hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
確率論的方法による離散シュレーディンガー作用素の逆散乱理論

格子上で定義された離散化されたシュレーディンガー作用素に対してランダムに変化するポテンシャルの確率論的情報を、散乱現象を記述する基本的物理量である散乱行列から導くことを目的とする。近似の度合いを示すパラメータとしてメッシュ幅をとり、メッシュ幅がゼロに近づくときの漸近近似としてポテンシャルの確率分布を記述することを目標とする。その際に必要になるレゾルベントのメッシュ幅に関する一様評価が自由ハミルトニアンに対して得られた。さらに離散モデルのレゾルベントの連続モデルのレゾルベントへの収束を論じるため、通常の離散化とは異なる新しい近似スキームを考案した。ランダムポテンシャルをもつシュレーディンガー作用素の連続モデルに対して、その散乱理論の基礎的研究を行った。先行研究としてHelsinki大学のM. Lassas, L. Paivarinta, E. Saksmanによる2次元のものがあり、さらに最近T. Helinも関連した研究を行っている。このため、M. Lassas, T. Helinとe-mailによって研究連絡を行い、最近の研究情報を収集した。連続モデルのシュレーディンガー作用素に関しては3次元においても確率論的逆散乱理論が構築可能であることがわかり、基本的なアイディアを検討した。また、離散モデルの場合の研究方向について討論し、エネルギーとメッシュサイズ双方を考慮した漸近解析に将来の方向があることを確認した。Isozaki-Korotyaevの論文(Inverse problems, trace formula for discrete Schroedinger operators, Ann. Henri Poincare, 2012, 751-788)により離散モデルの時にはポテンシャルを持たないシュレーディンガー作用素のレゾルベントが適当な重みを付けたヒルベルト空間の中でエネルギーパラメータをスぺクトルに近づけたときに極限をもち、それがエネルギーに関する一様評価を持つことが知られている。特にエネルギーの端点付近における一様評価が重要であるが、メッシュサイズを小さくした場合の対応する評価に問題解決の鍵があることが予測できた。ポテンシャルによる摂動を導入した場合にはメッシュサイズとエネルギーパラメータ双方に関連した2重スケールによる漸近解析を行うべきことを議論した。ランダムポテンシャルをもつ離散シュレーディンガー作用素の逆散乱問題については先行研究がなく、問題の設定そのものが困難であった。当初は連続モデルの例を勘案してレゾルベントを複素エネルギー平面に解析接続し、無限遠の複素エネルギーに関する漸近展開を想定していたが摂動の影響を適切に取り出すことができなかった。そこで問題を半古典的に設定し、離散化のメッシュサイズとエネルギーとの二重スケールで考える方針にたち、見通しを得ることができた。連続モデルに対するシュレーディンガー作用素の散乱問題において、ランダムなポテンシャルを考えたときに散乱振幅の高エネルギー部分からポテンシャルの分布に関する情報が得られることが知られている。この事実を離散シュレーディンガー作用素に対して拡張しさらにシュレーディンガー作用素の離散モデルと連続モデルとの対応を考えるのが研究目的である.正方格子上のポテンシャルを持たない離散シュレーディンガー作用素に対して、空間2,3の場合に格子幅に関して一様なレゾルベント評価を得た。連続モデルにおけるポテンシャルの階段関数による近似と調和するものである。ポテンシャルがある場合の同様なレゾルベント評価を得るため、ポテンシャルに結合定数として格子幅に依存する結合定数を導入し、格子幅に比して小さいポテンシャルを考える。これにより、摂動ポテンシャルが格子幅に対して減少するような場合の離散シュレーディンガー作用素に対しては散乱作用素の格子幅に関する展開が得られる。これらの考察によりシュレーディンガー作用素の離散モデルにおける散乱に関する物理量は連続モデルの対応する量に収束することが示される。これは新しい結果ではあるが、摂動ポテンシャルが格子幅に対して減少するという仮定が強すぎると思われ、さらに研究を必要とする。特に連続モデルでの高エネルギー部分の離散モデルにおける対応を考えるのが重要と思われ、研究を集中している。また格子上のシュレーディンガー作用素に関する新しい話題としてmetric graphに関する研究にも着手した。これは格子上の点のみならず格子間の辺上における電子の挙動も考慮するもので、格子上のシュレーディンガー作用素のモデルとして重要である。現在得られている格子幅に関する一様なレゾルベント評価はまだ不十分であり、より精密な評価が必要である。連続モデルにおける高エネルギーレゾルベント評価に対応するものが必要と考えられ、現在その発見を目指している。この研究の目標は格子上で定義された離散化されたシュレーディンガー作用素に対してランダムに変化するポテンシャルの確率論的情報を、散乱現象を記述する基本的物理量であるS行列から導くことである。特に確率分布の共分散を表す作用素を求めることを主な目標とする。先行研究として連続モデルのシュレーディンガー作用素に対しては高エネルギー近似が用いられたが、離散モデルには高エネルギーの概念がないため、近似の度合いを示すパラメータとしてメッシュ幅hをとり、hがゼロに近づくときの漸近近似としてポテンシャルの確率分布を記述することを目標とする。その際に必要になるレゾルベントのhに関する一様評価が低次元の場合に自由ハミルトニアンに対して得られた。これによりポテンシャルがメッシュ幅に比べて小さい場合には散乱行列のメッシュ幅に関する漸近展開が得られる。さらに深い結果を得るため、次のステップとして離散モデルのレゾルベントの連続モデルのレゾルベントへの収束を論じる必要があるが、これはシュレーディンガー作用素の基礎に関連する困難な問題である。そのため、現在行われている線形、非線形の近似問題、さらに数値計算における近似スキームを研究し、有力と思われる近似スキームを得た。特にに自由ハミルトニアンに対してはエネルギーまでこめた関数空間において離散シュレーディンガー作用素のレゾルベントの収束が分かるが、これは予想される一般の場合のプロトタイプとなる。この研究に関連して連続モデルの3次元シュレーディンガー作用素に対する新しいトレース公式を導いた。これは離散モデルにも拡張可能である。

格子上で定義された離散化されたシュレーディンガー作用素に対してランダムに変化するポテンシャルの確率論的情報を、散乱現象を記述する基本的物理量である散乱行列から導くことを目的とする。近似の度合いを示すパラメータとしてメッシュ幅をとり、メッシュ幅がゼロに近づくときの漸近近似としてポテンシャルの確率分布を記述することを目標とする。その際に必要になるレゾルベントのメッシュ幅に関する一様評価が自由ハミルトニアンに対して得られた。さらに離散モデルのレゾルベントの連続モデルのレゾルベントへの収束を論じるため、通常の離散化とは異なる新しい近似スキームを考案した。エネルギーとメッシュサイズ双方を考慮した漸近解析によるレゾルベント評価を行う。まず摂動項がない場合に行い、摂動項の処理もエネルギーとメッシュサイズ双方に注意して行う。ポテンシャルを含まない場合にこの評価を完成し、それと両立するポテンシャルの条件を探す。S行列のメッシュサイズに依存する評価、randomnessに関する平均、分散を考察する。離散シュレーディンガー作用素に関してレゾルベント評価の方法が進みつつあり、特にスペクトルの中央の点が、連続モデルの無限遠に対応するとの認識がなされている。離散シュレーディンガー作用素のスペクトルの中央部分でのレゾルベント評価を考える。この研究のためHelsinki大学との共同研究を行う。数理物理学Helsinki大学より研究者を招聘し、また研究代表者がHelsinki大学に渡航して共同研究を行う予定であったが、双方の時間的条件が合わず、e-mailのみによる連絡となった。Helsinki大学より研究者を複数回招聘し、また研究代表者が渡航することによって使用する。
淡水資源保全のためのエコテクノロジーの活用による環境汚染有機物質の高度処理

エストロゲンは,放出源として考えられている下水処理水の総エストロゲン様活性の主要原因物質であると考えられている.近年,低コストかつ環境にやさしい高度処理として人工湿地を使った処理が欧米にて広まっているが,そのエストロゲン除去能に関する研究は少ない.本研究では下水二次処理水対象として、既存の代表的な表面流方式および伏流方式の2種類の人工ヨシ湿地を用いて,そのエストロゲン浄化効果を検討した.水位においては地表面上にある表面流方式と,地表面下にある伏流方式について比較した結果,エストロゲンは水位によらずいずれも大きく減少することが明らかとなった.表面流方式と伏流方式の人工湿地におけるエストロゲン除去能がほぼ同様であることが確認された.さらに地表面上に有る場合に藻類が繁殖したことから遮光により繁殖を抑えたところ,エストロゲン除去能が大きく抑制された.このことから,地表面上にある場合は,藻類が繁殖しエストロゲン除去能に対し影響を与えていることが明らかとなった.さらに室内実験にても藻類のエストロゲン除去能を確かめられ,また,抗生物質を添加の有無に関わらず,エストロゲンが同様に減少したことから,藻類と共在する細菌によるものではなく,藻類自体の除去能であることが明らかとなった.人工湿地法における天然エストロゲン及び合成エストロゲンの処理特性を明らかにすることを目的とし、下水2次処理水を流入させた人工湿地を対象に研究を行った。処理特性に影響を与える水理学的条件として、浸透ろ床深さ、水位条件について調査を行った。また、処理特性を正確に把握するため、24時間連続サンプリングを行い、人工湿地法におけるエストロゲンの排出実態を調査した。人工湿地法におけるエストロゲンの処理機構を明らかにするため、コアサンプラーで人工湿地を打ち抜き、湿地内部の状態を調査した。その結果、水位によらず、ろ床深さ7.5cm系が最も除去率が高い。流入水中に含まれるエストロゲン活性は8.6ngE2等量/Lであり、浸透ろ床深さ7.5cm、30cm及び60cmの条件のそれぞれの除去率は78%、32%及び48%となった。浸透ろ床への吸着による除去は浸透ろ床深さによってほとんど変わらなかったことから、人工湿地法におけるエストロゲン活性の除去率の違いは根圏による分解に起因していることが明らかとなった。浸透ろ床深さ30cm及び60cmの条件に比べて、浸透ろ床深さ7.5cmの人工湿地内に植栽されたヨシは根毛が非常に発達していることが明らかとなった。人工湿地法におけるエストロゲン除去率を向上させるためには、浸透ろ床深さを制限することで根圏を高密度に発達させたり、低水位条件人工湿地にすることで流入水を根圏と接触させやすくしたりすることなどによって、根圏微生物による除去を受けやすくすることが重要であることが明らかとなった。エストロゲンは,放出源として考えられている下水処理水の総エストロゲン様活性の主要原因物質であると考えられている.近年,低コストかつ環境にやさしい高度処理として人工湿地を使った処理が欧米にて広まっているが,そのエストロゲン除去能に関する研究は少ない.そこで,本研究ではメソコスムスケールの人工ヨシ湿地を用いて,基盤深さ及び水面積負荷がエストロゲン除去に及ぼす影響について検討を行った.基盤深さが異なる2種類の人工湿地における2年間の結果により,水面積負荷が0.15m^3・m^<-2>・d^<-1>の場合,7.5cm系は60cm系と比較して,流出水中のE1,E2,EE2の濃度がいずれも低いことが確認された.この理由としては主に二つあると考えられる.一つは75cm系で基盤深さ制限による根圏の高密度化が起こり根圏微生物の増加及び活性化,二つめは浅い基盤による好気性雰囲気の増加に伴う好気性微生物の活性化である.水面積負荷の影響に関して,流出水のエストロゲン活性は,0.15と0.45m^3・m^<-2>・d^<-1>の条件で,大きな差異が見られなかったが,0.05m^3・m^<-2>・d^<-1>の場合,著しく低い値が得られる結果となった.特に,より好気的になりやすい浅い浸透ろ床深さ(7.5cm)のヨシ植栽系では、水面積負荷を0.05m^3・m^<-2>・day^<-1>を設定した場合に処理水中のエストロゲン様活性の除去率も90%以上であり、活性値も魚類に対する予測無影響濃度(1.0ng/L)以下であった.エストロゲンは,放出源として考えられている下水処理水の総エストロゲン様活性の主要原因物質であると考えられている.近年,低コストかつ環境にやさしい高度処理として人工湿地を使った処理が欧米にて広まっているが,そのエストロゲン除去能に関する研究は少ない.本研究では下水二次処理水対象として、既存の代表的な表面流方式および伏流方式の2種類の人工ヨシ湿地を用いて,そのエストロゲン浄化効果を検討した.水位においては地表面上にある表面流方式と,地表面下にある伏流方式について比較した結果,エストロゲンは水位によらずいずれも大きく減少することが明らかとなった.表面流方式と伏流方式の人工湿地におけるエストロゲン除去能がほぼ同様であることが確認された.さらに地表面上に有る場合に藻類が繁殖したことから遮光により繁殖を抑えたところ,エストロゲン除去能が大きく抑制された.

このことから,地表面上にある場合は,藻類が繁殖しエストロゲン除去能に対し影響を与えていることが明らかとなった.さらに室内実験にても藻類のエストロゲン除去能を確かめられ,また,抗生物質を添加の有無に関わらず,エストロゲンが同様に減少したことから,藻類と共在する細菌によるものではなく,藻類自体の除去能であることが明らかとなった.
アメリカオオアカイカの異味,異臭成分に関する研究

ペル-およびメキシコ沖で漁獲後凍結保存されたアメリカオオアカイカの胴肉を試料とし,異味異臭の強いもの及び正常なものをそれぞれ用いた。まず,生肉及び加熱について官能検査を行った。その結果,異味とは強い塩から味,酸味,苦味,生ぐさ味であることが明らかとなった。異味のために生肉の嗜好性は低かった。70°Cおよび100°C加熱によっても改善されなかった。アメリカオオアカイカの呈味は漁獲場所,魚体の大きさによって異なることがわかった。とくに魚体が大きくなると異味の発現が大きかった。揮発性塩基窒素(VBN),NH_3-Nは異常肉で極めて高かった。しかし,トリメチルアミンやポリアミンは低く,腐敗ではなかった。遊離アミノ酸は異味のあるアメリカオオアカイカでは,正常のイカあるいはスルメイカに比較して総量が50%以下と極めて低かった。甘味に関与するグリシン,プロリン,アラニンも異味のある肉で低含量であった。ATP関連化合物についてはアメカリオオアカイカではいずれの試料もヒポキサンチン(Hx)量が最も高く,次いでADPであった。Hxは苦味物質として知られているが,スルメイカ中のHx量と同程度であり,アメリカオオアカイカの苦味には関与しないと考えられた。また,旨味がスルメイカより弱いのはIMPとAMPが少ないことに起因すると考えられた。無機成分を測定したところ,陽イオンとしてK^+,Na^+が多く含まれた。陰イオンとしてはPO_4^<3->が低く,一方,Cl^-が高かった。従って,異味のあるアメリカオオアカイカに多量含まれるアンモニアは肉のpHが低いことから塩素イオンと結合して塩化アンモニウム(NH_4Cl)として存在し,塩から味,苦味を呈するNH_4Clがアメリカオオアカイカの異味の原因と結論した。これは官能検査の結果ともよく一致していた。さらに,上述の異常肉で遊離アミノ酸が極めて低いことも異味発現に関与すると考えられた。
自分撮り用デジタルカメラのジェスチャ認識に関する研究

本研究では、自分撮りを手軽にするためのカメラ撮影に関する研究を行った。すなわち、カメラにジェスチャ認識機能を組み込み、被写体がカメラにジェスチャで指示すると、カメラは写っている画像を実時間で自己認識し、その結果に基づいてカメラを制御するようなシステムを作成した。本研究では「ハンドジェスチャ」、「モーションベース・ハンドジェスチャ」および「ヘッドジェスチャ」の3種類のジェスチャを提案し、それぞれに対応するプロトタイプシステムを作成した。本研究によって、ジェスチャインタフェィスが自分撮りカメラを開発するための重要なインタラクション技術であることが示された。すなわち、カメラにジェスチャ認識機能を組み込み、被写体がカメラにハンドジェスチャで指示すると、カメラは写っている画像を実時間で自己認識し、その結果に基づいてカメラを制御する。我々は、デジタルカメラの代わりにパン&チルトカメラを利用し、プレビュー表示に大型ディスプレイを使用する「自分撮りカメラの試作システム」を平成24年度に構築したが、平成25年度には、こうした研究をさらに進め、プロ用デジタル一眼レフカメラを用いて新たな試作システムを構築した。ハンドジェスチャインタフェイスとしてはモーションベースのハンドジェスチャを採用した。具体的には、手を振る「ウェービング」、「8方向選択」、「手先の回転」の3つのタイプを用意した。また、本システムの評価を行い、実験の結果として、提案された3種類のハンドジェスチャを用いることにより、デジタル一眼レフカメラの多くの機能を制御することが可能であることを示した。さらにはヘッドジェスチャインタフェイスに基づくシステムを構築し、その評価を行った。ヘッドジェスチャインタフェイスは、頭部を使うジェスチャインタフェイスであり、ここでは、頭を縦に振る「ノッディング」、横に振る「シェイキング」、「口を開く」という3種類のジェスチャを提案した。自分撮りを行う際に、常に手までを画像に含むとは限らないが、頭部については常に画像に含まれるというのが、ヘッドジェスチャに着目した理由である。ここでは「ノッディング」と「シェイキング」によってズーミングの機能を実現し、「口を開く」ジェスチャによりシャッターを切るようにしている。本研究では、自分撮りを手軽にするためのカメラ撮影に関する研究を行っている。平成24年度には「ハンドジェスチャに基づいた自分撮りシステム」のプロトタイプIを作成した。プロトタイプIでは、デジタルカメラの代わりにWebカメラ、プレビュー画面を表示するために大画面液晶ディスプレィ、リアルタイムの画像解析のためにパーソナルコンピュータを用いている。シャッターを押すにはユーザは指先をプレビュー画面に半透明で重畳表示されたカメラアイコンの上に数秒間かざす。またカメラアイコンの下にカメラを操作するためのCross based interfaceが同じく半透明に十字状に重畳表示される。ジェスチャの部分について、じゃんけんのような手の形状を認識する第一水準のジェスチャ(静的基本ジェスチャ)の他に、動的な手の動きを感知する第二水準のジェスチャ(動的基本ジェスチャ)を認識できるようにし、ジェスチャの解析技術として、通常の指先の画像認識だけでなく、オプティカルフローを用いて解析を行うようにした。また「ハンドジェスチャに基づいた自分撮りシステム」のプロトタイプIIの一部を先行的に作成した。プロトタイプIIは、機能的にはプロトタイプIと同様であるが、持ち運び可能な携帯型のシステムである。プロトタイプIIではカメラもWebカメラではなく、通常の一眼レフデジタルカメラを使用した。平成24年度については、「ハンドジェスチャに基づいた自分撮りシステム」のプロトタイプIを作成する予定であったが、プロタイプの実装は順調に進み、ジェスチャの部分について、動的な手の動きを感知するジェスチャインタフェースを採用し、解析技術としてオプティカルフローを用いたジェスチャを無事に取り込むことができた。オプティカルフローとは、映っている対象の動きを時系列画像から検出する手法の一つで、画面を構成する画素のもつ輝度値が微小時間後(実際は次のフレーム)にその輝度値を変えず、座標のみが変化したと考えて、画素の速度ベクトルを求める式を立てるという手法である。ジェスチャとしては、単に手を右から左、あるいは上から下に動かすといった単純なものでなく、手を左右に振るような動作、手を時計回りに回転させるような動作、「おいでおいで」のような手招きの動作、「向こうへ行け」というような追い出しの動作、などの各種の手の動きの動作を認識できるようにした。また、動作の種類を認識するだけでなく、動作量を認識するようにした。当初の予定以上に研究が進展し、持ち運び可能な携帯型のシステムであるプロトタイプIIの一部まで作成することができた。プロトタイプIIは、屋外等のより実際のシーンでの適用範囲の拡大を狙ったシステム構成である。

プロトタイプIIではカメラもWebカメラではなく、通常の一眼レフデジタルカメラを使用している。プレビュー画面はカメラの後ろに表示するのではなくカメラの前面から確認可能なようしている。現在プロトタイプIIに使用しているCanon60Dカメラはカメラに顔認識機能が組み込まれている。また開発者用のSDKを公開しており、パソコンと結合して使用することが出来る。システムからのフィードバックはランプの点滅程度にとどめ、そのような環境でも動作するシステムを作成する。本システムではプレビュー画面にGUI部品を配置してそれを操作するといった細かなインタラクションを行うことが困難であり、より直感的なジェスチャを設計し、実装する必要がある。そのためハンドジェスチャによる操作でなく、顔認識を利用した、顔の表情による操作についても実装を進める。設備備品は該当なし。消耗品費としてはプロトタイプの作成のための部品として、デジタルカメラ、三脚、プレビュー用情報端末、パソコンなど。他に関連ソフトウェアや論文の別刷代など。旅費は研究成果の発表のための国内旅費、海外旅費など。人件費・謝金としては、プログラム開発やシステムの評価に関して協力を依頼する大学院生一人をリサーチアシスタントとして雇用する。その他としては、学会参加費や英文校正の費用を計上している。
プロテアーゼおよび酸化ストレスによるヴィシャスサイクルメカニズムの解明

2012年度、慢性腎不全モデルに合成セリンプロテアーゼ阻害薬であるcamostat mesilate(CM)を投与し、セリンプロテアーゼが線維化の促進を介して腎不全を進行させている可能性を示した。セリンプロテアーゼの腎線維化における役割を詳細に検討するために、尿細管間質の線維化モデルである慢性片側尿管結紮(UUO)ラットを用いてCMの効果を検討したところ、CM投与群では優位に腎線維化が改善した。その機序としては、CMはマクロファージ浸潤やTGF-β産生ではなく、線維芽細胞におけるTGF-β受容体活性化あるいはそれ以降のシグナリングを抑制することにより腎線維化を抑制していた。驚くべきことに、このCMの腎線維化抑制作用は、UUO作成後7日目にCM投与を開始した群、すなわちある程度腎線維化が進行した群においても効果を示し、CMが実臨床においても腎不全に対する新しいクラスの薬剤となる可能性が示された(Am J Physiol F173-181, 2013)。また、我々は、セリンプロテアーゼの一つであるプロスタシンが肝臓に多く発現していることに着目し、肝臓におけるプロスタシンの生理的役割を検討した。肥満により肝プロスタシンの発現は低下する。肝臓特異的にプロスタシン遺伝子を欠損させたマウスは糖尿病を発症したが、その機序として、プロスタシンはリポ多糖(LPS)の受容体であるToll様受容体4(TLR4)を切断することにより肝臓に過度な炎症が生じることを抑制する生理的役割を持っており、プロスタシン欠損により肝臓に炎症が生じてインスリン抵抗性が低下し、糖尿病発症につながることが分かった。肝プロスタシンの発現低下が、肥満における糖尿病発症において重要な役割を果たしていることが解明されたという点において、臨床的にも非常に重要な発見となった(Nat Commun, 2014)。昨年度、慢性腎不全モデルに合成セリンプロテアーゼ阻害薬であるcamostat mesilate(CM)を投与し、セリンプロテアーゼが線維化の促進を介して腎不全を進行させている可能性を示した。セリンプロテアーゼが腎障害の進展機序にどのようにかかわっているかを調べるために、慢性腎不全モデルである5/6腎摘ラットを作成し、合成セリンプロテアーゼ阻害薬であるcamostat mesilate(CM)を投与しその効果を検討した。CM投与群では、尿蛋白がコントロール群の約1/3に減少し、また血清Cr濃度も有意に低下し、CMの強い腎保護効果が証明された。続いてその機序を検討したところ、CM投与群では、糸球体上皮細胞におけるnephrinやsynaptopodinの減少が抑制され、TGF-β、TNF-αなどの炎症性サイトカインや線維化マーカーの発現も抑制されていた。さらにCM投与群では、NADPHoxidase発現の抑制、活性酸素種の産生抑制、蛋白質過酸化物の産生抑制などが認められ、CMによる抗酸化作用が証明された(Am J PhysiolF1126-1135, 2012)。このCMによる抗酸化作用、腎保護効果が、このモデルにおける特殊な効果ではなく、他の腎障害モデルでも認められるかどうかを検討するために、他のモデルでも同様の実験を行ったところ、CM投与による有意な腎保護効果が認められた(投稿中および投稿準備中)。CMは、既に本邦において膵炎の治療薬として保険収載され、広く使用されている。今回種々の腎障害に対し保護効果を示すということが示されたため、腎不全進行抑制薬として近い将来の臨床応用が期待される。さらに現在種々培養細胞を用いて、CMによる酸化ストレス抑制の詳細なメカニズムを検討中である。

セリンプロテアーゼの腎線維化における役割を詳細に検討するために、尿細管間質の線維化モデルである慢性片側尿管結紮(UUO)ラットを用いてCMの効果を検討したところ、CM投与群では優位に腎線維化が改善した。その機序としては、CMはマクロファージ浸潤やTGF-β産生ではなく、線維芽細胞におけるTGF-β受容体活性化あるいはそれ以降のシグナリングを抑制することにより腎線維化を抑制していた。驚くべきことに、このCMの腎線維化抑制作用は、UUO作成後7日目にCM投与を開始した群、すなわちある程度腎線維化が進行した群においても効果を示し、CMが実臨床においても腎不全に対する新しいクラスの薬剤となる可能性が示された(Am J Physiol F173-181, 2013)。また、我々は、セリンプロテアーゼの一つであるプロスタシンが肝臓に多く発現していることに着目し、肝臓におけるプロスタシンの生理的役割を検討した。肥満により肝プロスタシンの発現は低下する。肝臓特異的にプロスタシン遺伝子を欠損させたマウスは糖尿病を発症したが、その機序として、プロスタシンはリポ多糖(LPS)の受容体であるToll様受容体4(TLR4)を切断することにより肝臓に過度な炎症が生じることを抑制する生理的役割を持っており、プロスタシン欠損により肝臓に炎症が生じてインスリン抵抗性が低下し、糖尿病発症につながることが分かった。肝プロスタシンの発現低下が、肥満における糖尿病発症において重要な役割を果たしていることが解明されたという点において、臨床的にも非常に重要な発見となった(Nat Commun, 2014)。慢性腎不全モデルにおいて、合成セリンプロテアーゼ阻害薬であるcamostat mesilate(CM)を用い、セリンプロテアーゼが腎障害を促進するメカニズムを検討し、上皮細胞の障害にセリンプロテアーゼが関与していること、また炎症性サイトカインの産生や線維化にも関与していること、そして腎障害時の酸化ストレス産生にも関与していることを示した。また、尿細管間質の線維化モデルである慢性片側尿管結紮(UUO)ラットを用い、CMは、マクロファージ浸潤やTGF-β産生ではなく、線維芽細胞におけるTGF-β受容体活性化あるいはそれ以降のシグナリングを抑制することにより腎線維化を抑制することを明らかにした。さらに、UUO作成後7日目にCM投与を開始する群でもこのCMによる腎線維化抑制作用を確認し、CMが実臨床において、ある程度腎障害が進行した例に対しても有効な薬剤となる可能性が示した。また、肝臓での役割が全く不明であったプロスタシンが、リポ多糖(LPS)の受容体であるToll様受容体4(TLR4)を切断することにより肝臓に過度な炎症が生じることを抑制する生理的役割を持っていることを明らかにし、肥満による糖尿病において、肝プロスタシンの発現低下が重要な役割を果たしていることを示した。これは非常に重要な発見であり、研究はおおむね順調に進行していると言える。慢性腎不全モデルである5/6腎摘ラットを作成し、合成セリンプロテアーゼ阻害薬であるcamostat mesilate(CM)を投与し、セリンプロテアーゼ阻害薬の腎障害進展における役割を検討した。
Precision medicineに向けたゲノム解析に基づく胃がん新分類の試み

2000年代は癌ゲノムの時代として個別の癌の遺伝子異常の解明が進んでいる。次世代シークエンサー(NGS)の開発等の技術革新によって癌ゲノムの特徴が明らかになり、がんゲノムを解析して診断・治療へとつなげるPrecision Medicineへと移行しつつある。アメリカではThe Cancer Genome Atlas (TCGA)と称する癌ゲノムプロジェクトが進行しており、様々な癌種のゲノムが発表された。これはがんの病型分類、薬剤感受性・耐性に関連する遺伝子変化などの可能性からPrecisoon Medicineという究極のTailor-maid医療の臨床応用に向かっての解析が行われている。欧米サンプルを中心として用いた胃癌のゲノム解析がTCGAによっておこなわれた(75%欧米人、25%アジア人(ベトナム: 15%,韓国:10%)由来のデータで日本人のデータは入っていない)。これは変異・増幅・メチル化等のゲノムDNA変化に加え、mRNA・microRNA・蛋白発現解析によって、胃癌を4つのサブタイプ(EBV, MSI, CIN, GS)に分類されたがこの結果は、今後治療薬を考えるうえで重要な情報を提供できる可能性を示唆している。今回の研究では、日本人の胃癌ゲノムをCancer Plex [癌関連遺伝子435種類の次世代シークエンサー(NGS)によるゲノムテスト]を用いて解析し、日本人のデータベースの構築および下記の解析を行っている。(1)胃癌における日本人と欧米人のゲノムレベルでの違い、日本人の胃癌の特徴を明らかにする。(2)胃癌のゲノム変異データに基づくより的確な薬剤選択を提案する。現時点では本研究参加組織において、研究資材の調達(1.研究サンプルの抽出、2.研究同意の取得、3. DNA抽出用)を終了、DNAクオリティーコンロトールを終了し、NGS解析を行った。今後バイオインフォーマティックス解析を行い胃癌ゲノムの特徴を明らかにしていく。他施設共同研究により、日本人胃癌検体207サンプルを用いた解析が終了し、下段の様にGenome Medinine誌へ発表した。日本人検体は欧米人の結果と同様に4つのサブタイプ(EBV, MSI, CIN, GS)に分類することは不可能ではないが、EBVパターンが極めて少ないこと、CINパターンが多い事が特徴であることが判明した。特に、BRCA, ATMなどの遺伝子修復関連因子の損傷が多く見られた。これは、進行胃癌治療に於いて免疫療法の有用な症例が多く存在すること、PERP阻害剤などの新たな治療戦略の構築も可能となる事を意味しているとも解釈できる。現在行っている解析を進めていく。胃癌ゲノム分類から薬剤感受性という面にも注意を払いつつ解析を進めていく。膨大な臨床データ(治療反応性など)との整合性確認作業を進めていく。2003年ヒトゲノム計画完了後ゲノム研究は急速な進展を遂げ,2000年代は癌ゲノムの時代として個別の癌の遺伝子異常の解明が進んでいる。次世代シークエンサー(NGS)の開発等の技術革新によって癌ゲノムの特徴が明らかになり将来癌治療はゲノム医療へと移行すると考えられる。アメリカではThe Cancer Genome Atlas (TCGA)と称する癌ゲノムプロジェクトが進行しており,様々な癌種のゲノムが発表された。これはがんの病型分類、薬剤感受性・耐性に関連する遺伝子変化などの可能性が示唆され,Precision medicineの実現という究極の臨床応用に向かっての解析が行われている。胃癌においてもゲノム変化がTCGAによって解析された。これは変異・増幅・メチル化等のゲノムDNA変化に加えmRNA・microRNA・蛋白発現解析によって、胃癌を4つのサブタイプに分類されたがこの結果は,今後治療薬を考えるうえで重要な情報を提供できる可能性を示唆している。しかしながら,TCGAの胃癌データは75%欧米人,25%アジア人(ベトナム: 15%,韓国:10%)由来のデータで日本人のデータは未だない。今回の研究では、日本人の胃癌ゲノムをCancer Plex[癌関連遺伝子435種類の次世代シークエンサー(NGS)によるゲノムテスト]を用いて解析し,日本人のデータベースの構築を行う(1)胃癌における日本人と欧米人のゲノムレベルでの違い,日本人の胃癌の特徴を明らかにする(2)胃癌のゲノム変異データに基づくより的確な薬剤選択を提案する(3)本邦における胃癌術後補助療法大規模臨床試験におけるResponderとNon-responderを抽出し,臨床病理学的データに加えて新たにゲノム解析行い,薬剤感受性サロゲートマーカーの同定を試みる。現時点では本研究参加組織において、研究資材の調達(1.研究サンプルの抽出、2.研究同意の取得,3. DNA抽出用)を終了、DNAクオリティーコンロトールを終了し、NGS解析を行っている。現時点では、先行・並行して行っている乳癌の解析結果を学科・論文レベルで発表するところまで進んでいる。欧米サンプルを中心として用いた胃癌のゲノム解析がTCGAによっておこなわれた(75%

欧米人、25%アジア人(ベトナム: 15%,韓国:10%)由来のデータで日本人のデータは入っていない)。これは変異・増幅・メチル化等のゲノムDNA変化に加え、mRNA・microRNA・蛋白発現解析によって、胃癌を4つのサブタイプ(EBV, MSI, CIN, GS)に分類されたがこの結果は、今後治療薬を考えるうえで重要な情報を提供できる可能性を示唆している。今回の研究では、日本人の胃癌ゲノムをCancer Plex [癌関連遺伝子435種類の次世代シークエンサー(NGS)によるゲノムテスト]を用いて解析し、日本人のデータベースの構築および下記の解析を行っている。(1)胃癌における日本人と欧米人のゲノムレベルでの違い、日本人の胃癌の特徴を明らかにする。(2)胃癌のゲノム変異データに基づくより的確な薬剤選択を提案する。現時点では本研究参加組織において、研究資材の調達(1.研究サンプルの抽出、2.研究同意の取得、3. DNA抽出用)を終了、DNAクオリティーコンロトールを終了し、NGS解析を行った。今後バイオインフォーマティックス解析を行い胃癌ゲノムの特徴を明らかにしていく。他施設共同研究により、日本人胃癌検体207サンプルを用いた解析が終了し、下段の様にGenome Medinine誌へ発表した。日本人検体は欧米人の結果と同様に4つのサブタイプ(EBV, MSI, CIN, GS)に分類することは不可能ではないが、EBVパターンが極めて少ないこと、CINパターンが多い事が特徴であることが判明した。特に、BRCA, ATMなどの遺伝子修復関連因子の損傷が多く見られた。これは、進行胃癌治療に於いて免疫療法の有用な症例が多く存在すること、PERP阻害剤などの新たな治療戦略の構築も可能となる事を意味しているとも解釈できる。現在行っている解析を進めていく。胃癌ゲノム分類から薬剤感受性という面にも注意を払いつつ解析を進めていく。膨大な臨床データ(治療反応性など)との整合性確認作業を進めていく。
イミンと二酸化炭素ガスからのワンポットによるアミノ酸の触媒的不斉合成

二酸化炭素ガスは地球上に豊富に存在し、そのため石油資源に代わる得る魅力的な炭素資源であることから、その効率的な利用法の開発が求められている。このような背景のもと報告者は、イミンを出発原料とし、二酸化炭素をカルボン酸ユニットとして用いたα-アミノ酸不斉合成に成功した。すなわち、イミンに対する触媒的な不斉シリル化、続くα-アミノシランからの常圧の二酸化炭素ガスによる立体特異的なカルボキシル化反応を組み合わせることで、効率良く目的の光学活性なα-アミノ酸を得ることができた。平成25年度は、我々の開発した銅触媒によるN-tert-ブチルスルホニルイミンへの不斉シリル化で、そのより高い不斉収率の獲得を目的に、錯体触媒のスクリーニング、およびプロトン性の添加剤の再検討を行った。その結果、配位子として1,2-ジアリール-1,2-エチレンジアミン型の配位子が有効に働くことが分かった。またこの配位子を用いた場合、配位子の芳香環上の電子的な影響を受けることがわかり、電子求引性の置換基を導入するに従い収率、不斉収率共に低下することが確認された。銅錯体に対して触媒的に進行させるためにはプロトン源(アルコール)の添加が必須であり、アルコールが嵩の高い程、不斉収率が向上することがわかった。検討の結果、2,6-キシレノールが非常に良いプロトン源として作用し、高い収率、不斉収率で目的のシリル化体が得られた。得られた光学活性なN-tert-ブチルスルホニル-α-アミドシランはフッ化セシウム存在下、DMF中-20 °Cで1 atmの二酸化炭素と反応させることで、目的のカルボキシル化が立体保持で進行し、TMSジアゾメタンによるエステル化を経ることでα-アミノ酸誘導体を高い不斉保持率で得ることに成功した。この立体特異的なカルボキシル化は五配位のフルオロシリカートを経由して進行していることを、19F-29Sn HMQC解析によって確認した。我々の研究室で以前に報告しているα-アミノスズを用いたカルボキシル化に比べ、スズ試薬の毒性を回避できただけでなく、二酸化炭素の高圧条件や高温条件を必要としない温和な条件で不斉が保持され、光学活性なα-アミノ酸誘導体が得られたことは特筆すべき点である。平成24年度は、二酸化炭素ガスを用いる光学活性なα-アミノ酸の合成を目指して、その最初のステップであるイミンに対する触媒的不斉シリル化の検討を精力的に行った。まず、調製が容易なシリルボロン試薬(PhMe2Si-Bpin)を用いてキラル銅触媒によるN-スルホニルイミンへの触媒的不斉反応を開発するべく、種々の銅塩、および光学活性配位子の検討を網羅的に行った。その結果、一価のCuOTf1/2C6H6錯体を用い、リン系の不斉配位子を用いた場合に最高35% eeの不斉収率で目的のシリル化体が得られることがわかった。リン系の配位子を用いてこれ以上不斉収率を向上させることが困難であったため、次にアミン系の不斉配位子の検討を行ったところ、キラルな1,2-ジアミンを用いた場合に最高83% eeで目的のα-アミノシラン化合物が得られた。このものからは、一回の再結晶操作で光学的に純粋な単結晶を得ることができたため、X線結晶構造解析により正確な立体構造を決定し、得られたフラックのパラメータよりα-アミノシランの絶対立体配置をRと決定した。このN-スルホニルアミノシランは、フッ化セシウム存在下、一気圧の二酸化炭素ガスをDMF中-30°Cで作用させることで、キラリティー若干の低下が観測されたものの、S体のα-アミノ酸誘導体(絶対立体配置の表記が反転)へ立体保持で変換できることがわかった。これより、二酸化炭素を一炭素源としたα-アミノ酸の不斉合成法の開発を達成することができた。本研究課題の目的は、光学活性なα-アミノ酸をイミンと二酸化炭素ガスから合成することである。まずは研究計画書に従い、イミンに対する触媒的な不斉シリル化反応に取り組み、その効率的な不斉反応の開発に世界で初めて成功した。これまでに、エノンやアルデヒドに対する触媒的不斉シリル化の成功例は報告されていたものの、イミンに対する触媒的不斉付加反応は全く報告されていないことから、我々が新たに開発した本手法は学術的にも大変興味深い。また、得られたα-アミノシランは、二酸化炭素雰囲気下、フッ化セシウムを作用させることで、対応するα-アミノ酸に立体保持で誘導できることも新たに見い出した。このように、これまでとは全く異なる手法で、イミンから光学活性なα-アミノ酸を化学合成できる合成法を提示できたことは特筆に値する。初年度はN-スルホニルイミンに対する触媒的な不斉シリル化の開発を行い、最高83% eeで目的とするα-アミノシランを得ることに成功した。

今年度(最終年度)は更なる配位子の構造変換を行うことで、より高い不斉収率の発現を狙い検討を進める。また、イミンの基質展開として、芳香族イミンのみならずアルケニルイミンやアルキルイミンについても検討を行う予定である。その後の二酸化炭素を用いるカルボキシル化は立体保持で進行するものの、若干の不斉収率の低下が観測されるため、本立体特異的なカルボキシル化の反応機構をNMR等を駆使して解明し、そこで得られた知見を基に不斉収率を損なうことなくカルボキシル化を進行させる条件を模索する。その後、イミンの触媒的不斉シリル化とカルボキシル化を組み合わせることで、イミンからワンポットで光学活性なα-アミノ酸を取得する予定である。該当なし。
神経芽細胞腫のテロメラーゼ-診断・治療の新しいターゲット-

本研究は、テロメラーゼが神経芽細胞腫の生物学的特性を不死化(immortality)と退縮に2分する指標になり得ると考え、凍結保存した132腫瘍について検討した。1、腫瘍のテロメア長・テロメラーゼ活性の測定:サザンハイブリダイゼーションにてテロメア長(Terminal restriction fragments)を測定した結果26例が8kb以下に短縮し、3例が15kb以上に延長していた。凍結組織を購入したクライオスタットで腫瘍部を切り出し、TRAP法によるテロメラーゼ活性の検討では124例(94%)が陽性で、このうち無治療にて切除した103例中100例(97%)が陽性、22例(21%)が高活性であった。高活性群のうち19例が進行例で14例が腫瘍死していた。活性のない3例は自然退縮し、低活性群は3例を除いて予後良好であった。2、腫瘍の染色体異常の検出:flow cytometerでのDNA ploidyと増殖期細胞数の検討では、増殖能の高い細胞にテロメア短縮とテロメラーゼ高活性の傾向を認めた。染色体1番短椀の欠損をRFLP,repeat polymorphismsと購入した顕微鏡システムを用いた染色体分析にて解析した結果1p32領域の欠損が悪性度と相関し、テロメラーゼ高活性群にのみこの部の欠損を認め、N-mvc増幅とも相関していた。以上から高テロメラーゼ活性の腫瘍は悪性度が高く、テロメア長は様々の長さに安定化しているのに対し、低または無テロメラーゼ活性の腫瘍は悪性度が低くテロメア長を安定化できず退縮分化する腫瘍が含まれていると考えられた。他の成人の悪性腫瘍のテロメラーゼ活性の検討から、小児期に芽細胞から構成される腫瘍は成人の腫瘍と異なり、遺伝子変化に乏しく分化過程の途中にあると考えられる細胞で構成される予後良好な腫瘍の一群が存在することが示唆された。以上から、テロメラーゼが神経芽細胞腫の悪性度の指標としての有用で、今後診断および治療のターゲットとしての応用が期待される。
全球高解像度非静力学モデルを用いた物質境界と混合の数理的研究

2015年3月にフルシステム観測が始まった南極最大の大型大気レーダーで観測された中間圏の顕著な波状擾乱の力学特性を調べた。観測データによる力学解析に加え、昭和基地付近に格子密度を高めた全球雲システム解像モデルによる再現実験を行った。モデルトップは中間圏界面付近の高度87kmに設定しており、全球雲システム解像モデルを用いて中間圏全体を解像しようという試みは世界で始めてである。詳しい解析の結果、この波状擾乱は水平波長2000 km程度と非常に大きな慣性重力波であり、対流圏界面付近及び極渦の大規模な流れの自発的調節過程によって発生し昭和基地付近に到達したものと突き止めることが出来た。このような波動の存在は従来の中間圏に関する先行研究では認知されていない問題であり、成層圏残差循環の描像の解明に大きく寄与すると思われる。この研究成果を関連する国内学会および国際学会で発表した。本研究内容を論文としてまとめ、国際誌Journal of Atmospheric Chemistry and Physicsに投稿中であり、現在Discussion paperとして公開されている。また、高解像度数値モデルを用いたPANSYレーダー観測データとの長期比較解析的研究に備えて、数値モデルで用いる新たな水平格子作成法を考案した。この手法に関する論文をまとめ、論文は日本気象学会の国際誌に2016年5月に受理された。28年度が最終年度であるため、記入しない。世界気象機関(WMO)による対流圏界面の定義によると、1つの温度プロファイル内に複数の圏界面が現れることがある。これを多重圏界面構造と呼ぶ。中緯度の多重圏界面構造の振る舞いや力学機構に関する先行研究は多いが、極域における多重圏界面構造についてはほとんど研究がなされていない。そこで、昭和基地に建設された南極初の大型大気レーダー(PANSYレーダー)とラジオゾンデをあわせて用い、2013年4月及び5月、昭和基地(69.0°S, 39.6°E)において観測された、多重圏界面構造と第一圏界面高度の下降の力学について詳しく調べた。その結果、この多重圏界面構造は鉛直波長約3 km程度の慣性重力波によって作られた可能性があることが分かった。これらの現象のメカニズム及び空間構造を調べるために、重力波パラメタリゼーションを含まない全球非静力学モデルNICAMを用いて数値シミュレーションを行った。NICAMによる再現実験では、昭和基地で観測された多重圏界面構造や第一圏界面の下降がよく再現されていた。解析の結果、昭和基地で観測された重力波の大部分は、昭和基地の西方において、不安定な寒帯前線ジェットの周りで起きた自発的調節過程によって励起され、昭和基地まで伝播した可能性が高いことが分かった。この結果は、現在の地球規模の気候モデルにこのような重力波の発生や水平伝播を組み込むことで、モデルの精度が向上する可能性があることを示している。南極昭和基地大型大気レーダー(PANSYレーダー)は対流圏から中間圏までの3次元風速の鉛直プロファイルを高い高度・時間分解能かつ高精度で連続観測することができる南極最大の大気レーダーである。2015年3月16日から24日にかけて、PANSYレーダーのフルシステムによる観測が初めて行われた。この期間中間圏において周期が慣性周期に近い顕著な波型擾乱が観測された。このような擾乱は過去研究においても観測され注目を集めてきたが、伝播や発生メカニズムまで踏み込んだ研究はほとんどなかった。このような大振幅波動の力学を理解することは、大気全球循環の描像の理解に繋がるものである。今年度はこれらの波状擾乱の空間構造や力学特性、発生源について調べるため、この期間を対象として高度領域を中間圏まで拡張した非静力学正二十面体モデルNICAMを用いて対流圏から中間圏の大気擾乱の再現実験を行った。詳しい解析の結果、この波状擾乱は水平波長2000 km程度と非常に大きな慣性重力波であり、対流圏界面付近及び中間圏極渦の大規模な流れの自発的調節過程によって発生し昭和基地付近に到達したものと突き止めることが出来た。このうち地球電磁気・地球惑星圏学会では学生発表賞を受賞した。この手法に関する論文をまとめ、2015年12月に日本気象学会の国際誌に投稿した(条件付受理)。高解像度数値モデルを用いたPANSYレーダー観測データとの長期比較解析的研究に備えて、数値モデルで用いる新たな水平格子作成法を考案した。この手法は極域大気を従来の方法よりも高解像度かつ高計算効率でシミュレーションすることを可能とするものである。これにより、計画していた大気内部で構造を持った物質混合プロセスの理解及び、成層圏及び中間圏での全球的な物質循環の理解のための準備が整ったことになる。この手法を利用した設定に基づき、南極中間圏でPANSYレーダーによって観測された大振幅擾乱について再現実験を行った。詳細な比較解析の結果、このような大規模擾乱の伝播・発生メカニズムを明らかにすることが出来た。このような研究は当初計画していた研究内容(c)にあたるものであり、研究は順調に推移しているものと判断している。

2015年3月にフルシステム観測が始まった南極最大の大型大気レーダーで観測された中間圏の顕著な波状擾乱の力学特性を調べた。観測データによる力学解析に加え、昭和基地付近に格子密度を高めた全球雲システム解像モデルによる再現実験を行った。モデルトップは中間圏界面付近の高度87kmに設定しており、全球雲システム解像モデルを用いて中間圏全体を解像しようという試みは世界で始めてである。詳しい解析の結果、この波状擾乱は水平波長2000 km程度と非常に大きな慣性重力波であり、対流圏界面付近及び極渦の大規模な流れの自発的調節過程によって発生し昭和基地付近に到達したものと突き止めることが出来た。このような波動の存在は従来の中間圏に関する先行研究では認知されていない問題であり、成層圏残差循環の描像の解明に大きく寄与すると思われる。この研究成果を関連する国内学会および国際学会で発表した。本研究内容を論文としてまとめ、国際誌Journal of Atmospheric Chemistry and Physicsに投稿中であり、現在Discussion paperとして公開されている。また、高解像度数値モデルを用いたPANSYレーダー観測データとの長期比較解析的研究に備えて、数値モデルで用いる新たな水平格子作成法を考案した。この手法に関する論文をまとめ、論文は日本気象学会の国際誌に2016年5月に受理された。当初の目的としていた極域の対流圏界面付近の現象について、最新の大型大気レーダー及び全球高解像度数値モデルを使用して解析することが出来た。使用した大気レーダー及び大気モデルは世界最先端のものであり、対象としている極域対流圏界面が従来調べられてこなかったことに加えて、手法面でも新しさを加えることが出来た。また、この研究成果について国際誌Journal of the AtmosphericScienceに投稿し、2014年12月に受理された。さらに、国際学会及び国内学会でも積極的に発表を行い、発表賞を2件(米国気象学会・日本地球惑星連合)を受賞した。来年度は当初の研究計画(a),(b)にある極域対流圏界面付近の物質混合プロセスの理解のため、大気レーダーと数値モデルを組み合わせた研究を行う予定である。PANSYレーダーの全群観測は今年度から来年度にかけて南極昭和基地で順調に進行中であり、数値モデルの開発も今年度である程度達成できた。これらを用いて大気の微細な混合プロセスについて研究を行っていく予定である。28年度が最終年度であるため、記入しない。南極初の大型大気レーダーであるPANSYレーダーの観測データはすでに2年分蓄積されており、数値シミュレーションによる長期的な再現実験と観測データとの統計的比較が待たれている。そこで、高解像度数値モデルを用いたPANSYレーダー観測データとの長期比較解析的研究に備えて、数値モデルで用いられる水平格子の改良を試みている。全球に存在する水平格子点を極域に寄せることで、極域でより高解像度かつ一様な格子を作成することに成功した。
乾田化地域における不耕起・冬季湛水田の土壌および透水・排水特性

昨年までの調査結果から,不耕起水田の一筆減水深が大きいことや,漏水量の面的バラつきが大きいことが明らかになった.これらは水田を表面から捉えたものであり,得られた結果についてより詳細に検討するためには,水田を土層から捉えることが必須である.そこで今年度は不耕起水田の土壌断面を把握し,区分された土層(層位)の土壌物理性を明らかにすることを目的とした.対象圃場はこれまで同様の茨城県河内町の不耕起水田である.湿性集積水田土で,母材は河川堆積物,地形は河川後背地平坦部である.この水田の不耕起部と畔畦付近の代かき部において土壌断面調査および採土を行った.なお,地下水位は,非稲作期に45cm程度である.土壌断面は,土壌構造の発達が極めて弱い第1層(作土層)は,不耕起部は6cm,代かき部では18cmだった.これは,それぞれ代かきによってこの深さまで土壌が撹拌されたことを示している.第II層はともに23cmまでで,代かき部は耕盤が見られるが,不耕起部では旧作土層,耕盤層ともに変化して,耕盤はなくなってきている.構造の発達は,弱い亜角塊状構造である.鮮明な膜状,糸根状斑鉄が非常に富み,酸化的環境ではあるが,不耕起部が厚い層なのは,根成孔隙の保存が原因であると考えられる.土壌の物理性は,不耕起部では,土壌断面に見られたのと同様に,土壌硬度においても耕盤を示すピークが見られなかった。また第III層以深では,代かき部より不耕起部の方が硬度が高かった.これには,根成孔隙の量の差が影響していると考えられる.また不撹乱土の飽和透水係数は,代かき部は秋に代かきしたばかりであるために低い値だったのに対し,不耕起部ではバラついた。また,耕盤に相当する深さや,それ以深の透水係数に高い値が見られた.これは,構造の発達や根穴,土性の影響が考えられるが,より詳細な検討を要する.乾田化された水田地域の不耕起・冬季湛水田を主な対象として,水稲の不耕起栽培および冬季湛水管理による水田土壌構造の物理的な変容について測定し,その水稲栽培および周辺環境に対する影響について把握することを本研究の目的とする.具体的には,不耕起水田一般に共通する根成孔隙の存在と,その一方で冬季も湛水することによる有機物量の変化や乾燥亀裂の未発達が,乾田化された水田における土壌構造や減水深等に如何なる影響を及ぼすかについて,その実態を明らかにすることを研究の主目的とする.なお17年度は茨城県河内町の事例をもとに,用水量の把握について開始した.同時に,16年度より行っている土壌の硬度や透水性・保水性,有機物量,均平度などに関する検討を継続した.今年度の結果を以下に要約する.(1)用水量については,inを降水量,パイプラインからの灌漑水量とし,またoutを降下浸透量と排水量として,さらに田面水位と地下水位の変動を押さえることとした。このうち17年度は機材の設置と,減水深および漏水量の把握に専念した.このうち特に漏水量については,綿密なデータ取得ならびに解析(謝金を利用)の結果,不耕起栽培水田での漏水過多,ならびに冬期湛水初期における漏水量の増加を明らかにできた.後者の要因は土壌の亀裂によるものだと思われるが,詳細は現在も検討を続行中である.用水量の全体的な把握については,今年度は機材の設置が遅れたことから,十分に行えなかった.次年度以降への課題としたい.(2)土壌特性については,50ccサンプラーによる不撹乱採土,並びに特製の検土丈を用いての撹乱採土によって,透水係数や有機物量(強熱減量による)などを測定した.冬期湛水田における有機物量の増加が観察された他,間隙分布の不均一性などが把握されたが,サンプラーのサイズに関する問題も残った.次年度への課題としたい.水田整備および水田経営の観点における表記農法の導入条件について,1)用水量,2)土層特性,3)経営条件,の3つの観点から検討することを目的とする.なお、平成18年度は,昨年に続いて茨城県河内町の事例をもとに,主に土層断面の調査と,特に表層付近の土壌有機物の年間変動について調査した.結果を以下に示す.(1)土壌断面調査表面から6cmまでのI層は壁状構造が見られ,ベタベタな閑職だった.14cmまでのII層は,酸化鉄による赤色が強く,塊状構造で,膜状斑が見られた.これらは本来は同じ質の作土であるはずが,2005年春に行われた浅い代かきによって分けられたのだと考えられる.23cmまでのIII層は,酸化鉄の赤色が弱くなり,雲状斑が多くなった.元来は耕盤に相当する層だが,亀裂や根成孔隙による透水性の低下が確認された.45cmまでのIV層は,酸化鉄の赤色が更に弱くなり,グライ層が見られ始めた.管状斑が見られ,また還元時に見られるマンガン斑が少し見られた.70cmまでのV層はグライ層のみになり,管状斑と糸状斑,またマンガン斑が多く見られた.70cm以深のVI層では,グライの色が濃くなった.