では,電解生成水素の90%以上がメタン変換へ高効率に利用されたが,さらに,電流密度を増大すると,未反応電解生成水素が気相中に増加し,水素利用効率に対して電流密度の最適操作条件が存在することが示唆された.一方,通電量に対し,CO_2流入負荷を操作することで高CO_2変換を達成でき,本法の適用可能性が示唆された.また,高い水素利用率で,CO_2の酢酸への変換も可能であることが別途に行ったメタン生成阻害剤を用いた回分実験から得られた.
新生血管伸長方向の制御による網膜血管再生療法の開発

網膜新生血管の伸長方向を制御する分子機構を解明し、病的網膜新生血管を正常化する治療法の開発を試みた。発生期マウス網膜では、神経細胞から分泌されるSema3Eが、内皮細胞に発現するPlexinD1に結合してRhoJを活性化する結果、不適切な方向に伸長する血管新生を抑制した。虚血網膜症モデルマウスにおいてSema3E蛋白を眼内に投与すると、異常新生血管が選択的に抑制されるのに対し、網膜内の正常血管再生には影響を及ぼさなかった。これらの成果は、虚血性網膜疾患に対する血管再生療法の開発に繋がると期待された。新生仔マウスにおける網膜血管発生では、血管内皮細胞が形成する糸状仮足が伸縮を繰り返すことにより、血管の伸長方向が決定される。我々は本研究において、網膜神経節細胞が分泌するセマフォリン3E(Sema3E)が、内皮細胞表面に発現するプレキシンD1受容体に結合し、糸状仮足の形成を阻害することを見いだした。我々はさらに、血管内皮細胞に発現する低分子量G蛋白質RhoJがSema3E-プレキシンD1シグナルにより活性化され、細胞の収縮を引き起こすことを明らかにした。一方、虚血性網膜症モデルマウスでは、網膜外に逸脱して伸長する異常血管において、プレキシンD1およびRhoJの強い発現が認められた。また、虚血性網膜症モデルマウスにおける異常新生血管は、プレキシンD1遺伝子の不活化により増加するのに対し、RhoJ遺伝子の過剰発現により減少した。これらの結果から、神経節細胞由来のSema3Eが異常新生血管に発現するプレキシンD1に結合し、RhoJを活性化することによって網膜外への逸脱を抑制していると考えられた。この作用を増強するため、我々は虚血性網膜症モデルマウスの眼内にSema3E蛋白を投与した。その結果、異常血管新生が選択的に抑制されるのに対し、生理的網膜血管再生には影響が見られなかった。本研究の成果により、糖尿病網膜症や未熟児網膜症において異常新生血管のみを標的とした抗血管新生療法により、虚血網膜内への血管再生を促進しうる可能性が示された。我々は昨年度の研究にて、血管内皮細胞ではVEGF-VEGFR2シグナルが低分子量G蛋白質Cdc42を活性化し、細胞内アクチン分子の重合を促進するのに対して、Seme3E-PlexinD1シグナルがRhoJを活性化し、アクチン分子の脱重合を促進することを示した。したがって、VEGF-VEGFR2やSema3E-PlexinD1シグナルの下流で、Cdc42やRhoJの活性を調節する細胞内シグナル伝達分子は、新規創薬標的分子となりうることが期待される。本年度は、フローサイトメトリー法により精製したマウス網膜血管内皮細胞に発現する遺伝子をマイクロアレイ法にて網羅的に解析した結果、グアニンヌクレオチド交換因子Arhgef15が血管内皮細胞に特異的に発現することを同定した。また、培養血管内皮細胞を用いた研究により、VEGFシグナルによるCdc42の活性化が、Arhgef15により媒介されることを明らかにした。さらに、Arhgef15はRhoJの不活性化も誘導することにより、内皮細胞におけるアクチン分子の重合を促進し、細胞骨格の再構成を制御することが判明した。Arhgef15遺伝子ノックアウト(KO)マウスでは、野生型マウスに比較して、網膜血管発生の遅滞が認められたが、来年度はさらにArhgef15-KOマウスにて虚血性網膜症モデルを作成し、病的網膜血管新生の変化を解析する。前年度までの研究により、網膜新生血管における内皮細胞の遊走運動がVEGFにより促進されるのに対してSema3Eにより阻害されることが明らかとなっている。本年度は、VEGFとSema3Eのシグナルを伝達する細胞内分子メカニズムを明らかにすることを目的に、低分子量G蛋白質RhoJの機能解析を実施した。培養内皮細胞ではPlexinD1受容体の細胞内ドメインにRhoJが結合するが、Sema3EがPlexinD1に結合するとRhoJがPlexinD1から遊離し、細胞内アクチン線維の脱重合および細胞ー基質間接着の解離を誘導し、遊走運動を阻害することを明らかにした。次に、VEGFがVEGFR2受容体に結合するとPlexinD1と複合受容体を形成するが、RhoJはVEGFR2-PlexinD1複合受容体の形成にも必要であることが明らかとなった。このため、RhoJを欠失した内皮細胞では、VEGFR2のエンドサイトーシス経路、シグナル伝達、蛋白質変性が無秩序に進行するため、内皮細胞の運動方向が撹乱され、異常な血管網を形成する。

これらの研究成果から、RhoJはVEGFとSema3E双方のシグナル伝達を制御することにより、網膜血管網の形態形成を調節すると考えられ、虚血網膜に機能的血管網を再生する治療ではRhoJが標的分子となりうる可能性が示唆された。当初の計画通り、マウス網膜血管モデルを用いて、血管内皮細胞に発現するグアニンヌクレオチド交換因子Arhgef15の機能を明らかにした。また、培養血管内皮細胞を用いた研究により、Arhgef15を介する細胞内シグナル伝達機構を明らかにした。24年度が最終年度であるため、記入しない。最終年度は、Arhgef15を標的とした低分子化合物を探索し、臨床応用の可能性を検証する。また、血管内皮細胞におけるシグナル伝達機構のさらなる解明を進めることにより、新たな創薬標的分子を同定する。