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2022 年度 実績報告書

岩石の選択・集中的な自己修復を可能とするバイオセメンテーション技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 21H01428
研究機関琉球大学

研究代表者

松原 仁  琉球大学, 工学部, 准教授 (50414537)

研究分担者 川崎 了  北海道大学, 工学研究院, 教授 (00304022)
椋木 俊文  熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (30423651)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード岩内微生物 / バイオセメンテーション / 自己修復 / ナノX線CT / SDDP地圏材料
研究実績の概要

脆弱化した岩石の自己組織的な新しい修復技術の構築に向けて,フィールド調査,室内実験,X線画像解析,シミュレーションの観点からの研究を進めており,2022年度の活動は以下のようにまとめることができる。
(1) 北海道の凝灰岩及び砂岩の露頭を対象にしたフィールド調査を実施し,2021年度に沖縄の凝灰岩及び砂岩で得られたDNAを比較分析した結果,岩内微生物の属分布が一致し,岩石の鉱化・風化作用にある特定の微生物が関与していることが明らかとなった。また,沖縄の砂岩で発見した微生物起源の炭酸塩の析出現象について,実験室にて再現することに成功した。加えて,沖縄県内の複数のサイトから地盤固化に有効な微生物の単離培養に成功した。
(2) セルロース繊維材による微生物活性化の可能性について,珪砂及び国頭マージを用いた実験を実施したところ,特に,古紙繊維材を用いた時に,繊維材の周りに集中的に炭酸塩が析出することが明らかになった。微弱電流を用いた微生物制御法については,粒径分布の影響を受ける可能性が考えられた。
(3) 前年度に作製した供試体(砂粒子のみ,砂粒子+繊維材)のX線CT画像解析を継続し,バガス繊維と土粒子構造のX線CT画像取得に成功した。また,得られた空間情報を用いた炭酸塩の析出シミュレーションにも成功した(詳細については未検討)。
(4) 前年度に構築したMICPシミュレータに,均質化法に基づいたマルチスケール応力解析機能を追加した。加えて,OpenMPを用いた並列計算機能も追加した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究では,岩石修復を可能とする土着の岩内微生物の代謝反応を活発化させ,脆弱部を選択・集中的に修復できる機能を付加することで,岩石全体の自己組織的な「再一体化」を実現できる手法の提案を目的としており,本年までに以下のことを達成している。
(1) 地盤固化に有効な複数の微生物の単離培養に成功
(2) シアノバクテリア起源の炭酸塩の析出現象を実験室にて再現することに成功
(3) 天然由来の繊維材を用いることで岩内微生物が活性化し,繊維材周りにおける炭酸塩の析出を誘発することを発見
(4) 微細構造をX線CT画像にて取得したSDDP地圏材料の3次元微細構造を考慮したMICPシミュレーションを実現(SDDP:Sustainable Development for Disaster Prevention)
以上のように,目的達成のための一連の研究成果が蓄積されており,特に,①気温・湿度と微生物起源の炭酸塩析出の関係,②岩内微生物による選択・集中的な修復機能の再現,②SDDP地圏材料の修復ダイナミクスに伴う微細構造の変化とマクロ強度発現との関連性,③SDDP地圏材料のシミュレーション技術について,大きな進展がある。以上のことから,本研究は当初の計画以上に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

本研究は当初の計画以上に進展しており,今後は,SDDP地圏材料の更なる発展的な知見を得るために,微生物による岩石の鉱化現象に風化現象を交えたマルチフィジックスプロセスについても考究することとする。また,CT画像とシミュレーション技術の統合化についても計算結果の詳細検討を進めていく。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Multi-scale integration simulation of microbially induced carbonate precipitation using reaction-diffusion and homogenization models2022

    • 著者名/発表者名
      Nishimura Ibuki, Matsubara Hitoshi
    • 雑誌名

      Bulletin of Engineering Geology and the Environment

      巻: 81 ページ: 460

    • DOI

      10.1007/s10064-022-02957-9

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electricity-reaction-diffusion system for microbially induced carbonate precipitation2022

    • 著者名/発表者名
      Nishimura Ibuki, Matsubara Hitoshi
    • 雑誌名

      Soils and Foundations

      巻: 62 ページ: 101217

    • DOI

      10.1016/j.sandf.2022.101217

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 反応拡散理論に基づくMICPシミュレーション技術の開発2022

    • 著者名/発表者名
      西村伊吹,松原仁
    • 雑誌名

      材料

      巻: 71 ページ: 59~66

    • DOI

      10.2472/jsms.71.59

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 沖縄沿岸域における地盤固化を可能とする土着微生物の同定2022

    • 著者名/発表者名
      屋比久雄斗,松原仁
    • 雑誌名

      第15回地盤改良シンポジウム論文集

      巻: 2022 ページ: 525~530

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 露頭表層における藻類の炭酸塩析出現象に関するシミュレーション研究2022

    • 著者名/発表者名
      西村伊吹,松原仁
    • 雑誌名

      第15回地盤改良シンポジウム論文集

      巻: 2022 ページ: 207~212

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 光合成微生物を用いた砂質土の安定化2022

    • 著者名/発表者名
      上西遼,松原仁
    • 雑誌名

      第15回地盤改良シンポジウム論文集

      巻: 2022 ページ: 51~56

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 土と岩と微生物をつなぐ2022

    • 著者名/発表者名
      松原仁
    • 雑誌名

      材料

      巻: 71 ページ: 126~126

    • DOI

      10.2472/jsms.71.126

  • [学会発表] Mathematical and numerical modelling of biomediated soil improvement2022

    • 著者名/発表者名
      I. Nishimura and H. Matsubara
    • 学会等名
      15th World Congress on Computation Mecchanics
    • 国際学会
  • [学会発表] Mathematical and numerical modelling of photoautotrophic calcification on rock surface2022

    • 著者名/発表者名
      H. Matsubara and I. Nishimura
    • 学会等名
      15th World Congress on Computation Mecchanics
    • 国際学会
  • [学会発表] MICP現象に伴う土粒子の固着現象に関する解析的検討2022

    • 著者名/発表者名
      西村伊吹,松原仁
    • 学会等名
      第57回地盤工学研究発表会

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公開日: 2023-12-25  

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