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鉄鋼材料およびスラグ上に形成したバイオフィルムの3顕微鏡同一箇所水中その場解析

Research Project

Project/Area Number 23K04465
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 26060:Metals production and resources production-related
Research InstitutionSuzuka National College of Technology

Principal Investigator

平井 信充  鈴鹿工業高等専門学校, 生物応用化学科, 教授 (50294020)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 岩田 太  静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (30262794)
兼松 秀行  鈴鹿工業高等専門学校, その他部局等, 特命教授 (10185952)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywordsバイオフィルム / ぬめり / 走査型イオン伝導顕微鏡 / 共焦点レーザー顕微鏡 / 原子間力顕微鏡 / 微生物 / 鉄鋼材料 / 鉄鋼スラグ / 走査型プローブ顕微鏡
Outline of Research at the Start

バイオフィルムの生成防止や生成加速に及ぼす基板材料の影響を明らかにするためには、バイオフィルム成長の超初期過程の水中その場観察が極めて重要である。その際の水中その場観察手法はいくつかあるものの一長一短である。そこで、本研究では、申請者らが世界で初めてバイオフィルムの観察に成功した「走査型イオン伝導顕微鏡」に加えて、「共焦点レーザー顕微鏡」と「原子間力顕微鏡」も用いて、3つの顕微鏡で同一箇所を水中その場で解析する技術の確立を目的とする。その結果、鉄鋼材料の微生物腐食防止や鉄鋼スラグ上へのバイオフィルム形成加速に関する知見を得ること最終目標としている。

Outline of Annual Research Achievements

バイオフィルムは、金属腐食、感染症、虫歯・歯周病などの様々な問題の原因となるため、その生成防止や除去に関する知見は重要である。一般的に、バイオフィルムの生成防止は抗菌性の付与のみで制御可能と考えられるが、先行研究において、抗菌性を示すAg上への緑膿菌バイオフィルムの生成量が、抗菌性を示さないSn上に比べ多いという実験結果が得られている。これは、バイオフィルム生成能は抗菌性のみでは説明がつかず、基板性状等抗菌性以外の影響が存在することを示している。この理由の解明には、材料表面へのバイオフィルムの付着過程や初期過程についての知見が必要であり、バイオフィルム生成初期過程のナノスケール水中その場観察はこれらの知見を得る上での一助となる。一般的にバイオフィルムのナノスケール水中その場観察に用いられる共焦点レーザー顕微鏡CLSMは、適切な染色を行うことにより菌などの配置を可視化しバイオフィルムの構造の詳細を明らかにできる顕微鏡である。しかし、基板や観察条件によっては基板の位置が不明瞭であり、また水平方向と比較して高さ方向の分解能が低いなどの問題点がある。一方、イオン電流を検知し三次元形状を得る走査型イオン伝導顕微鏡SICMは従来細胞観察に用いられてきたが、筆者らはこの顕微鏡をバイオフィルムに適用し世界で初めてそのPBS中観察に成功した。しかし、SICMは観察しているものが何であるかについての情報が得られないという問題点がある。そこで本研究では、ガラス上に生成した海洋菌バイオフィルムについて、その同一箇所をSICMとCLSMの両方でPBS中ナノスケールその場観察した。その結果、おおよそよく似た形状のバイオフィルムが観察されたが、詳細な比較を行うと観察された形状には差が見られた。これらの差より、それぞれ単体の顕微鏡観察では得られなかったバイオフィルムの詳細構造に関する知見が得られた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的は、ガラス上に生成した海洋菌バイオフィルムについて、その同一箇所をSICMとCLSM、AFMという3つの顕微鏡ででPBS中ナノスケールその場観察することにより、それぞれ1種類の顕微鏡では得られないバイオフィルム構造に関する知見を得ることである。今年度はSICMとCLSMの2つの顕微鏡にてバイオフィルムの同一箇所観察を行った。バイオフィルムの生成には海洋性ビブリオ菌(Aliivibrio fischeri JCM18803, RIKEN)を使用した。前培養した菌液をリン酸緩衝溶液(PBS)により32倍希釈した溶液内でガラスを2日間22℃保持することによりガラス表面にバイオフィルムを生成させた。これをグルタルアルデヒド含有PBSで固定後、クリスタルバイオレット溶液およびDAPIで染色し各種顕微鏡により観察した。ガラス上に生成したバイオフィルムについてCLSMとSICMにより同一箇所をPBS中その場観察した結果、おおよそよく似た形状のバイオフィルム観察に成功した。しかし詳細な比較を行うと観察された形状には差が見られた。これらの差より、それぞれ単体の顕微鏡観察では得られなかったバイオフィルムの詳細構造に関する知見が得られた。

Strategy for Future Research Activity

SICMとCLSMの2つの顕微鏡で観察を行った像の差より、それぞれ単体の顕微鏡観察では得られなかったバイオフィルムの詳細構造に関する知見が得られた。また原子間力顕微鏡AFMによるバイオフィルム形態観察にも既に成功している。しかしながら、AFMと、他の2つの顕微鏡を用いてのでの同一箇所観察には成功していないため、その実現を今後の1つの目標とする。
またその他の目標として、バイオフィルムのCLSM観察においては、色々な染色を組み合わせることができるため、染色の選択と組合せを工夫することにより、バイオフィルム構造に関するより多くの知見を得ることができればと考えている。

Report

(1 results)
  • 2023 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2024 2023

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 2 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Quantitative Evaluation Methods for Surface Processing Technology Using Microbial Biofilm: Microbial Biofilm on Iron and Steel Slag, and the Effects of Slag Attached Biofilm on pH Buffering Action2023

    • Author(s)
      Takahashi Toshiyuki、Kai Hotaka、Hirai Nobumitsu
    • Journal Title

      Tetsu-to-Hagane

      Volume: 109 Issue: 10 Pages: 779-791

    • DOI

      10.2355/tetsutohagane.TETSU-2023-039

    • ISSN
      0021-1575, 1883-2954
    • Year and Date
      2023-10-01
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] AC Electromagnetic Field Controls the Biofilms on the Glass Surface by Escherichia coli & Staphylococcus epidermidis Inhibition Effect2023

    • Author(s)
      Natsu Aoyama, Hideyuki Kanematsu, Dana M Barry, Hidekazu Miura, Akiko Ogawa, Takeshi Kogo, Risa Kawai, Takeshi Hagio, Nobumitsu Hirai, Takehito Kato, Michiko Yoshitake, Ryoichi Ichino
    • Journal Title

      Materials

      Volume: 16 Issue: 21 Pages: 7051-7051

    • DOI

      10.3390/ma16217051

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] バイオフィルムの「濡れ性評価」と「ナノスケール水中その場観察」2024

    • Author(s)
      平井信充
    • Organizer
      電気化学会第91回大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] ガラスおよびシリコン基板上での模擬バイオフィルムの濡れ性に与える各種アミノ酸の添加効果2023

    • Author(s)
      平井信充, 花井仁美, 三輪有平, 伊藤翠花, 加藤妃華, 幸後 健, 小川亜希子, 黒田大介, 兼松秀行
    • Organizer
      表面技術協会第148回講演大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] ガラス上海洋菌バイオフィルムの各種顕微鏡による水中その場観察2023

    • Author(s)
      三輪 有平, 平井 信充, 稲垣 日那, 福沢 直人, 猪股 仁志, 岩田 太, 江口 正徳, 小暮 亮雅, 幸後 健, 小川 亜希子, 黒田 大介, 兼松 秀行
    • Organizer
      2023電気化学秋季大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 各種顕微鏡を用いたガラス上海洋菌バイオフィルムの水中その場観察2023

    • Author(s)
      三輪有平, 平井信充, 稲垣日那, 兼松秀行, 岩田太
    • Organizer
      日本鉄鋼協会2023年秋季(第186回)講演大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] In-situ observation of biofilm by using various microscopes in liquid2023

    • Author(s)
      Yuhei Miwa, Hina Inagaki, Rein Osaki, Hitoshi Inomata, Shunta Hattori, Futoshi Iwata, Koki Nietani, Ibuki Machi, Takuto Uematsu, Masanori Eguchi, Akinori Kogure, Yuki Imamura, Munehiro Kimura, Nobumitsu Hirai
    • Organizer
      8th SIT-Gigaku 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] バイオフィルムの成長挙動が基板により異なるのはなぜか?~ナノスケールその場観察と濡れ性という2つのアプローチ~2023

    • Author(s)
      平井信充
    • Organizer
      第54回中部化学関係学協会支部連合秋季大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] SICMとCLSMによる同一箇所のバイオフィルムのPBS中その場観察2023

    • Author(s)
      三輪 有平, 猪股 仁志, 服部 俊太, 岩田 太, 小暮 亮雅, 平井 信充
    • Organizer
      令和5年度表面技術若手研究者・技術者研究交流発表会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 海洋菌バイオフィルム成長過程のCLSMによる水中その場観察2023

    • Author(s)
      稲垣 日那, 三輪 有平, 平井 信充
    • Organizer
      令和5年度表面技術若手研究者・技術者研究交流発表会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Book] バイオフィルム革新的制御技術(分担執筆)第3章第3節 スラグ系環境改善資材表面向けバイオフィルム定量評価手法2023

    • Author(s)
      平井信充, 甲斐穂高
    • Total Pages
      372
    • Publisher
      株式会社エヌ・ティー・エス
    • Related Report
      2023 Research-status Report

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Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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