hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
量子曲面の非可換幾何学

量子曲面上で構成したディラック作用素がスペクトラル・トリプルを定める。スピノール・ラプラシアンの量子化版との差としてスカラー曲率の量子化版が得られる。2次元の特殊性により上記スカラー曲率の量子化版は断面曲率の量子化版である。本研究はコペンハーゲン大学のR.Nest氏との共同研究で得られた量子化されたリーマン面に関連して非可換幾何学を展開することである。数年来,通常の空間に対する新しい不変量としてのTwiste dK-groupが注目されている。通常のK群を空間の3次元整係数コホモロジー群の元でひねることにより得られる。この不変量を量子化された空間に拡張することを考察した。通常の空間に対して,抽象的な定義は与えられているが,実は具体的な計算例はあまり多くは知られていない。19年度は先ず重要な例での具体的な計算を試みた。特に3次元球面,リーマン面の単位円束という最も基本的な3次元多様体について調べた。その結果を論文に纏めている段階である。Twisted K-groupの研究は黎明期にあり具体的な計算例は有益である。ここで得られた結果を基に,量子化された空間,特に非可換3次元球面・リーマン面の単位円束の量子化に対してTwisted K-groupを定義することを試み未だアイデアの段階ではあるが道筋を見つけることができた。最終年度に当たる20年度においてはアイデアを実際に証明し,量子化された空間に対するTwisted K-groupの構成を得ることが期待される。本研究の目的はコペンハーゲン大学のR.Nest氏との共同研究で得られた量子化されたリーマン面に関連して非可換幾何学を展開することである。非可換多様体はスピン多様体上のディラック作用素をモデルとしたスペクトル三つ組の言葉で定式化される。本研究の初年度にあたる19年度、上記論文で得られた量子リーマン面(これは非可換C*-環である)に対してそれまでの予備的研究において得られたスペクトル三つ組みの候補の解析を行ない、基本的性質を満たすことを示した。最終年度にあたる20年度は最終目標であるガウス・ボンネの定理の量子化版を示すことを目的としたが、残念ながら最終目標の達成にはいたっていない。閉リーマン面の最も重要な性質の一つは負定曲率を持つリーマン計量の存在である。この計量に対応するディラック作用素が定めるスペクトル三つ組の言葉で断面曲率(ガウス曲率)が負であることを定式化することが次の大きな目標である。リーマン計量に付随した断面曲率以外の概念としてスカラー曲率がある。スカラー曲率はリヒネロヴィッチの定理を経由してディラック作用素と結ばれている。現時点ではディラック作用素と断面曲率との直接的な関わり合いは知られていないが、コンヌ・プリンシプルによればディラック作用素はリーマン計量に関する全てのデータを含み、断面曲率とも関わり合いを持っているはずである。通常の幾何学的設定で断面曲率とディラック作用素とのより直接的な関わり合いを明らかにすることが、本研究の目的達成の重要なステップである。このステップが予測された以上に困難さをもたらしたことが最終目的を達成できなかった最大の理由である。最終目標は達成できなかったが、そのプロセスでニューヨーク州立大学のC.L.Olsen氏との共同研究で得られた非可換2次元球面に対してH.Moscoviciにより導入された「ねじれスペクトラル・トリプル」が構成できることが分かり、同氏との研究で得られたテープリッツ作用素の指数定理を、ねじれスペクトラルトリプルに付随したChern指標の言葉で書き直すことに成功した。現在細部のチェックを行ないつつ論文に纏めている段階である。
微小化学分析・結晶組織観察から試みる造礁性サンゴ骨格形成過程の理論化

造礁サンゴの骨格は古環境復元ツールとして利用できることが経験的に知られ、広く用いられている。今後、古環境復元の高精度化を目指すうえで、「生体」が骨格形成過程にどのような、またどの程度の影響を与えているのかを推定することが必要となる。そのため、本研究では外的環境変動をコントロールした状態で、骨格中の微量元素や同位体がどのように変化するのかを明らかにする。また「生体」の影響をサンゴとその共生生物である褐虫藻に分けられないか模索する。平成30年度は平成29年度で得られた骨格に対して、集束イオンビームで加工し、透過型電子顕微鏡を用いて観察を行なった。褐虫藻を取り込んだ造礁サンゴと褐虫藻を排除したサンゴをそれぞれ観察し、骨格微細組織について記載した。平成30年度は温度条件を変えたサンゴ飼育実験を行った。飼育したサンゴは1種で、褐虫藻の有り無しの2条件で飼育した。温度と褐虫藻の有無以外の条件は同等になるようにした。サンゴは昨年度の飼育条件を変更することで、褐虫藻が多くサンゴ生体内に取り込まれている状態にすることができた。得られたサンゴ骨格は光学顕微鏡観察と走査電子顕微鏡観察により、骨格構造全体を観察した。骨格の状態のより良いものを選別して、マイクロX線回折による骨格全体での鉱物相同定した。また炭素同位体比および酸素同位体比をバルクで測定を行い、温度に対する同位体比の変化および褐虫藻の有無による変化を捉えることができた。サンゴの飼育に関して:褐虫藻と共生しているサンゴとしていないサンゴ骨格を減るために、昨年度より褐虫藻を自然状態に近い形で飼育することができた。飼育温度を3条件にし、それぞれの環境で育ったサンゴ骨格を得ることができた。しかし今年度は光量条件を変えた実験を行うことができなかった。分析:得られた試料について分析を行い、骨格の鉱物相、骨格構造全体把握ができている。結晶組織に関しては、微細な結晶組織観察を透過電子顕微鏡で行った。同位体分析に関して、バルクの測定を行い分析結果が得られた。外部環境条件の異なるサンゴ骨格を得るために、飼育実験を進めていく。また現時点での問題点を基に分析に最適化した試料作製法および分析法の模索する。サンゴ骨格の結晶組織について、観察用試料作成時の加工条件を変えたところ、より良い結果が得られているため、これまで観察してきた骨格について再度加工し直し、観察を行う。平成29年度は平成30年度以降に実施予定の光量や飼育温度を変えた実験を行うにあたって予備実験として、自然海水を用いて(1)光量を変えて昼夜サイクル(12時間ごとにライトのスイッチを切り替える)と常時暗所にて数日飼育した場合と飼育温度を変えた実験を行った。また(2)褐虫藻の有無別でサンゴを飼育した。さらに(3)サンゴ骨格の微量元素・同位体を高分解能・高精度で分析するため、試料作成方法の検討を行った。結果、(1)と(3)についてはいくつかの問題点を洗い出すことができた。(2)については飼育実験により骨格試料を得ることができ、マイクロX線回折による骨格全体での鉱物相同定を行った後、ミリ-マイクロオーダーの分析として、光学顕微鏡観察と走査電子顕微鏡観察による骨格構造全体の観察、EDSによる化学分析を行った。結果、褐虫藻の有無によって鉱物相や骨格重量に大きな差は見られなかった。また透過電子顕微鏡の観察では、同一個体内で部位によって結晶組織に違いがある可能性を確認している。褐虫藻の働きを評価するために第一段階として必要になる、褐虫藻と共生しているサンゴとしていないサンゴ骨格試料を得ることができた。得られた試料について分析を行い、骨格の鉱物相、骨格構造全体把握ができている。また平成30年度以降に実施予定の光量や飼育温度を変えた実験を行うにあたって予備実験を行うことができた。この予備実験から、問題点を洗い出すことができた。さらに微細な結晶組織観察を透過電子顕微鏡で、また同位体分析をNanoSIMSで行うことが本研究課題解明のために必要となる。そのための試料作成方法についても準備を進めた。透過電子顕微鏡観察では実際に観察を行うことができた。NanoSIMSを用いた分析のための試料準備も試行し分析用試料を製作した。実際に分析した結果、改善点を明らかにすることができた。

平成30年度は平成29年度で得られた骨格に対して、集束イオンビームで加工し、透過型電子顕微鏡を用いて観察を行なった。褐虫藻を取り込んだ造礁サンゴと褐虫藻を排除したサンゴをそれぞれ観察し、骨格微細組織について記載した。平成30年度は温度条件を変えたサンゴ飼育実験を行った。飼育したサンゴは1種で、褐虫藻の有り無しの2条件で飼育した。温度と褐虫藻の有無以外の条件は同等になるようにした。サンゴは昨年度の飼育条件を変更することで、褐虫藻が多くサンゴ生体内に取り込まれている状態にすることができた。得られたサンゴ骨格は光学顕微鏡観察と走査電子顕微鏡観察により、骨格構造全体を観察した。骨格の状態のより良いものを選別して、マイクロX線回折による骨格全体での鉱物相同定した。また炭素同位体比および酸素同位体比をバルクで測定を行い、温度に対する同位体比の変化および褐虫藻の有無による変化を捉えることができた。サンゴの飼育に関して:褐虫藻と共生しているサンゴとしていないサンゴ骨格を減るために、昨年度より褐虫藻を自然状態に近い形で飼育することができた。飼育温度を3条件にし、それぞれの環境で育ったサンゴ骨格を得ることができた。しかし今年度は光量条件を変えた実験を行うことができなかった。分析:得られた試料について分析を行い、骨格の鉱物相、骨格構造全体把握ができている。結晶組織に関しては、微細な結晶組織観察を透過電子顕微鏡で行った。同位体分析に関して、バルクの測定を行い分析結果が得られた。外部環境条件の異なるサンゴ骨格を得るために、飼育実験を進めていく。また現時点での問題点を基に分析に最適化した試料作製法および分析法の模索し、安定同位体比の分析を行う。サンゴ骨格の結晶組織については、褐虫藻の有無による違いを比較できるデータセットを十分に確保できていない。今後はサンゴ骨格構造を網羅するように、観察を継続する。また現時点での問題点を基に分析に最適化した試料作製法および分析法の模索する。サンゴ骨格の結晶組織について、観察用試料作成時の加工条件を変えたところ、より良い結果が得られているため、これまで観察してきた骨格について再度加工し直し、観察を行う。
議論教育のための対話型教材開発に向けた基礎的研究

ジェネリック・スキルやアカデミック・スキルとしての議論教育は、近年ますますその重要性を高めている。本研究は、これまでの研究の不備を埋めるべく、議論教育用eラーニング・コンテンツを作成するための基礎的研究を行った。具体的には、(1)議論教育関係の文献レビュー、(2)議論教育の効果測定テストを作成と検証、(3)議論モデルの開発検証、(4)議論教育支援サイトの作成と検証、(5)議論教育とディベートの教材作成、等を行った。(1)議論のモデル化、議論教育支援のコンピュータ利用ツールなどに関する文献の収集に努めた。議論のモデルについては、ツールミンモデルの評価や教育分野における利用を中心とした。コンピューター利用については、Araucaria等の議論可視化ツールや議論マッピングツールが公開されているが、まだ決定的なものはない。ツールミンモデルの教育利用においては、ディベート及びライティングの分野で相当の実践が行われているので、代表的なものを検討した。(2)議論モデルの試作に関して、ツールミンモデルの検討、アカデミックディベートにおける議論の構成要素や議論の記録方法の検討を行った。本プロジェクトの目標として、アカデミックディベートにおける長年の実践を明示的にモデル化し、コンピュータ支援による議論構築、記録、評価を目指すことを確認した。(3)コンピュータ支援システムの基礎となる基本単位の議論のウェッブ入力システムの試作を行い、検討を加えた。議論の最小単位として、「主張ー理由」の基本構造とその各部分に対する反論を入力し、その評価をクリックして表示することができるというものである。(4)実際の議論教育方法を実践評価する場として、「国際日本語ディベート講座」「JDA九州ディベート講座」「JDA九州ディベート大会」等を開催した。(5)「ディベートと議論教育国際研究大会」を開催し、内外の研究者がディベート及び議論教育の成果を発表し今後の検討課題を討議した。(1)文献のレビューをさらに進めた。(2)議論の論証図に基づくオンライン版論理思考テストを作成し、予備調査を行った。(3)対話型eラーニング教材の試作版の作成を開始し、検討を加えた。(4)ディベート集中講義、国際学会の開催を通じて議論教育の方法を探るとともにディベート教育の専門家から助言を得た。(5)これまでのディベート教育研究の成果をまとめた書籍を出版した。また、従来のディベート指導方法に基づく教材を英語教科書として出版した。文献レビューは収集した文献が多岐にわたり、まとまった文書として完結していないが、論証図に基づくテストの試行、対話型教材の原型の試作、検討など概ね予定通り進展した。また、海外からの招聘者を含めディベート教育の実践研究者から助言を得ることができた。前年度に引き続き、議論能力の中でも特に批判的思考(クリティカル・シンキング)に焦点化し、対話型教材開発のための問題点等を検討した。さらに、日本語及び英語によるアカデミック・ディベート教育の実践に基づいて、大学授業方法として教材化するための課題を検討した。議論教育の効果測定については、対話的・双方向的な論証を扱う能力の個人差を測定するテストを開発し、そのテストの信頼性・妥当性に関する検討を行った。その結果,テストの信頼性および構成概念妥当性が示唆された。一方で,テスト得点の分布の形状からは、このテストが能力的側面と同時に回答への動機づけをも測定していることが示唆され、問題の簡略化等,改善すべき課題も明らかになった。議論モデルとその教材化への試みについては、論証における議論の強さに影響する要素とその評価方法、さらに一方の論者の論証に対する反論をモデルに組み込む際の複数の可能性を検討し、オンライン教材化する場合の技術的問題について試作教材の試験運用を行いながら改善策を討議した。ディベート教育については、経験豊富な指導者による授業を記録し、ビデオ教材等を公開すると同時に、eラーニング教材への組み込み方法などを探った。研究実施計画では、eラーニング教材試作版を完成させるとともに、このeラーニング教材と内容的に連動した議論教育用テキストの編纂を行うことを予定していた。計画は概ね計画通り進んだ。具体的には以下の通りである。1.前年度までの文献レビューを補完する作業を行った。2.議論教育用テキストの編纂においては、研究グループメンバーが執筆した教材を大学授業等で使用し、修正すべき内容を蓄積した。3.批判的思考を中心にした議論教育の教育効果測定のためのテストの開発、信頼性・妥当性の検証を行い、改善すべき点を明らかにした。4. eラーニング教材の試作版を作成し、研究グループによる試験運用を通じて改善すべき点を明らかにした。最終年度の平成29年度は、本研究の成果の公表とeラーニング教材の改善のための問題の同定を中心に行った。成果の公表は、ディベート教育関係の国際学会において、研究グループのメンバーを中心に口頭発表を行い、全体として4年間の研究と実践教育活動を振り返り、現状の課題を概観し、今後の展望を示した。研究成果としてはつぎのような点が挙げられる。(1)議論教育関連では、経験豊かなディベートジャッジによる試合判定におけるフィードバックの方法を分析した。(2)議論モデル関連では、Toulminモデルを援用したシステムによって、ディベートの試合のような複雑な議論の構造をある程度可視化することが可能であることを示した。(3)議論教育の効果測定に関しては、「構造的討論」(constructive controversy; Johnson & Johnson, 2009)という方法の教育効果を検討し、様々な観点において,ディベート(第三者を説得し,勝敗をつける)を用いた教育手法に匹敵する効果が観察できた。(4)eラーニング

教材の試作においては、Toulminモデルの主要構成要素を用いた議論とそれに対する反論を入力できるウエッブサイトを構築し、大学の授業などにおいて試用した。その結果、ログイン方法の問題点、議論要素の複数表示や反論要素の表示方法についての問題点を特定しその改善策を検討した。今後の研究展開として、研究グループにアプリ開発担当者を加え、ゲーミフィケーションを取り入れたアプリの試作版開発を目指す計画を進めている。ジェネリック・スキルやアカデミック・スキルとしての議論教育は、近年ますますその重要性を高めている。本研究は、これまでの研究の不備を埋めるべく、議論教育用eラーニング・コンテンツを作成するための基礎的研究を行った。具体的には、(1)議論教育関係の文献レビュー、(2)議論教育の効果測定テストを作成と検証、(3)議論モデルの開発検証、(4)議論教育支援サイトの作成と検証、(5)議論教育とディベートの教材作成、等を行った。(1)文献資料の収集を相当行い、そのレビューを進めている。(2)議論モデルのコンピュータ支援ツールについては、試作サイトの作成は予定より早く実現した。(3)議論教育の効果測定の方法についての検討を進めている。eラーニング教材試作版を完成させるとともに、このeラーニング教材と内容的に連動した議論教育用テキストの編纂を行う。(a)前年度までの文献レビューをまとめる作業を行う。(b)日本における社会文化的的文脈を考慮した議論モデルに基づく議論教育用テキストの作成を行う。(c)批判的思考を中心に議論教育の教育効果に関する調査を行う。最終年度の平成29年度は、本研究の成果の公刊とeラーニング教材の改善のための問題の同定を中心に行う。eラーニング教材試作版・テキストの公開や公開講座・ワークショップの開催によって社会的に発信することに加え、各領域での研究成果を学界等で報告し、論文の形で公刊することを目指す。具体的には、以下の内容についてスケジュール等の適合した学会大会での報告を計画している。(a)議論教育関連(b)議論モデル関連(c)尺度・教育効果測定関連29年度が最終年度であるため、記入しない。コミュニケーション学本年度は文献レビューのまとめを行い、議論モデル入力サイトの試用、改善を行う。また、議論教育の効果測定方法について検討を加える。国際研究集会開催費用について、航空券価格の変動により予想と誤差がが生じた。海外からの研究者の招聘に、学内の予算が利用できたため。29年度が最終年度であるため、記入しない。予定していたアメリカの研究者の招聘が、先方の都合により次年度になった。旅費に組み込み、価格変動に対応する計画である。
核融合炉における真空排気を成立させる超音速ジェットポンプの研究

本研究では、核融合炉に必要な強磁場下での水素とヘリウムの同時連続大量排気を可能とするSupersonic Jet Pump(SJP)の原理実証実験を行った。SJPとは、10 K程度に冷却した心棒の表面に、排気ガスの超音速ジェットを吹き付けて凝固させ、これをカッターで削ぎ落として気化し、排気するという装置である。実験の結果、今回製作したSJPの実効排気速度は空気で0.3 - 0.5立方メートル毎秒と、大型ターボ分子ポンプと同等であること、この排気速度は5 - 7sccmで10万秒以上の空気排気後も保持されること、カッターの動作は特に水素成分に大きな影響を及ぼすこと、などが明らかとなった。本研究では、核融合炉に必須となる強磁場下での水素とヘリウムの同時大量排気を、連続かつ少ない三重水素貯留量で可能とする革新的な真空排気装置「超音速ジェットポンプ(Supersonic Jet Pump, SJP)」の実験研究を行う。SJPとは、10 K程度に冷却した心棒に排気する水素で生成した超音速ジェットを吹き付けて心棒表面に水素を凝固させ、これをカッターで常温の排気部に押し出して気化し、排気するという仕組みの装置である。固体水素膜生成面積を拡大するため、超音速ジェット吹き出し口は三段とする予定である。平成27年度はSJPの一段目及び心棒部分を設計し、これらを製作した。一段目においては、超音速ジェット吹き出し口スリット幅を極薄スペーサの挿入枚数によって調整できるようにし、超音速ジェット生成用ガスを1段目から2段目へと通すための多孔を設けた。心棒はステンレス製の軸にアルミの肉厚スペーサを複数刺し、その周囲をステンレス製のカバーで覆う構造とした。このカバーの表面に水素を凝固させ、カッターで削り取ることとなる。このような構造とすることで軽量化を図ると同時に、カバー表面の強度を確保した。本研究に関連して、平成27年度には国内学会1件、国際学会1件、及びIAEA技術会合1件の発表を行った。また、SJPに関連する特許出願も行った(特許出願番号:2015-112781)。低温の冷凍機コールドヘッドに接続する1段目と、水素を凝固させる心棒部分は、SJPにおける最も重要なパーツである。これらの設計と製作を終えたことで、本研究のスタートアップ部分は完了したと言える。特許を出願し、国内及び国際学会での発表も行った。当初計画では平成27年度中に予備実験を開始する予定であったが、最終的に決定したSJPの構造上、これを既設の真空容器に納めることができなかったため、新たに真空容器を準備する必要が生じ、実験開始には至らなかった。但し、平成28年度前期にこの真空容器とガス導入部を整備して実験を開始すれば、この遅れを回復することは十分可能である。固体水素膜生成面積を拡大するため、超音速ジェット吹き出し口は多段とする。研究開始当初は三段とする予定であったが、装置がコンパクトに設計できたことでスペースに余裕が生じたため、より高い排気能力が得られるように四段目を追加することとした。平成28年度はSJPの二段目から四段目部分を設計し、これらを製作した。一段目と同様に、他の段でも超音速ジェット吹き出し口のスリット幅調整が複数の極薄スペーサにより行えるようにし、超音速ジェット生成用ガスを各段の上方へと通すため、それぞれ多孔を設けた。真空容器及びガス導入部についても整備を行い、これを完了した。製作した各機器を真空容器内で組み立て、冷凍機コールドヘッドに固定した。カッター部の駆動機構について、マグネットカップリングを用いること、手動で回転駆動することなどを検討した。平成28年度後半になり、諸般の事情によって、実験室をこれまでの場所から他の場所へと移動する必要が生じたため、SJP本体や真空容器、真空排気ポンプなど実験機器の移設作業を実施した。この移設作業及び移設先での電気工事等は平成29年度早々には完了し、実験を再開できる見込みである。本研究に関連して、平成28年度には国内学会1件、国際学会2件の発表を行った。SJP本体、真空容器、及びガス導入部等で構成される実験装置については、カッター部を除き、ほぼ完成した。カッター部についても、マグネットカップリングを採用し、手動で回転駆動するなどの検討を進めた。平成28年度後半には、実験室を移動する必要が生じたため、実験機器の移設作業を主として行った。再開後は、真空排気試験、冷凍機試験運転、ガス導入試験を経て、系統的な実験を行う計画であるが、夏頃までに実験を再開できれば、平成29年度11月に予定されている学会などでこれらの成果を発表することは十分可能である。

本研究では、核融合炉に必須となる強磁場下での水素とヘリウムの同時大量排気を、連続かつ少ない三重水素貯留量で可能とする革新的な真空排気装置「超音速ジェットポンプ(Supersonic Jet Pump, SJP)」の実験研究を行った。SJPとは、10 K程度に冷却した低温心棒の表面に、排気する水素で生成した超音速ジェットをブローユニットから吹き付けて凝固させ、これをカッターで削ぎ落として気化し、排気するという仕組みの装置である。気化したガスの一部はブローユニットを経由して再度低温芯棒に吹き付けられる。固体水素膜生成面積を拡大するため、超音速ジェット吹き出し口は四段とした。低温芯棒表面に沿って回転するカッターを設け、磁気カップリングデバイスにより真空外から回転を導入することで真空取り合い部を簡略化し、無限回の回転を可能とした。大型真空容器にSJP、ターボ分子ポンプ、真空計、及び四重極型質量分析計等を設置し、SJPを用いた真空排気実験を実施した。本実験では、マスフローコントローラーにより5 - 7 sccmの空気をSJPの超音速ガスブローユニット内部に導入し、真空容器内の真空度及び主要ガス成分の時間変化を計測した。実験の結果、今回製作したSJPの実効排気速度は、0.3 - 0.5立方メートル毎秒であり、大型ターボ分子ポンプと同等であること、この排気速度は5- 7sccmで10万秒以上の空気の排気を行なった後も保持されること、カッターの動作は、特に水素成分に大きな影響を及ぼすこと、などが明らかとなった。これにより、SJPの基礎原理実証を完了した。今後、本研究を展開する上で取り組むべき課題として、水素及びヘリウムの大量排気実験、超音速ジェットの最適化、低温芯棒表面における凝縮現象の解明、及びカッターによる固体ガスの剥離機構の解明などが挙げられる。本研究では、核融合炉に必要な強磁場下での水素とヘリウムの同時連続大量排気を可能とするSupersonic Jet Pump(SJP)の原理実証実験を行った。SJPとは、10 K程度に冷却した心棒の表面に、排気ガスの超音速ジェットを吹き付けて凝固させ、これをカッターで削ぎ落として気化し、排気するという装置である。実験の結果、今回製作したSJPの実効排気速度は空気で0.3 - 0.5立方メートル毎秒と、大型ターボ分子ポンプと同等であること、この排気速度は5 - 7sccmで10万秒以上の空気排気後も保持されること、カッターの動作は特に水素成分に大きな影響を及ぼすこと、などが明らかとなった。SJPの1段目及び心棒部分の製作が完了したため、今後はこれを真空容器内に設置し、ガスを導入して超音速ジェットを生成して心棒表面に凝固させる試験を行う。そのために真空容器とガス導入部を製作する。この真空容器は、別途ターボ分子ポンプによる超高真空排気が可能な、既設の大型真空チャンバーに接続して用いる。ガス導入にはマスフローコントローラなどを用いて、流量が制御可能なようにする。実験では、まず窒素あるいはアルゴンといった比較的凝固しやすいガスを用いて、ガス流量や超音速ジェット生成スリット幅と心棒表面への凝固膜生成速度との関係などを明らかにする。その後、ネオン及び水素を用いて同様の実験を行う。実験の結果を反映して、2段目及び3段目の設計及び製作を行う。平成29年度前半は、実験機器の移設及び電気工事を可及的速やかに完了するとともに、カッター部を設計・製作する。
新規なポリエステルデンドリマーの設計合成とそのドラッグデリバリーシステムへの応用

1.デンドリマーの合成・精製:マロン酸エステルとアクリル酸エステルのMichael反応から誘導されるビルディングブロックを用いて末端数32のデンドリマー(G3)までを合成し、シリカゲルカラムクロマトグラフィーにより精製した。G3で分子量分布<1.07のものが得られている。2.デンドリマーの分子量決定、ESI-MSの測定:分子量分布幅が狭く純度が高い試料について、ESI-MSの測定を徳島文理大山口健太郎教授に依頼した。ほぼ、分子量を確定し構造確認が可能な測定データが得られた。3.デンドリマーの粒子径測定による粒子形状特性の検討:動的光散乱法を用いてメタノール中でのGo(末端数4)からG3までの粒子径の測定をおこなった。これら溶媒中では世代数が増すに従いデンドリマー末端が内側に入り込み、計算上の分子の形状から大きくずれていることがわかりた。4.NMRによる粒子形状特性の検討:500MHzのNMRを用い種々の測定法を併用して、G3デンドリマーのHおよびCのシグナルの帰属をおこなった。NOESY,ROESY測定により、末端のt-ブチル基が分子のかなり内側のエチレンオキシ基と相関していることを見出した。これは粒子径測定の結果を支持するものである。極性、プロトン供与性などの性質の異なる種々の溶媒中でのG3デンドリマー分子の形状変化についての検討をおこなったが、NMRからはそのような変化は見出せなかった。5.細胞認識能をもつデンドリマーの設計合成とそのバイオアッセイ:G3ポリエステルデンドロンの周辺部にマンノース、焦点部に蛍光物質を結合させ化合物がマンノースを認識するマウス腹腔細胞に効率よく細胞に取り込まれることを確認した。1.デンドリマーの合成・精製:マロン酸エステルとアクリル酸エステルのMichael反応は7M KOH水溶液中で90%以上の収率で2:1付加物1を与え、デンドリマー合成の安価かっ簡便に得られる出発原料となることを前年度までに確認している。脱炭酸後の生成物2とジオールとの反応によるビルディングブロック3の合成について種々条件検討をおこなったが、最適条件の確立にはいたらなかった。ビルディングブロック3を用いて末端数32のデンドリマーまでを合成した。精製はゲルろ過、透析膜の利用など種々検討したが、シリカゲルカラムクロマトグラフィーにより分離が最も純度の高い精製物を与えた。G3(末端数32)で分子量分布<1.07のものが得られている。2.デンドリマーの粒子径測定による粒子形状特性の検討:動的光散乱法を用いてメタノールおよびテトラヒドロフラン中でのG0(末端数4)からG3粒子径の測定をおこなった。これら溶媒中では世代数が増すに従いデンドリマー末端が内側に入り込み、計算上の値から大きくずれていることがわかった。3.NMRによる粒子形状特性の検討:500MHzのNMRを用いて種々の測定法を併用して、G3デンドリマーのHおよびCのシグナルの帰属をおこなった。さらに、NOESY, ROESY測定により、末端のt-ブチル基が分子のかなり内側のエチレンオキシ基と相関していることを見出した。4.デンドリマーの細胞毒性の検討:アセト酢酸エステルとアクリル酸エステルを出発物質とし周辺部にテトラエチレングリコールを導入したG0からG4までのデンドリマー(前年度合成)をHL60細胞に加えて培養し、細胞の生存率を調べた。その結果、G0(末端数4)以外は細胞毒性がかなり高く、このままではDDSへの応用には不適であることが判明した。

(1)合成したデンドリマーの溶液中での形状の検討:昨年度に引き続き500MHzのNMRを用いて種々の測定法を併用して、極性、プロトン供与性などの性質の異なる種々の溶媒中でのG3デンドリマー分子の形状についての検討をおこなった。重メタノール中では重クロロフォルム中に比べ末端のt-ブチル基が分子内部に深く入り込み、エチレングリコール鎖が表層に露出してくることを予想したが、NMRからはそのような変化は見出せなかった。(2)デンドリマーの分子量分布、ESI-MSの測定:分子量分布をGPCにより調べ、分布幅が狭く純度が高い試料について、ESI-MSの測定を徳島文理大山口健太郎教授に依頼した。ほぼ、分子量を確定し構造確認が可能な測定データが得られた。(3)合成したデンドリマーの機能性ナノ分子としての評価:動的光散乱法を用いて性質の異なる種々の溶媒中でのG3デンドリマー分子の形状についての検討をおこないNMR測定で得られた結論と比較することを計画していたが、動的光散乱法の測定に必要な粘度のデータがない溶媒中での測定はおこなえなかった。また、デンドリマーの粘度測定は適切な装置をもつ外部機関を見つけることができなかった。(4)細胞認識能をもつデンドリマーの設計合成とそのバイオアッセイ:G3ポリエステルデンドロンの周辺部にマンノース、焦点部に蛍光物質としてアントラセンを結合させ、マウス腹腔細胞と共培養した。アントラセンのみをマウス腹腔細胞と共培養したものは殆ど細胞内に取り込まれなかったが、G3誘導体は効率よく細胞に取り込まれることが確認できた。
高効率結合生成反応を利用した人工核酸の開発

本研究は、新規人工核酸の開発に関わるものであり、我々が手がけている核酸複合体の研究をGuillot氏の生物科学的バックグラウンドを活用して大きく展開するものである。人工核酸は、核酸のミミックとしての機能のみならず、最近では材料化学やナノ科学の分野でも活用されている。本研究では、各種核酸塩基部位を有するヌクレオシド類縁体の多量化反応に、Sharpless教授の精力的な研究によって近年目覚ましい発展を遂げている「Click Chemistry(クリック化学)」という精密有機合成手法を持ち込むことで、柔軟性が高く、応用性の広い人工核酸の創製を目指す。昨年度において、チミンを核酸塩基として有する人工ヌクレオシドの大量合成法を確立し、数グラム単位での単量体供給を可能にした。そこで本年度は、核酸配列の多様性を実現すべく、チミン以外の塩基、アデニン、グアニン、シトシンを導入した人工ヌクレオシドの設計および合成を検討した。種々の検討の結果、トランスグリコシル化を鍵反応とした合成ルートを開発し、アデニン型およびグアニン型単量体の合成に成功した、シトシン型単量体についても一段階の反応を残して合成ルートの確立を実現している。また、チミン型およびアデニン型単量体についてx線結晶構造解析に成功し、核酸塩基結合部位の絶対配置を確認した。これらの成果により、種々の塩基配列を持つ人工核酸多量体の合成に向けての基盤を確立するに至った。本研究成果は既に国際学術誌に投稿済であり、現在査読中である。本研究は,新規人工核酸の開発に関するものであり,我々がこの2年手がけている核酸複合体の研究をGuillot氏の生物科学的バックグラウンドを活用して大きく展開しようとするものである.人工硫酸の研究は,核酸ミミックとしての機能のみならず,近年では材料化学やナノ科学分野でも活用されている.本研究提案では,ヌクレオシド類縁体の多量化反応に,Sharpless教授の精力的な研究によって近年目覚ましい進展を遂げている「Click Chemistry」という精密有機合成手法を持ち込むことで,柔軟性が高く,応用性の広い人工核酸の創製を目指すものである.本研究課題開始時までにclick chemistryを利用した人工核酸伸長反応が可能であることは確認したが,単量体を大量に合成する手法の確立されていなかった.さらに,予備的検討ではチミン塩基のみでの実施例しかなく,将来の拡張性に疑問が持たれていた.本研究では,人工核酸としての実用的応用を念頭に,まずはチミン型単量体の大量合成法を確立した.この検討により数グラム単位での物質供給が可能となった.この成果については日本化学会春季年会での口頭発表を行っている.年度後半では,核酸配列の多様性を実現するべく,チミン以外の塩基,アデニン,グアニン,シトシンを導入した人工核酸の設計・合成に着手した.この検討では,トランスグリコシル化を鍵とした反応を開発し,小スケールながら実現可能であることを見いだした.次年度からは,本年度に合成経路を確立した手法をもとに4塩基すべての単量体供給を検討する.本研究は、新規人工核酸の開発に関わるものであり、我々が手がけている核酸複合体の研究をGuillot氏の生物科学的バックグラウンドを活用して大きく展開するものである。
骨髄微小環境内に残存する治療抵抗性白血病細胞の分子病態と測定システムの開発

本研究では、骨髄微小環境内に残存する治療抵抗性白血病細胞の分子病態と測定指標の開発を目的とした。FLT3-ITD導入した株化培養白血病細胞K562細胞は、細胞外マトリックス構成成分との特異的な接触でAra-C耐性が増強した。内在性にFLT3-ITDを有する2種の骨髄性白血病細胞(MOLM-14、MV4:11)でも同様であった。関連遺伝子として、ファイブロネクチンやその受容体をコードする遺伝子の発現上昇が確認された。これらの結果は、FLT3-ITDを有するAML細胞が治療後残存し治療抵抗性を獲得する分子メカニズムの一部と考えられ、診断・モニタリング法さらに治療法の開発に貢献しうると考えられる。白血病の治療において、抗がん剤に対する抵抗性または耐性は重要な課題である。本研究では、骨髄微小環境中に残存し再発の原因となる治療抵抗性の白血病細胞における抗がん剤耐性の分子機構を明らかにし、それに基づく耐性の評価システムの開発を目指す。先行研究にて、FLT3-ITD発現させた株化培養白血病K562細胞で、DNAマイクロアレイによる遺伝子発現プロファイリングの結果、FLT3-ITDの下流シグナルとしてRUNX3が高発現していることが判明した。FLT3に特異的なPKC412とcrenolanibを用いた抑制実験にてRUNX3発現を調べた。その結果、FLT3-ITD発現K562細胞に加え、内在性にFLT3-ITDを有する白血病細胞株MOLM-14とMV4:11においてもRUNX3発現が低下していた。RUNX3のara-C耐性への直接的な関与を明らかにするため、内在性・外来性にFLT3-ITDを有する白血病細胞株からRUNX3のノックダウン細胞を作製した。これら細胞においては、ara-C耐性の低下が確認された。FLT3-ITDを有する2例の急性骨髄性白血病患者細胞において、RUNX3発現が確認され、crenolanib曝露にて発現低下が見られた。これらの結果は、白血病細胞においてFLT3-ITDはRUNX3発現の亢進を介してara-C耐性あるいは治療後の骨髄残存をもたらす可能性を示すものである。本年度は、白血病細胞においてFLT3-ITDはRUNX3発現の亢進を介してara-C耐性あるいは治療後の骨髄残存の機序に関する知見が得られ、RUNX3発現に関係した細胞シグナルと骨髄微小環境との相互関係について今後明らかにすべき方向性が明確化された。一方、FLT3-ITD陽性細胞の継続的な確保において、以下の支障が発生し対応を行った。pMY-puro-FLT3-ITDのウイルスベクター感染株化培養白血病細胞K562にて、細胞培養実験を継続し、抗がん剤感受性試験を行ったところ、ara-C耐性を含め過去と同様の結果が得られた。しかしながら、その後、感受性試験の結果が不安定となり、FLT3-ITD発現の消失が確認された。そこで、FLT3-ITD導入のために、lipofection (FuGENE6)を検討したが、増殖の良い細胞を確保することが困難であった。FLT3-ITDの細胞導入における至適条件を知るため、条件設定の検討を行ったが、十分な細胞が得られなかった。株化培養白血病細胞K562において、新たにエレクトロポレーションにてFLT3ーITDを細胞内導入し、FLT3-ITD発現細胞を作製した。しかしながら、エレクトロポレーションによるFLT3-ITD導入後に細胞生存率が低下し、そのため、その後の細胞培養実験の進行が遅れた。このため、株化培養耐性白血病細胞を用いて、細胞マトリックス・骨髄間質細胞接着との接触にて、抗がん剤感受性の変化を調べる実験への着手が遅れた。急性骨髄性白血病(acutemyeloidleukemia: AML)の治療において、抗がん剤に対する抵抗性は重要な課題である。本研究では、骨髄中に残存し再発の原因となる治療抵抗性の白血病細胞における抗がん剤耐性の分子機構を明らかにし、それに基づく耐性の評価システムの開発を目的とした。抗がん剤耐性獲得における骨髄中の細胞外マトリックスとの接触の役割を明らかにするため、FLT3-ITDを導入した株化培養細胞株K562をモデル細胞とした。FLT3-ITD導入K562細胞は、ファイブロネクチンをコートした培養プレートにて培養した場合、Ara-C耐性が増強することが明らかとなった。ファイブロネクチン接着を特異的に抑制する抗β1インテグリン抗体の投与にて、Ara-C耐性は減弱した。FLT3-ITD導入K562細胞における遺伝子発現について、cDNA microarray解析よる遺伝子発現プロファイルを行った結果、ファイブロネクチン遺伝子(FN)の発現上昇が見られた。以上より、FLT3-ITD陽性のAMLの治療抵抗性の機序として、骨髄微小環境の要素ファイブロネクチンを介した抗がん剤耐性の増強が示唆された。AMLにおける受容体型チロシンキナーゼ(receptor tyrosine-kinases: RTK)の活性化変異として、FLT3-ITD変異とともにKIT変異は治療予後不良と強く相関することが知られている。KITについて、臨床的に頻度多い4種の変異を有するplasmid DNAを作製し、株化培養細胞株HL-60またはU937に細胞導入し、野生型と比較した。その結果、KIT変異導入細胞において、Ara-C耐性化が確認された。さらに、Ara-C耐性化の機構として、薬剤の細胞膜輸送低下や不活化をもたらす遺伝子発現変化が証明された。

これらの結果は、RTKの活性化変異を有するAML細胞が治療後残存し抵抗性を獲得する分子機構を説明するものと考えられる。これら分子機構に重要な遺伝子は、AMLの治療抵抗性の診断と治療法の開発に貢献しうると考えられる。本研究では、骨髄微小環境内に残存する治療抵抗性白血病細胞の分子病態と測定指標の開発を目的とした。FLT3-ITD導入した株化培養白血病細胞K562細胞は、細胞外マトリックス構成成分との特異的な接触でAra-C耐性が増強した。内在性にFLT3-ITDを有する2種の骨髄性白血病細胞(MOLM-14、MV4:11)でも同様であった。関連遺伝子として、ファイブロネクチンやその受容体をコードする遺伝子の発現上昇が確認された。これらの結果は、FLT3-ITDを有するAML細胞が治療後残存し治療抵抗性を獲得する分子メカニズムの一部と考えられ、診断・モニタリング法さらに治療法の開発に貢献しうると考えられる。次年度は、本年度の成果に基づき、FLT3-ITDを有する白血病細胞における治療抵抗性の分子機序、および細胞外マトリックス・骨髄間質細胞接着の影響を調べる。1. ara-C耐性における細胞薬理学的な機序を明らかにするため、その背景となる分子機序として各種の耐性遺伝子の発現を調べる。RUNX3発現の亢進は、SMADsと協調してTGFβシグナル亢進(骨髄間質細胞に発現)を介して、ara-C治療における細胞生存や抗アポトーシス作用を示すとされる。TGFβシグナルの状態の確認および特異的インヒビターやモノクローナル抗体による抑制を調べる。2.株化培養耐性白血病細胞を用いて、細胞マトリックス・骨髄間質細胞接着との接触にて、抗がん剤感受性の変化を調べる。抗がん剤としては、急性骨髄性白血病(AML)治療のkey drugであるidarubicin、ara-C、methotrexteを使う。FLT3-ITDを導入した、あるいはFLT3-ITDを有する骨髄性白血病細胞株(K562)にsiFLT3-ITDを導入してノックダウン細胞を作製し、コントロールベクター導入細胞ともに、骨髄微小環境の要素とFLT3-ITD陽性白血病細胞の抗がん剤耐性の関係を知るため、様々な培養条件にて抗がん剤感受性試験を行う。AML細胞における細胞外マトリックス・骨髄間質細胞との相互作用を知るため、細胞外マトリックス構成成分であるファイブロネクチン、コラーゲンなどコートしたマイクロウェルプレート、あるいは骨髄由来間質幹細胞との共培養システムにて抗がん剤感受性を調べる。また、細胞と細胞外環境の相互反応を抑制する機能性モノクローナル抗体や競合ペプチドを用いて、抗がん剤への耐性度変化を調べる。分子薬理腫瘍学本年度は、株化培養白血病細胞K562において、FLT3-ITDを導入した細胞にて様々な実験を行った。しかしながら、FLT3-ITD導入後に細胞生存率が低下し、増殖の良い細胞を確保することが困難となった。FLT3-ITDの細胞導入における至適条件を知るため、条件設定の検討を行った。その結果、想定していた細胞を用いた実験がやや遅れたため、消耗品の費用が予定額を下回った。
システム生物学的アプローチによるオーキシン様除草剤の細胞毒性解明

オーキシン様除草剤(2,4-ジクロロフェノキシ酢酸、2,4-D)は、耕作地において雑草を枯死させる目的で広く用いられている。しかし、双子葉類を枯らす分子機構は明らかとなっていない。以前、我々は2,4-Dが細胞骨格を分解し、オーキシンとは独立した新規の経路によってアポトーシスを誘導するという証拠を示した(Rahman et al., 2007 ; Takahashi et al.,投稿準備中)。これらの結果は、2,4-Dの除草効果は一般的に信じられているオーキシン毒性とは異なる細胞に対する毒性と強くリンクしていることを示した。2,4-Dの作用機構と細胞毒性の分子機構をさらに明らかにするため、オミックス、バイオインフォマティクスそして逆遺伝学を含むシステムバイオロジーの手法を用いた。IAAと2,4-D処理時のトランスクリプトーム比較によって2,4-D応答遺伝子セットを同定した。2,4-D特異的応答性遺伝子の遺伝子オントロジーアノテーション解析は細胞骨格とアポトーシスに関連した遺伝子のグループを明らかにし、2,4-Dはアクチン分解とその後のアポトーシスを通して植物を枯らすということを示した。この経路を制御するタンパク質の機能を理解するために逆遺伝学的アプローチを用いた。2008年度までの実験において、オーキシン様除草剤である2,4-Dを3μMの濃度でシロイヌナズナの根に処理することにより、根の分裂組織において細胞死が生じることが観察されたが、オーキシンであるIAAを処理することによっては、細胞死は観察されなかった。そこで、2009年度は、この特定の現象である細胞死に焦点を当てながら、マイクロアレイ解析を行った。昨年度と同じ濃度でIAA処理および2,4-D処理を行った後、マイクロアレイにより両遺伝子発現の比較解析を行った。その結果、2,4-D処理特異的に、386個の遺伝子が発現上昇し、また、1700個の遺伝子が発現低下した。さらに、これらの遺伝子に対し、遺伝子オントロジーによる機能推定を行ったところ、2,4-D処理特異的に発現上昇が見られた遺伝子の多くは、細胞死や細胞骨格に関連したものであった。現在、これら遺伝子の2,4-D処理における機能的な意義を理解するための実験を行っている。一方、上記の実験と同時並行に、皮層組織にあるPIN2タンパク質が、どの様にしてオーキシン輸送を制御しているかを明らかにするための実験も部分的に行った。その結果、野生型の植物では、皮層細胞におけるPIN2タンパク質は細胞の基底側へ局在化されるが、この局在化がオーキシンの根伸長域への逆流を押さえる働きがあることが明らかとなった。また、この局在化機構は、根が最適な重力屈性機構を得るために必要なものでもあった。以上のPIN2タンパク質に関連する結果は、最近、Plant Cell誌に暫定的ではあるが掲載が受諾された。2010年度、当研究室では出願書類に明記していたように、バイオインフォマティクスを利用して、合成植物ホルモン2,4-Dによって誘導されるアポトーシスの誘導と細胞骨格であるアクチンの分解の分子ネットワークを確立することに焦点を当て研究を行った。我々の研究室で行った実験によると、2,4-D処理を行うことでのみ発現が上昇する遺伝子の遺伝子注釈分析により、アクチンとアポトーシスに関連する10以上の遺伝子の発現上昇を確認することができた。さらに、マイクロアレイによって確認されたそれらの遺伝子をRT-PCRを用いて分析した結果、すべての遺伝子においてIAAではなく2,4-D処理を行った場合においてのみ遺伝子の発現量が上昇することが判明した。これらの結果に基づき、仮説実働モデルを導くことができた。続けて、逆遺伝学の観点からこれらの遺伝子の機能的重要性について研究をすることとした。そのために、遺伝子型がホモであるT-DNA挿入株を、Arabidopsis Biological Resource Centerから入手した。今現在これらの変異体株は、TUNEL解析と免疫染色法を用いて2,4-Dによるアポトーシスとアクチン分解の作用に対しての耐性を有しているかを解析している段階である。

我々はその解析と並行して、各々の遺伝子機能を解明するためにそれらの変異体株同士を交配することにより、二重変異体、三重変異体を作出している。さらに、リアルタイムPCR法により転移因子としての機能を持つ標的グループの一つを発見した。それら全てのLINE遺伝子とSINE遺伝子は、2,4-D処理をした場合IAA処理と比較して520倍もの発現量の上昇が確認された。それは転移因子が2,4-Dと特異的に反応することを示しており、今後はその転移因子の変異体の解析を行うことで2,4-Dの分子作用機構を解明することができるであろうと考えられる。
火山灰質粘性土における重金属の保持ならびに輸送機構に関する研究

産業活動に伴う工場廃液や産業廃棄物処分場からの汚染物質の浸出による地盤および地下水汚染が大きな社会問題となっている。本研究では、汚泥や産業廃棄物処分場の浸出液に通常含まれている重金属について、関東ロームに代表される火山灰質粘性土を対象として土中における保持特性と輸送特性を解明することを目的とした。重金属として銅イオン(Cu^<2+>)および鉛イオン(Pb^<2+>)を取り上げ、まず室内カラム試験を通じて両イオンの土組成への吸着特性と間隙中での移流分散特性について検討した。カラム試験による吸着実験では、イオン濃度1mg/L20mg/L、流出間隙体積相当量(1PV)のイオン溶液を試料土に自然浸透させ、浸透前後のイオン濃度差より吸着量を求めた。実験より、ロームの重金属イオンに対する吸着は、溶液の平衡濃度の上昇につれて吸着量が減少する非線形吸着特性を示し、Freundlich型またはLangmuir型の吸着関数で表現しえることが示された。比較のため実施した豊浦砂に対する実験結果から、ロームは砂の約10倍20倍の吸着量を示し、吸着量は土の初期含水状態に大きく左右されることが示された。次に、重金属イオンの土中における移流分散特性を把握するため、流れ分析に基づくカラム試験を実施した。浸出溶液の累積間隙体積に対するイオン濃度の破過曲線を求め、上記の吸着関数を取り込んだ移流-分散方程式の理論解と重ね合わせて分散係数および遅延係数を評価した。その結果、分散係数は浸透溶液の実流速に比例するD_L=A_L・Veの線形関係が確認され、豊浦砂における分散長はA_L=0.10.25(cm)、ロームについてはA_L=24(cm)の値が得られた。また、遅延係数はR=3.513.0の値を示し、特に銅イオンに対しては吸着による遅延効果が著しいことが分かった。最後に、実験により得られた吸着および分散特性を取り込んだ地盤環境汚染シミュレーションを実施し、工場跡地や産業廃棄物処分場における浸出重金属による地盤環境汚染の具体的イメージを明らかにした。平成11年度は研究計画に基づき大学周辺より採取した関東ロームに対して銅イオン(Cu^<2+>)および鉛イオン(Pb^<2+>)によるカラム試験を行い両金属イオンに対するロームの吸着特性について検討を行った。カラム試験による吸着特性の把握においては、流出間隙体積相当量(1PV)のイオン溶液を試料土に浸透させた後、試料中でのイオン溶液の保持を一定時間保ち、その後カラム下端に負圧を作用させて間隙中のイオン溶液を脱水させる方法をとった。注入溶液のイオン濃度は、両イオンとも1mg/L20mg/Lの範囲で45段階変化させて行った。実験から、銅および鉛イオンに対するロームの吸着特性はFreundlich型の吸着関数に近いことが確かめられ、比較のため実施した塩化カルシウム溶液(CaCl_2)によるカラム試験結果からも吸着性イオン(Ca^<2+>)と非吸着性イオン(Cl^-)の差異が明瞭に得られ、本研究で用いた試験法の妥当性を確認した。次に、関東ロームにおける重金属イオンの移流-分散特性を把握するため、流れ分析用イオン電極とフローセルを用いたカラム実験を行った。浸出溶液の累積間隙体積に対するイオン濃度の破過曲線を描き、上記の吸着関数を取り込んだ移流-分散方程式の理論解との重ね合わせによって分散係数および遅延係数を評価した。

その結果、分散係数はイオン種によらず溶液の浸透流速の1次関数で近似できることが示された。平成12年度は引き続き補完データの収集とともに不攪乱試料に対する検討を行う予定である。重金属による地盤環境の汚染機構を解明するため、銅イオン(Cu^<2+>)および鉛イオン(Pb^<2+>)を用いた室内カラム試験を実施し、関東ロームに代表される火山灰質粘性土を対象として両イオンの土組成への吸着特性と間隙中での移流分散特性について検討した。カラム試験による吸着実験では、イオン濃度1mg/L20mg/L、流出間隙体積相当量(1PV)のイオン溶液を試料土に自然浸透させ、浸透前後のイオン濃度差より吸着量を求めた。実験より、重金属イオンに対するロームの吸着特性は、溶液の平衡濃度の上昇につれて吸着量が減少する強い非線形性を示し、Freundlich型またはLangmuir型の吸着関数で表現しえることが示された。比較のため実施した豊浦砂に対する実験結果から、ロームは砂の約10倍20倍の吸着量を示し、さらに吸着量は土の初期含水状態に大きく左右されることが示された。次に、重金属イオンの土中における移流分散特性を把握するため、流れ分析に基づくカラム試験を実施した。浸出溶液の累積間隙体積に対するイオン濃度の破過曲線を求め、上記の吸着関数を取り込んだ移流-分散方程式の理論解と重ね合わせて分散係数および遅延係数を評価した。その結果、分散係数は浸透溶液の実流速に比例するD_L=A_L・Veの線形関係が確認され、豊浦砂における分散長はA_L=0.10.25(cm)、ロームについてはA_L=24(cm)の値が得られた。また、遅延係数はR=3.513.0の値を示し、特に銅イオンに対しては吸着による遅延効果が著しいことが分かった。最後に、実験により得られた吸着および分散特性を取り込んだ地盤環境汚染シミュレーションプログラムを作成し、工場跡地や産業廃棄物処分場における表層地盤(ローム層)から帯水層までの多層地盤に対し、浸出重金属による地盤および地下水汚染の広がりを再現し、汚染の進行の具体的イメージを明らかにした。以上の研究成果を成果報告書としてまとめ報告した。