Nagaoka University of Technology Institutional Repository

国立大学法人長岡技術科学大学博士（工学）doctoral thesi

PHAM, KHANH DUNG

Study on light response of carotenoid production in oleaginous yeast Rhodosporidium toruloides

滝本, 祐也

1 
様式Form 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation  
論文題目：  
Membrane fouling development and biofilm-forming bacteria in anoxic/oxic-MBR under low 
organic loading rate conditions (低有機物負荷A/O-MBRにおける膜ファウリングの発生機構
とバイオフィルム形成細菌に関する研究 ) 
  
氏 名Name 滝本 祐也  
 
 持続的な下水処理システムの構築は，SDGsに指定されているように世界的な課題である．
膜分離活性汚泥法（Membrane bioreactor: MBR）は，その高い処理性能によって世界的に普
及が進んでおり，従来の活性汚泥法に代わる生物学的排水処理プロセスとして注目されて
いる．一方で，MBRは孔径0.1 μm程度の精密分離膜を使用するため，継続運転に伴い，膜
面バイオフィルムの形成とともに膜透過流速が著しく低下する“膜ファウリング”の発生
が主要な問題である．特に，膜面バイオフィルムの形成を担う細菌群に関する知見は不足
しており，複雑かつ多様な微生物群によって構成されるバイオフィルムの形成機構に関す
る知見は極めて少ない．本学位論文は，膜面バイオフィルム形成を担う細菌の特定と，膜
ファウリング発生機構を明らかにすることを目的として，極めて低い有機物負荷条件で
MBRを運転し，膜面に発達したバイオフィルムおよびMBR内活性汚泥中の膜ファウリング
原因物質・微生物に関する知見をまとめたものである．本論文は全6章から構成され，まず，
第1章では，本研究の背景として低有機物負荷MBRで発生するバイオフィルムの微生物群
集構造を明らかにする意義を整理し，本論文の目的についてまとめた．  
 第2章では，MBRによる排水処理プロセスの特徴と膜ファウリングを誘発する物質，運
転方法および関連する微生物群集について，既往の知見を整理し，本論文の意義を明確に
した．  
 第3章では，バイオフィルム形成細菌を特定することを目的に，低有機物負荷条件下で
MBRを運転し，各種運転パラメーターのモニタリングおよび膜面に発生したバイオフィル
ムと通常の条件で発生した膜面バイオフィルムの細菌群集構造を比較した．その結果，通
常条件のMBRは2ヶ月間安定的に運転された一方で，低有機物負荷のMBRでは，運転開始5
日から膜ファウリング発生の指標である膜間差圧（TMP）が上昇し始め，17日後に深刻な
膜ファウリングが発生した．低有機物負荷MBRで確認された急速な膜ファウリングは，溶
菌に由来する物質が寄与していることが示唆された．膜面に発生したバイオフィルムは
MBR内の活性汚泥の細菌群集構造と大きく異なっており，特に低有機物負荷MBRでは未培
養のTM6門が，通常MBRではOD1門がバイオフィルム上で優占して存在するという興味深
い知見が得られた．これらの未培養細菌の存在割合はいずれのバイオフィルムにおいても
活性汚泥と比較して有意に増加しており，バイオフィルム形成に関与する可能性が示唆さ
れた．  
 第4章では，低有機物負荷MBRで発生する膜面バイオフィルムの形成機構を明らかにす
るために，共焦点レーザー顕微鏡（CLSM）と微生物群集構造解析を用いて，バイオフィル
2 
ムの形成過程をモニタリングした．CLSM観察の結果，低有機物負荷運転初期において膜
面への死菌由来成分が付着し，運転中期において死菌由来成分の上層に生菌の集合体が点
在することが明らかとなった．このことは，低有機物負荷運転の影響によって溶菌した細
胞が初期のバイオフィルムを形成し，その後，生細菌が付着・増殖によってマイクロコロ
ニーを形成したことを示唆している．微生物群集における主成分分析の結果，初期バイオ
フィルムの細菌叢はMBR内の活性汚泥と大きく異なっていた一方で，成熟したバイオフィ
ルムは活性汚泥細菌叢と類似していた．初期バイオフィルムには，Neisseriaceae科に属す
る細菌の他に，寄生性および門レベル未培養細菌群が優占して存在しており，これらの優
占種がマイクロコロニー形成に重要な役割を果たしていると考えられた．   
 第5章では，低有機物負荷MBRの膜ファウリング発生における温度の影響を明らかにす
るために，異なる季節にそれぞれ3種類のMBRを運転した．結果として，低温下において極
めて高い再現性を伴って膜ファウリングが発生した一方で，高温下においては，膜ファウ
リングを発生する系と発生しない系が確認された．水質パラメーターを比較した結果，膜
透過流出水の溶解性有機炭素（DOC）に大きな違い観察された．膜ファウリングが緩和さ
れた高温MBRでは，活性汚泥内にDOCは蓄積せず膜を透過しており，活性汚泥中のDOCの
膜透過性が膜ファウリングの発生に影響を与えていることが示唆された．細菌叢解析の結
果，低温・低負荷では，活性汚泥細菌群は活性を維持できず，発生したDOCは分解されな
かった．一方で，高温・高負荷では，活性汚泥細菌群は運転期間中に大きく変動しており，
膜ファウリングが緩和した系では，細菌多様性が維持されることが明らかとなった．以上
の結果は，細菌多様性が膜ファウリングを発生させるDOCの分解に寄与しており，細菌多
様性を維持することが膜ファウリングの制御に重要であることが明らかとなった．  
第6章では，本論文で得られた各章の結果を総括した．  
以上のように，本論文は，MBRを低有機物負荷で運転することで，急速なバイオフィルム
形成を伴い発生する膜ファウリングを詳細に解析し，バイオフィルム形成を担う細菌およ
び膜ファウリング発生機構を理解する上で重要な知見を提供し，MBRの膜ファウリング制
御に向けた運転の確立に貢献するものと考えられる．  
 


Membrane fouling development and biofilm-forming bacteria in anoxic/oxic-MBR under low organic loading rate conditions

NITHYAGNANA, POORANI SIVAGNANAM CHANDRA

Effects of Residual Stress and Coating Thickness on Fatigue Behavior of TiAlN Coated Titanium Alloys

丹下, 梨穂

1 
様式Form 
論 文 内 容 の 要 旨 
Abstract of Dissertation 
 
氏 名Name  丹下 梨穂  
 
癌の罹患者、そして癌により死亡する人は世界的に増加している。日本では死因第
1 位が癌であり、近年は 3 人に 1 人は癌で死亡している。核酸・タンパク質に次ぐ第 3
の生命鎖である糖鎖は、癌細胞の浸潤、転移、及び腫瘍血管新生に密接に関わってい
ることが明らかになっている。細胞が癌化すると、細胞表面の糖鎖構造が一変する。
この変化は、糖鎖を合成する糖転移酵素の異常発現に起因する。癌で異常発現する糖
転移酵素の 1種にb4-ガラクトース転移酵素  (b4GalT) があり、特にb4GalT3の発現は、
神経芽腫において悪性形質や予後の悪さと正の相関を示す。神経芽腫は、白血病や脳
腫瘍に次いで患者数の多い小児癌で、高リスクグループと診断された場合の 5 年生存
率はおよそ 30％である。そのため、高リスクグループの神経芽腫に対する効果的な治
療薬及び治療法の開発が望まれている。本研究は、未だ有効な治療薬がない神経芽腫
に対する薬剤の探索や治療戦略への応用を目指し、ヒトb4GalT3 遺伝子の転写制御メカ
ニズムを解明することを目的とした。  
はじめに、β4GalT3 遺伝子の 5’-上流領域を単離し、ルシフェラーゼ遺伝子の上流に
繋いだレポータープラスミドを作製した。このプラスミドをベースにデリ−ションコン
ストラクトを作製し、これらのプラスミドを用いて SH-SY5Y ヒト神経芽細胞腫におけ
るプロモーター活性を解析した。その結果、β4GalT3 遺伝子の転写開始点  (+1 とする ) 
の 5’-上流  -69 から  -6 にプロモーター領域が存在することが示された。このプロモー
ター領域において、転写因子 Specific protein (Sp) 1/3結合部位が存在することを見出し、
クロマチン免疫沈降法により、SH-SY5Y 細胞では Sp3 が結合することを明らかにした。
また、SH-SY5Y 細胞に Sp3 遺伝子を導入することで、β4GalT3 遺伝子プロモーターの
活性化に Sp3 が関与することを示した。  
Sp3 は転写活性化因子・転写抑制因子のどちらとしても機能するが、転写活性化因
子としての機能は翻訳後修飾に起因する。次に、神経芽腫における β4GalT3 遺伝子の
転写活性化のメカニズムを、代表的な翻訳後修飾であるリン酸化に着目して解析した。
ウシ胎児血清 fetal bovine serum (FBS) は、mitogen-activated protein kinase (MAPK) シグ
ナル伝達のリン酸化を増加させ、MAPK を活性化する。活性化した MAPK によって Sp3
がリン酸化されるため、FBS 刺激により SH-SY5Y 細胞における MAPK のリン酸化及
び β4GalT3 遺伝子のプロモーター活性への影響を解析した。その結果、FBS は MAPK
シグナル伝達及び β4GalT3 遺伝子プロモーターを活性化した。一方、MAPK キナーゼ
の阻害剤 U0126で処理すると、MAPKシグナル伝達及びプロモーター活性は減少した。
これらの結果から、SH-SY5Y 細胞において、MAPK シグナル伝達によりリン酸化され
た Sp3 が、β4GalT3 遺伝子プロモーターを活性化する可能性が考えられた。Sp3 には、
4 ヶ所のリン酸化される Serine (Ser) 残基  (Ser73、Ser563、Ser566、Ser646) を有し、
Ser563と Ser566は転写活性阻害ドメインに、Ser646は DNA結合ドメインに存在する。
2 
これら 4 ヶ所に変異を導入した Sp3 変異体発現プラスミドをレポータープラスミドと
共導入した実験から、Sp3 の転写活性阻害ドメインと DNA 結合ドメインのリン酸化が
β4GalT3 遺伝子プロモーターの活性化に重要であることが示された。  
癌治療に効果的な薬剤探索の手段として、ルシフェラーゼ遺伝子を用いたスクリー
ニングシステムが繁用される。β4GalT3 遺伝子のプロモーター領域を繋いだレポー  
タープラスミドが薬剤探索へ応用できないかと考え、Sp3 が DNA へ結合するのを阻害
する化合物や、シグナル伝達経路阻害化合物で処理し、各種化合物に対する応答性を
解析した。その結果、これらの化合物は U0126 と同様に β4GalT3 遺伝子のプロモー
ター活性を減少させた。したがって、β4GalT3 遺伝子のプロモーター領域を繋いだレ
ポータープラスミドは、薬剤応答性があることが示された。  
本研究で、β4GalT3 遺伝子プロモーター領域を特定し、神経芽細胞腫において Sp3
が転写を活性化することを示した。また、β4GalT3 遺伝子プロモーターの活性化には
Sp3 内の特定の Ser 残基のリン酸化が重要であることを明らかにした。さらに、β4GalT3
遺伝子のプロモーター領域を繋いだレポータープラスミドは、Sp3 が DNA へ結合する
のを阻害する化合物及び細胞内シグナル伝達を阻害する化合物への応答性を示し、神
経芽腫に奏功する薬剤の探索に有用であると考えられる。本研究で明らかにした
β4GalT3 遺伝子の転写制御メカニズムに着目することで、神経芽腫の新たな薬剤の探索
や治療戦略をもたらすことが期待される。  
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


細胞の癌化を制御する糖転移酵素遺伝子の転写制御メカニズムに関する研究

武田, 美咲

ヒト上肢到達運動の速度と精度のトレード・オフに関する計算論的研究

木本, 理可

心拍変動解析を用いた自律神経系機能評価の健康・スポーツ分野への応用とシステム化

峯脇, さやか

画像の輝度調整に伴うノイズの低減手法とそのデータ圧縮への応用に関する研究

佐藤, 靖徳

（様式４）  
別紙２  
 
論文審査の結果の要旨  
 
学位申請者 佐藤 靖徳  
 
 本論文は、降伏応力流体の流動現象を解明することを目的として、レオメトリー的なア
プローチを実施した。降伏挙動に伴う固体 -液体遷移挙動、降伏後のシアバンド形成、静置
状態の再構造化挙動を対象として、これらを包括的に理解できることを目指した。  
 第 1 章では、降伏応力流体の性質と本研究で対象とする諸現象について説明した後、それらの
レオメトリー的評価手法の開発およびメカニズム解明を目指し、本論文の構成を示した。 
 第 2 章では、本研究における最適なレオメータ、測定治具、測定手法について説明した。 
 第 3 章では、Twin-drive レオメータを用いて過渡的流動場における降伏に伴うシアバンド形成中
の応力不均一性を測定することで、従来法のような速度分布計測以外の手法によってシアバンドの
形成を評価した。 
 第 4 章では、第 3 章の手法を用いて Two-step yielding に及ぼす表面粗さの影響およびシアバン
ド形成を評価した。平滑な表面を有する流路を用いると、応力不均一性が検出されずに、第１降伏
が不安定になることがわかった。 
 第 5 章では、ヒステリシスループ試験および Maxwell モデル近似を用いて、近年弾塑性体として
扱われている降伏応力流体の固体領域における挙動に粘性の影響が存在することがわかった。 
 第 6 章では、第 5 章の手法を用いて固体領域における壁面滑りによって試料本来の粘度の 1/10
程度まで減少させることがわかった。さらに壁面滑りの厚さよりも十分に大きな球状粒子を分散させ
ることで、壁面滑りの効果を抑制できることを示した。 
 第 7 章では、第 5 章の手法を改善した手法である Partial Coverage Maxwell model 近似を用い
て、様々な降伏応力流体の降伏メカニズムに関する知見を得た。降伏挙動は液体として降伏する
パターン 1 と固体として降伏するパターン 2 に分類され、これらは試料内部の jamming 特性で理解
できることを示した。 
 第 8 章では、降伏後の再構造化過程に及ぼす流動履歴の影響を検討した。再構造化は 3 つの
領域に分けられ、G’G’’が徐々に増加する領域において降伏挙動に必要な構造が回復することが
わかった。さらに、べき乗則関数と減衰関数を用いて近似すると、再構造化挙動における短時間回
復と長時間回復を定量的に評価でき、第 2 降伏を発生させることで流動以前の構造よりも強固な
構造になることがわかった。 
 第 9 章では、本論文の各章で得られた知見をまとめた。 
よって、本論文は工学上及び工業上貢献するところが大きく、博士（工学）の学位論文
として十分な価値を有するものと認める。  
 
審査委員主査 高橋 勉 印  
 


Study on Flow Phenomena of Yield Stress Fluid

梅木, 陽

機械学習を利用した顕著性物体検出とその重要度推定に関する研究

TEVENOT, QUENTIN

1 
様式  
論 文 内 容 の 要 旨 
 
氏 名  TEVENOT QUENTIN 
 
 Reversible deactivation polymerization attracts much more attention since it has a 
potential to be a precision method to graft-copolymerize a monomer onto natural rubber. The 
control of the grafted polymer chain length that implies the reaction brings abou t a new 
approach to enhance properties of natural rubber. In the present study, a graft -copolymer of 
natural rubber and polystyrene was prepared by following two procedures: that is, conventional 
radical polymerization and living radical polymerization. The conventional radical 
polymerization was performed to form a nanomatrix structure, which consisted of natural 
rubber and polystyrene. The nanomatrix structure consists natural rubber particles dispersed 
into a thin polystyrene matrix of several nanometers  and realizes both entropic and energetic 
elasticities. By contrast, the living radical polymerization was performed to provide a control 
of the grafted polystyrene chain length, i.e., average molecular weight, and narrower molecular 
weight distribution, which might lead to control properties of the resulting final product.  
 First, the graft-copolymer of natural rubber and polystyrene (DPNR-graft-PS) was 
prepared through conventional radical polymerization and mechanical properties of the 
resulting material with a nanomatrix structure were investigating by measuring the viscoelastic 
properties. A nanomatrix structure was formed by graft copolymerization of styrene onto the 
surface of natural rubber particles, followed by coagulation. The morphology of the na nomatrix 
structure was observed by transmission electron microscopy. Natural rubber particles with 
about 1 μm diameter were well dispersed in a 30 nm thick nanomatrix of polystyrene. The 
horizontal shift factor (aT) and vertical shift factor (bT) were determined by superposition to 
create a master curve according to the time–temperature superposition principle. The positive 
slope of DPNR appears in the plot of bT versus temperature, suggesting that entropic elasticity 
occurs. In contrast, the slopes of DPNR-graft-PS are negative at lower temperatures but 
positive at higher temperatures. The negative slope, which suggests entropic elasticity, may be 
attributed to the formation of a nanomatrix structure. Natural rubber with a nanomatrix 
structure realizes both energetic elasticity and entropic elasticity.  
 Second, the preparation of the graft-copolymer of natural rubber and polystyrene 
through living radical polymerization was investigated. ARGET  ATRP was performed to 
synthesize a graft copolymer of natural rubber and polystyrene in the latex stage. The natural 
rubber latex was deproteinized and subsequently brominated to become an active medium for 
ARGET ATRP. With bromine atoms on the surface of natural rubber particles, the brominated 
natural rubber latex was a heterogeneous substrate where each brominated particle were 
dormant species and acted like an ARGET ATRP initiator. In the presence of an ATRP catalyst 
and a proper amount of reducing agent, a graft-copolymer of natural rubber and polystyrene 
2 
with polystyrene chains of about 280 000 g.mol -1 was prepared. This environmentally friendly 
procedure did not involve any organic solvent. 1H NMR spectroscopy and size exclusion 
chromatography (SEC) were performed to characterize the final material. Ozonolysis  was 
performed on the material to deduct the polyisoprene contribution to SEC. Both the linear 
evolution of the molecular weight versus monomer conversion and the high grafting efficiency 
associated with a narrow molecular weight distribution of the result ing grafted polystyrene 
confirm a living radical behavior and the regeneration of the ATRP catalyst.  
 With the combination of natural rubber chemistry and the living radical 
polymerization, this work realized the precision modification of natural rubber an d opened a 
new path to prepare rubber material with tunable mechanical properties.  
 
 
 
 
 


Synthesis of Natural Rubber-based Biocomposite via ARGET-ATRP in Latex Stage

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