hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高階項書換え系にもとづく高階パターン照合を用いたXML変換技術

来年度は,高階ナローイングを用いたXMLの逆変換についても研究を行う予定である.本年度は,高階項書換え系にもとづいたXML変換のための具体的な枠組みを作り上げた.この枠組みでは,項と型の両方に特別な表現□の存在を許す.項に現れる□はλ項の束縛変数に相当し,□を含む項はトップレベルだけにλバインダをもつ二階のλ抽象に相当する.また,□を含む項に引数を与えることは,λ項のリデックスをβ簡約することに相当する.すなわち,我々の枠組みは制限された二階のλ計算に相当するが,XML文書そのものが一階の項なので,XML文書の変換はこの制限のもとで表せることを我々は見いだした.また,λ計算よりも制限された理論的枠組みを与えることで,理論的な扱いを容易にすることができた.XML文書の変換では,変換前と変換後で同じタグがまったく異なる型をもつことがよくある.このようなタグへの型付けは,通常の型変数を用いたのでは対応できない.我々の枠組みでは,型に現れる□を他の型で置き換えることで新たな型を生成できる.□を置き換える型は任意なので,□を含む型をもつ(二階の)変数に,変換の前後で異なる型をもつ引数を与えるような変換パターンを記述できる.このような変換パターンにより,同じタグに異なる型付けをするような変換が可能になった.我々の体系は,上記のような柔軟な型体系をもつが,すべての変換パターンに対して静的な型チェックを行うことができる.また,我々の枠組みでは,通常の高階パターン照合で生じるような求解の非決定性はまったく生じない.これは枠組みの理論的取り扱いのみならずパターン照合アルゴリズムの設計と実装をも容易にするという利点がある.我々は,この枠組みの型理論的な性質を明らかにし(研究業績2),パターン照合アルゴリズムを提案した(研究業績1).今年度提案したパターン照合アルゴリズムはいくつかの制限をもつので,次年度でこの制限をなくしていく.また,提案したパターン照合アルゴリズムにもとづいて,プロトタイプシステムの実装を行う.本年度は,任意のXML項と二階のパターンとの間のパターン照合アルゴリズムを設計することを目指した.まず前年度に設計した二階のパターン照合アルゴリズムを見直し,上記の拡張を行いやすい形への再構成について検討を行った.その結果,一階の推論規則において項に対して行っていた操作を,型に対して行う操作とみなすことで,二階のパターン照合を行う推論規則が自然に得られることを見出し,それに沿った形で推論則の集合を再構成した.また,推論規則の適用により導入される新たな変数の型を決めるために,型の展開という概念を導入した.型の展開は木オートマトンのレベルではなく正則木表現のレベルで型を決定するため,実装を意識せずより抽象化の高いレベルでアルゴリズムを表現できるという利点がある.また,新たに導入される変数の型を決定する部分とパターン照合を行う部分とを分離することができるので,前者を変更しても後者が影響を受けないという利点がある.最初に述べた拡張は,まさに前者を拡張することに当たるので,このような分離は我々が目指すアルゴリズムの拡張にとって望ましい.次に,任意のXML項に対するパターン照合が行えるように,型の展開の拡張に関する検討を行った.我々は,Brzozowskiが提案した正則表現の導集合(derivation)を参考にしつつ,任意の正則木
超低ＳＮＲ法科学的音声資料での発話内容の理解を可能とする手法の開発と信頼性の評価

法科学的環境では、店内放送などにより完全に聴取が不可能なほどSNRが極めて低い信号が録音される機会が多いため、この様な信号に有効な雑音抑圧手法を本研究では提案した。いくつかの提案手法では、法科学的な応用を考えると実時間処理が必ずしも必要とされないことから、雑音の音源を参照信号として処理に使用している。また、信号の表現に非負値行列因子分解(NMF)や正弦波モデルを全ての提案手法で用いた。抑圧実験の結果、いずれの手法でも一定の効果があることを確認した。また、こうした信号処理技術による手法に加え、音声認識技術の利用可能性についても予備的な検討を行った。最初に、抑圧手法の開発や今後の研究の基礎データとするため、音楽などの背景雑音存在下での音声収録とデータベース化を行った。収録の際は、再現性を確保するためにあらかじめ収録した音声と背景雑音を別個のスピーカから再生させた。収録に用いた音声には、多様な声質や発話内容を対象とするため、当所で作成した音声データベースを用いた。これには600人以上から収録した母音などの単音節、単語、短文が収録されている。また、作業の効率化を図るため、収録や切り出し作業を自動化した収録系を構築し、収録作業とデータベース化を行った。次に、実務上、頻繁にみられるインパルス性雑音を抑圧するため、信号表現にNMF(非負行列因子分解)を利用した雑音抑圧手法を提案した。インパルス性雑音は、聴取者の注意が向かうため著しく聴取性を損ない、また、広帯域性の雑音であるため周波数フィルタによる抑圧処理は困難である。観測信号のスペクトログラムから音声成分と雑音成分の視認は比較的容易であることから、これに注目した雑音抑圧手法を提案した。提案手法では、スペクトログラム上の音声成分や雑音成分をいわば画像とみなし、両成分を別個の画像として分離するためにNMFを利用した。NMFは目的関数の最適化問題として解かれるため、目的関数を適切に構成する必要がある。提案手法では、画像の相互相関に相当する制約条件を目的関数に導入した。また、得られた目的関数の解析的な最適化は困難であるため、同様の最適化問題の解法として広く用いられている乗法更新アルゴリズムと類似したアルゴリズムを導出した。評価実験を行ったところ、高品質な音声は得られなかったものの、発話内容の理解は可能な程度の音声が得られた。近年、街頭や店舗に設置された防犯カメラの普及に伴い、コンビニ強盗などの犯罪の模様が記録される機会が増加している。動画とともに録音された犯人の発話内容は犯罪の全容解明のための重要な手がかりであり、事件によっては唯一の手がかりとなるものの、店内放送などの著しい背景雑音により聴取が完全に不可能となる例が少なくない。そこで本研究では、こうした際に発話内容の理解を可能とするための手法の開発や信頼性の評価を行う。平成24年度は、開発に使用する音声データの予備的な収録を行った後、信号処理技術を用いた雑音抑圧手法の開発を中心に行った。店内放送として用いられた音楽などの背景雑音は、音声に加算的に録音されるため、雑音の特性を高精度に推定・表現できれば、減算による雑音の抑圧が有効である。さらに法科学的な応用では事後的な処理が主であるため、雑音特性の推定に、その音源の利用が可能であり、効果的な抑圧が期待できる。実際に雑音抑圧処理に広く用いられているスペクトルサブトラクション法に基づく処理を試みたところ、一定の効果を確認した。しかしながら、推定誤差に起因すると考えられる雑音が発生し、特に雑音の特性が急峻に変化する時刻での聴取性低下が顕著であった。次に信号の表現にNMF(非負行列因子分解)を利用した雑音抑圧手法の開発を行った。NMFは、信号に含まれる周波数成分を表現する行列と、各々の周波数成分の時間・強度特性を表現する行列の積により信号を表現する。そのため、これらの特性が分離して表現されており、抑圧性能を向上させるための事後的な操作が容易である。実際に、NMFを用いて得られた時間特性を事後的に操作したところ、聴取性が改善される事を確認した。今年度は、正弦波モデルを用いた雑音抑圧手法の開発と、抑圧結果の評価についての検討を主に行った。街頭や店舗に設置された防犯カメラの普及に伴い、犯罪の模様が記録される機会が増加しているものの、店内放送などの著しい背景雑音により聴取が完全に不可能となる例が少なくない。そのため、本研究では、聴取が不可能な程SNRが低い音声資料を対象とし、NMF(非負行列因子分解)を利用した雑音抑圧手法の開発を行ってきた。本年度は、正弦波モデルを用いた雑音抑圧手法の開発を行った。法科学的な環境では、必ずしもリアルタイム処理を必要としないため、店内放送などの雑音の音源を処理に利用可能である。そのため、既に開発を行ったNMFを用いた手法と同様に、これを参照信号として処理に利用した。処理では、参照信号を正弦波モデルにより表現し、観測信号からの減算処理を周波数領域上で行う事により、抑圧結果を得る。この手法を、昨年度から収録を開始した検証用データに対して適用したところ、一定の効果があることを確認した。次に、これまで開発してきた手法の効果を定量的に比較・検討するため評価系を構築した。

評価は、雑音が重畳されていない音声信号と、雑音が重畳された観測信号について処理を行った結果との間のケプストラム距離を算出することにより行う。現在のところ、評価実験を進めており、雑音源、抑圧手法、各種パラメータとの間の関係を調べている。本年度は、これまでとは異なり、参照信号を使用しない雑音抑圧手法の開発と評価実験を行い、また、音声認識を応用した手法の開発を進めた。街頭や店舗に設置された防犯カメラの普及にともない、犯罪の模様が記録される機会が増加している。しかし、店内放送などの著しい背景雑音により聴取が完全に不可能となる例が少なくない。そのため、本研究では、聴取が不可能な程SNRが低い音声資料を対象とした雑音抑圧手法の開発を行ってきた。これまで開発してきた手法は、信号の表現にNMF(非負値行列因子分解)や正弦波モデルを使用し、必ずしもリアルタイム処理を必要とせず、雑音の音源を参照信号に利用可能な場合が多い法科学的な環境の特徴に基づいた処理であった。しかしながら、雑音音源の入手が困難である場合や、入手に時間を要する場合も少なくなく、これまで開発した手法の利用範囲は限定されていた。そこで、本年度は、参照信号を必要としない抑圧手法の開発を行った。開発した手法では、観測信号をNMFや正弦波モデルで表現し、その振幅の閾値処理により、雑音と音声の分離を行っている。つまり、信号である音声のSNRが極めて低いため、信号と雑音の振幅が大きく異なる事に注目している。様々なSNRを示す音声資料を用いて評価実験を行った結果、NMFよりも正弦波モデルを用いた場合の方が抑圧性能に優れていた。原理的に明らかなように、SNRが比較的高い場合は抑圧性能が低く処理による効果は低いものの、SNRの低下に伴い抑圧性能は向上し処理による効果が確認された。一方、音声認識を用いた手法については、開発に必要な環境の整備にとどまった。研究開始時には想定しておらず、これまでよりも適用範囲の広い抑圧手法を開発したものの、音声認識を用いた手法などについては、十分な結果が得られていないため。近年の防犯カメラの普及等を反映し、犯罪の模様が記録される機会が増加しているものの、店内放送などの著しい背景雑音により音質が低下し、聴取が完全に不可能となる例が少なくない。そこで本研究では、極めてSNR(信号対雑音比)が低下した音声資料を対象とし、記録されているものの聴取困難な発話内容を理解するための手法の開発を、信号処理技術や機械認識技術を利用して行ってきた。今年度は、昨年度開発に着手した正弦波モデルを用いた手法についての性能評価実験を進めるのに加え、音声認識を用いた手法の開発を行った。正弦波モデルを用いた手法では、SNRが極めて低いために音声と雑音の振幅が大きく異なることに注目した。つまり信号を正弦波モデルで表現した際に得られる振幅は、音声に由来するものに比べ雑音に由来するものは遙かに小さくなると考えられる。そのため、モデル化された信号の閾値処理による音声の分離を行った。様々なSNRを示す評価用の信号に対して処理を行ったところ、原理的に明らかなようにSNRが0dB以上では大きな効果が得られない一方で、SNRが低下するにつれて抑圧性能が改善し、特に0-30dBでは安定した性能が得られる事が明らかとなった。音声認識技術を利用した手法では、利用環境に応じた音響モデルの再構築による認識性能の改善可能性について検討した。
太陽エネルギー利用空調システムの基礎的研究

本研究は21世紀に向けての地球環境問題に対して、増え続けている民生用エネルギー、なかでも住宅用エネルギーを対象として太陽光発電システムの実用化を検討したものである。しかし、太陽光発電は日射の得られる時のみ使用可能なので、一日のうち随時電力を得るには、日中の発電量を蓄電しておいて夜間を含めて随時使用可能なシステムが望まれる。本研究では、天候、月平均日射量、負荷特性によって決まる太陽電池ならびに蓄電池の容量、そしてインバータ-の容量等の最適組み合わせを追究することを目的とした。本報告では、先ず世界および我が国のエネルギー需要を概観し、太陽エネルギーなどクリーンエネルギーの利用技術の開発の必要性について述べ、次に太陽エネルギーおよび太陽光発電の現状と課題を概説している。第3章において1kW太陽光発電システムの実験装置(太陽電池モジュール1kW、インバータ1kVA、バッテリ-48V×200Ahの組み合わせシステム)を用いて、一定の負荷時における日積算の発電量、日射量、負荷量の関係と商用電源の使用について、各月ごとの平均値で年間の特性を明らかにする。また、水平面および30°、45°傾斜面の全天日射量と気温を測定して、季節、気候による発電効率等の影響についてみる。システム回路などの性能(効率など)を把握して、これらを基に、戸建て住宅を対象として、その電力需要と必要なシステム規模の算定を行い戸建て住宅における太陽光発電システムの実用化の展望を得ている。地球環境問題の一環として,持続可能な社会の実現に向けて努力する必要がある。エネルギーについては,自然エネルギーの中でもクリーンな太陽エネルギーについて人間活動に直接利用できる形に整える必要がある。その一つとして,太陽光発電の実用化がある。しかし,これは日射の得られる時のみ利用可能なので,一日中随時電力を得るには,日中の発電量を蓄電しておいて,夜間を含めて随時使用可能なシステムが望まれる。本研究では,天候,月平均日射量,負荷特性によって決まる太陽電池ならびに蓄電池の容量,そしてインバータ-等との最適組み合わせについて追究するものである。今回,現有の1kW発電装置に,太陽電池モジュールをもう1kW増設し,ソーラーセルモジュール2kW,インバータ-1kW,バッテリ-48V×200Ahの組み合わせのシステムを実現した。データとしては少くとも半年の収録が必要なので,これまでの1kWのシステムで6月末より12月末までのデータ収録をし、半年間の測定の解析を行った。その結果をまず半旬平均値でまとめたが,負荷を平均5日間毎日300^w×6^hとしたので,1ヶ月の平均値でみた方がよくなった。各月の平均値からシステムの発電効率は9.6%を前後した。また,日積算平均負荷は日積算平均発電量の約6割弱であったが,11月上旬に数時間商用電源に切り替ることがあった。しかし,他の月は独立で賄うことができた。しかし、太陽光発電は日射の得られる時のみ利用可能なので、一日のうち随時電力を得るには、日中の発電量を蓄電しておいて夜間を含めて随時使用可能なシステムが望まれる。

システム回路などの性能(効率など)を把握して、これらを基に、戸建て住宅を対象として、その電力需要と必要なシステム規模の算定を行い戸建て住宅における太陽光発電システムの実用化の展望を得ている。
量子エンタングルメントの視点からのホログラフィック双対性の研究

場の量子論のエンタングルメントという視点から、量子重力理論の有力候補である超弦理論において重要な役割を果たすホログラフィック双対性について理解を深め、量子重力の性質を解明していく。特に場の量子論におけるエンタングルメントの性質とホログラフィック双対性の量子情報的解析の研究を行う。前者はまだ未解明な部分の多い外場がある時のエンタングルメントエントロピーの研究などを行い、エンタングルメントの性質のより詳細な知識を得てホログラフィック双対性の研究に応用する。後者は量子状態間の距離を測る量である量子情報計量のホログラフィック双対な記述などについて研究し、ホログラフィック双対性のメカニズムを解明する。
構成的数学における逆数学の研究

本研究は、構成的逆数学のための形式体系の調査・提案・評価・改良を目的として行われた。型概念に基づいた体系、および集合概念に基づいた体系、それぞれに対して様々な原理(例えば、連続性原理)、および位相空間・一様空間の定理を対象に調査を行った。その結果、集合概念に基づいた体系としては、構成的集合論(CZF)およびその部分体系が、有力な候補であることが分かった。また、型概念に基づいた体系としては、単調完備定理を詳細に分析することにより、構成的解析体系(EL)の部分体系を構成的逆数学のための形式体系として提案した。本研究の目的は,既存の研究の問題点を解決するため,直観主義論理に基づき,関数の存在公理を最小限に抑えた,構成的逆数字のための体系を,構成的数字における逆数学の実践を通して,調査、提案し,メタ数字的な考察とケーススタディを通して,評価、改良することである。平成19年度は,Brouwerの連続性原理,Baireの定量,有界性原理の関係を,構成的逆数字の視点から,明らかにした。その際,型概念に基づいた有限型算術と初等解析の体系を念頭に置き,それらの体系が構成的逆数学のための体系として有効であることを示した。それらの体系の細部については,今後のケーススタディを待たなければならない。また,構成的数字における位相の取り扱い,特にAparness spacesに関して,集合論に基づいた体系を念頭に置き,調査、考察した。集合論に基づく体系に関しては,今後も調査、研究が必要である。研究は,日常的な電子メールによる共同研究のほかに,研究代表者が参加した研究集会(3rd Workshop on Formal Topology)の会場,および研究代表者と研究分担者が成果発表で参加した国際会議(Computability in Europe 2007)の会場での討論、意見交換を通して行った。また,研究代表者がミュンヘン大学を訪問し,ミュンヘン大学の海外共同研究者と集中して討論、意見交換を行うことにより,遂行した。本研究の目的は、既存の研究の問題点を解决するため、直観主義論理に基づき、関数の存在公理を最小限に抑えた、構成的逆数学のための体系を、構成的数学における逆数学の実践を通して、調査・提案し、メタ数学的な考察とケーススタディを通して、評価・改良することである。平成20年度は、構成的数学における逆数学の実践を通して、型概念に基づいた体系と集合論に基づいた体系の調査、および位相空間に関する(逆)数学研究を行い、位相空間の一種であるneighbourhood spacesのなす圏とfunction spacesのなす圏に関して研究成果を得た。この成果は、これらの圏の間の関係を明らかにする上で重要な成果である。また、構成的逆数学のための、直観主義論理に基づいた、関数の存在公理を最小限に抑えた体系の再提案および改良に関しては、研究成果をモノグラフとしてまとめる際に行うこととした。研究は、日常的な電子メールによる共同研究のほかに、研究代表者と海外共同研究者が相互訪問し、数週間同じ場所で集中して討論・意見交換を行うことにより、遂行した。具体的には、7月および10月にミュンヘン大学に、それぞれ数週間程度滞在し、ミュンヘン大学の論理学グループのメンバーと討論・意見交換を行った。特に、Peter Schuster准教授とは、Journal of Symbolic Logicに掲載された共著論文とその発展に関して、討論・意見交換を行った。また、5月にボカラトンで開催されたアーベル群と構成的数学に関する研究集会で講演を行うとともに、参加者と討論・意見交換を行った。本研究の目的は、既存の研究の問題点を解決するため、直観主義論理に基づき、関数の存在公理を最小限に抑えた、構成的逆数学のための体系を、構成的数学における逆数学の実践を通して、調査・提案し、メタ数学的な考察とケーススタディを通して、評価・改良することである。平成21年度は、構成的逆数学の視点から、主に単調収束定理(Monotone Completeness Theorem)の研究を行った。単調収束定理は、古典的逆数学において算術的内包公理(ACA)と同値であることが知られており、また可算選択公理を仮定する構成的数学ではLPO(the limited principle of omniscience)と呼ばれる非構成的(論理的)原理と同値であることが知られている。一方、古典的逆数学ではACAと同値であることが知られている実数の完備性は、可算選択公理を仮定する構成的数学では証明できる。この古典的逆数学と構成的逆数学の対応関係の崩れを詳細に分析した。その結果、弱Cauchy性の概念を導入することにより、(1)有界単調数列は弱CauchyであることとLPOより若干強い非構成的(論理的)原理が同値であること、(2)弱Cauchy列はCauchy列であることとある種の可算選択公理が同値であること、(3)Cauchy列が収束することは可算選択公理を仮定しない構成的数学で証明できることを示した。

このことより、単調収束定理は、古典論理で証明できる論理的な非構成的原理、古典論でもACAがないと証明できないある種の可算選択公理、可算選択公理を仮定しない構成的数学で証明できる定理、に分解されることが明らかになつた。この成果により、構成的数学の有効性が明らかになったのみでなく、今後このような分析を他の様々な数学定理に対しても行う必要性と意義が明らかになった。
RNAポリメラーゼのアセチル化を介した新規転写誘導機構の解明

枯草菌ECFシグマ因子であるSigX依存的な転写がグルコース添加により誘導される現象(GI)に着目して、RNAポリメラーゼ(RNAP)のアセチル化を介した新規転写誘導機構の解明を目指した。グルコース添加・非添加条件で精製したRNAPでは前者の方がよりアセチル化されていた。また、SigXは前者のRNAP精製画分にのみ検出され、SigX依存転写活性も高いことがin vitro転写実験より示された。アセチル化模倣変異によりGIが増強されるリジン残基をbetaサブユニットに見出した。RNAPアセチル化が特定のシグマ因子とのホロ酵素形成に影響を及ぼす可能性が示唆された。枯草菌ECFシグマ因子の1つであるSigXが1×S胞子形成培地へのグルコース添加により活性化される現象が見出されている。SigXを活性化する炭素源はアセチル化を誘導する炭素源と共通していたこと、さらにアセチル化の基質となるアセチルCoAの主供給経路であるpdh変異によりSigX活性化が阻害された事実から、この現象にアセチル化が関与する可能性が考えられた。本研究では、グルコースによるSigX活性化という現象に着目し、RNAポリメラーゼ(以下RNAP)のアセチル化を介した新規転写制御機構の解明を目的とした。本年度は、グルコース添加・非添加条件でRNAPにアセチル化を含めた性状の違いを明らかにする目的で、β'サブユニット(RpoC)にHisタグを導入した枯草菌株を構築してRNAPの精製を行った。Ni-NTAカラムを用いたRNAP精製画分をトリプシン消化しLC-MS/MS解析を行ったところ、α、β、β'、ωサブユニットにおいてアセチル化部位が検出され、グルコース添加条件でアセチル化部位数の増加が確認された。また、MSデータを元に精製画分に含まれるシグマ因子の半定量解析を行ったところ、SigAやSigBの存在量はグルコースの有無によって大きく変わらなかった一方で、SigXはグルコース添加条件でしか検出されなかったことから、グルコース添加条件ではSigXを含むホロ酵素形成が促進されていることが示唆された。さらに、このRNAP精製画分を用いてin vitro転写アッセイを行ったところ、SigA依存的な転写活性はグルコース添加・非添加条件で精製したRNAPの間で差が見られなかったのに対し、SigX依存的な転写活性はグルコース添加条件でより高いという結果が得られた。以上のことから、RNAPのアセチル化がSigXとのホロ酵素形成を促進し、SigX依存転写を誘導している可能性が示唆された。シグマ因子と相互作用するβおよびβ'サブユニットのアセチル化部位の変異体の作製を進めた。グルコース添加条件・非添加条件から精製したRNAPについてアセチル化を含めた性状の違いと転写特性の違いを明らかにし、RNAPのアセチル化がSigX活性化に関わることを強く示唆する結果を得た。当初の計画以上に進展していると考える。枯草菌ECFシグマ因子の1つであるSigXが胞子形成培地へのグルコース添加により活性化される現象が見出されている。この現象にRNAポリメラーゼ(以下RNAP)のアセチル化が関与する可能性に着目して検討を進めている。前年度までに、グルコース添加条件と非添加条件での培養菌体からRNAPをアフィニティー精製し、前者のRNAPはSigX依存的転写活性がより高いこと、両者でアセチル化修飾に違いがあることを見出した。本年度は、グルコース依存的なSigX活性化に関わるアセチル化部位を見出すことを目的として、アセチル化部位に非アシル化模倣変異(KR変異)やアセチル化模倣変異(KQ変異)を導入し、sigX-lacZレポーターを用いて変異スクリーニングを行った。変異導入はシグマ因子と相互作用するβ(RpoB)及びβ' (RpoC)サブユニットのアセチル化部位を対象に、ゲノム上のオリジナル遺伝子座において行った。35の変異株を作成して検討した結果、あるリジン残基のアセチル化模倣変異がグルコース依存的なSigX活性化を増強することを見出した。対応する非アシル化模倣変異ではそのような効果は見られなかったことから、アセチル化が関与することが示唆された。当該残基のアセチル化レベルはグルコース添加条件で増加していた。ホモロジーモデル構造を用いて構造マッピングを行ったところ、当該リジン残基はホロ酵素形成時に大きく構造変化することが知られるG-flap領域内に位置しており、この部位のアセチル化がSigXとのホロ酵素形成に影響を及ぼす可能性が考えられた。また、35のRNAP変異株のうち多くは野生型株と同等の増殖を示したが、いくつかの変異株については増殖に影響が認められた。グルコース依存的なSigX活性化に影響を及ぼすアセチル化部位を同定できたので、目標を概ね達成できていると考える。本研究は、枯草菌ECFシグマ因子SigXの活性化がグルコースにより誘導される現象(GI)に着目して、RNAポリメラーゼ(RNAP)のアセチル化を介した新規転写誘導機構の解明を目的としている。前年度までにシグマ因子と主に相互作用するβおよびβ'サブユニットのアセチル化部位についてoriginal locusでの変異解析を実施し、GIに関与する可能性のあるアセチル化部位を特定していた。一方、研究分担者はectopic locusでの変異解析を進めており、同変異はectopic locusではGIに影響しないことが明らかとなった。そこで、GIに関与する因子を同定するために、トランスポゾン変異体を探索した。その結果、CshAを含む5つの候補因子を得た。CshAはRNAヘリカーゼでありRNAポリメラーゼに会合することが知られている。

CshAの非アセチル化模倣変異でGIが消失したことから、CshAのアセチル化がGIに重要であると考えられた。CshA以外の因子の間に機能的関連が見られ、RNAPとSigXとの親和性の促進に関わる可能性が示唆された。枯草菌ECFシグマ因子であるSigX依存的な転写がグルコース添加により誘導される現象(GI)に着目して、RNAポリメラーゼ(RNAP)のアセチル化を介した新規転写誘導機構の解明を目指した。グルコース添加・非添加条件で精製したRNAPでは前者の方がよりアセチル化されていた。また、SigXは前者のRNAP精製画分にのみ検出され、SigX依存転写活性も高いことがin vitro転写実験より示された。アセチル化模倣変異によりGIが増強されるリジン残基をbetaサブユニットに見出した。RNAPアセチル化が特定のシグマ因子とのホロ酵素形成に影響を及ぼす可能性が示唆された。RNAPのアセチル化がSigXとのホロ酵素形成を促進する可能性を明らかにするために、シグマ因子と相互作用することが知られているβおよびβ'サブユニットを中心にアセチル化部位に対して変異導入を行い、グルコースによるSigX活性化に影響を与えるアセチル化部位の特定を行う。そのような変異株を取得できたら、in vitro転写実験やトランスクリプトーム解析を行い転写に与える影響を評価する。また、アセチル化に関わる因子の破壊株や過剰発現株を用いて、RNAPのアセチル化が転写に与える影響について検討する。見出したアセチル化部位変異株よりRNAPを精製し、転写に与える影響をin vitroで検証する。コア酵素とSigXとの相互作用を評価する系を確立して、変異がホロ酵素形成に与える影響を検討する。応用微生物学、微生物遺伝学作製した変異株の示した想定外の性質により、予定していた実験の実行を延長した。そのため、残金が発生した。当初計画に従い実験を進めた所、想定していない現象を発見し、解析する必要が生じた。当初想定した年度内では研究が完了しない事が明らかになったので、期間を延長し論文発表等の成果につなげたい。変異株の作製法を変更した後、予定していた実験を行う。オリゴDNAに100000円、消耗品費(試薬)に83899円支出する予定である。オリゴDNA購入費として177424円、分子生物学用試薬購入費として150000円、ディスポプラスチック器具購入費として150000円を計画している。
分子ふるい能を有するゼオライト膜の創製と浸透気化分離への応用

より優れた耐久性、耐熱性が期待される膜素材としての無機膜を浸透気化分離へ適用する目的で、分子ふるい能を有するゼオライトに着目し、水熱合成法により各種ゼオライト膜を創製し、その浸透気化分離性能を検討した結果、本年度は以下に述べる成果を得た。1.水ガラスとアルミン酸ナトリウム/水酸化ナトリウム混合水溶液とを室温で混合後、円筒状のガラス容器に仕込み、表面に種結晶を仕込んだ管状の多孔質アルミナ支持体を浸漬してY型ゼオライト膜の製膜に成功した。さらにシリカゾル、水酸化ナトリウム、水およびテトラプロピルアンモニウムブロミドを出発原料として、ZSM-5型ゼオライト膜の製膜にも成功し、製膜条件を確立した。2.合成した一連のゼオライト膜の表面および断面構造を走査型電子顕微鏡で観察した結果、膜はいずれも多孔質支持体上にゼオライトが膜厚3050μmで析出した多結晶構造をとることが明らかとなった。さらにこれらの膜について窒素の吸着等温線を測定した結果、いずれもI型のミクロ孔充填の挙動を示した。3.一連のゼオライト膜について水-有機物系および有機液体混合物系で浸透気化分離実験を行った結果、A型ゼオライト膜は水-有機物系で優れた水選択透過性を、ZSM-5膜は水-アルコール系でアルコール選択透過性を、さらにY型ゼオライト膜は、ベンゼン-メタノールまたはシクロヘキサン-エタノール系およびメチル-t-ブチルエーテル-メタノール系で優れたアルコール選択透過性を有することを見いだした。より優れた耐久性、耐熱性が期待される膜素材としての無機膜を浸透気化分離へ適用する目的で、分子ふるい能を有するゼオライトに着目し、水熱合成法によりゼオライト膜を創製し、その浸透気化性能を明かにすると共に、インブレンリアクターとしての可能性を検討した結果、本年度は、以下に述べる成果を得た。1.ケイ酸ナトリウム水溶液と水酸化ナトリウム/水酸化アルミニウム混合液とを室温で混合後、円筒状のガラス容器に仕込み、表面に種結晶を仕込んだ管状の多孔質アルミナ支持体を浸漬してA型ゼオライト膜を合成する際の製膜条件を確立した。さらにY型、P型およびZSM-5型ゼオライト膜の製膜にも成功した。2.A型ゼオライト膜の表面および断面構造を走査型電子顕微鏡で観察した結果、膜は支持体上にA型ゼオライトが膜厚約30μmで析出した構造であること、さらにBET吸着法で解析した結果、膜の細孔半径は1nm以下であることが明かとなった。引続きY型、P型、ZSM-5型について検討し、浸透気化分離における透過機構について考察する。3.ゼオライト膜の浸透気化分離実験を行った結果、水-エタノール、水-メタノール、水-有機物(DMF、ジオキサン、アセトン)系で、特にA型ゼオライト膜が優れた分離性能を有することが明かとなった。引続き、有機液体混合物系での分離性能について検討する。4.A型ゼオライト膜を用いた浸透気化分離を伴う、オレイン酸とメタノールおよびエタノールとのエステル化反応においてエステル化反応の高効率化が達成できた。さらに反応の転化率の経時変化を測定し、各操作因子の転化率及び反応時間への影響を調べ、最適操作条件(供給原料組成、反応温度と時間、膜面積、膜の分離性能)を明らかにした。

さらにシリカゾル、水酸化ナトリウム、水およびテトラプロピルアンモニウムブロミドを出発原料として、ZSM-5型ゼオライト膜の製膜にも成功し、製膜条件を確立した。2.合成した一連のゼオライト膜の表面および断面構造を走査型電子顕微鏡で観察した結果、膜はいずれも多孔質支持体上にゼオライトが膜厚3050μmで析出した多結晶構造をとることが明らかとなった。さらにこれらの膜について窒素の吸着等温線を測定した結果、いずれもI型のミクロ孔充填の挙動を示した。3.一連のゼオライト膜について水-有機物系および有機液体混合物系で浸透気化分離実験を行った結果、A型ゼオライト膜は水-有機物系で優れた水選択透過性を、ZSM-5膜は水-アルコール系でアルコール選択透過性を、さらにY型ゼオライト膜は、ベンゼン-メタノールまたはシクロへキサン-エタノール系およびメチル-t-ブチルエーテル-メタノール系で優れたアルコール選択透過性を有することを見いだした。
安全性と作業性を考慮したマン・マシン融合天井クレーン液体タンク搬送システムの開発

クレーン作業者が音源情報を与え,その音源方向へ障害物を回避し搬送する経路を自動的に導出する障害物回避経路計画システムおよび搬送中のタンク内液体振動を抑制する搬送制御システムの開発を行った.まず,天井クレーンの3次元搬送機構の開発とスロッシング解析を行い,制振性に効果のある2自由度搬送制御系を構築した.次に,音源方向定位を用いた自動搬送経路計画システムの開発では,経路計画システム開発と実時間処理への対策として,目的地と障害物の情報のみで経路計画が可能となる障害物回避経路手法を提案し,アルゴリズムの開発とシミュレーションおよび実験検証により,システムの妥当性,有用性の検証を行った.本研究では,タンク内の液体振動を抑え,目的地に短時間で自動的に搬送する「安全性と作業性を考慮したマン・マシン融合天井クレーン液体タンク搬送システムの開発」を行う.マン・マシン融合システム構築のため,クレーン作業者が音源情報(指令目的地情報)を与え,その音源方向へ障害物を回避し搬送する経路を自動的に導出する障害物回避経路計画システムおよび搬送中のタンク内液体振動を抑制する搬送制御システムの開発を行う.昨年度までに,天井クレーンの3次元搬送機構の開発とスロッシング解析,天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システムの開発を行い,フィードフォーワード制御による液面振動抑制搬送制御系の検討を行った.また,音源方向定位を用いた自動搬送経路計画システムの開発では,経路計画システム開発と実時間処理への対策として,目的地と障害物の情報のみで経路計画が可能となる2次元の自律走行ロボットの障害物回避経路手法を3次元への拡張することを試み,アルゴリズムの開発とシミュレーションおよび実験検証により,システムの有用性の検証を行った.今年度は,まず,制振性に効果のある目標軌道を生成するフィードフォーワード制御系と目標軌道への追従性を向上させるフィードバック制御系を組み合わせた2自由度搬送制御系を構築し,制振性をさらに向上させた.また,構築した障害物回避経路計画システムについては,制振効果,経路計画回数,最短経路や最小エネルギ経路といいった評価について,システムの妥当性の検証を行った.これらの研究成果は国内外の学会で成果発表を行った.しかし,搬送制御系の触れ角検出機構の精度に問題があり,フィードバック制御系の精度を高める必要がある.また,音源方向定位による目的地同定については,実験装置が小さくその同定精度に問題を生じた.今後,これらの問題を解決し,実機への適用を考慮したシステム開発の検討を行う.本研究では,タンク内の液体振動を抑え,目的地に短時間で自動的に搬送する「安全性と作業性を考慮したマン・マシン融合天井クレーン液体タンク搬送システムの開発」を行う.マン・マシン融合システム構築のため,クレーン作業者が音源情報(指令目的地情報)を与え,その音源方向へ障害物を回避し搬送する経路を自動的に導出する障害物回避経路計画システムおよび搬送中のタンク内液体振動を抑制する搬送制御システムの開発を行う.昨年度までに,天井クレーンの3次元搬送機構の開発とスロッシング解析,天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システムの開発を行い,制振性の効果のある目標軌道を生成するフィードフォーワード制御系と目標軌道への追従性を向上させるフィードバック制御系を組み合わせた2自由度搬送制御系を構築し,制振性の向上を計った.また,音源方向定位を用いた自動搬送経路計画システムの開発では,経路計画システムの実時間処理への対策として,目的地と障害物の情報のみで経路計画が可能となる3次元障害物回避経路計画手法を提案し,アルゴリズムの開発とシミュレーションおよび実験検証により,制振効果,経路計画回数,最短経路や最小エネルギ経路といいった評価について,システムの妥当性,有用性の検証を行った.研究計画最終年度として,2自由度搬送制御系のゲインを与え方によって制振効果や目標軌道の追従性の効果について検討した.また,昨年度問題であった音源方向定位による目標位置同定の精度について,音源を超音波として与えることにより,ノイズからの問題を解決した手法を検討した.さらに,実機へ適用については,実験機での精度の向上を検討したが,実行ある解決には至っていない.今後も研究を進める予定である.これらの研究成果は国内外の学会で成果発表を行った.クレーン作業者が音源情報を与え,その音源方向へ障害物を回避し搬送する経路を自動的に導出する障害物回避経路計画システムおよび搬送中のタンク内液体振動を抑制する搬送制御システムの開発を行った.まず,天井クレーンの3次元搬送機構の開発とスロッシング解析を行い,制振性に効果のある2自由度搬送制御系を構築した.次に,音源方向定位を用いた自動搬送経路計画システムの開発では,経路計画システム開発と実時間処理への対策として,目的地と障害物の情報のみで経路計画が可能となる障害物回避経路手法を提案し,アルゴリズムの開発とシミュレーションおよび実験検証により,システムの妥当性,有用性の検証を行った.本研究では,タンク内の液体振動を抑え,目的地に短時間で自動的に搬送する「安全性と作業性を考慮したマン・マシン融合天井クレーン液体タンク搬送システムの開発」を行う.マン・マシン融合システム構築のため,音源方向定位を用いた移動ロボットを3次元へ拡張し,クレーン作業者が音源情報(指令)を与えることにより,その音源方向へ搬送する経路を自動的に導出する経路計画システムの開発を行う.具体的には,(1)天井クレーンの3次元搬送機構(ハードウェア)の開発とスロッシング解析,(2)天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システム(ソフトウェア)の開発,ならびに(3)音源方向定位を用いた自動搬送経路計画システムの開発と(4)実操業を十分考慮した搬送制御システムの開発を行う.とくに,本年度は,

(1)天井クレーンの3次元搬送機構の開発とスロッシング解析として,ロッド長の可変による3次元方向搬送に対する各種タンク形状でのスロッシング発生のメカニズムを解明した.また,(2)天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システムの開発には,(1)の知見をもとに,申請者が行っている2次元搬送でのタンク内液面振動を抑制するフィードフォーワード搬送制御系の開発を参考にして,液面振動抑制搬送制御系の検討を行った.一方,3)音源方向定位を用いた自動搬送経路計画システムの開発では,クレーンの操作指令信号を特定音源とした音源方向定位システム開発のための基礎的な実験を行った.また,経路計画システム開発と実時間処理への対策として,目的地と障害物の情報のみで経路計画が可能となるY.Srinivasらが提案している2次元の自律走行車に対する障害物回避経路に関する研究を3次元に拡張することを試み,アルゴリズムの開発とシミュレーションおよび実験検証により,システムの有用性の検証を行っている.概ね順調に研究は進捗しているが,実験装置の精度,システム構築に以下の問題を生じている.(1)搬送制御系については,触れ角検出機構の精度による実験障害,(2)音源方向定位による目的地同定については,実験装置が小さくその同定精度に問題を生じた.今年度は実機への適用も考慮し,システム開発の検討を行う.申請書に記載の研究目的,方法に沿って研究が行われている.制振性に効果のある目標軌道を生成するフィードフォーワード制御系と目標軌道への追従性を向上させるフィードバック制御系を組み合わせた2自由度搬送制御系については,触れ角検出機構の精度向上を図る.また,経路計画システムにおいても,障害物認識システムならびに音源方向との音源方向定位システムの精度向上ならびにノイズ対策等を行い,これらのシステムを統合し.実機への適用も考慮し,システムの有用性の検討を行う.これらの成果を国内外の学会等で成果発表を行う.概ね順調に研究が進捗しているので,研究計画に従って研究を実施する.液体タンクの振動抑制制御に対しては,振動抑制効果のある搬送制御系の設計を検討し,自律化に関しては,障害物認識システムの精度検証ならびに経路計画システムの有用性について実験検証により進める.該当無し天井クレーンによるタンク内液体搬送制御システム(ソフトウェア)の開発に対して,申請物品のDSPボード,同コンパイラを購入し,ロッド長が自動伸縮となる時変システムに対応した制振性に効果のある液体搬送制御システムを開発する.音源方向定位を用いた自動搬送経路計画システムの開発に対して,DSPボード,同コンパイラにより,音源方向定位を用いた自動搬送経路計画システムの開発を行う.また,これまで申請者が開発してきた「自律走行天井クレーンシステム」と統合し,自動的に目的地に短時間で搬送するシステムを開発する.
肝におけるプロティンホスファターゼの本態と意義の研究

われわれはラット肝を用いてプロテインホスファターゼの研究を行い、これまでに互に相異なる複数の分子種の存在を明らかにした。すなわち分子種【I】A、【I】B、および【II】は可溶画分に、P1およびP2は顆粒画分に存在し、これらのいくつかについてすでに精製して、その性状やサブユニット構造を明らかにした。最近われわれはさらに、上のいずれとも異なる分子種Mを見いだし、その部分精製を進めた。Mはきわめて不安定であるため、その本態や性状の詳細については不明な点が多かった。われわれは、Brij35、グリセロール、および種々のプロテアーゼ阻害剤の共存下でMが安定化することを見いだした。そこでこれを利用して、プロタミン-セファロース4Bカラムにより、Mを元の性状を保持した状態で、P1およびP2から分離することができた。Mは顆粒結合性である点でP1やP2と共通するが、しかしこれらとは多くの点で性状を異にするユニークな分子種である。すなわちMは肝グリコゲン合成酵素を【Mn^(++)】依存性に特異的に活性化し、ヒストンやホスホリラーゼをほとんど基質としない。またインヒビター2やタイプIホスファターゼ触媒サブユニット抗体では阻害されなかった。われわれはまた、M以外の他の分子種について、これと並行して研究を進めた。すなわち【I】Aについては、ポリクローナル抗体をすでに作製し、またアミノ酸組成やアミノ酸の部分配列を決定した。【I】Bおよび【II】については、その大量精製法を確立し、必要な酵素量を均質に得ることができたので、これを用いてさらに各サブユニットを分離し、それらについてたんぱく化学的研究や抗体作製を進めている。以上のような研究を通じて、われわれが肝に見いだした複数のプロテインホスファターゼ分子種について、分子生物学的研究を開始した。
境界域の実態とダイナミクス

研究目的としてとりあげた3つの課題に対応して,得られた成果を以下に要約する。1.力学的な観測に関しては,南極に設置するための超伝導重力計を購入し,その性能とデ-タ解析法を詳しく調べた。中心核の構造を解明するためには,自由コア章動やアンダ-トンをとらえる必要があるが,このような高精度観測には,気象補正などが必要なことが分かった。気象補正のために,用いるデ-タや補正の方法について研究が進み,実用化の見通しを得た。一方,超伝導重力計を南極に設置する上で,整備すべき条件が検討され,難題であった液体ヘリウムの供給法について,実現可能な方法が見出された。2.ホットスポット火山物質に関しては,物質科学的なデ-タの蓄積が進み,マントルにおける物質移動との関連で考察が始まった。それと同時に,地形,地磁気,重力など,海底における観測デ-タが,この問題の解明に役立つことが認識され,デ-タベ-ス化を推進した。その応用として,西太平洋海底のシヤツキ-ライズについて,活動史がたどられ,それがホットスポット起源であることが見出された。3.理論的な研究に関しては,核・マントル境界で発生するマントル上昇流の形態について,様々な事実を整理して,モデル化に向けて研究が始まった。同位体比にDupal異常が見られることや,洪水玄武岩のような激しい火山活動が過去に存在した事実などから,マントル上昇流が非定状である可能性を指摘するに至った。
近代日本における都市内水運に関する歴史地理学的研究

近代都市の発展のための貨物輸送において大きな役割を果してきた都市内水運の役割を歴史地理学的に評価することを目的として、日本の4都市を対象とした研究を行った。分析には、各都市の図書館・文書館・資料館等所蔵の文献資料や地図類を用いた。近代初頭に都市建設が行われた札幌では、都市への物資の供給路として道路とともに、海岸部と札幌を結ぶ運河の建設が行われた。明治期にはこれらの運河が利用され、その後も運河計画が立てられたが、実現を見ないまま鉄道・道路の発達と共に衰退した。開国とともに都市発達が始まった横浜では、横浜港の背面に当たる帷子川、大岡川の河口部に明治初頭に水路を建設し、海運に接続する都市内水運の利用が盛んであった。近世以来の港町である新潟は、海運と河川水運が直結する信濃川の河口港を中心として発展したが、都市内に縦横に堀が張り巡らされ、信濃川と結ぶ船の利用も活発であった。近世城下町から発展した広島は、下流部で六条に分流する太田川三角州に位置するため、これらの河川による輸送が近世より活発で、近代においてもこれらの河川・水路を用いて貨物輸送が行われた。東京・大阪・名古屋の三代都市と同様、今回対象とした4都市においても近代において水運利用に積極的であった時期があり、その時期においては水路沿いに利用施設の配置が行われた。内陸部に位置する札幌においては明治期に運河建設が実現するが、大正以降水運利用は減少していく。臨海部に位置する新潟・横浜・広島の各都市は、港湾の立地条件や都市の地形条件、水路の規模、形態等に差異が認められるが、おおむね近代を通じて、都市内水運の利用が行われ、水路沿いに工場・倉庫等の施設が立地した。また、沿岸地区には輸送品目と対応して地域特性に違いが認められる場合もあった。なお、水運業者の経営に関する資料は発見できなかった。
堆肥化過程からのＮ２Ｏ排出を支配する新規機構の解明とＮ２Ｏ排出予測式の導出

堆肥化では、強力な温室効果ガスであるN2Oが発生する。本研究ではそのN2O排出のメカニズム解明と排出量を予測することを目的とした。その結果、堆肥化過程におけるN2O排出量は、堆肥原料中の亜硝酸態窒素または硝酸態窒素の量と高い相関性があることが示され、N2O予測の可能性が示唆された。また高温度(60°C)の堆肥化で生成されるN2Oは、クローンライブラリ法により脱窒菌が関与していることが明らかとなった。堆肥化過程では、強力な温室効果ガスの一つである一酸化二窒素(N2O)が排出される。本研究は堆肥化過程で発生するN2Oの排出機構の解明ならびに高精度のインベントリデータの創出を図るためにN2O排出予測式の導出することが目的である。とりわけ、平成24年度においては、堆肥中の窒素形態などの化学的なパラメータがN2O排出量に及ぼす影響を明らかにすること、ならびに、このN2O排出が堆肥化初期過程において硝化または脱窒のどちらの過程で支配的なのかを検討することにより、N2O排出機構の解明を目指すことが目的であった。本年度課題では、精密小型堆肥化試験装置を用いて、乳牛ふんまたは豚ふんを堆肥材料として実験を行い、N2O排出量を調査した。その結果、堆肥材料中の硝酸態・亜硝酸態窒素の量がN2O排出の根源となっており、堆肥材料(乳牛または豚ふん)の違いによって、N2Oの生成源が硝酸態窒素または亜硝酸態窒素のどちらかとなる可能性を示した。また、乳牛ふんの堆肥化初期過程において、MPN法による硝化・脱窒菌ならびにアンモニア態、亜硝酸態、硝酸態窒素の量を堆肥化の温度上昇ごとに調査した結果、中温域で発生するN2Oは硝酸態窒素の脱窒過程で生成される可能性が高く、高温域では中温域の脱窒過程で生成される代謝副産物がN2O生成源の基質となる可能性が示された。しかしながら、高温域(55-70°C)では一般的な脱窒菌の至適温度(30°C)を超えており、かつ、高温域では脱窒菌の栄養源である硝酸態窒素が消失していたことから、通常の脱窒菌とは異なる反応を示し、約60°Cを至適温度とし、且つ非常に高いN2O生成能力を有する新たな微生物叢の存在が示唆された。加えて、平成25年度に行う予定であった実証規模堆肥舎におけるN2O排出量の測定を実施し、N2O排出予測式の検証データを確保した。以上が平成24年度の研究実績概要である。堆肥化過程では、強力な温室効果ガスである一酸化二窒素(N2O)が発生する。本研究は、堆肥化で発生するN2O排出機構の解明ならびに堆肥化諸条件とN2O排出量の関連性からN2O排出予測を目指すことが目的である。平成23、24年度は、N2O排出量に関係している主要因子を追求し、堆肥原料中の硝酸態窒素または亜硝酸態窒素の存在がN2O排出量に深く関与していることを明らかにした。またN2O排出機構の解明においては、堆肥化過程の高温ステージ(約60°C)においてN2O生成を活性化させる微生物が存在し、それが脱窒菌の関与が示唆されていた。そこで平成25年度においては、堆肥原料中の硝酸態窒素と亜硝酸態窒素の量がN2O排出量に及ぼす影響を調査し、N2O排出の予測を試みた。一方、N2O排出機構の解明については堆肥化の各温度ステージ(30,40,50,60,70°C)による微生物叢および硝化・脱窒遺伝子解析を行い、N2O排出に関与する微生物叢の特定を試みた。その結果、堆肥化過程で発生するN2O排出量は、堆肥原料中の亜硝酸態窒素と硝酸態窒素量を高い相関性があることが示された。これからN2Oの排出予測式を導出することが可能であったが、実証堆肥化試験によって得られたN2O排出量等のデータとは一致せず適用が難しかった。しかしながら、堆肥原料中の亜硝酸態および硝酸態窒素量はN2O排出量と高い相関性があることからN2O排出を支配する主要因子であり、一層のデータ蓄積により精度の向上が可能と考えられる。一方、N2O排出機構の解明においては、2つの脱窒遺伝子(nirSおよびnosZ)の量が堆肥化の高温ステージで有意に増加した。これらの遺伝子をクローンライブラリ法で解析した結果、Pseudomonas-likeクラスターに属する脱窒菌であることが判明し、堆肥化過程のN2O排出機構は脱窒が支配していると考えられた。堆肥化は不均一材料かつ多様な微生物が活動している複雑系反応であり、その過程では強力な温室効果ガスである一酸化二窒素(N2O)が発生する。本研究はN2O排出機構の解明

ならびに高精度インベントリデータの創出を図ることが目的であり、特に平成23年度に関しては、物理的パラメータによる堆肥化条件とN2O発生特性解析および堆肥化の温度上昇時に多量のN2Oを排出する微生物群集の解明を目指した。本年度課題では、精密小型堆肥化装置を用いて乳牛ふんの堆肥化試験を実施し、そこから排出されるN2Oを測定した。その結果、堆肥材料の水分、温度、および通気量の違いによって、N2O排出速度および排出量が異なることが明らかとなった。水分に関しては、堆肥材料の含水率が5574%程度の範囲であれば、N2O排出量を抑制することが可能であり、含水率が低下するほどN2O排出量は増加する傾向にあった。また温度に関しては、堆肥化初期の温度上昇時の4350°Cおよび5668°C間でN2O排出速度は明らかに著しく上昇し、しかも高温域の5668°C間でより上昇することが分かった。加えて、通気量に関しては、一般的な最適通気量(0.72 L/min/kg-dm)の場合と、その通気量よりも抑えた条件(0.30 L/min/kg-dm)で4週間の堆肥化実験を行い、そのN2Oの排出特性を検討した。その結果、通気量を0.30 L/min/kg-dmに抑えることで、N2O排出量は約30%減少した。また、堆肥化初期過程にN2Oを大量に排出する微生物群集を検討するために、PCR-DGGE法を用いて温度変化に伴うバクテリアならびに硝化細菌(amoA)の群集解析を行った。その結果、N2Oの排出に関与すると思われる微生物群集の大きな変遷は確認されなかった。それ故、堆肥化初期過程におけるN2O排出は硝化よりも脱窒が優先原因であると推測された。平成24年度の研究計画では、具体的に(1)化学的パラメータによる堆肥化条件とN2O排出特性の関係性の検討、(2)N2O排出における微生物の硝化・脱窒ポテンシャルを検討すること、の2点であった。平成24年度は、この双方の課題に取り組み、以下の結果が得られている。(1)堆肥材料中の硝酸態または亜硝酸態窒素の量がN2O排出の大きな要因であることが明らかとなった。特に乳牛ふん材料を主原料とした場合には硝酸態窒素量がN2Oの排出源となり、豚ふん材料では亜硝酸態窒素がその源になる傾向を示した。これは堆肥材料によってN2O生成の源となる窒素源が異なることを示唆するものであった。(2)堆肥化初期過程において、乳牛ふんを堆肥の主原料とした場合、硝酸態窒素を起源に中温域(約45-55°C)と高温域(55-70°C)でN2O排出量が増加した。硝化・脱窒菌ならびにアンモニア態、亜硝酸態、硝酸態窒素を堆肥化の推移(温度上昇)とともに追跡した結果、中温域で発生するN2Oは硝酸態窒素の脱窒過程で生成される可能性が高かった。また、高温域では中温域の脱窒過程で生成される代謝副産物がN2O生成源の基質となり、高温域の著しいN2O排出を引き起こすと思われた。しかしながら、高温域(55-70°C)では一般的な脱窒菌の至適温度(30°C)を超えており、かつ、高温域では脱窒菌の栄養源である硝酸態窒素が消失していたことから、通常の脱窒菌とは異なる反応を示した。それ故、約60°Cを至適温度とし且つ非常に高いN2O生成能力を有する新たな微生物叢の存在が示唆された。(3)加えて、平成25年度に実施予定であった実験室および実証規模での堆肥化過程におけるN2O排出量の測定を行い、N2O排出予測式の検証のためのデータを採取した。以上の様に、平成24年度の研究計画に基づき研究が遂行されており、おおむね順調に進展していると考えられる。平成23年度の研究実施計画は、(1)物理的パラメータ(水分、温度、通気量)による堆肥化条件とN2O発生特性の解析、(2)堆肥化の温度上昇時に多量のN2Oを排出する微生物群集の解明の2点を行うことであった。本年度は、この両方の課題に取り組み、以下の結果が得られている。