2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26289181
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小熊 久美子 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00361527)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
春日 郁朗 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (20431794)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 水処理 / 消毒 / 紫外線 / 発光ダイオード / LED |
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| Outline of Annual Research Achievements |
給水栓における浄水の安全性を向上する技術として、紫外線発光ダイオード（UV-LED）の利用を提案した。本年度は、指標微生物（大腸菌、大腸菌ファージ）試料を管路内に通水してUV-LEDを照射し、水理条件や素子の配列が不活化効果に及ぼす影響を調査した。また、水系感染症の原因となる病原性アデノウイルスを対象に、UV-LED照射による不活化効果を調査した。さらに、給水栓で使用の都度に水を処理するPoint-of-use（POU）型浄水装置に膜ろ過技術が多用されていることを踏まえ、膜の前段にUV-LEDを照射することで膜閉塞を抑制できるか検討した。いずれの実験でも、発光ピーク波長282nmの素子を20個装着した環状外照式装置を用い、以下の成果を得た。
１.管路内を流れる試料にUV-LEDを照射した実験では、流量600ｍL/分で最大6log、流量1200ｍL/分で最大3logの大腸菌不活化を達成し、その有効性を確認した。また、素子を一箇所に配列するよりも分散して配列したほうが不活化効果が向上し、装置設計上の有益な知見を得た。
２.UV-LED照射によるアデノウイルス不活化特性を調査した結果、本研究で採用した素子のアデノウイルス不活化効率は低圧紫外線ランプに比べて高く、その機構解明など今後の研究展開の糸口を得た。なお、アデノウイルスのUV-LED不活化を感染性試験によって定量した報告は世界的に前例がない。成果を国際会議で発表したほか、欧文学術誌に投稿し査読中である。
３.精密膜ろ過の前段にUV-LED照射を施し、水道水中の従属栄養細菌の不活化および膜ファウリング制御の効果を調査した。UV-LED照射により、脱塩素後の水道水中でも従属栄養細菌の増殖を3日程度抑制できること、精密ろ過膜の閉塞を低減できることが示唆された。また、従属栄養細菌の中でも菌種による紫外線感受性が異なることが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は、給水栓における浄水の安全性を向上する技術として、紫外発光ダイオード(UV-LED)を備えた水処理装置を開発し、その効果を浮遊微生物の不活化と生物膜抑制の二つの評価軸で検証することを目的に掲げている。平成26年度は、１）UV-LEDを利用した浄水装置の作製し装置内の紫外線線量率分布と水の流動条件を数値モデルでシミュレートすること、２）糞便汚染の指標微生物（大腸菌、大腸菌ファージMS2およびQβ）に加えて病原微生物を対象にUV-LED照射による浮遊微生物の不活化効果を明らかにすること、３）生物膜実験装置を入手し実験系を構築すること、の三点を目標として交付申請したが、上記「研究実績の概要」に記載の通り、１）２）を予定通り達成し、成果発表にいたった。また、３）については当初予定していた実験装置とは別の形状ながらより現実に即した実験装置（ろ過膜を備えた浄水器内部での生物膜形成を模擬した系）を確立して成果を得ており、研究計画全体において順調に進展していると判断する。なお、補助金の繰越は以下に記すとおり既存装置や無償ソフトウェアを最大限に活用して研究費使途を最適化したためであり、研究進捗にはなんら負の影響を及ぼしていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
UV-LED照射装置を新たに設計、製作し、実験に供する。特に、素子の離散的配列の最適化、流水式装置での水理条件との兼ね合いなど、過年度の研究で得られた知見を生かす。使う場を具体的に想定し、実用化を強く意識した設計とする。コスト抑制の観点から、消毒効果を維持しながら素子数を減らすことにも挑戦する。UV-LED素子そのものの性能（出力と寿命）は日進月歩で向上しており、特に日本の複数のメーカーが世界トップクラスの性能を達成している現状を踏まえ、日本発の先端的装置開発を目指して綿密な市場調査と国内企業との意見交換を継続する。
UV-LED照射による生物膜抑制効果について、引き続き検討する。水道管路内や給水装置の内部に生物膜を形成する細菌は概ね従属栄養細菌に含まれるが、H26年度に実施した実験においてコロニーの色にもとづき簡易分類した結果では、従属栄養細菌の中でも種によって紫外線感受性が異なることが示された。そこで本年度は、研究分担者のもと分子生物学的手法を用いて細菌種の分類と同定をおこない、特に紫外線耐性が高く生物膜形成能も高い菌種に注目して、その効果的な制御方法を検討する。
アジアの新興国で急速に普及している膜を備えたPOU型浄水装置について、現状の性能と課題を整理し、従来のPOU装置にUV-LEDを付加する意義や求められる性能を定量的に示す。さらに、その性能をUV-LED照射により達成できるかどうか、実験的に明らかにする。
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| Causes of Carryover |
UV-LED照射装置を新規に購入する計画であったが、科研費若手(B)「紫外発光ダイオードを用いた水処理装置の開発(24760427)」で製作した環状外照式装置が本研究目的に適うと判断し、本年度は新規装置の購入を見送った。この結果、年度当初から効率的に実験を開始し、当該装置の特性を多角的に評価し、今後の装置開発に資する装置設計上の工夫について知見を得た。また、CFDソフトウェアの購入を予定していたが、無償CFDソフトウェア(OpenFOAM)で本年度の研究目的を概ね達成可能と判断し、購入を見送った。水道管路内の生物膜を模擬した実験装置の購入を予定していたが、先進国に加え新興国でも急速に普及が進んでいる膜ろ過式浄水器に注目し膜閉塞の要因となる生物膜の制御を試みるほうが、小型UV-LED装置の開発を目指す本研究の最終目的に適うと判断し、当初予定していた装置の購入を見送った。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H26年度に判明した装置設計上の課題や工夫を踏まえてUV-LED照射装置を新規に設計し、繰り越した研究費を用いて購入する計画である。
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| Remarks |
TV取材, 「INSIDE OUT -How We Live Tomorrow （仮）」, ディスカバリーチャンネル（アジア・オセアニア全域）, 2015 年6 月後半放送予定
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