hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
「人間地球系」-人類生存のための地球本位型社会の実現手法-栄養ストレスにおける植物生産-栄養ストレス耐性植物の育成

本研究は栄養ストレス耐性植物の育成を目指している。本研究で取り上げた課題は、酸性土壌におけるAlおよび重金属の過剰、S欠乏および過剰耐性植物の育成である。Al過剰については酵母をAl過剰処理したときに誘導される2つのcDNAクローン(pAL1001,1003)を単離し、その塩基配列を決定したところ一つは熱ショックで誘導される細胞外分秘性タンパクであり、他の一つは膜表層タンパクであることがわかった。これらはいずれもAlとZnで誘導されるが、他の金属イオンストレスでは誘導されなかった。また、酵母のAl耐性変異株を分離した(松本)。重金属についてはシロイヌナズナのメタロチオネイン遺伝子についての機能解析を行い、メタロチオネインが重金属耐性だけでなく、細胞分化などの植物体を作るために本質的な役割を担っていることを明らかにした。(茅野)。Sストレス下で最も影響される代謝系の解析とその酵素の精製を試み、APSトランスフェラーゼがkey enzymeであると認定し、酵素の精製に成功するとともに、酵母変異株を用いた相補正試験により遺伝子の単離を試みている(関谷)。システイン合成酵素の遺伝子が単離され、その機能として硫化水素耐性増大のあることが判明した。硫黄代謝にかかわる他の遺伝子群の機能解析をおこなった(佐野)。(茅野)。21世紀における最重要課題は増加する人口に見合った食糧の確保である。食糧供給の源となる農耕地は、地球環境の変化による荒廃などにより、不良栄養土壌となりつつある。このような不良栄養条件で、十分な農業生産を維持するためには、不良栄養土壌に良く生育する植物、即ち、栄養ストレス耐性植物の育成が必須となる。このための栄養ストレス耐性遺伝子の単離とその遺伝子による植物の形質転換が本研究の目的で、以下の研究成果をあげた。1)ネズミメタロチオネイン(MT)遺伝子をプローブとしてダイズcDNAライブラリーから相同性の高いMT遺伝子(cDNA)を単離し、塩基配列を決定し、これをもとにアラビドプシスゲノム遺伝子を単離、塩基配列を決定した。2)タバコ培養細胞をリン酸欠乏処理すると、Al耐性の増加することを認めた。リン酸欠乏およびAl処理により発現が誘導される遺伝子の存在を確認し、その解析を行った。3)S欠乏条件下では光合成活性が減少することを明らかにし、硫酸イオン還元同化系の亜硫酸還元酵素を精製し、抗体を作成した。また、APSサルフォトランスフェラーゼの非放射標識活性測定法を確立し、本酵素の精製を試みた。4)ルーピンの根より分泌された酸性フォスファターゼを精製し、この酵素のアミノ酸の部分配列(N末端から30残基)を解析し、この情報に基ずいて3種類のDNAプローブを作成した。また、リン欠乏培地で生育したルーピンの根からmRNAを抽出しcDNAライブラリーを作成した。5)シロイヌナズナから得られたK^+チャンネル遺伝子cDNA KAT1を用いてタバコ植物体へ導入するプラスミドを構築した。6)植物のCd耐性を支配する要因として、フィトケラチン生成と細胞膜のCd耐性に着目し、それぞれの反応における重要な酵素の検索と精製を行いつつある。栄養ストレス耐性植物の育成を目的とし、酸性土壌におけるAlおよび重金属の過剰、低投入農業の実施に伴うK,P,S欠乏に耐性の植物の研究を行っている。Al耐性に関わる遺伝子を解析した(松本)結果、タバコ培養細胞ではAl毒性機構は鉄イオンが関与する活性酸素障害と関連していることが示され、Alストレスを与えたリン酸欠乏タバコ培養細胞でAl特異的に発現する4種の遺伝子の塩基配列より、そのひとつは活性酸素障害耐性との関連が示唆されるグルタチオンSトランスフェラーゼ遺伝子と推定された。Cuに着目したメタロチオネイン遺伝子の探索とその機能解析(茅野)およびCdに着目したフィトケラチン合成に関わる遺伝子の解析(小畑)を行なった結果、アラビドプシスからメタロチオネイン染色体DNAをクローニングし、塩基配列を決定し、構造遺伝子上流のプロモーター領域に関する情報を得た。このプロモーターの機能解析のためにプロモーター領域にGUS遺伝子を融合したキメラ遺伝子を構築しアラビドプシスに導入した。また、イネ無細胞抽出液でグルタチオンからのフィトケラチン合成に成功した。

Sストレス下での代謝系の解析とその酵素の精製を試みた(関谷)結果、S欠乏による成長低下を防御するためにAPSトランスフェラーゼがkey enzymeであると確定し、その遺伝子の単離を試みた。P欠乏に関して、酸性フォスファターゼの部分アミノ酸配列をもとにcDNAを単離して塩基配列の決定を試みた(但野)結果、得られた酸性フォスファターゼのN末端アミノ酸30残基をもとにPCR法により870bpのcDNAが得られ、その塩基配列を決定したところ、これまでにないフォスファターゼ遺伝子であることが明かとなった。K欠乏に関しては高親和性K^+チャンネル遺伝子をタバコやペチュニアに導入して低K耐性植物の育成を試みた(米田)結果、シロイヌナズナから得られたK^+チャンネル遺伝子、KAT1とAKT1をタバコ植物体へ導入することに成功した。本研究の目的は栄養ストレス耐性植物の育成にある。本研究で取り上げた課題は、耐性土壌におけるAlおよび重金属の過剰、低投入農業の実施に伴うP,S欠乏である。Al過剰については酵母をAl過剰処理したときに誘導される2つのcDNAクローン(pAL1001,1003)を単離し、その塩基配列を決定したところ一つは熱ショックで誘導される細胞外分泌性タンパクであり、他の一つは膜表層タンパクであることがかった。これらはいずれもAlとZnで誘導されるが、他の金属イオンストレスでは誘導されなかった。また、酵母のAl耐性変異株を分離した(松本)。重金属についてはCuに着目してメタロチオネイン遺伝子の探索とその機能解析を行った。アラビドプシスから単離されたMTの染色体DNA構造遺伝子上流のプロモーターの機能解析のためにプロモーター領域にGUS遺伝子を融合したキメラ遺伝子を構築しアラビドプシスに導入し、それが銅誘導性のあること、また、この遺伝子の機能として、MT生産能の欠損している酵母変異株に銅耐性を付与することを見い出した(茅野)。Cdに着目してフィトケラチン合成に関わる遺伝子の解析の為にイネ無細胞抽出液でグルタチオンからこれを合成する酵素の部分精製に成功するとともに、細胞膜ATPaseのCd耐性が植物のCd耐性と関連することを明かにした(小畑)。Sストレス下で最も影響される代謝系の解析とその酵素の精製を試み、APSトランスフェラーゼがkey enzymeであると認定し、酵素の精製に成功するとともに、酵母変異株を用いた相補正試験により遺伝子の単離を試みている(関谷)。P欠乏に関しては昨年度単離した酸性フォスファターゼのcDNA、LAP493の塩基配列を決定したところ、これまでにないフォスファターゼ遺伝子であることが明かとなった。この遺伝子の発現を調べたところP欠乏によって発現が増大することが明かとなった(但野)。本研究で取り上げた課題は、酸性土壌におけるAlおよび重金属の過剰、S欠乏および過剰耐性植物の育成である。
四国・九州地方を襲った過去の津波の浸水高に関する研究

1.歴史津波史料の収集四国・九州地方は,慶長地震(1605),宝永地震(1707),安政南海地震(1854),および昭和21年南海地震の4度の南海トラフ傾斜面の活動による巨大地震による津波に見舞われている.今回の調査では,徳島県南部の海岸地方,および高知県海岸部の新しい津波史料を約80点,写真とフィルム枚数にして約800枚を採集した.これまで知られていた史料は,主として各国の藩主が,支配の必要から作成されたものが多かったが,今回の調査では沿岸集落に住む者の書いた史料を多く発掘した.現地滞在日数の制限から訪れた集落の数が限られたので,今回の調査で洩れた地域も多く,この種の調査は何らかの形で今後も継続する必要があろう.九州では,宮崎県地方の宝永津波の記録のほか,寛政4年(1792)の島原半島雲仙岳の噴火に伴う有明海の津波の,熊本県側の被害記録が発掘された.2.現地照合これまでに集められている古文書の記載中に現れる歴史津波の浸水範囲を示す地点の記事を採集し,高知県の沿岸各市町村の各教育委員会の協力を得て,現在の地図上のどの点に相当するかの調査をした.一部の地域では測量作業を行い,津波の高さを標定した.3.津波の伝播・陸上遡上計算徳島県南部海岸の数個の漁港をモデルとして,地形,建築物,植生等を現状,および過去の状態に設定して,これらを反映した津波の陸上侵入の数値計算を行い,古文書中に記載された津波の浸水高の値と照合し,よい一致を示すことが確認された.1.歴史津波史料の収集四国・九州地方は,慶長地震(1605),宝永地震(1707),安政南海地震(1854),および昭和21年南海地震の4度の南海トラフ傾斜面の活動による巨大地震による津波に見舞われている.今回の調査では,徳島県南部の海岸地方,および高知県海岸部の新しい津波史料を約80点,写真とフィルム枚数にして約800枚を採集した.これまで知られていた史料は,主として各国の藩主が,支配の必要から作成されたものが多かったが,今回の調査では沿岸集落に住む者の書いた史料を多く発掘した.現地滞在日数の制限から訪れた集落の数が限られたので,今回の調査で洩れた地域も多く,この種の調査は何らかの形で今後も継続する必要があろう.九州では,宮崎県地方の宝永津波の記録のほか,寛政4年(1792)の島原半島雲仙岳の噴火に伴う有明海の津波の,熊本県側の被害記録が発掘された.2.現地照合これまでに集められている古文書の記載中に現れる歴史津波の浸水範囲を示す地点の記事を採集し,高知県の沿岸各市町村の各教育委員会の協力を得て,現在の地図上のどの点に相当するかの調査をした.一部の地域では測量作業を行い,津波の高さを標定した.3.津波の伝播・陸上遡上計算徳島県南部海岸の数個の漁港をモデルとして,地形,建築物,植生等を現状,および過去の状態に設定して,これらを反映した津波の陸上侵入の数値計算を行い,古文書中に記載された津波の浸水高の値と照合し,よい一致を示すことが確認された.
薬物使用者における薬物使用と社会制御の実証的研究

今年度は、昨年度にインタビューを行った薬物使用者のほぼ全員に対して、継時的変化を確認するために再びインタビューを行った。さらに新たに合計5人の薬物使用者に対してインタビューを行った。これらを踏まえ、分析的帰納法を用いて昨年度に提出した「コントロール使用」にかかわる要素についての仮説を検証・洗練した。昨年度の仮説に加えて特筆すべき事柄は、使用者集団において独自に発達した「知識と解釈」を通した社会制御(social control)である。この場合社会制御とは、法や慣習を含め生活全般を制御する合法性・経済性・身体性など社会的起源をもつ制御である。使用継続段階での「コントロール」について、以下に新たな要点を挙げておく。1意識的なコントロール法ならびに健康との関係において、使用者は使用者集団を通じて、薬物と自分との関係を定義する独特の知識を発達させる。(世俗的な知識)。その知識を通じて状況を解釈することにより、常に新しい体験である薬物使用継続経験をコントロールしていく。さらに既存の医学的知識(専門的な知識)を参照して状況を解釈することによってコントロールを行う。2意識化されないコントロール意識的なコントールに用いられる知識およびその語彙が、薬物が原因であるかどうか不明の状況(たとえば、離婚などの外的な危機的状況・体調不良などの内的な危機的状況)を解釈する際に導入され、コントロールを促している。今年度は、打ち合わせを含めて5回にわたり合計20人の薬物使用者に直接インタビューを行った。そこでは薬物使用と生活パターンについてのデータを収集し、その収穫結果から、それらの使用パターンがどのような要素に基づいてコントロールされているのかを英米の「コントロール使用者」研究を参照しつつ考察した。そこで明らかになったコントロールの要素に関する仮説は以下の通りである。1使用開始時点でのコントロール(1)法との関係:逮捕の危険は初心者時点は問題にならないが、経歴を経るにしたがって問題となる傾向がある。(2)健康との関係:法よりもむしろ身体的危険性が初心者時点では問題となり、経歴を経るにしたがって問題とならなくなる傾向がある。(3)使用継続への学習:集団内で使用方法などを学習するとともに、集団内での役割取得を通じて薬物使用状況下における一般的な所作を学習する。2使用開始後のコントロール(1)意識的コントロール:個人的な使用規則を定め、それにしたがって使用することでコントロールする傾向にある。その際、定期的な時間的空間拘束(学業・就業など)が重要な契機となる。(2)非意識的コントロール:まず第一に薬物に対する個人的嗜好が自分が無理しない範囲での使用を可能にしている。次にしよう集団との関係がコントロールを強制している。さらに、集団との関係が「非コントロール使用者」との分化を促している。次年度の研究はこれらの仮説を洗練すると同時に、検証することが主な目的となるが、同時に「非コントロール使用者」との比較も射程に入れたいと考えている。(世俗的な知識)。
サンゴ礁池における魚類の生産性と大規模な人為的環境撹乱の影響

ドロクイ属2種は、孵化後約7日で波打ち際に加入した。仔稚魚は、砂浜海岸に加入するが、やがて泥干潟へ移行し、異なる2環境を必要とした。大規模な埋め立ての結果、両種の産卵場が重複し、自然交雑種が出現すると推定された。ヒメジ科魚類は、種毎に形態的特徴、採餌行動、採餌場所、採餌時間帯、餌生物が異なり、"食い分け""棲み分け""時間分け"により、サンゴ礁池の環境を上手く使い、複数種が同一水域に生息していた。沖縄島東岸に位置する中城湾の波打ち際(砂浜海岸と泥干潟)で,投網と小型曳網による採集を行った.その結果,リュウキュウドロクイ仔稚魚は,体長8.9mmになると砂泥底の波打ち際に周年出現した.砂浜海岸から泥底干潟へ移動し始める15mmには,背鰭,腹鰭と臀鰭の各鰭条が定数に達し,脊椎骨や尾骨の多くが硬骨化した.すなわち本種の仔稚魚は,まず砂浜海岸に接岸し,遊泳機能の鍵に伴い能動的に泥干潟へ磯すると考えられた.その後,泥干潟で成長を側,20mmから体高が著しく増加し始め,背鰭や臀鰭の基部および肛門は定位置に達した.また,25mmには,本属魚類の特徴である背鰭最後軟条の伸長,鯉蓋後方の黒色斑の形成が認められ,この時期までに腹部の稜鱗が定数に達した.このように,本種の仔稚魚は,波打ち際に接岸以降,浅海域に生活の場を強く依存していることが明らかとなった.沖縄島では,本土復帰後,陸と海の境である波打ち際の開発が急速に進み,本土の約2倍の速さで自然海岸が消滅している.特に,砂浜海岸や泥干潟の波打ち際は,容易に埋め立てできるため開発の対象とされてきた.本種の生活史上,これら両環境は不可欠であり,本種の持続的利用や保護のため,浅海域を一体的に保全していくことが急務である.波打ち際に接岸する以前のドロクイ類仔魚の分布を明らかにするため,2010年12月2011年3月に毎月1回(原則として大潮時の午前8時から午後1時),中城湾泡瀬海域に設定した3定点で採集を行った、採集には2種類の丸稚ネットを用い,船速1.53.2ノット(平均2.2ノット),可能な限り10分間(平均9.3分間)曳網した.採集時には,各定点で水温,塩分,電気伝導度,溶存酸素を計測した.採集された仔稚魚は,直ちに5%海水ホルマリンで固定して研究室に持ち帰り,その日のうちに70%アルコールに移して保存した.現在,選別や種査定等解析を進めているドロクイ類:沖縄島周辺海域でドロクイ類2種の交雑個体を採集し、年齢と成長、成熟および出現率を解析した。交雑個体は2歳で150-210mmに達し、寿命は雌雄ともに5歳であった。生殖腺の観察から交雑種も成熟することが明らかとなり、最小成熟個体は雌173.2mm、雄192.6mmであった。自然交雑個体は羽地内海を除くすべての海域で出現し、埋め立てなどの開発に伴う沿岸域の改変が進んでいるところほど高率で出現することが明らかとなった。ドロクイ類の仔稚魚の生息場所を明らかにするため、中城湾の沖合3定点で丸稚ネットを曳網し、従来知られていた仔魚より小型の体長約4mmの個体を採集した。今回の結果と従来の知見を合わせて考えると、ドロクイ類は、孵化後短期間を沖合中層で過ごし、10日以内に波打ち際に移動するものと推定された。本属魚類の再生産には、仔稚魚の揺籃の場となる波打ち際が極めて重要であることが推察された。ヒメジ類:沖縄近海に3属30種生息しているヒメジ類のうち、特に水産上重要な6種(ホウライヒメジ・コバンヒメジ・オジサン・アカヒメジ・モンツキアカヒメジ・ヨメヒメジ)を湾全体が大きなサンゴ礁地であると考えられる中城湾に位置する市場で購入もしくは採集し、生殖腺指数と生殖腺の組織学的観察から、各種の産卵期を推定した。いずれの種も春から夏に産卵期を迎えることが明らかとなった。また、これら6種を耳石をダイヤモンドカッターを用いて切断、薄層切片を作成し、各々の年齢を査定した。その結果、いずれの種も最高齢は6歳前後であり、寿命に雌雄差がないことが明らかとなった。その反面、成熟様式は、小型・若齢で成熟に至る種と大型・高齢にならないと成熟しない種に分けられた。すなわち、同科魚類でありながら、その繁殖戦略には差が認められ、種毎に漁業や人為的環境改変が与える影響が異なることが示唆された。

(1)ドロクイ属2種:ドロクイとリュウキュウドロクイは、いずれも孵化後約7日で沖合底層から波打ち際に加入した。加入場所としては、砂浜海岸が選択されるが、成長に伴い体長15mmに達すると泥干潟へ移行した。すなわち、ドロクイ属にとっては、砂浜海岸と泥干潟が隣接する海岸にセットで存在することが必要であることが明らかとなった。沖縄島で進行している大規模な埋め立ての結果、従来、異なる場所で産卵していた両種が、同じ場所で産卵せざるを得なくなり、その結果自然交雑種が出現すると推定された。(2)ヒメジ科15種:ヒメジ科魚類は、同所的に複数種が生息しているが、種毎に異なる形態的特徴(眼径・鬚)を持ち、それらの特徴により、採餌行動、採餌場所、採餌時間帯、餌生物が異なることが明らかとなった。すなわち、“食い分け"“棲み分け"“時間分け"併用することにより、サンゴ礁池内のマイクロハビタットを極めて上手く使い、複数種が同一環境に生息することを可能にしていることが分かった。(3)持続的有効利用への提言:サンゴ礁池に出現する水産重要種は、仔稚魚の着底場所、摂餌場所、生息場所など生活史の様々な段階でマイクロハビタットを上手く利用することで共存していることが明らかとなった。逆にいうと、大規模な埋め立て工事などの人為的な影響により、生息環境が単純化すると、種間交雑や生産性の著しい低下を引き起こすことが示唆された。今後、埋め立て等の人為的環境改変の際には、単純に成魚の生息場所野有無を論じるのみでなく、成長段階や種間でのマイクロハビタットの利用方法を詳細に検討してその影響を評価する必要がある。中城湾における水産重要種を選び、その再生産機構に関する解析を行った。その結果、埋立ての進行がドロクイ類の再生産に影響を与える可能性が示唆され、埋立ての進行した場所ではリュウキュウドロクイとドロクイの間で交雑が生じる可能性が明らかとなった。また、ヒメジ類は成長に伴い、深い場所に移動する種と一生浅い所にいる種に分かれることが明らかとなり、同じ漁法であっても両者の成魚に対する漁獲圧が大きく異なることだ示唆された。これらの知見は、いずれも印刷もしくは口頭発表済みである。24年度が最終年度であるため、記入しない。来年度は、研究計画の最終年度に当たるため、ドロクイ類、ヒメジ類に加え、水産上の重要種であるフエダイ類のデータを収集し、それらの再生産機構の特徴とそれに与える人為的な環境撹乱の影響を考察していきたい。さらに、ドロクイ類の2種の産卵場を確定し、なぜ交雑が生じるのかを明らかにしたい。さらにドロクイ類の各成長段階における生息場所を明らかにし、どのような環境が生育に必要であるのかを解明する予定である。
河口域の流れと物質輸送過程の数値モデルの開発-亜熱帯性沿岸湿地帯への適用をめざして-

沿岸海域の適正利用のための環境管理や環境創造の政策を立案・決定する過程で、目に見えた形で海域の物理現象を捉え、物質の輸送・分散過程を把握することが第一義的に重要である。対案に対して長所・短所は何か、また、変更により何がどのように変化するかを、対話しながら、目で見て判断するシュミレーションが必須である。わが国の研究者の関心は物理現象の追求に偏り勝ちであり、その成果を社会や行政に還元するための努力は二次的な評価しかされていない。社会的な背景の違いもあろうが、英国では研究成果を誰にでも理解できるように画像処理され、それが行政の政策決定の一資料として利用されている。本研究では日英で独自に開発してきた数値モデルと画像解析技術を相補的に利用し、さらに乱流計測に基づいて精度の向上を図ることにより、亜熱帯性沿岸湿地帯の流れや物質輸送過程を表現できる数値実験手法の確立、ならびに水環境管理のためのコンピューター支援システムの開発を研究目的として研究を実施した。マレーシア理科大学で行った研究集会と、メルボ-ク河口のマングローブ水域の視察ならびに実測によって、マングローブ特有の物理現象の理解が得られた。また、準備段階も含めて通算7回もの打ち合せの機会を得ることができ、数学モデルの相互理解が円滑に進み、以下に示す成果が得られた。1.水環境管理のためのコンピューター支援システムの確立と大阪湾の水環境管理への適用:大阪大学で開発した三次元バロクリニック流れの数値モデルの後処理にBradford大学で開発された対話型画像処理システムを導入することによって、大阪湾の流動や水質構造の三次元構造が色鮮やかな密度分布やベクトル表示した流速分布として図化可能になった。その結果、専門的知識を持ち合わせていない人にも物理現象が容易に理解できるようになった。アセスメントの事例として、大阪湾の15mあるいは18mより浅い海域の埋立を想定した数値実験を行って、人為的な開発行為の影響がどの範囲まで、またどの程度の流速変化や密度変化をもたらすかを可視化で表現できた。その結果、影響の度合を視覚的に、かつ定量的に評価できることが可能となった。さらに、大量の粒子追跡の数値実験により、物質輸送機構に及ぼす恒流や密度流の効果が定量的に評価できるようになった。2.成層条件下の高次乱流モデルの開発とその検証:河口・沿岸海域の流動や物質の輸送過程を精度高く表現するためには、高次乱流モデルの適用が必須である。大阪大学で開発した乱流モデル(k-εやASM)をBradford大学に移管し、彼らが長年実施してきたConway河口での実測やレーザー・ドップラー流速計を用いた精度の高い湾口モデルでの乱流計測の結果との比較から乱流モデルの精度の向上を図ることができた。3.日英で独自に開発した二次元・三次元数値モデルのマングローブ水域への適用とその検証:マレーシア理科大学でマングローブ水域での物質輸送過程に関する研究集会を1993年4月に行い、メルボ-ク河口の視察や現地実測に参画した。また、別途計測されたデータ(水位・流速・塩分濃度・温度・栄養塩類等)の解析から、水域特性のモデル化を図った。その特徴は、クリーク・スオンプス系に見られる一時貯留効果であり、もう一つはクリークの蛇行性である。上流になると3mの水深に振幅約1mの潮汐変化があることから三次元的な取扱いは現状では難しい。そこで、Bradford大学で開発された曲線座標系で計算可能であり、しかも陸域への氾濫水の先端部の挙動を表現できる平面二次元モデルのメルボ-ク河口への適用を試みた。スオンプス内のマングローブ林や木根は河床抵抗の増大として取り扱った。その結果、河口部で観測される流速変動の非対称性や一時貯留された物質の時間遅れの輸送過程をうまく再現できることが分かった。但し、実測データの不足から、上記1.や2.のような水準まで到達していない。実測データの蓄積が必要である。

1.水環境管理のためのコンピューター支援システムの確立と大阪湾の水環境管理への適用:大阪大学で開発した三次元バロクリニック流れの数値モデルの後処理にBradford大学で開発された対話型画像処理システムを導入することによって、大阪湾の流動や水質構造の三次元構造が色鮮やかな密度分布やベクトル表示した流速分布として図化可能になった。その結果、専門的知識を持ち合わせていない人にも物理現象が容易に理解できるようになった。アセスメントの事例として、大阪湾の15mあるいは18mより浅い海域の埋立を想定した数値実験を行って、人為的な開発行為の影響がどの範囲まで、またどの程度の流速変化や密度変化をもたらすかを可視化で表現できた。その結果、影響の度合を視覚的に、かつ定量的に評価できることが可能となった。さらに、大量の粒子追跡の数値実験により、物質輸送機構に及ぼす恒流や密度流の効果が定量的に評価できるようになった。2.成層条件下の高次乱流モデルの開発とその検証:河口・沿岸海域の流動や物質の輸送過程を精度高く表現するためには、高次乱流モデルの適用が必須である。大阪大学で開発した乱流モデル(k-εやASM)をBradford大学に移管し、彼らが長年実施してきたConway河口での実測やレーザー・ドップラー流速計を用いた精度の高い湾口モデルでの乱流計測の結果との比較から乱流モデルの精度の向上を図ることができた。3.日英で独自に開発した二次元・三次元数値モデルのマングローブ水域への適用とその検証:マレーシア理科大学でマングローブ水域での物質輸送過程に関する研究集会を1993年4月に行い、メルボ-ク河口の視察や現地実測に参画した。また、別途計測されたデータ(水位・流速・塩分濃度・温度・栄養塩類等)の解析から、水域特性のモデル化を図った。その特徴は、クリーク・スオンプス系に見られる一時貯留効果であり、もう一つはクリークの蛇行性である。上流になると3mの水深に振幅約1mの潮汐変化があることから三次元的な取扱いは現状では難しい。そこで、Bradford大学で開発された曲線座標系で計算可能であり、しかも陸域への氾濫水の先端部の挙動を表現できる平面二次元モデルのメルボ-ク河口への適用を試みた。スオンプス内のマングローブ林や木根は河床抵抗の増大として取り扱った。その結果、河口部で観測される流速変動の非対称性や一時貯留された物質の時間遅れの輸送過程をうまく再現できることが分かった。但し、実測データの不足から、上記1.や2.のような水準まで到達していない。実測データの蓄積が必要である。英国側スタッフの3月の来日(The Brirish Council Tokyoの支援)時の第1回を含む4回の研究打ち合せを通して、マングローブ林の水理特性に関する情報の交換、研究調査課題の設定、ならびに両大学で独自に開発済みの数値モデルの相互移管の可能性等、を検討し、相互理解を深めた。さらに、沿岸河口域の水環境の保全のための環境評価技術や制御技術の開発を目標に次の項目について検討した。(1)水環境管理のためのコンピューター支援システムの確立と大阪湾の水環境管理への適用:大阪大学で開発した三次元密度流数値モデルにBradford大学で開発した対話型画像処理システムを導入することによって、大阪湾の流動や水質構造の予測結果の可視化を可能にした。さらに、埋立を想定した地形改変の数値実験を行い、水環境の保存のためには埋立を含む再開発の許容範囲(埋立面積、水深)は如何ほどであるべきか、また水環境の保全のためには如何なる技術的な対応を考えるべきか、を検討した。
中・長期モニタリングデータの解析によるサンゴ群集の時空間動態の解明

環境省のモニタリングサイト1000調査で観測されたサンゴ被度を3段階にクラス分けし、被度クラスの年変化パターンにもとづいて調査値を類別化する解析を行った。カテゴリカル変数に対するクラスター解析の結果から、196調査地点の約31%の地点で、2007年の大規模サンゴ白化現象でサンゴ被度が減少し、その後回復せず低い状態のままであること、またその多くは石西礁湖の中南部に位置することがわかった。これらの結果は、これまで行ってきたサンゴ被度絶対値のクラスター解析の結果と大きく変わることはなかった。得られた結果を学術論文にまとめた。また、石西礁湖自然再生事業で取得された2004年2013年までの調査データを整理し、解析を行った。サンゴ群集復元力を評価するために、定着基盤へのミドリイシ科幼サンゴの着底数と、自然基底へのミドリイシ科稚サンゴ加入数の相関関係を調べたところ、石西礁湖の北側礁縁部は幼サンゴ、稚サンゴともに加入が多く、復元力が高い可能性が示唆された。この結果は、モニタリングサイト1000調査の解析にもとづいて検出されたサンゴ被度回復力が高い地域と一致する。また、幼サンゴの着底数に比べて、稚サンゴ加入数が多い地点も中南部に2地点確認され、ミドリイシ科幼サンゴの生育に適した地点がスポット的に存在することが示唆された。優占種の生活史特性については、長崎の定点方形区の調査データを解析し、エンタクミドリイシの成長率、死亡率を求めた。沖縄島および石西礁湖のクシハダミドリイシの成長率については、既存の研究報告を確認した。亜熱帯域の成長率は暖温帯より大きかったが、近年の石西礁湖の成長率は暖温帯と同程度にまで低下しており、ミドリイシの成長が何らかの要因で減退していることが示唆された。石西礁湖のサンゴ群集復元力を評価するために、1983年から2013年までの調査データを整備し、データベースを作成した。サンゴ被度の顕著な増加が見られた1991年以降に着目し、69地点においてサンゴの回復力の指標として大規模撹乱後の4年間のサンゴ被度変化量を計算した。1998年および2007年のサンゴ大規模白化後に被度が40%以上増加した地点数は、1990年までのオニヒトデ大発生後に比べると極めて少なかった。また、北側外縁部の地点はどの年代もサンゴ回復力が高かったのに対し、礁内部の地点は近年回復力が低かった。北側外縁部はミドリイシ科新規加入数が多い傾向があり、高いサンゴ回復力の要因の一つと考えられる。亜熱帯から温帯のサンゴ群集時空間ダイナミクスを明らかにするために、2004年から2013年までの環境省モニタリングサイト1000事業の調査結果をまとめたデータベースを作成した。サンゴ被度の1年間の変化量を算出し、優占するサンゴ型や地形を分類した。サンゴ被度の経年変化は、石西礁湖・奄美群島では減少、沖縄島周辺離島では増加、他の調査海域では変動はあるものの顕著な傾向は見られなかった。一般に、サンゴ被度年変化量およびミドリイシ科加入数は琉球諸島で大きく、九州・本州で小さい傾向があった。しかし九州・本州の各地でもサンゴ被度が大きく減少した年があり、その前年にオニヒトデの発生や高い白化率が見られた。オニヒトデとサンゴ白化は、亜熱帯と温帯ともにサンゴ群集へ与える影響が大きいと考えらえる。サンゴ型は、琉球諸島ではミドリイシ優占群集が近年減少し、多種混成型に変わった一方で、九州・本州ではミドリイシ優占群集が経年的に多く見られた。これまで石西礁湖および周辺海域での環境省モニタリングサイト1000事業の調査データを集中的に解析し、サンゴ被度の年変化パターンの類別や撹乱要因との関係性の検討を行ってきた。得られた結果を学術論文にまとめたが、モニタリングサイト1000事業ではサンゴ被度や撹乱ダメージなど定量的なデータに関しても目視観測を行っているためデータの信頼性が疑問視され、国際学術雑誌での出版には至らなかった。引き続き改訂を重ねる必要がある。本研究課題では、石西礁湖だけでなく、沖縄島から九州・本州まで対象海域を広げてサンゴ群集時空間ダイナミクスを解析することを目的の一つとしているが、モニタリングサイト1000事業の調査データは国際学術雑誌での受け入れが厳しい可能性がある。そのため、申請書で検討したような精度の高い解析ではなく、おおまかな傾向を議論する方針が良いと判断し、まずは調査海域ごとのサンゴ群集の変動や撹乱要因との関係性を検討した。今後は、得られた結果を統計的にサポートする必要があると考えている。石西礁湖のサンゴ群集復元力に関しては、撹乱後のサンゴ被度回復量を指標として対象地点の特徴を明らかにすることができた。各地点での撹乱の有無や強度のデータは整備できたが、有用な撹乱強度のスコア化はできなかった。今後は物理環境要因とも合わせて、各地点の撹乱や環境条件の指標化を検討する必要があると考えている。石西礁湖のサンゴ群集の現状を評価するために、2014年から2016年までの環境省モニタリングサイト1000事業の調査データを追加し、データベースを更新した。

2016年に大規模なサンゴ白化が生じ、サンゴ被度は顕著に減少した(202調査地点の平均被度:2015年は30.3%、2016年は20.3%)。サンゴ被度が30%を超える地点のほとんどは、コモンサンゴやユビエダハマサンゴなど白化の影響を受けにくいサンゴが優占しており、ミドリイシ科サンゴが見られたのは西表島北部とヨナラ水道の地点に限られていた。石西礁湖内部のサンゴ被度は2016年も510%と低かったが、昨年度の解析からサンゴ回復力は低いことが示されており、サンゴ群集の迅速な回復は期待できないと考えられる。一方、北側外縁部のサンゴ被度は2016年に1030%に減少したが、ミドリイシ科新規加入数が多くサンゴ回復力が高いため、大規模白化などの大きな撹乱がなければ今後の被度増加が期待できる。これまで環境省モニタリングサイト1000事業の調査データを詳細に解析してきたが、モニタリングサイト1000事業ではサンゴ被度や撹乱ダメージなどの定量的データを目視観測で算出している。観測データの検証を行うため、サンゴ被度が550%の範囲で12地点を選出し、精度が高いとされるフォトトランセクト法によるデジタル画像解析と目視観測の結果を比較した。デジタル画像解析と目視観測で得られたサンゴ被度は有意な正の相関が見られたが、目視観測は高被度地点ほどサンゴ被度を過大評価する傾向が見られたことが分かった。また、優占種の生活史特性を明らかにするために、石西礁湖のクシハダミドリイシ、長崎のエンタクミドリイシについて、マーキング個体の生存確認や投影面積の計測を進めた。これまで石西礁湖および周辺海域での環境省モニタリングサイト1000事業の調査データを集中的に解析し、サンゴ被度の年変化パターンの類別や撹乱要因との関係性の検討を行ってきた。得られた結果を学術論文にまとめたが、モニタリングサイト1000事業ではサンゴ被度や撹乱ダメージなど定量的なデータに関しても目視観測を行っているためデータの信頼性が疑問視され、国際学術雑誌での出版には至らなかった。その疑問に答えるため、今年度は最も精度が高いとされているフォトトランセクト法を用いた野外調査を行い、デジタル画像解析によりサンゴ被度を算出し、目視観測による結果と比較した。デジタル画像解析と目視観測で得られたサンゴ被度は有意な正の相関が見られたが、目視観測はサンゴ被度を過大評価する傾向があった。今後は過大評価の要因が、サンゴの種や分布パターン、調査の空間スケールによって生じるのかを検討する必要がある。上述した結果から、モニタリングサイト1000事業の調査データには誤差が少なからず含まれると考えられる。これまで行ってきた解析の精度を再検討する必要があるだろう。とくに、サンゴ被度の年変化についての時系列クラスター解析はサンゴ被度の変化量に敏感であるため、再考した方が良いと思われる。一方、優占種であるテーブル状ミドリイシ類サンゴについては、調査データの整備が完了し、死亡率や成長率などの基礎データの収集が進められた。環境省のモニタリングサイト1000調査で観測されたサンゴ被度を3段階にクラス分けし、被度クラスの年変化パターンにもとづいて調査値を類別化する解析を行った。カテゴリカル変数に対するクラスター解析の結果から、196調査地点の約31%の地点で、2007年の大規模サンゴ白化現象でサンゴ被度が減少し、その後回復せず低い状態のままであること、またその多くは石西礁湖の中南部に位置することがわかった。これらの結果は、これまで行ってきたサンゴ被度絶対値のクラスター解析の結果と大きく変わることはなかった。得られた結果を学術論文にまとめた。
海洋植物プランクトンを利用した自然サイクル中における二酸化炭素固定化に関する研究-微量鉄化学種による光合成制御-

前年度に引き続き、植物プランクトンが産出する鉄結合配位子の探索を行うとともに、植物プランクトンの鉄取り込み機構を解析し、その生長に関与する因子の解明を試みた。植物プランクトンの鉄取り込みに係わる生理活性物質の探索では、前年度に見いだした鉄結合配位子を高速液体クロマトグラフィーを用いて分離する手法を確立した。鉄制限下における培養実験より、単一の植物プランクト種から複数の鉄結合配位子が放出されるが、ほとんどの配位子は分子量1kDa以下で鉄に対して強い錯生成能力を有する親水性化合物であることが分かった。更に本研究では、遺伝子工学手法により鉄運搬体形成遺伝子の同定・分離を試みた。ディファレンシャルディスプレイ法を用いて、植物プランクトンから鉄取り込みに関与する遺伝子群のスクリーニングを行い、植物プランクトンの鉄トランスポーター遺伝子のクローン化、及び、ノーザンブロッティングによる誘導発現の確認、組み換え酵母での発現等を実施した結果、鉄の取り込みに関与する遺伝子群を複数同定することができた。これらの遺伝子群は、主に、鉄還元過程を担う機能分子の発現に関与することが分かった。一方、有機鉄錯体を用いた植物プランクトンの生長制御に関する検討では、放射性トレーサー^<55>Feを用いて、鉄結合配位子を加えた際に植物プランクトンの細胞表面で生じる鉄量と存在状態の変化を観測することができた。植物プランクトンは、通常の条件では細胞表面にある程度の鉄を貯蔵するが、培養液中における鉄結合配位子の濃度が高くなると、細胞表面の鉄が急激に減少することが分かった。この現象は、植物プランクトンの増殖速度に直結したことから、環境水中に鉄結合配位子を散布することにより植物プランクトンの増殖を制御できる可能性を示している。(1)プランクトンが放出する植物シデロホアの探索競争的配位子平衡反応を組み合わせた吸着カソーディックストリッピングボルタンメトリー法を用いたシデロホアの高感度測定法を開発し、植物プランクトンが放出するシデロホアの定量と錯生成定数の解析を可能にした。また、海洋植物プランクトンの単離株の培養にこの方法を適用して、複数の系統群からなる植物プランクトンから、鉄に強く配位する有機配位子を見いだした。同配位子は、同種の植物プランクトンの鉄取り込み量と一次生産速度を促進し、他種の植物プランクトンの生長を阻害したことから、シデロホアである可能性が高い。(2)鉄キレート錯体を用いた植物プランクトンの鉄取り込み機構の解析鉄欠乏状態における植物プランクトンの鉄取り込み機構を化学的性質が既知のEDTA類縁体を用いて検討した。鉄キレート錯体存在下におけるプランクトンの生長曲線から、キレート配位子の生長抑制効果における規則性を見いだすことができた。放射性トレーサー^<55>Feを用いて細胞内及び細胞表面への鉄取り込み量を明らかにした結果、鉄欠乏状態におけるキレート配位子の生長抑制効果は、特に、細胞表面への鉄取り込み速度に依存することが分かった。更に、鉄の取り込み機構に関する数理モデルを構築し、生長抑制効果の規則性は鉄/キレート配位子の濃度比とキレート配位子の鉄及びカルシウム、マグネシウムに対する錯生成定数より説明できることを証明した。実際の海水中においても、鉄は主に有機錯体として溶存しているとの報告が近年相次いでいる。本研究の成果は、鉄が低濃度の海域では、有機配位子の散布により植物プランクトンの鉄の利用度が変化し、その生長を制御できる可能性を示す点で意義深い。本研究では、(1)プランクトンが放出する植物シデロホアの探索、(2)鉄キレート錯体を用いた植物プランクトンの鉄取り込み機構の解析、(3)シデロホア生合成に係わる遺伝子の同定と組み替え微生物の創成に関する研究の3つの研究項目に取り組んだ。プランクトンが放出する植物シデロホアの探索では、競争的配位子平衡反応を組み合わせた吸着カソーディックストリッピングボルタンメトリー法を用いた高感度測定法により、複数の系統群からなる植物プランクトンが鉄に強く配位する有機配位子を放出することを見いだした。有機配位子は鉄欠乏状態下において多く放出されるが、その際、植物プランクトンの細胞膜中においてはタンパク質の組成変化が生じることが分かった。一方、有機鉄錯体を用いた鉄取り込み機構の解析では、有機配位子の生長に対する影響や鉄の取り込み経路はプランクトンの種によって多様であることが示唆された。溶液中における鉄の化学平衡モデルを用いて植物プランクトンの生長に関与する化学的因子を解析した結果、鉄欠乏状態における植物プランクトンの生長は、鉄と有機配位子の濃度比、及び、有機配位子の化学的性質により決定されることを明らかにした。鉄の取り込みにおいて観測された植物プランクトンの多様性は、鉄欠乏条件下において細胞内外で生じる分子レベルでの変化に起因していると考えられる。更に本研究では、鉄取り込み機構に関与する遺伝子群を探索する第一段階として、鉄欠乏状態における植物プランクトンからRNAを分離精製する手法を確立した。今後は、植物プランクトンの鉄トランスポーター遺伝子のクローン化や、系統分類学的解析、ノーザンブロティングによる誘導発現の確認および組み換え酵母での発現等を実施し、植物プランクトンの鉄取り込み機構の全貌を分子生物学レベルで明らかにしたいと考えている。

植物プランクトンの鉄取り込みに係わる生理活性物質の探索では、前年度に見いだした鉄結合配位子を高速液体クロマトグラフィーを用いて分離する手法を確立した。鉄制限下における培養実験より、単一の植物プランクト種から複数の鉄結合配位子が放出されるが、ほとんどの配位子は分子量1kDa以下で鉄に対して強い錯生成能力を有する親水性化合物であることが分かった。更に本研究では、遺伝子工学手法により鉄運搬体形成遺伝子の同定・分離を試みた。ディファレンシャルディスプレイ法を用いて、植物プランクトンから鉄取り込みに関与する遺伝子群のスクリーニングを行い、植物プランクトンの鉄トランスポーター遺伝子のクローン化、及び、ノーザンブロッティングによる誘導発現の確認、組み換え酵母での発現等を実施した結果、鉄の取り込みに関与する遺伝子群を複数同定することができた。これらの遺伝子群は、主に、鉄還元過程を担う機能分子の発現に関与することが分かった。一方、有機鉄錯体を用いた植物プランクトンの生長制御に関する検討では、放射性トレーサー^<55>Feを用いて、鉄結合配位子を加えた際に植物プランクトンの細胞表面で生じる鉄量と存在状態の変化を観測することができた。植物プランクトンは、通常の条件では細胞表面にある程度の鉄を貯蔵するが、培養液中における鉄結合配位子の濃度が高くなると、細胞表面の鉄が急激に減少することが分かった。この現象は、植物プランクトンの増殖速度に直結したことから、環境水中に鉄結合配位子を散布することにより植物プランクトンの増殖を制御できる可能性を示している。
半導体量子細線、量子点構造の動的電気伝導度と電磁波・光応答

半導体ヘテロ構造や量子細線、ドット構造の低次元電子系の光物性の解明と新しい現象の予測を目指してきた。本年度は次の3項目について研究を進めた、2、3については短報を発表できた。1.多数キャリア中に光励起された少数キャリアのクーロン・ドラッグ効果を引き起こす"電子-ホール散乱"を中心に運動量緩和率、動的電気伝導度の振動数依存を調べた。2.表面グレーティングを介する励起子ポラリトン発光スペクトルを計算した。これに加え集団的2次元プラズマ振動による遠赤外光放射を扱った。3.2次元電子系の強磁場中の発光理論を展開した。
奥行き知覚と材質感に対する情報処理過程の研究

1.ランダムドットステレオグラムを用いて、透明な面が見える条件を実験で調ベた。その結果、二つの面の視差の差が2min以内なら1つの面が知覚されるが、差がそれ以上大きいと2面が知覚された。ただ、上の面が透明であるかどうかの判定はむずかしく、単にそれぞれの面が切れ切れに断片的にまとまって、見えることもある。2.つぎに、単眼視において透明な面が見える条件を再検討した。これは画像強度と面の反射率・透過率などの関数になっている。これまでのエピスコティスタモデル(Metelli,1970;Beck & Ivry,1988;Gerbinos,1990)を中心とする透明感形成モデルの再検討を行った。3.つぎに両眼立体視アルゴリズムの内、2重の面が見えるアルゴリズムを再検討した。これに対するアルゴリズムは、Prazdny(1985),Nishihara(1988),Lehky and Sejnowski(1990)のものがあるが、いずれも不完全である。特に知覚される面のはっきりとした不連続感を説明できていない。そこで、「視覚大脳皮質の計算理論」の立場から両眼立体視アルゴリズムの再検討を行った。特に、光学および逆光学の操作をいかに実現させるかを問題にした。また面の補間過程に透明感の情報をいかに導入するかが中心的問題である。乾ら(1990)が提案した首尾一貫性保持機構の考えに基づき、モジュール間の相互作用の関係をモデル化し、川人・乾(1990)が提案した高次視覚野のモデルをより精緻化することを試みた。この結果は、本年の日本心理学会で発表予定である。
直接操作を基にした個人適応能力を有する誘発型ユーザインタフェースに関する研究

本研究では,直接的な3次元動作入力を基にした仮想環境との自然で効率的なインタラクションを実現する手法について研究を進めている.まず,そのための要素技術として,画像認識による非接触な3次元身体動作の計測手法を開発し利用する.非接触での身体動作の計測は,効率やそのスマートさから仮想空間と実空間とのシームレス化に重要であるという視点に立っている.本年度の主な研究成果は以下の通りである.1.非接触な方式による実時間手指形状の推定手指の形状はインタラクションに重要な情報であるという観点からビジョン技術を用いて手指形状を実時間で推定する手法について研究を進めた.今年度は,複雑背景下への対応,形状推定パラメータの増加(手首周りの回転角度の推定)など,昨年度の成果を更に発展させた.2.身体姿勢計測のためのパラメータ推定法の開発従来我々が開発していた,多視点画像解析による実時間身体姿勢推定アルゴリズムは,身体モデルにおいて,上腕,下腕などの各部位の長さは既知と仮定していた.今年度は,これらの既知としたパラメータをいくつかの基本姿勢を撮影した画像から推定する手法を開発し,従来の姿勢推定アルゴリズムの適用性を向上させた.本研究では,直接的な3次元動作入力を基にした仮想環境との自然で効率的なインタラクションを実現する手法について研究を進めている.まず,そのための要素技術として,画像認識による非接触な3次元身体動作の計測手法を開発し利用する.非接触での身体動作の計測は,効率やそのスマートさから仮想空間と実空間とのシームレス化に重要であるという視点に立っている.本年度の主な研究成果は以下の通りである.1.非接触な方式による手指形状の推定手指の形状はインタラクションに重要な情報であるという観点からビジョン技術を用いて手指形状を実時間で推定する手法について研究を進めた.今年度は,マーカなどを全く用いず非接触,実時間で手形状を推定する手法を開発した.その概要は,画像からの特徴抽出,手の形状モデル,関節運動の拘束条件を組み合わせた逆運動学によるものである.2.画像からの視線推定直接操作インタフェースをさらに効率的に利用できるよう,ユーザを撮影した画像からユーザの視線方向を推定するアルゴリズムを開発した.画像から顔の向き,虹彩の形状位置をもとに,眼球モデルと画像特徴とのフィッテングを行い,視線を推定する.また,視線を用いたユーザインタフェースの枠組みについても検討した.本研究では,直接的な3次元動作入力を基にした仮想環境との自然で効率的なインタラクションを実現する手法について研究を進めている.まず,そのための要素技術として,画像認識による非接触な3次元身体動作の計測手法を開発し利用する.非接触での身体動作の計測は,効率やそのスマートさから仮想空間と実空間とのシームレス化に重要であるという視点に立っている.本年度の主な研究成果は以下の通りである.1.非接触な方式による実時間手指形状の推定手指の形状はインタラクションに重要な情報であるという観点からビジョン技術を用いて手指形状を実時間で推定する手法について研究を進めた.今年度は,複雑背景下への対応,形状推定パラメータの増加(手首周りの回転角度の推定)など,昨年度の成果を更に発展させた.2.身体姿勢計測のためのパラメータ推定法の開発従来我々が開発していた,多視点画像解析による実時間身体姿勢推定アルゴリズムは,身体モデルにおいて,上腕,下腕などの各部位の長さは既知と仮定していた.今年度は,これらの既知としたパラメータをいくつかの基本姿勢を撮影した画像から推定する手法を開発し,従来の姿勢推定アルゴリズムの適用性を向上させた.
ハイドロゲルを用いた含有機酸廃水の淨化法の開発

フェノールに代表される有機酸は比較的水中溶解度が大きく、深刻な水汚染の原因になりやすい。すなわち、一度溶解すると分離しづらい。さらに生体毒性もあるため生分解も遅い。このため、水に溶解した有機酸は人工的な手段(何らかの工程)で除去される必要がある。申請者らはこれら有機酸と特異的に相互作用する種をハイドロゲルやガラス(アモルファス固体媒体)などのハンドリングが容易な媒体に固定化することにより、取扱いが容易な廃水処理材の開発を行っている。ここでは相互作用種の安定な固定化と、拡散操作の最適化による本方法のフィージビリティー改善が研究の目的であった。平成19年度は本若手研究(A)の量終年度にあたった。そこで申請者らはハイドロゲルもしくはその類似媒体の拡散操作における迅速化と機械的強度の大幅な改善を行い、これらを実際に使用できる系へレベルアップすることを企図した。まず第一に被固定化種の更なる安定化が必要である。島津製作所製フーリエ変換赤外分光光度計IR PRESTAGE-21を用いて被固定化種の長期間の安定化の実験的検討を行い、これを実証した。更に、ハイドロゲルは膨潤環境で使用されるにせよ、乾燥した環境で用いられるにせよ、実用上充分な磯械的強度を有することが大切である。この点を検証しながら研究を進めるために、島津製作所製微小硬度計HMV1Tを用いて強度の検討を行った。実用に供せられる十分な強度を持つハイドロゲル/ガラス媒体を作製し、本手法が廃水からの溶解有機酸種の除去に有効であることを示した。これまでに論文等での外部発表に到っている。また続報も引き続き化学工学関係の学会で発表する予定である。ゲルは高分子のとる形態のひとつである。架橋構造の存在により、固体であるが内部に大量の溶媒(水等)を包含することが出来る。この為、外部水相環境から物質を取り込むという機能に於いて特性が発揮される。本研究では、ゲル系のその特性を活用し、水性廃液中の有毒物質であるフェノールをゲル内へ吸着除去する方法論を確立し、工業的技術として実用的に利用可能な水準まで具体化することを目的とする。本年度は特に、両親媒性のゲルであるイソプロピルアクリルアミド並びにヂメチルアクリルアミドを吸着媒体とし、その構造、吸着性能、熱的耐久性、化学的耐久性の見地から基礎的な検討を行なった。塩基性雰囲気で燐酸エステルの一種である燐酸トリブチル(以下TBP)を、ゲルの主鎖を構成するモノマー種と混合して重合を行い、ゲル内にTBPを固定化することが出来た。TBPはフェノールに対して特異的に親和性の高い物質である。このため、TBPが固定化されたハイドロゲルは顕著なフェノールの吸着能を示した。吸着能の指標としては平衡分配比を用いた。結果、平衡分配比は最適条件下では100弱になった。これは、従来のTBPによる液液溶媒抽出法の性能に匹敵する値である。ゲル中にTBPを固定化することにより、従来の液液抽出法と比較して、TBPのハンドリング性が著しく改善された。ハンドリング性の改善は本課題の主要テーマのひとつであったので、この点において本年度成果を挙げる事が出来た。環境技術としての将来性を考えると、ゲルの再利用の可能性は重要な点である。これには、一度吸着したフェノールをゲルから脱離させる必要が有る。フェノールは酸性有機化合物であるため、塩基性雰囲気においてイオン化されて遊離することが期待された。このため、外部に塩基性水相を配置して、ゲル内部に吸着されたフェノールを遊離させることを試みた。pH値が10よりも大きな領域でフエノールは水相側へ遊離した。すなわち、脱離(ストリッピング)プロセスの可能性が示された。なお、ストリッピングは塩基条件下で行われるので、ゲルを塩基性雰囲気でも耐久性のあるものにする必要がある。この点については次年度の研究課題とするべきところである。ハイドロゲルを固定化媒体に用いた有害有機酸の水からの除去の研究を行った。除去用の吸着種としては廉価な燐酸エステル種である燐酸トリブチルを用いた。燐酸トリブチルは疎水性であるため、固定化媒体のハイドロゲルとしてはイソブチルメタクリレートが適切であることがわかった。従来アクリルアミド系のゲルを固定化媒体として採用していたが、これをイソブチルメタクリレートに切り換えることにより燐酸トリブチルの固定化量を3倍程度まで増加させることが出来た。この結果有機酸、特にもっとも生態毒性が強いフェノールの被固定化量を増大させることができ、ほぼそれに比例してフェノールの吸着除去能力を増進することができた。具体的には、吸着平衡の分配比を200-300程度まで増加させることができた。これは従来最も優れた方法と考えられてきた液液溶媒抽出法での平衡分配比の3倍程度である。すなわち、除去のために加える吸着剤の所要体積分率を従来の三分の一程度まで減らすことができることを意味する。さらにこれらのイソブチルメタクリレートにポリヴィニルアルコールやアルギン酸などの無害ゲルの薄層コーティングを施すことによりゲル材の機械的強度を革新的に向上させることに成功した。これにより塩基環境中での脱離操作が可能になった。すなわち、吸着材ゲルを繰り返して使用することができるようになった。これは本系を実用に供するときに非常に有利な点である。

また外部水相のフェノール濃度を時系列で測定すると、これが古典的な拡散方程式の解形式に一致することを示せた。データフィッティングによりゲル中での有害物質の分子拡散係数を求めることができた。この値は水相中の自由分子の拡散係数とオーダー的にはほぼ一致しており、ゲルが吸着操作において速度論的に操作阻害要因にはなっていないことを示す。フェノールに代表される有機酸は比較的水中溶解度が大きく、深刻な水汚染の原因になりやすい。すなわち、一度溶解すると分離しづらい。さらに生体毒性もあるため生分解も遅い。このため、水に溶解した有機酸は人工的な手段(何らかの工程)で除去される必要がある。申請者らはこれら有機酸と特異的に相互作用する種をハイドロゲルやガラス(アモルファス固体媒体)などのハンドリングが容易な媒体に固定化することにより、取扱いが容易な廃水処理材の開発を行っている。ここでは相互作用種の安定な固定化と、拡散操作の最適化による本方法のフィージビリティー改善が研究の目的であった。平成19年度は本若手研究(A)の量終年度にあたった。そこで申請者らはハイドロゲルもしくはその類似媒体の拡散操作における迅速化と機械的強度の大幅な改善を行い、これらを実際に使用できる系へレベルアップすることを企図した。まず第一に被固定化種の更なる安定化が必要である。島津製作所製フーリエ変換赤外分光光度計IR PRESTAGE-21を用いて被固定化種の長期間の安定化の実験的検討を行い、これを実証した。更に、ハイドロゲルは膨潤環境で使用されるにせよ、乾燥した環境で用いられるにせよ、実用上充分な磯械的強度を有することが大切である。この点を検証しながら研究を進めるために、島津製作所製微小硬度計HMV1Tを用いて強度の検討を行った。実用に供せられる十分な強度を持つハイドロゲル/ガラス媒体を作製し、本手法が廃水からの溶解有機酸種の除去に有効であることを示した。これまでに論文等での外部発表に到っている。また続報も引き続き化学工学関係の学会で発表する予定である。