ムンカン・エレナ(PhD)は、2022年6月1日付で神戸大学大学院農学研究科アクアフォトミクス研究分野の特命准教授に就任しました。

ムンカン准教授は、2017年に日本学術振興会の特別研究員として神戸大学大学院農学研究科、当時の生体計測工学研究室に所属し、ツェンコヴァ　ルミアナ教授（現在のアクアフォトミクス研究分野　特命教授）の指導のもとで、乳牛の非侵襲的乳房炎診断のためのアクアフォトミクス研究に取り組みました。2021年4月には新規に創設された神戸大学大学院農学研究科アクアフォトミクス研究分野の特命助教となりました。

ムンカン准教授は、これまでに28編の査読付き論文を執筆し、国際会議での招待講演を8回行い、発表論文の年間被引用数は飛躍的に増加しています。

2021年11月には、ツェンコヴァ教授と共に著書「Aquaphotomics for Bio-diagnostics in Dairy」をSpringer社より出版し、2022年1月のAmazon洋書売上ランキングの分光学部門で1位を獲得しました！

Introduction by Springer

https://link.springer.com/book/10.1007/978-981-16-7114-2

Publication articles in our website

https://aquaphotomics.com/aquaphotomics-for-bio-diagnostics-in-dairy-first-aquaphotomics-book-to-be-published-in-december-2021/

ムンカン准教授の昇進は、アクアフォトミクスへの多大なる貢献が大学から認められた結果です。

ムンカン准教授は、真剣に根気強く研究に取り組む姿勢と、明るく気さくな性格を併せ持つ素敵な方です。研究分野を超えて世界中に広がるアクアフォトミクスを通じて、今後も彼女の活躍を見守りましょう。

論文「Aquaphotomics for monitoring of groundwater using short-wavelength near-infrared spectroscopy」がSpectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy誌に掲載されました。この論文は、神戸大学アクアフォトミクス研究室、ハンガリー農業生命科学大学アクアフォトミクスグループ、和歌山県橋本市の湯の里アクアフォトミクスラボの３チームが長期にわたる共同研究した成果によるものです。

和歌山県湯の里アクアフォトミクス研究室では長期研究プロジェクトが行われており、2016年に最初の成果がTalanta誌に掲載されKovacs, Z., Bázár, G., Oshima, M., Shigeoka, S., Tanaka, M., Furukawa, A., Nagai. A, Osawa, M., Itakura, Y. and Tsenkova, R. (2016). 水質モニタリングのための総合マーカーとしての水のスペクトルパターン．Talanta, 147, 598-608.)、今回は最新の成果を発表しています。株式会社重岡のゆの里温泉では地下水を汲み上げており、2016年からこの研究による初のアクアフォトミクスに基づく水質モニタリングシステムを採用しています。また、民間初の「ゆの里アクアフォトミクスラボ」を設立し、研究の幅は食品、化粧品、土壌、人の健康、さらに音にまで広がっています。

今回の論文では、従来の水のモニタリングの研究と比べ、温度や湿度といった環境要因に最も影響を受ける吸光バンドを除外することで、短波長の近赤外における水のスペクトルパターン（WASP）の頑健性を高め、統合的な水質マーカーとして使用できると示されました。

また、水のマトリックス座標-WAMACs-の新たなバンド選択方法が紹介されています。水の第一倍音領域（1300 nmから1600 nm）における研究結果は数多く報告されていますが、アクアフォトミクスのウェビナーでも表面化したように、水の近赤外スペクトルの他の領域でのWAMACの選定は、研究者にとってまだやや難解なようです。この論文では、吸光バンドからWAMACを選択する過程と、600 nmから1050 nmの吸光バンドの割り当てが詳しく説明されています。

湿度や温度の影響を受けるバンドを示し、それらを最終的にWASPから除外したことで、環境変化による「誤報」を効率的に防ぎ、毎日スクリーニングを行う様々なミネラルウォーターに対して堅牢でユニークなWASPを開発することができました。

本論文は2022年5月11日より、下記のリンク先でオンライン公開されています。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1386142522005273

この研究では、温度、湿度、時間などといった環境要因による地下水のスペクトルパターンと水素結合への影響を、独自の方法で示しています。これらの影響に関わらず、我々は、モニタリング期間中、一貫した特異的スペクトルパターンをアクアフォトミクス解析により得ることに成功しました。これらの結果から、可視および近赤外スペクトルパターンは、水質の統合的マーカーとして、効率的かつ経済的な安定した水質モニタリング法にできることが明らかになりました。

あなたについて教えてください。

酒井と申します。アクアフォトミクスを勉強し始めてから約一年経過した初心者です。もともと音楽の道を歩んでいましたので、アクアフォトミクスはもちろんですが、科学自体が0からのスタートでした。科学の勉強は中学生で止まっています。さらに中学生で学習していた内容もほとんど忘れています。

開始してから約1年ということですが、いつから始めましたか？

2019年の6月頃から週に数回来させていただき、正式には8月から来ています。

学習していて困ったことはありますか？

はい、全て真っ暗なところからのスタートですので、正直いうと、全てです。:) アクアフォトミクスは最新の研究分野ですので、初心者向けの日本語の本というものはもちろんありません。英語の論文は豊富にありましたが、英語もわからず、書いてある数式も読めず、全くわかりませんでした。

どのように学習を始めましたか？

まずは、実験の実践からでした。実験は、研究室の先輩に教えてもらいながら、行いました。実験はとっても根性が入りますね。気を抜くと、すぐに実験結果がおかしくなってしまいますので、解析する時に、無駄な時間を使ってしまいます。。そして、解析を始めました。Pirouetteという多変量解析ソフトを使って解析をしはじめましたが、もちろん全くわかりません。。。Pirouetteの日本語マニュアルを読み、多変量解析の雰囲気！を理解し、研究室で話をしていく中でPCAというものが大切だと聞いたのでそれができるように、ソフトの操作方法をマニュアルで学びながら実践していきました。あとは、研究室で週に一度ゼミがあるのですが、そこで先輩方のアクアフォトミクス分析を用いた発表で、分析の流れやキーワードを拾い、それを調べて、真似て、解析を行っていくことで少しずつ理解していくことができました。

アクアフォトミクスに関してはどう思われますか？

はい、とても素晴らしい研究分野だと思います。私は素人から始めましたので、素人目線ができるかと思いますが、名前がまず美しいと思います。アクアやフォトンというのはいい響きですね。アクアフォトミクスコンセプトで用いられる「水と光の相互作用」や「water mirror approach」といったものも美しいワードだと思います。

あと、この世界では、水に関わるものが多く、またその構成要素である酸素と水素に関わるものも追加すれば、関係するものはほとんどではないでしょうか。その水と光を用いて情報を得ることは、今までにわからなかった微細な情報を得ることができると思いますので、科学がとんでもなく発展していくかと思われます。そのような分野に携われることができて本当に幸せです。

これからの目標を教えてください。

はい、まずは、実験設計からアクアグラムまでのアクアフォトミクス分析手法をきっちりと行えるようにすることと、そして、それを用いて新たな知見を一つ見つけることです。また、日本ではまだまだアクアフォトミクスの概念が広まっていませんので、啓蒙活動をしたいと考えています。もちろん、そのために、アクアフォトミクス分析手法とそれに関わる科学分野の正しい基礎知識の習得が必要と考えていますので、そちらも合わせて学習していきたいと思っています。あとは、もちろん英語が必要ですね。。

アクアフォトミクスを始める方へ一年上の先輩としてアドバイスをお願いします。

英語が読めなくて、科学も全くわからないという昔の僕へアドバイスするとすれば、とにかく実践です。アクアフォトミクス分析は、実験設計から始まり解析し、アクアグラムを作成という流れになっていますので、まず実験設計をしてみる。そして、実験してみる。そして解析してみる。そしてアクアグラムを作る。そして結論する。もしわからないことがあれば、英語論文には丁寧に手法が書かれていますので、なんとかして読む。また、アクアフォトミクスに関わる科学知識（例として近赤外分光法、ケモメトリックス、水の知識）を学習する。そしてこれらをひたすらやる！これしかありません。これだけ聞くと、根性論のように聞こえますが、アクアフォトミクスを理解していくにつれて、分析を続けていくにつれて、とても美しい結果が見えてくる時があります。この時が本当に最高ですので、ぜひ味わってみて欲しいです。

※本ページは2020年に発表された論文「Aquaphotomics approach for monitoring different steps of purification process in water treatment systems」の日本語要約です。翻訳は岩井理路によるものです。

１．要約

現在、水質評価は物理化学的、微生物学的な指標の測定に基づいているがこれらは複数の試験を必要とし、高価で時間がかかる。アクアフォトミクスによる水質のモニタリングは水のスペクトルがあらゆる化学的・物理的摂動に敏感であり、水の状態を映し出すということを利用している。

本研究では市販の家庭用水処理システム（浄水器）を用いて様々なろ過処理段階の水をサンプルとし、それらの近赤外スペクトルにアクアフォトミクスの手法を適用した。この手法の有効性は差スペクトル、多変量分類分析、そして水スペクトルパターンをアクアグラムによって視覚化することで示された。解析結果は一貫して、異なるろ過処理を行ったサンプルがそれぞれの特有のスペクトルパターンをもつことを示している。そしてこれらのパターンは水分子ネットワークの状態を特徴付け、それぞれの水処理の識別、処理ごとの浄化効率の追跡、浄水システムの性能モニタリングなどに利用可能である。

２．研究方法

サンプル

本研究で使用する水サンプルは市販の浄水器（Proline Plus t-stage RO system, ESP Water Products, Carollton, TX）をもちいて精製された。図１に模式的に水処理のそれぞれの段階を示す（より詳細な図解は製造者のウェブサイト [22] で確認可能）。浄水器の水処理システムにおいては、水道水(W0)をまず三段階でろ過する(W1~W3)。ここでは、ポリプロピレン製のフィルターで5µm以下のチリやサビなどの浮遊物をこしとり、次に2枚のカーボンフィルターが有機物と塩素を吸着する。これら3枚のフィルターを通った水は逆浸透膜ろ過をされる。不溶固形物や重金属、バクテリア、ウィルスなどの不純物が薄い合成膜フィルムによりこしとられ、W4を生成する。逆浸透のあと、余分な塩類や望ましくない物質を含んだ廃液が機械から排出される(W4x)。浄化された水（W4）はタンクに貯蔵される（W5）。そしてココナッツ殻を用いて水に溶け込んだ気体や臭いが取り除かれる磨き上げの最終工程を経て飲用水（W6）が精製される。

近赤外分光法

水サンプルのスペクトル測定は、光路長1mm、波長範囲900nmから1700nmまで、8nmステップ、透過光モードで実施した。1つのサンプルにつき10回連続で取得した（各連続スペクトルは10の同時加算スペクトルの平均）。実験は、3日間で3回繰り返し、水サンプルは７種類(W0,W1~3, W4,W4x,W5,W6)、都度新たに調製したサンプルを使用した。合計210本のスペクトルを取得した。

データ解析

水のOH伸縮振動の第１倍音を解析するためにスペクトルは1300nmから1600nmまでの波長範囲を使用した。異なるサンプル間のスペクトルの違いを調査するために差スペクトルを計算し、主成分分析とSIMCA法による判別分析を適用した。

ろ過処理過程での、水構造変化の詳細な特徴を調べるため、特定の水による吸収バンド（波長範囲6～12nm）のパターンを分析した。これらのバンドはWAMACS（水マトリックス座標）と呼ばれる。先行研究（Tsenkova et al.）において、さまざまな水分子種をカバーする12の特徴的な水波長範囲が定義されており、水の第一倍音領域の特徴的なスペクトルパターンを表すのに役立っている[7]。WAMACSの変動は水のスペクトルパターン（WASP）を表し、アクアグラムによって視覚化することができる[26]。レーダーチャート（アクアグラム）は異なる水分子構造に関係した12のWAMACSにおける正規化吸光度をサンプルごとに表示する。

３．結論

本研究により、様々なろ過処理段階の水をモニタリングすることへのアクアフォトミクスがもつ有効性が示された。アクアフォトミクスの手法を用いた水の近赤外スペクトル解析は微細でありながら検出可能で一貫性のある差異を示した。このスペクトルの差異は異なる種類のろ過処理を経たことによる水分子ネットワーク構造の変化に関係している。水分子ネットワークに対する物理化学的・微生物学的指標それぞれの変化が積み重なって与える影響を表す特徴付けに水のスペクトルパターンをもちいることができる。

アクアフォトミクス近赤外分光法に基づくリアルタイムのオンラインシステムは、水の構造変化の検出に基づいて水質の変化を通知することで、浄化処理中および使用時の水質を監視するための効率的で実用的なアプローチを提示できる可能性がある。

参考文献

 [7] R. Tsenkova, Aquaphotomics: dynamic spectroscopy of aqueous and biological

systems describes peculiarities of water, J. Near Infrared Spectrosc. 17 (2009)

303–313, https://doi.org/10.1255/jnirs.869.

[22] EPS Water Products, Proline Plus five stage RO system, https://www.

espwaterproducts.com/proline-plus-five-stage-ro-system/, (2019) , Accessed date: 1

September 2019.

[26] R. Tsenkova, Aquaphotomics: water in the biological and aqueous world scrutinized with invisible light, Spectrosc. Eur. 22 (2010) 6–10.