hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
画像処理法によるサンドミル内の超微粒子粉砕機構の解明とそれに基づく新型ミルの開発

サンドミルは媒体撹拌型の湿式粉砕機の一種であり、工業的に広く利用されている。最近、超微粒子の製造技術に対する関心が各産業界で急激に高まっている中、その機種も竪型から横型のものが主流となるなどサンドミルの超微粉砕能力を向上させるための改良がなされている。本研究では、内羽根と外筒がそれぞれ独立に回転する横型サンドミルにおいて、メディア粒子の挙動を可視化する計測技術をオリジナルに開発した。その技術を用いることにより、ミル内メディア粒子の速度分布と速度変動強度及び出現頻度分布の測定を可能にした。両方の回転方式で得られたメディア粒子の流動特性に関連づけて、アルミナビーズを用いた炭酸カルシウム微粒子の粉砕特性を考察した。その結果、内羽根だけが回転する場合及び内羽根と外筒が逆方向に回転する場合の両方について得られた50%粒子径は、従来の速度変動強度だけではうまく相関できず、それに出現頻度をかけた重み付き速度変動強度で良好に相関できることを見いだした。さらに3種類の撹拌翼(平板型、穴あき平板型、十字型)を用いた場合のメディア粒子の挙動を可視化した。その結果、ミル内メディア粒子の速度分布と速度変動強度及び出現頻度分布に及ぼす撹拌翼の幾何形状の影響を明らかにした。さらに炭酸カルシウム微粒子の粉砕実験を行うことにより、メディア粒子の挙動と粉砕特性の関係を考察した。その結果、重み付き速度変動強度を用いることにより、双方の回転方式で各羽根について得られた粉砕特性が良好にまとめられることを見いだした。また、それらの知見を基に新たな撹拌翼(十字型タービン翼)を試作し、その粉砕特性をメディア粒子の挙動と関連づけて考察した。その結果、従来の三つの羽根に比べ高い粉砕速度を示すことが分かった。本研究はイメージプロセッシングという最近の画像処理技術を用いて、メディア粒子のミル内での流動混合機構をラグランジュ的に解明し、流体とメディア粒子の相互作用、メディア粒子の運動と微粒子の粉砕機構との関連性を明らかにすることを目的とする。具体的には攪拌槽と羽根の双方が独立に回転可能な横型サンドミルを透明アクリルを用いて作成し、その中の粒子運動を高速度ビデオカメラで撮影しその画像をコンピューターで処理し、粒子の混合機構を明らかにする方法をとる。また、併せて各種条件下で微粒子の粉砕実験を行い、本装置の粉砕特性を明確にすると共に、本装置において微粒子粉砕を支配する因子が何であるかを明らかにする。本年度は可視化が可能なアクリル製のサンドミル実験装置を製作し、そのミル内に被粉砕微粒子および粉砕媒体であるメディアビーズを混入させたシリコーンオイルを流入させ、ピン型、平板型などの各種の攪拌翼により混合される流体の流動機構をレーザ・スリット光を用いた流れの可視化、及び、高速度ビデオカメラを用いた粒子運動速度の測定及び粒子軌跡の追跡により解明した。また、高速度ビデオカメラにより得られた粒子運動の画像を画像処理システムにより計算機内へディジタル画像として取り込むシステムを開発した。このシステムによりメディア粒子の相対運動の機構、粒子のゆらぎの機構を明らかにし、被粉砕粒子がどのような機構で粉砕されるのかを解明した。その結果、ミル内のメディアビーズの速度変動を大きくすれば粉砕性能が向上し、粉砕効率は、この速度変動強度により相関できることが明らかになった。最近、超微粒子の製造技術に対する関心が各産業界で急激に高まったいる中、その機種も堅型から横型のものが主流となるなど、サンドミルの超微粉砕能力を向上させるための改良がなされている。このようなサンドミルの改良では、羽根先端速度を増加させれば粉砕能力が向上する事は知られている。

しかし、高純度の超微粉製造に対応するには、そのために引き起こされるメディア粒子(粉砕媒体)や羽根の摩耗によるコンタミネーションを解決せねばならない。そこで羽根先端速度を減じて摩耗を抑え、かつ粉砕能力が優れた低速型サンドミルの開発が望まれている。そのためには、ミル内メディア粒子の挙動を定量的に捉え、その挙動に関連づけて粉砕機構を解明することが重要である。そこで本年度は、内羽根と外筒がそれぞれ独立に回転する横型サンドミルにおいて、メディア粒子の挙動を可視化する計測技術をオリジナルに開発した。その技術を用いることにより、ミル内メディア粒子の速度分布と速度変動強度及び出現頻度分布の測定を可能にした。両方の回転方式で得られたメディア粒子の流動特性に関連づけて、アルミビーズを用いた炭酸カルシウム微粒子の粉砕特性を考察した。その結果、内羽根だけが回転する場合及び内羽根と外筒が逆方向に回転する場合の両方について得られた50%粒子径は、従来の速度変動強度だけでうまく相関できず、それに出現頻度をかけた重み付き速度変動強度で良好に相関できることを見いだした。
地方における住民参加型介入の社会関係資本醸成に及ぼす効果に関する実証的研究

本研究の目的は、住民主体の地域活動によって住民間の信頼や結びつきなどの社会関係資本が醸成されるかを量的/質的調査によって検証することであった。それらの増加は認めることができなかった。2回の繰り返し調査を行い、町内会/自治会を単位とし比較を行ったが、住民活動によりそれらの増加量の差異は認めることはできなかった。ただし、母集団全体としては、住民間の結びつきは増加していた。これらは、標本誤差なのか、高齢化や住民活動の質的な差異などの下位の地域の個別の問題かははっきりさせることはできなかった。平成23年度に実施する予定であった第1回目のソーシャルキャピタル調査や各フィールドに関する検討会は、フィールドの決定が遅れたために実施することができなかった。しかし、平成24年度にすべてのフィールドにおいてフィールドの決定や第1回目の調査を完了することができ、また、札幌における研究会やわれわれのグループのフィールド以外のフィールの踏査などにおいてそれらを行うことができた。平成25年度の本科研プロジェクトにおける主たる活動として、フィールドの観察とその他の地域での踏査がある。まず、前者については、各研究者が持っているフィールドがどのようにその社会関係資本を醸成しうる市民参加型の活動を進めているかを、さまざまな見地から観察することである。特に、次年度においては、エヴァリュエーション調査が予定されているために、その変化の要因について見極める必要がある。その観察は本研究においては重要なものである。これらからは、まずコミュニティを観察する枠組み、特に、質的にしか見極めることができない要因が見て取れた。特に、さまざまな活動を決定していく過程、ここは住民の議論や思いが交錯するところであるが、そのようなものを見て取ることができた。これらは、ここのコミュニティにおいては、異なる形態として表出するものである。したがって、今後は、これらを抽出する方法や、また、異なるコミュニティが比較可能な枠組みをさらに考えていかなければならない。後者のフィールド以外の地域の踏査については、今回のプロジェクトの対象とはなっていないものの、このようなコミュニティと社会関係資本の研究に重要と思われるようなフィールドを訪問し、聞き取り調査を中心とするデータ収集を行った。まず、これらの地域は特に、住民参加型の地域活動が盛んなところであるために、そのプロセスを各種のポイントを押さえつつうまく観察することができるというメリットがある。これらを参考に上記のような地域を観察する枠組みを発展させるという意味があると考える。ただし、このような活動が盛んな地域は、リーダーが前に出てくるような傾向があるために、その他の地域内の一般の人々とかかわるような機会が少なくなる。これらを考慮したうえでの観察が今後も必要であると考える。まず、昨年度実施予定だったができなかった山陰地区、および長野地区におけるソーシャルキャピタル調査を実施した。これらは、地域における初期値としてのソーシャルキャピタル量を測定するものであり、また、地域間/内で比較可能なように同一の測定項目を用いたものである。今後、分析を行うとともに、これからの住民参加型活動によってソーシャルキャピタルの量の変化を見ていくものである。第二に本年度、小さな調査であるが、積丹町においてお一人暮らしの高齢者の方々に対する調査を行った。これは、特に高齢者の方々のための資源が少ない地域において、安心安全に暮らしていくためにソーシャルキャピタルがどのような役割を担うのかを検証すうためのデータ収集である。今後、追跡調査などでそれらを検討する。第三に、雲南市、対馬市などいくつかの地域を廻り、住民参加型活動や社会福祉協議会の活動例についてインタビューを行った。これらのインタビューを通じて、今後の資源が少ない地域における活動の参考にしたいと考えた。まず、この5年の間に、住民参加型活動が行われた地域において住民同士の関係や信頼にどのような変化が生まれたのかを見てみる。ここでは2つの指標について比較を行った。ひとつは、近隣の人と都の付き合いの状況、もうひとつは、集落内で他の住民をどの程度信頼しているかである。2010年調査と2015年調査を比較したところ、最上町全体としては、5年間の間でほとんど差異はなかった。その選択肢の数値で比較したところ(ただし、信頼は逆転項を用いた)、おつきあいでは、2010年の平均値が3.566、2015年の平均値が3.528であった。また、集落内の信頼は、それぞれ1.864と1.939であった。ここから、町全体でのそれらの指標での変化はないことがわかるであろう。ただし、自治会単位でこれらを見た場合、大きな変化が見られたところもあった。そのなかで、「近隣のおつきあい」については、増加した自治会は14、変わっていない自治会は8、そして、減少したところが14であった。信頼については、増加した自治会は11、変わっていない自治会は6、そして、減少した自治会は19であった。これらからは、やや地域の凝集性が減少しているところが見て取れる。量的調査を補完するために、また解釈をしやすくするために、最上町におけるいくつかの自治会を対象に質的なインタビュー調査を行った。これらのデータについては、その分析はまだ十分ではない。特に、自治会を対象としたインタビューは、複数の人に対するインタビューとなるために、個人によって考え方が異なったり、また、地域を代表する意見ではない可能性がある。したがって、これらの分析手法についてはよく考えなければならない。今回の研究では、地域研究におけるこのような質的データの分析についてまだまだ発展していないことを痛感した。

本研究の目的は、住民主体の地域活動によって住民間の信頼や結びつきなどの社会関係資本が醸成されるかを量的/質的調査によって検証することであった。それらの増加は認めることができなかった。2回の繰り返し調査を行い、町内会/自治会を単位とし比較を行ったが、住民活動によりそれらの増加量の差異は認めることはできなかった。ただし、母集団全体としては、住民間の結びつきは増加していた。これらは、標本誤差なのか、高齢化や住民活動の質的な差異などの下位の地域の個別の問題かははっきりさせることはできなかった。27年度が最終年度であるため、記入しない。社会学・地域福祉学初年度に実施する予定であったことが、今年度実施することができたために、これで当初の計画に追いつくことができたと言う意味で、順調であると言えると考える。しかし、それらに時間を割いたために、フィールドのモニタリングの枠組みを作ったり、質的データの収集やそれらのデータの分析やその手法の検討などについては、押し出された形で遅れが出ている。これらについては、早急に検討を加えていく必要がある。やや遅れていると書いたのは、やはりこの科研プロジェクトの初年度において、住民参加型活動がおこりそうな地域をうまく探すということが難しかったという点にある。初年度は、観察の初期値として重要なデータを収集する時点となる。しかし、それがいくつかのフィールドにおいて少々送れたために、比較のため時間軸を設定することが難しくなったことが挙げることができる。初年度に実施予定であった前述した2つのソーシャルキャピタル調査を実施できたことにより、全体の計画にやっと追いついた。初年度に調査を実施した2つのフィールドにおいては、計画通りに住民参加型活動のモニターリングを行っており、これは計画通りである。先に書いたとおり、今年はフィールドのモニタリングの枠組みを作ったり、質的データの収集やそれらのデータの分析やその手法の検討などについて検討する必要があるとともに、第2回目のソーシャルキャピタル調査についての枠組みの検討を始める必要がある。次年度は、最終年度であるので、まず、初年度との比較のための調査を行う必要がある。そのための準備はできているつもりである。ただし、当初のフィールド選択では予期していなかったことではあるが、思ったよりも住民参加型活動が盛り上がっていなかったり、社会福祉協議会などで退職や異動などによりその後の地域の観察が難しかったりするフィールドも存在する。それらについては、もういちど、フィールドを訪問し、今回の研究の目的やそれらにより地域にもたらさせるメリットなどについて再び話し合うなどが必要と考える。また、それ以外にも、引き続き、地域を観察して、地域を比較可能な枠組みとして捉える努力を行う必要があると考える。まず、住民参加型活動や社会福祉協議会による活動の観察を続ける。それとともに、それらを分析するための質的なデータの収集やそれらデータの分析手法を開発する。
女子の理科学習促進を指向する教師教育の方策の開発

本研究では、女子の理科学習を促進する方法を教師教育の観点から検討した。現職の小・中学校教師と教員養成課程の学生を対象に、理科学習の男女差に関する認識を調査した。その結果、性差に無自覚な現職教師が存在することや、教員養成課程学生の方が、性差を強く感じていることなどが明らかとなった。認識調査と諸外国の先行研究に基づき、教員養成段階において「理科学習と男女差に関する講義」と「少人数制の実験講座」を開発し、実施した結果、学生の理科に対する意識やジェンダー固定観念は変容し、将来の理科指導における留意事項を考えるに至った学生もいた。日本では中学校段階で理科学習に対する女子の意識や態度が急速に低下するという問題があり,本研究は教師教育の観点からその問題状況を改善する方策を検討するものである。このような「女子の理科離れ」の一因として,教師のもつ理科に対する固定観念が授業における潜在的カリキュラムとして,学習者たちに「女子は理科が苦手である」というイメージを伝えていることが指摘されている。つまり,「女子の理科離れ」の改善には,教師の意識改革が不可欠であり,このことは同様な問題状況を抱える諸外国においても,重要視されている。研究の初年度の平成24年度には,日本の教師のもつ理科に対するジェンダー固定観念を調査し,その教師たちを対象に女子の理科学習に関する研修を実施した後の意識変容も明らかにした。二年目の平成25年度には,教員養成系大学において小学校教員の免許取得に必修となる科目の受講生約260名を対象に,理科に関する現在の意識,理科に関連する経験の有無,高校までの理科学習における男女差の認識,理科指導の自信などに関する質問紙調査を実施した。その結果,理科に関する意識,理科に関連する経験,小学校からこれまでの理科実験での役割などについて,中学生の男女差の傾向よりも小さいものの男子学生の方が女子学生よりもやや優位であることが明らかとなった。また,自らの経験に基づき,理科学習における性差を認識しており,前年度に実施した小・中学校教師よりも性差意識が強いことも明らかとなった。さらに,理科指導の自信については,女子学生の方が男子学生よりも不利な状況にあり,女子学生の理科指導に対する不安を払拭するために,理科実験に関する実践的な技能向上の機会を提供しなければならないことを指摘することができた。本研究は,中学校段階において理科学習に対する女子の意識・態度が急速に低下する「女子の理科離れ」を改善するために,教師教育の観点からアプローチする方法を検討するものである。なぜなら,「女子の理科離れ」が,教師のもつ理科に対するイメージや固定観念から表出される言動によって引き起こされる可能性が少なくないからである。諸外国の先行研究においても,「女子の理科離れ」をくいとめる方法として,学習内容や環境,教授方法等の改善以上に,教師の意識の変革が最も重要であると指摘されている。研究の初年度である平成24年度においては,教師教育の具体的方法を検討する前提となる教師の意識調査を実施した。理科授業を担当している公立の小・中学校教師約80名を対象とし,児童・生徒の理科好きの割合や,理科授業への取り組み方や態度,そして理科学力に関する男女差の認識を問う質問紙調査を実施した。調査後,その教師たちを対象に,女子の理科学習の問題点,改善の必要性,効果的な指導法等に関する1時間程度の研修を実施し,意識変容が起きたかを自由記述から調査した。その結果,研修前の教師については,理科学習における男女差に無自覚であることが多く,理科指導において女子に特に配慮することは少なく,教師の多くが男女平等に指導することの正当性を顕示する傾向にあることが明らかとなった。そして,研修後には,8割以上の教師が,理科学習における男女差を認識し,女子の理科学習に関心をもったことが明らかとなった。さらに,少数ではあるものの自らの「理科=男性」という固定観念を認めたり,女性の理科教師の増加の必要性に気づいた教師もいた。研究実施計画において予定していた教員養成課程の学生に対する意識調査については,対象人数が300名近くになるため,平成24年度は予備調査を実施し,次年度の本調査に向けて質問紙を修正・改良する機会とした。本研究は、女子が男子よりも理科学習に消極的で、理科に対する興味・関心が低いという現状を打開するために、教師教育の観点から方策を検討した。なぜなら、理科授業における教師の言動が、女子の学習に潜在的カリキュラムとして大きな影響を及ぼすことから、女子の理科学習促進には教師の理科に対するジェンダー固定観念や、授業中のふるまいの変容が不可欠であると諸外国で繰り返し指摘されているからである。まず、平成24年度には、小・中学校教師を対象に質問紙調査を実施し、教師は理科学習における男女差に無自覚であることが多く、理科指導において女子に特に配慮していないことが明らかになった。しかし、女子の理科学習に関する研修後には、男女差を認識し、女子の理科学習に関心をもつ教師が大半を占めた。

続いて、平成25年度には、教員養成課程の学生を対象に質問紙調査を実施し、理科学習に対する意識に関して、中学生の男女差の傾向よりは小さいものの、男子学生の方が女子学生よりもやや優位であることが示された。最終年度の平成26年度には、前年度の調査結果を踏まえ、教員養成課程の学生が女子の学習促進を指向する理科授業を実践できるようになるための方策を検討した。学生(特に女子学生)の理科実験の指導に対する自信を高めるための「少人数制の実験講座」と、理科学習における男女差の実態の理解を促すための「理科学習と男女差に関する講義」を開発し実践した。これらの方策の有効性は実証されたが、今後は学生たちが女子の理科学習促進のための具体的方策を自ら考案し、学校の授業場面で実践することへと発展させなければならない。さらに、教員を目指す学生が所属する大学の特性によって、理科学習のジェンダーに関わる意識が異なるかどうかを検証するため、女子大学の教員養成課程の学生の意識調査にも着手したところであり、この結果を今後分析していく計画である。社会科学、教育学「女子の理科離れ」を改善するための教師教育の方策を検討するために,初年度は小・中学校教師を対象に現職の教師の意識を調査し,その意識変容のための研修方法を検討した。そして,二年目の平成25年度には,これから教師になる教員養成課程の学生を対象として,学生たちの理科学習および理科指導に対する意識の現状を調査し,理科学習に関する性差意識を持っていることを明らかにすることができた。学生の意識については十分に分析することができたものの,具体的な改善策に関する実践的研究は不十分であった。しかし,大規模な意識調査によって,女子学生に対する理科の内容理解と実験の技能向上を図る方策の必要性が示唆されたことで,平成26年度における実践的研究の研究計画を立てることができたため,研究はおおむね順調に進展しているといえる。「女子の理科離れ」を改善するための教師教育の方策を検討する最初の段階として,小・中学校で理科を教える教師を対象とした質問紙調査を実施した。このような視点での調査研究は,これまで日本ではほとんど行われておらず,しかも事前の想定以上の人数を対象とすることができたため,大きな成果を上げることができた。この調査の結果は,日本理科教育学会の全国大会において発表し,他の研究者と有意義な意見交換をすることができた。しかし,その一方で,これから小・中学校の教師になろうとする教員養成課程の学生に対する理科学習の男女差に関する調査については,調査計画段階において,対象者の人数及び実施に必要とされる時間を考慮し,質問の内容を十分に検討する必要が出てきたため,本調査の前に予備調査が必要となった。そのため,当初予定していた教員養成課程の学生に対する調査は実施にいたらなかったものの,その事前準備までは完了させることができた。これらのことを総合すると,研究全体としては,おおむね順調に進展しているといえる。
本邦産クモ由来の神経毒ペプチド(アジェレニン)の高次構造の解析

研究代表者は先に提出した“科学研究費補助金交付申請書"において、「本研究では、研究計画調書提出後にマダガスカル産クモの乾燥毒腺を入手したことから、標題の“本邦産クモ毒ペプチド;アジェレニンの高次構造の解析"と並行して、マダガスカル産クモの毒成分の分析にも着手する予定である」と述べた。アジェレニンの高次構造の解析は前年度から引続き、化学合成ペプチドを用いてNMRを始めとする方法論によって解析を進めている。一方、マダガスカル産クモの毒成分については、「米国の薬品ベンチャー企業であるNatural Product Sciences,Inc.(Salt Lake City,Utah)が、マダガスカル産のクモ、サソリ等の小動物の毒素を材料とした医薬品開発事業を新たに計画している」と交付申請書提出後に報道された(1993年6月25日付、日経産業新聞)ことから、既に研究代表者が入手しているマダガスカル産クモ毒腺の化学分析が急務であると判断し、この点について微量分析技術を用いて優先的に研究を進めた。その結果、幾つかの毒成分を単離し、これらのうちの1つについては以下に示すアミノ酸配列を有する新規の毒ペプチドであることを明らかにした。単離した他の成分の構造解明も現在、進行中である。
超音波式煙霧機による施設栽培防除法に関する研究

栽培施設内の無人防除法として普及している常温煙霧機は、植物体の下位葉の薬液付着や水平に付いている葉の下側(裏面)への薬液付着は、充分でないといわれている。本実験では、これらの問題点を改善するために、施設用温風暖房機の送風ダクトに着目して、ダクト内に超音波式煙霧機を用いてダクトからの空気と一緒に薬液を散布する方法を検討した。施設内に植物モデルを設置し、各場所の植物モデルの上段、中段、下段における薬剤付着状況を推定するために赤色着色剤を散布し、単位面積当たりの付着量、すなわち付着密度(ml/cm^2)を求めた。結果はつぎのとおりである。1.超音波式煙霧機の霧化性能と農薬の希釈倍率の関係では、4575×10^<-5>N/cmの範囲の表面張力の噴霧液の霧化性能に差は認められなかった。2.常温煙霧機と超音波式煙霧機での散布試験の結果、超音波式煙霧機の植物モデルでの付着密度は、水平サンプルについては全体的に常温煙霧機の付着密度より高い傾向を示したが、垂直サンプルについては常温煙霧機での付着密度を改善することは認められなかった。垂直サンプルの付着密度の向上のためには、送風ダクトからの空気吐出口の風速を増すなどの方法が必要であると思われる。3.植物モデルの下位葉及び裏面の付着密度は、超音波式煙霧機による散布で常温煙霧機の最大で約40%及び約55%それぞれ高い傾向を示した。4.超音波式煙霧機での単位面積当たりの噴霧量の試験では、常温煙霧機の噴霧量に換算して4.61/10aのときが、付着密度も高く最も効率的であった。1.各種農薬の物理性の測定DDVP、スミチオン、エルサン乳剤について、その表面張力、動粘度を測定した。表面張力については希釈率が高くなると数値がわずかに高くなる傾向を示し、その範囲は3246×10^<-6>N/cmであった。このことから、農薬の表面張力は希釈倍率によってあまり変化しないことが確認できた。動粘度については、希釈倍率が高くなると数値が低くなる傾向を示すが、その範囲は3.20.7×10^<-6>m^2/sであった。2.超音波加湿ユニットの単位時間当たり霧化量超小型の超音波加湿ユニット2種類の単位時間当たりの霧化量を測定したが、いずれも2.7cc/minと非常に低い値であり、少なくとも1分間当たりの霧化量は20cc/min以上であることを考慮しているので、さらに霧化量の多い超音波加湿ユニットの利用を検討したい。3.常温煙霧機の薬剤散布性能施設内防除機としての常温煙霧機の薬剤付着状況を把握するするために、間口3.6m×奥行き7.2mの施設内に植物モデルを設置し、赤色着色剤(ダイレクトスカーレット)を噴霧した場合の付着密度(mg/cm^3)の測定を行った。付着測定のためのサンプル位置が高いほど付着密度が多くなる傾向を示した。超音波式煙霧機と温風暖房機との組み合わせでの薬剤散布法は、サンプル位置が低い所での付着の改善を目的としているが、今回使用した施設は、間口、奥行き寸法が温風暖房機用の規模としては小さいので、奥行きのある施設でさらに詳細に検討したい。栽培施設内の無人防除法として普及している常温煙霧機は、植物体の下位葉の薬液付着や水平に付いてる葉の下側(裏面)への薬液付着は、充分でないといわれている。

本実験では、これらの問題点を改善するために、施設用温風暖房機の送風ダクトに着目して、ダクト内に超音波式煙霧機を用いてダクトからの空気と一緒に薬液を散布する方法を検討した。施設内に植物モデルを設置し、各場所の植物モデルの上段、中段、下段における薬剤付着状況を推定するために赤色着色剤を散付し、単位面積当たりの付着量、すなわち付着密度(ml/cm^2)を求めた。結果はつぎのとおりである。1.超音波式煙霧機の霧化性能と農薬の希釈倍率の関係では、4575×10^<-5>N/cmの範囲の表面張力の噴霧液の霧化性能に差は認められなかった。2.常温煙霧機と超音波式煙霧機での散布試験の結果、超音波式煙霧機の植物モデルでの付着密度は、水平サンプルについては全体的に常温煙霧機の付着密度より高い傾向を示したが、垂直サンプルについては常温煙霧機での付着密度を改善することは認められなかった。垂直サンプルの付着密度の向上のためには、送風ダクトからの空気吐出口の風速を増すなどの方法が必要であると思われる。3.植物モデルの下位葉及び裏面の付着密度は、超音波式煙霧機による散布で常温煙霧機の最大で約40%及び約55%それぞれ高い傾向を示した。4.超音波式煙霧機での単位面積当たりの噴霧量の試験では、常温煙霧機の噴霧量に換算して4.61/10aのときが、付着密度も高く最も効率的であった。
変形性膝関節症患者における最大酸素摂取量と心機能及び筋酸素動態の関連

本研究の目的は、進行期及び末期の変形性膝関節症患者(膝OA)と膝OAを持たない中高齢者を対象として、進行期及び末期膝OAの有無により筋酸素動態が異なるか否か、および進行期及び末期膝OAの有無により最高酸素摂取量(peak VO2)と筋酸素動態の関連が異なるか否かについて検討することであった。平成30年度には、進行期及び末期膝OA患者(OA群)及び膝OAを持たない年齢・男女比をマッチングした中高齢者(CON群)における運動中の筋酸素動態を比較した。その結果、CON群に比較してOA群では骨格筋における脱酸素化が減弱しており、その減弱がpeak VO2の低値と関連を認めた。Peak VO2の低値は運動器疾患患者においても動脈硬化性疾患の発症リスクと関連するため、本研究の結果は運動器疾患患者における骨格筋代謝改善の重要性を示唆している。研究計画当初は、OA群とCON群において体格をマッチングした上で、十分な対象者数を確保する予定であった。しかしながら、リクルート可能であった膝OA患者の大多数が女性であり、肥満と判定された。近赤外分光法は脂肪層における光の散乱の影響を受けるため、筋酸素動態の定量化が可能なOA患者が少数となってしまった。その一方、CON群においては筋酸素動態が測定可能な対象者を十分確保できた。そこで、膝OAにおける筋酸素動態の特徴を明確にする目的で、過体重が運動中の筋酸素動態に及ぼす影響について併せて検討した。その結果、過体重者においては通常体重者に比較して、軽度なインスリン抵抗性または心拍出量の増大により骨格筋における脱酸素化が減弱していること、及び光の散乱の影響を補正した筋酸素動態と最大酸素摂取量が関連することを明らかにした。以上の結果は、第73回日本体力医学会大会(福井)、46th Annual Meeting of the International Society on Oxygen Transport to Tissue (Seoul, Korea)など国内外の専門学会にて発表した。本研究の目的は、進行期及び末期変形性膝関節症患者(膝OA)と膝OAを持たない中高齢者を対象とし、1)進行期及び末期膝OAの有無により心機能及び筋酸素動態が異なるか否か、2)進行期及び末期膝OAの有無により最高酸素摂取量(VO2peak)と心機能及び筋酸素動態の関連が異なるか否か、3)進行期及び末期膝OAにおいて非監視下のトレーニング(TR)による身体活動量の増大がVO2peak、心機能及び筋酸素動態を変化させるか否か、4)進行期及び末期膝OAにおけるVO2peakの変化が心機能及び筋酸素動態の変化と関連するか否か、の4点について検討することで、膝OAにおけるVO2peak低下のメカニズムを解明することである。平成28年度では、Kellgren-Lawrence (KL)分類3以上で全人工膝関節置換術適応(術前)の進行期及び末期膝OA患者(OA群)及びKL分類1以下で膝の痛みがない年齢・男女比・体格をマッチングした中高齢者(CON群)を対象として、自転車エルゴメーターを用いた心肺運動負荷試験を実施し、運動中の心拍出量、筋酸素飽和度を群間比較、及び、実測したVO2peakとの関連を横断的に検討する予定であった。当初は、運動中の継時的な心拍出量動態の評価のため、インピーダンス式心拍出量計及び使用する最低限の必要備品を購入し、予備実験を実施する予定であった。しかしながら、現有測定機器の故障等により、他の備品を購入する必要性が生じ、インピーダンス式心拍出量計の購入まで至らなかった。そのため、当初平成2930年度に実施予定であった文献調査を平成28年度に実施し、最新の研究知見を収集した。当初は平成28年度にインピーダンス式心拍出量計及び使用する最低限の必要備品を購入し、予備実験を実施する予定であった。そのため、当初23年目に実施予定であった文献調査を平成28年度に実施し、最新の研究知見を収集した。本研究の目的は、進行期及び後期の変形性膝関節症患者(膝OA)と膝OAを持たない中高齢者を対象として、1)進行期及び末期膝OAの有無により心機能及び筋酸素動態が異なるか否か、2)進行期及び末期膝OAの有無により最高酸素摂取量(VO2peak)と心機能及び筋酸素動態の関連が異なるか否か、3)進行期及び末期膝OAにおいて非監視下のトレーニング(TR)による身体活動量の増大がVO2peak、心機能及び筋酸素動態を変化させるか否か、4)進行期及び末期膝OAにおけるVO2peakの変化が心機能及び筋酸素動態の変化と関連するか否か、の4点について検討することで、膝OAにおけるVO2peak低下のメカニズムを解明することである。研究計画当初、平成29年度では、進行期及び末期膝OA患者(OA群)及び膝OAを持たず膝の痛みのない年齢・男女比・体格をマッチングした中高齢者(CON)を対象として、自転車エルゴメーターを用いた心肺運動負荷試験を実施する予定であった。しかし、平成28年度に現有機器の故障等による研究の遅れが生じたため、平成29年度では当初の計画通りの研究を進めることが困難であった。平成29年度は、全身運動中の中心循環を評価するために必要不可欠であったインピーダンス式心拍出量計及び関連する必要備品(消耗品)を購入し、購入機器を利用した予備実験を実施した。平成29年度に研究機関を異動したため、研究環境を再度整える必要があったが、平成30年度より本実験を開始できる見込みである。

昨年度分の研究の遅れを取り戻すことができなかった。しかしながら、今年度は研究機器の購入と機器を利用した予備実験を実施し、十分な測定環境を整えることができた。本研究の目的は、進行期及び末期の変形性膝関節症患者(膝OA)と膝OAを持たない中高齢者を対象として、進行期及び末期膝OAの有無により筋酸素動態が異なるか否か、および進行期及び末期膝OAの有無により最高酸素摂取量(peak VO2)と筋酸素動態の関連が異なるか否かについて検討することであった。平成30年度には、進行期及び末期膝OA患者(OA群)及び膝OAを持たない年齢・男女比をマッチングした中高齢者(CON群)における運動中の筋酸素動態を比較した。その結果、CON群に比較してOA群では骨格筋における脱酸素化が減弱しており、その減弱がpeak VO2の低値と関連を認めた。Peak VO2の低値は運動器疾患患者においても動脈硬化性疾患の発症リスクと関連するため、本研究の結果は運動器疾患患者における骨格筋代謝改善の重要性を示唆している。研究計画当初は、OA群とCON群において体格をマッチングした上で、十分な対象者数を確保する予定であった。しかしながら、リクルート可能であった膝OA患者の大多数が女性であり、肥満と判定された。近赤外分光法は脂肪層における光の散乱の影響を受けるため、筋酸素動態の定量化が可能なOA患者が少数となってしまった。その一方、CON群においては筋酸素動態が測定可能な対象者を十分確保できた。そこで、膝OAにおける筋酸素動態の特徴を明確にする目的で、過体重が運動中の筋酸素動態に及ぼす影響について併せて検討した。その結果、過体重者においては通常体重者に比較して、軽度なインスリン抵抗性または心拍出量の増大により骨格筋における脱酸素化が減弱していること、及び光の散乱の影響を補正した筋酸素動態と最大酸素摂取量が関連することを明らかにした。以上の結果は、第73回日本体力医学会大会(福井)、46th Annual Meeting of the International Society on Oxygen Transport to Tissue (Seoul, Korea)など国内外の専門学会にて発表した。平成29年度にインピーダンス式心拍出量計及び必要備品を購入し、実際の測定を開始する。平成29年度に購入した研究機器を利用して、実際の測定を実施する。平成28年度にインピーダンス式心拍出量計及び使用する最低限の必要備品を購入し、予備実験を実施する予定であった。しかしながら、現有測定機器の故障等により、他の備品を購入する必要性が生じ、インピーダンス式心拍出量計の購入まで至らなかった。消耗品について計上していたが、当該年度中に十分な対象数の測定を実施できなかったため。次年度において測定者数が増大した場合に随時使用する。また、新たな研究環境において、筋酸素動態定量化のための安価な超音波装置を購入する必要性が生じたため、次年度使用額の一部を購入費用にあてる。
新規不斉反応場の創出を基盤とする多作用点性触媒分子の開発と応用

本研究の概要は、次の3点に要約できる。(1)新しい有機合成反応として、Pd触媒を用いる分子内イプソ-フリーデルクラフツ型アリル位アルキル化反応を開発し、スピロシクロヘキサジエノン化合物の新規合成法を開拓した。(2)新規2座配位子型ジアミノホスフィンオキシド配位子を開発と応用、及びタングトリンの触媒的不斉合成へと展開。(3)キサンテンジアミン型多作用点性有機分子触媒を開発し、ニトロスチレン誘導体への共役付加を介した不斉4級炭素の高エナンチオ選択的構築法を開発した。本年度は提案課題に関しての基礎情報の収集に重点を置き、以下の様な研究成果を得た。まず、2級ホスフィンオキシド類縁体を配位子基盤とする触媒系の開拓に関しては、種々2級ホスフィンオキシド類を合成し、機能の評価を行ったものの、新規触媒骨格の構築には至らなかった。一方で、ジアミノホスフィンオキシド類を配位子とする触媒系の開発、応用研究に関しては、以前に触媒系を構築していたアザ-森田-ベイリス-ヒルマン反応生成物誘導体の高選択的アリル位アミノ化反応を用いることにより、ガン細胞毒性を持つ5環性インドールアルカロイド:タングトリンの初の不斉全合成を達成した。本研究により、タングトリンのエナンチオマー間で生物活性に差がないことが明らかになり、構造活性相関研究を行う上での重要な知見を得た。また、本触媒系を用いことで、デカヒドロキノリンアルロイドの合成も行い、新規合成ルート構築への足がかりを既に得ている。不斉配位子開発の評価系としての新規反応の開発に関しては、イプソ-フリーデル-クラフツ型アリル位置換反応に関して詳細に検討し、4級スピロ中心の触媒的不斉合成に成功している。本系統の反応は前例のないタイプの反応であることから、次年度にて応用研究を重点的に行う。キサンテン骨格を基盤とする不斉反応場の構築に関しては、プロキラル求核剤の共役付加を用いる4級不斉中心の構築反応に成功しており、今後本知見をベースとして水素結合を介する分子認識を用いたキラル反応場の構築を進める。本研究課題、2年度目の研究成果を以下にまとめる。キサンテン骨格を基盤とする多作用点性有機分子触媒の開発に関しては、初年度目に見出したプロキラル求核剤を用いる4級炭素構築型不斉共役付加反応の最適条件の精査、基質一般性の検討を行い、最高で95%eeにて目的物を与える触媒系にまで改良を加えた。一方、イプソ-フリーデル-クラフツ型アリル位置換反応を用いるスピロシクロヘキサジエノン類の合成法開発に関しては、基質一般性の検討に加え、触媒的不斉合成への応用を詳細に検討し、Pd触媒に加えて、配位子としてANDEN-TROST ligand、添加剤として酢酸リチウムを加えることにより、高収率、高エナンチオ、ジアステレオ選択的に(80%,89%ee,dr=9:1)不斉4級スピロ中心を有する目的物を得る事に成功した。現在、本反応の応用研究を広範に行っており、幾つかの興味深い知見が得られている。来年度以降、研究を継続して行いたい。数年来行って来たジアミノホスフィンオキシド配位子を用いる不斉合成研究に関しては、2座配位型の新規キラルジアミノホスフィンオキシド配位子の開発に成功した。また、Pd-キラルジアミノホスフィンオキシド触媒系を用いるアリル位アミノ化反応、分子内Mannich反応を用いるオクタヒドロキノリン-4-オンの高ジアステレオ選択的な合成法を確立し、デカヒドロキノリン類の触媒的不斉合成を行った。現在、合成工程の改善を行っている段階である。キラルジアミノホスフィンオキシド配位子に関しては総説の執筆依頼を受け、2011年の初頭に既に出版されている。本分野の研究を先導し、分野として確立するという当初の目標、目的はある程度達成できているものと考えている。
金ナノコロイド製剤を用いた難治性癌分子追跡陽子線治療法の開発

難治性癌治療成績向上のための集学的治療の一つとして、金ナノ粒子(GNP)による放射線増感効果を利用した新たな陽子線治療法開発の基礎研究を行った。モンテカルロ法を用いたマイクロドシメトリシミュレーションを様々な条件下で行い、GNPによる線量増加領域の空間的広がりや線量増加比を計算した。腫瘍細胞内でのGNPの局所的凝集・クラスター形成を考慮した計算は、GNPによる線量増加の過大評価を防ぐ点で、臨床応用した際の治療精度向上に役立つと考えられた。腫瘍造影剤や位置合わせマーカーとして人体にCT値の差が認識できるほどの高濃度のGNP製剤を投与するには、動物実験等により事前の十分な安全性評価が必要である。1)放射線増感効果、2)分子標的性陽子線が金ナノ粒子(GNP)と衝突した際に、金原子から電子を放出させ、GNP周囲にどの程度の放射線増感効果をもたらすのか(マイクロドシメトリ)をモンテカルロシミュレーションにより検証した。水で満たされた直方体(3μm×1μm×1μm)中の深さ0.5μmの位置に直径20nmのGNPを置き、水平方向から0.7MeVの陽子線を照射した。GNPがある場合の付与エネルギーDwithGNPとGNPがない場合の付与エネルギーDwithoutGNPの差である差分線量Dsubによって、二次電子による吸収線量の分布を得て放射線増感効果を評価した。GNP表面から100nmまでは比較的高いエネルギー付与(増感効果)が得られ、また、2500nm程度まで増感効果がみられた。さらに、表面から90nm以降では差分線量がマイナスになる(すなわちGNPがある場合よりない場合の方が高線量となる)領域が生じる。増感効果に必要なGNPの密度は、4×10^13[1/cm3]以上であると推定された。3)造影効果、4)位置合わせマーカー機能造影効果や照射時の位置合わせマーカー機能評価のため、コロイド粒子径や濃度を変化させたGNP製剤を用いて、X線CTでのCT値を測定し、視認性の違いを確認した。CT値の測定誤差を考慮する必要があるが、概ね100ppmあたりCT値3程度の線形性が認められた。しかしながら人体にCT値の差が認識できる程の高濃度のGNP溶液を投与するには、あらかじめ動物実験等により十分な安全性の評価が必要である。現在照射時の位置合わせマーカーとしては1.5-2mmの金マーカーを臨床では使用している。RI標識製剤を腫瘍に取り込ませて画像化するなど、他にも有用と思われる手段があるため、照射時の位置合わせマーカーとしてGNP溶液を用いることは現実的でないと考えられた。陽子線が金ナノ粒子(GNP)と衝突した際に、金原子から電子を放出させ、GNP周囲にどの程度の放射線増感効果をもたらすのか(マイクロドシメトリ)をモンテカルロシミュレーションにより昨年度よりもさらに発展させて検証を行った。本年度は陽子線のブラッグピーク付近でのGNPによる線量増加について検討し、臨床的に用いられる高エネルギー陽子線の線量分布がGNPの存在によって増加することを空間的に把握することを試みた。この検討は、(1) GNPに射突する直前の、水中陽子線のストラグリングを考慮したエネルギースペクトル(エネルギー分布)を計算するステップ、(2)計算されたエネルギー分布をもつ陽子線束をGNPに照射し、発生した二次電子が周囲の水へ付与するエネルギーを計算するステップ、の2ステップに分けたシミュレーションにより行った。その結果、線量増加領域は陽子線照射方向のみならず、径方向に対しても数十ナノメートルの広がりを持つことが分かった。この傾向は、100 MeVと195 MeVのいずれの深さおいても確認された。また平均線量増加比(線量増加領域全体の線量増加比の平均)を、100 MeVと195 MeVに関して比較した結果、ブラッグピーク近傍内でより深い位置ほど、すなわち入射陽子線エネルギーが平均的に低くなるほど、平均線量増加比が高くなることが明らかとなった。次に、平均線量増加比から、GNPを実際の臨床に応用した場合に推定される線量の増加について考察を行った。100 MeVと195 MeVのP75におけるGNPの濃度と推定される線量増加比の関係は、腫瘍に対して従来よりも100 MeV陽子線では45%、195 MeV陽子線では36%、線量をより多く付与することができることが解析により推定された。陽子線のエネルギーと線量増加領域の三次元的な広がりを評価することで、GNPを放射線増感剤として用いる際に必要となる実際的な基礎データを得ることができた。本年度も放射線生物的実験よりも優先して、放射線物理学的な検証により重点を置いて研究をさらに進めた。造影効果や照射時の位置合わせマーカー機能評価については昨年度既に検討済であり、既に昨年度成果の出ている、金ナノ粒子(GNP)に対する陽子線照射時の影響解明のためのモンテカルロシミュレーションによる検証をさらに発展させて研究を進めた。研究分担者と連携し、成果について3つの国内学会、4つの国際学会で発表を行うことができた。成果論文については現在執筆中であるが、本年度についてもおおむね順調に進展していると考えている。

本研究では主に、陽子線が金ナノ粒子(GNP)と衝突した際に、金原子から電子を放出させ、GNP周囲にどの程度の放射線増感効果をもたらすのか(マイクロドシメトリ)をモンテカルロシミュレーションにて検証し、陽子線のエネルギーと線量増加領域の三次元的な広がりを評価することで、臨床応用のための基礎データを収集してきた。最終年度は従来のシミュレーションでは考慮されてこなかった、GNPクラスター形成時の線量増加を検討した。クラスター形成時には一様分布と比較して、GNPs間距離が非常に近くなるため、放射線と金との相互作用で発生した電子が近傍のGNPsに吸収されやすくなる。100 keVのX線を照射し、細胞へのエネルギー付与、GNPsのエネルギー吸収を一様分布と比較した。またGNPsの半径を10, 30, 50 nmと変化させ、GNPsサイズが線量増加に及ぼす影響を評価した。二次X線の吸収はクラスター形成の有無、GNPsサイズの変化に対して有意な差は見られなかったものの、二次電子の吸収はクラスター形成時に、またGNPsサイズが大きくなるほど増加した。クラスター形成の有無におけるGNPsによるエネルギー吸収の比(Clustering Factor)は、二次電子ではGNPsサイズが小さくなるほどClustering Factorが増加した。細胞全体に付与されたエネルギーのうち、GNPs内に吸収されたエネルギーの割合(Macroscopic Relative Energy Absorption: REAMacro)はクラスター形成時ほど、またGNPsサイズが大きいほど高い値を示した。クラスター形成を考慮していない従来のシミュレーションではGNPsによる線量増加を過大評価しており、クラスター形成の影響は小さいGNPsほど顕著であることは、GNPsを臨床応用した際の治療精度向上に役立つと考えられた。難治性癌治療成績向上のための集学的治療の一つとして、金ナノ粒子(GNP)による放射線増感効果を利用した新たな陽子線治療法開発の基礎研究を行った。モンテカルロ法を用いたマイクロドシメトリシミュレーションを様々な条件下で行い、GNPによる線量増加領域の空間的広がりや線量増加比を計算した。腫瘍細胞内でのGNPの局所的凝集・クラスター形成を考慮した計算は、GNPによる線量増加の過大評価を防ぐ点で、臨床応用した際の治療精度向上に役立つと考えられた。腫瘍造影剤や位置合わせマーカーとして人体にCT値の差が認識できるほどの高濃度のGNP製剤を投与するには、動物実験等により事前の十分な安全性評価が必要である。本年度は放射線生物的実験よりも優先して、放射線物理学的な検証に重点を置いて研究を進めた。具体的には、金ナノ粒子(GNP)に対する陽子線照射時の影響解明のためのモンテカルロシミュレーションによる検証を行い、また造影効果や照射時の位置合わせマーカー機能評価のため、コロイド粒子径や濃度を変化させたGNP製剤を用いて、X線CTでのCT値を測定し、視認性の違いを確認することで、GNP製剤の造影剤や照射時の位置合わせマーカーとしてのヒトへの臨床応用の可能性について検証した。研究分担者と連携し、成果について学会発表や論文発表を行うことができたため、本研究は初年度としてはおおむね順調に進展していると考えている。
病態時におけるα_1-酸性糖蛋白質の濃度変化とその生理学的・臨床薬物動態学的重要性

各種疾患の急性期や炎症の際に出現するα_1-酸性糖蛋白質(AAG)への薬物結合性を検討した結果、以下のことを明らかにした。うっ血性心不全を始めとする心疾患患者、腎不全患者において血中のAAGは有意に増加し、その程度は病態の変化に伴い著しく変動することが明らかとなった。この血中AAG濃度の増大により、循環器治療薬であるdisopyramide(DPM)の血漿中蛋白非結合型濃度は減少し、薬物の体内動態や薬理作用発現過程に影響を及ぼすことが示された。また、AAG濃度の上昇に伴い単位蛋白濃度当りのDPM結合量は低下し、Scatchard解析の結果、病態による結合率の変動はAAGの結合部位での量的な変化に基づくことが確認された。また、これらの結合性の変動は同一患者内でも病態によって大きく変わることが認められた。一方、各種心疾患時には血液中のシアル酸濃度も上昇し、心不全患者では発作時に、心筋梗塞患者では発作後5日目にそれぞれ最高濃度を示した。またAAGのシアル酸量とDPM結合率の間には負の相関傾向が認められ、本疾患時のAAG濃度の変動は、その量的な変化に加え糖鎖構造の変化等の要因にも起因していることが推察された。さらに、AAGの血中濃度の上昇は、見かけ上何等症状を認めず、日常の社会生活を営んでいる成人男女においても認められ、測定対象者全員に健康診断を行った結果、高頻度(22.5%)に何らかの異常が示され、その割合は加齢とともに増加する傾向が認められた。これらのことより自覚症状のない潜在的な疾患においてもAAGは上昇していることが示唆された。加えて、炎症の際のmediatorであるサイトカインを投与したとき、血中AAGは顕著に増大し、薬物の血中濃度推移は明らかに影響を受けたことより、各種炎症時の薬物体内動態についても、AAGとの蛋白結合を考慮して投与計画を行うことが必要であると考えられる。
オゾン間欠ばっ気型生物学的反応器による超高度廃水処理技術の開発

活性汚泥処理プロセスに直接オゾン処理を行うことで汚泥の減容化が図れるが、処理プロセスを工夫することでリンの回収も可能となり、また微量有機汚染物質の除去も可能になる。一方、汚泥の引き抜き量を制限すると系内への物質の蓄積が懸念される。そこで本処理システムを評価する上で必要不可欠となる、システム内での元素の挙動や、システムにおける微量化学物質の挙動を実験を中心として調査し、定量的に評価することを目的とした。結果、生物学的リン除去プロセスにおいての溶存態濃度が減少するAl、Cr、Mn、Fe、Cu、Znは流入水中と比べ、放流水中の濃度減少率が大きくなっており、系外に放出する負荷量は余剰汚泥の割合が大きかった。Mg、K、Ca、Ni、Baは流入水中と放流水中の濃度の差は小さく、系外に放出する負荷量は放流水の割合が大きかった。オゾン処理プロセスにおいては、各エストロゲン性物質はオゾン消費量30mgO3/gSSまでに急激に減少し、その後はほぼ一定であった。リン結晶化プロセスにおいて水相中エストロゲン性物質濃度は変化しなかった。また、シミュレーションにより、エストロゲン性物質は、可溶化率0.1程度で運転した場合、従来の活性汚泥法と比較して、1.73倍の除去効果が得られた。従来の、生物処理後の二次処理水にオゾン処理プロセスを組み込む方法では、汚泥に吸着される微量有機汚染物質はオゾン処理されず、系全体での処理効率は低下するおそれがある。またオゾンの過剰添加は、副生成物を努生させる可能性があり、よりきめ細やかな操作が必要とされる。これに対して、本研究で対象とするオゾン間欠ばつ気システムでは、生物学的処理プロセスに直接オゾンを導入し、活性汚泥へのオゾン直接添加を行う。この場合、汚泥に吸着された微量有機汚染物質のオゾン酸化も可能であり、またオゾン添加に伴い臭素系化合物が生成されたとしても、再び生物処理を受けられることから、システムとしての臭素系化合物の生成は抑制される可能性がある。さらに、このように一度生成された副生成物を再分解出来ることは、結果として操作性を容易にさせ、かつ安定した処理が達成できることにも結びつく。このような従来法の欠点と化学物質と活性汚泥の相互作用の知見から、オゾン処理を組込みながら、有害物質の発生を抑制し、同時に微量有機汚染物質、とりわけ汚泥に吸着しやすいと考えられるエストロゲン様物質をも処理できる、超高度廃水処理システム[オゾン間欠ばつ気型生物学的反応器による超高度廃水処理法]の開発を目的とする。平成20年度では、エストロゲン性物質に焦点を当て、生物反応槽での挙動を酸素濃度やpH、ORPなどの環境条件によりどのように反応するのかを調査し、適切なオゾン添加のための基礎的条件の検討を行った。またオゾン添加に伴う金属類をはじめとする各種元素の挙動についても調査した。エストロゲン性物質は溶存酸素枯渇条件で、前駆物質の生物学的代謝により生成することや、オゾン添加により汚泥の可溶化が促進され多くの元素は液相中に移行するが、Caについては溶存態濃度が低下すること等を明らかにした。また関連する数理モデル開発も行った。本研究で対象とするオゾン間欠ばつ気システムでは、生物学的処理プロセスに直接オゾンを導入し、活性汚泥へのオゾン直接添加を行う。このような従来法の欠点と化学物質と活性汚泥の相互作用の知見から、オゾン処理を組込みながら、有害物質の発生を抑制し、同時に微量有機汚染物質除去が可能な、超高度廃水処理システム[オゾン間欠ばつ気型生物学的反応器による超高度廃水処理法]の開発を目的とする。

平成21年度では、本処理方法における金属類の挙動に焦点を当て、汚泥の可溶化特性に与える金属類の影響およびオゾン処理における金属類の挙動についての検討を行った。汚泥のオゾン処理では、SSベースの可溶化率は0.3程度までは上昇し、その後鈍くなることがわかった。金属量の少ない汚泥では、少ないオゾン消費量で可溶化率が0.3程度に達したが、COD_Crベースの可溶化率は金属種の量により大きな変化は見られなかった。カルシウムはオゾン処理初期に減少し、その後一定となっているがその他の金属(Mg、Al、K、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Ba)の溶存態濃度はオゾン処理に伴い上昇した。カリウムを除き、金属は有機物よりも溶存態の形態になりにくく、リン酸よりも溶出しにくいことがわかった。オゾン処理に伴う金属類の可溶化効率はリン酸の可溶化効率より小さいことから、汚泥中の金属の存在により本システムにリン回収工程を設けた場合でも、回収リン固形物中の金属含有量が著しく増大する可能性は高くないことが示唆された。オゾン間欠曝気システムを導入し、汚泥減容と排水の高度処理ならびにリン結晶化プロセスを加えた「オゾン間欠曝気型超高度処理プロセス」の開発を行った。本年度は、システム内での微量汚染物質や金属の挙動を、回分実験や連続実験を通じて明らかにするとともに、システムの要素プロセスでの挙動やシステム全体での除去効果について調査・解析を行った。得られた成果は以下の通りである。1.オゾン処理プロセスにおけるエストロゲン性物質の挙動について、実験的に明らかにした。各エストロゲン性物質はオゾン消費量約30mgO3/gSS、COD可溶化率0.1程度までに急激に減少し、その後はほぼ一定であった。また、汚泥が存在しない場合の反応速度定数により、汚泥存在下におけるエストロゲン性物質の分解しやすさを表すことができることを示した。オゾン処理により吸着特性が大きく変化することはなく、求められた吸着等温線はオゾン処理を行わない汚泥での値に近いものであった。2.本システムにおけるエストロゲン性物質の挙動について、有機物およびリンの定常状態モデルを構築し、エストロゲン性物質の挙動を推定した。エストロゲン性物質は、汚泥のオゾン処理率を増加させることにより、除去効率を向上させることができ、可溶化率0.1、汚泥引き抜き率0.0017(従来の約10分の1)で運転した場合、従来の活性汚泥法と比較して、1.73倍の除去効果が得られた。3.連続処理結果をもとに物質収支解析を行い、流入水負荷のうち汚泥に移行する割合を定量化した。マンガンは73.6%、アルミニウムは63.1%、鉄は58.3%、クロムは56.2%、銅は55.6%、ニッケルは21.7%、カルシウムは8.52%であることを明らかにした。一方でマグネシウムは8.80%、カリウムは16.0%であることを示し、それらはポリリン酸と関連し細胞内に蓄積されていることを明らかにした。