カーボン・ニュートラルおよび水域生態系サービスの持続的保全に資する排水処理シミュレータの開発
人口減少社会を背景に排水処理における熟練技術者の減少が深刻化しています。一方、2050年カーボン・ニュートラルの達成や処理水の放流先における生態系サービスの持続的享受に向けて、さらなる省エネ／創エネの推進や処理水に栄養塩類を適切な濃度で残存させる運転制御を実施するなど、高度な排水処理管理が求められています。本研究では、国際標準の排水処理シミュレータ（IWA Activated Sludge Model）に機械学習を並列化させたHybrid ODE（Ordinary Differential Equation）モデルの開発を行っています。Hybrid ODEは新しい概念であり、さまざまな分野で応用研究が進められつつあります。モデル計算の再現性と物理的解釈性の両立が課題と言われていますが、私たちはこれを解消する新しいモデル構造を提案しています。将来的には、時々刻々と変動する流入水の質・量に応じて、柔軟に省エネや処理水の栄養塩類制御を達成するためのリアルタイム運転管理支援モデルへと高度化させる予定です。
〈最近の研究成果〉
- Zhao G, Furumai H, Fujita M (2024) Supporting data–enhanced hybrid ordinary differential equation model for phosphate dynamics in municipal wastewater treatment, Bioresource Technology 409, 131217. doi: 10.1016/j.biortech.2024.131217.
- Zhao G, Suzuki S, Deng J, Fujita M (2022) Machine learning estimation of biodegradable organic matter concentrations in municipal wastewater, Journal of Environmental Management 323, 116191. doi: 10.1016/j.jenvman.2022.116191.
汽水性二枚貝の環境ストレスの多角的評価と水環境管理
私たちの生活は、生態系からの恩恵（生態系サービス）を受けて成り立っています。生態系サービスを持続的に享受するためには、生物保全の観点から水環境の在り方を考える視点が重要になります。本研究では、関東地方唯一の汽水湖である涸沼に生息するヤマトシジミ（Corbicula japonica）に着目し、抗酸化マーカーなどの生化学レベルの指標、成長力、開閉運動などの個体レベルの指標を駆使して、将来の気候変動影響も想定しながら環境ストレスを多角的に評価しています。
〈最近の研究成果〉
- Saputra HK, Miura N, Pokhrel P, Zhao G, Fujita M (2024) Comprehensive assessment of multiple biomarker mechanisms in the brackish water clam Corbicula japonica exposed to polystyrene microplastics using structural equation modeling, Science of the Total Environment 949, 175089. doi: 10.1016/j.scitotenv.2024.175089.
- Pokhrel P, Mashiko S, Akther S, Suzuki J, Fujita M (2022) Antioxidant capacity and carbon-based scope for growth of brackish water clams Corbicula japonica under the combined effects of natural and anthropogenic factors, Environmental Pollution 308, 119676. doi: 10.1016/j.envpol.2022.119676.
- Pokhrel P, Suzuki J, Akther S, Fujita M (2021) Physiological and biochemical responses of brackish-water clam Corbicula japonica under global-warming conditions: Water temperature, salinity, and food availability, Ecological Indicators 129, 107866. doi: 10.1016/j.ecolind.2021.107866.
河川下流部における塩水遡上の予測と水源管理
河川は、私たちの生活に必要不可欠な水道水の主要な水源ですが、近年は塩水遡上の影響を受けつつあります。これは気候変動が関係していると考えられており、その意味では塩水遡上は今後顕在化すると予想されます。取水や浄水の運用管理の観点では、事前に塩水遡上を予測できると有用です。本研究では、久慈川の下流部で塩水遡上の調査を行っています。塩水の遡上には河床地形も影響することから、水中ドローンを利用して河床地形の評価も行っています。これまでの研究では、河川の水位・水温、潮位などの水文・気象データから機械学習により塩水遡上を予測できることを明らかにしています。
〈最近の研究成果〉
- Zhao G, Ohsu K, Saputra HK, Okada T, Suzuki J, Kuwahara Y, Fujita M (2024) Enhancing interpretability of tree-based models for downstream salinity prediction: Decomposing feature importance using the Shapley additive explanation approach, Results in Engineering 23, 102373. doi: 10.1016/j.rineng.2024.102373.
環礁の都市化が国土形成・維持プロセスに及ぼす影響と気候変動適応
ツバルやマーシャル諸島共和国などの環礁国は、海抜が2～3m程度の低平な国土であり、海面上昇に対して脆弱であることが知られています。環礁は、サンゴを基盤として石灰化生物（星砂、太陽砂などの底生有孔虫）が生産・輸送・堆積することにより国土が形成・維持されています。近年は、海水温上昇や海洋酸性化などのグローバルな環境要因と環礁の都市化にともなう排水や廃棄物に代表されるローカルな環境要因の相乗作用により、環礁が本来有する自然の国土形成・維持プロセスが劣化しつつあります。本研究では、環礁都市が沿岸生態系（特に、底生有孔虫）に及ぼす人為的圧力やそれに対する耐性を評価しています。そして、自然の環礁が本来有する国土形成・維持プロセスを持続的に保全し得る環礁都市の海面上昇適応策の研究を進めています。
〈最近の研究成果〉
- Akther S, Sun W, Suzuki J, Fujita M (2022) Tolerance of benthic foraminifer Calcarina gaudichaudii to polycyclic aromatic hydrocarbon pyrene: Effects on photosynthesis, Coral Reefs 41, 1585-1594. doi: 10.1007/s00338-022-02318-8.
- Akther S, Suzuki J, Pokhrel P, Okada T, Imamura M, Enomoto T, Kuwahara Y, Fujita M (2021) Assessment of heavy metal pollution in the coastal sediments of an urbanized atoll in the central Pacific: Majuro Atoll, the Marshall Islands, Environmental Monitoring and Assessment 193, 843. doi: 10.1007/s10661-021-09603-z.
- Akther S, Suzuki J, Pokhrel P, Okada T, Imamura M, Enomoto T, Kitano T, Kuwahara Y, Fujita M (2021) Behavior of eukaryotic symbionts in large benthic foraminifers Calcarina gaudichaudii and Baculogypsina sphaerulata under exposure to wastewater, Environmental Pollution 265(Part A), 114971. doi: 10.1016/j.envpol.2020.114971.
