Research

1. Quantitative chemical elucidation of free radical photoproduction by dissolved organic matter and its role in water quality transformation
溶存有機物によるフリーラジカルの光生成と水質変換作用の計量化学的解明
JSPS-Kaken-Kiban-B (till March 2027, PI-Yoshimura)

Dissolved organic matter (DOM) undergoes various photochemical reactions under solar irradiation; however, the effects of wastewater treatment on these processes remain poorly understood. This study aims to quantitatively elucidate the photoproduction of free radicals by DOM and the resulting water quality transformations, focusing on effluents from major wastewater treatment processes. By combining ultrahigh-resolution mass spectrometry with photochemical experiments, we explicitly characterize DOM molecular components and examine the relationships among (1) treatment processes, (2) radical generation under sunlight, and (3) water quality transformation in aquatic environments. This work advances environmental photochemistry by modeling the reactivity of diverse DOM constituents and contributes to improved water quality management from a photochemical perspective.

溶存有機物（DOM）は太陽光照射下で様々な光化学反応を示すが、排水処理によるDOMの変化がもたらす光化学反応の変化については未解明です。本研究では下水の主要な処理法から得られる処理水を対象とし、太陽光照射下でのDOMによるフリーラジカルの光生成と水質変換作用を計量化学的に解明します。そのため、超分解能質量分析と光化学反応実験を組み合わせてDOM中の分子群を明示的に扱うことで、１）下水の各排水処理、２）太陽光照射下でのラジカル生成、３）水環境中での水質変換作用の三者の関係を調べます。これにより、多様なDOM構成分子の反応性をモデル化することで環境光化学を発展させ、光化学の観点で水環境管理の改善に貢献します。

2. Photoproduction of radicals and their effects on carbon dynamics in tropical lakes
熱帯湖沼におけるラジカルの光生成とその炭素動態への影響の解明
JSPS-Kaken-International (till March 2027, PI-Yoshimura)

In tropical lakes under intense solar radiation, the roles of photolysis and photosensitization are more important than in temperate and cold climates. However, their actual conditions and mechanisms have not been elucidated. Thus, we will elucidate the photogeneration process of major radicals in tropical lakes and their role in carbon dynamics. Specifically, we will quantitatively evaluate and compare the quantum yields and steady-state concentrations of photogenerated radicals in the surface layers of lakes in Indonesia, Cambodia, and Japan through joint international experiments, and elucidate the carbon dynamics in the lakes caused by radicals. Furthermore, by creating a predictive model of quantum yields based on the optical properties of lake water, we aim to explicitly utilize photochemical reactions for the management of water resources and aquatic ecosystems.

日射の強い熱帯域の湖沼では、温帯や寒帯に比べると光分解や光増感の役割が重要ですが、その実態やメカニズムは解明されていません。そこで、熱帯湖沼における主要なラジカルの光生成過程およびその炭素動態における役割を解明します。インドネシア、カンボジア、日本における湖沼表層における各ラジカルの光生成の量子収率や定常濃度を、国際共同実験により定量評価・比較した上で、ラジカルに起因する湖沼の炭素動態を解明します。さらに、湖沼水の光学特性に基づく量子収率の予測モデルを作成することで、光化学反応を明示的に水資源や水域生態系の管理に活かすことを目指しています。

3. Inactivation of cyanobacteria by solar photocatalysis
太陽光光触媒によるシアノバクテリアの不活化
Collaborative Research Fund of Kawasaki City (till March 2027, PI-Yoshimura)
Grant-in-Aid for JSPS Research Fellow (till May 2027, PI-Yoshimura & Eslam)

This study focuses on the deterioration of water quality caused by cyanobacterial blooms, which is a widespread problem in lakes worldwide. It aims to develop photocatalysts that generate reactive oxygen species under solar irradiation, elucidate their photochemical reactivity, and quantitatively evaluate their potential for inactivating cyanobacterial cells. Based on these findings, the study further seeks to develop in situ water purification technologies.

湖沼の水質管理に関して、世界の多くの湖沼で問題となっているアオコによる水質汚濁を対象として、太陽光照射により活性酸素を生成する光触媒の開発、その光化学的反応性の解明、およびアオコ細胞の不活化の可能性を定量評価します。また、それに基づき現地浄化技術を開発することを目的としています。

4. Role of inlet rivers on phytoplankton production in Suruga Bay - Model analysis focusing on river flow -
駿河湾の植物プランクトン生産に対する流入河川の役割―河川流量に着目した解析―
Shizuoka Prefecture, Japan (till March 2027, PI-Yoshimura)

The final goal of this research is to promote the establishment of a regional recycling symbiosis zone by quantitatively evaluating the linkages between the forest, community, and coastal systems. As an initial step toward this ultimate goal, this project aims to 1) establish a technical basis for utilizing the Suruga Bay Simulator, and 2) use the simulator to investigate the effects of river flow on lower-order ecosystems in Suruga Bay. Specifically, we will conduct scenario analysis under different river flow conditions to elucidate the role of rivers and their watersheds on nutrient dynamics and plankton production in Suruga Bay from the perspective of river flow, and to quantitatively evaluate the hypothesis that the forest is the lover of the sea.

本研究では森里海の生態系のつながりを定量評価することで、地域循環共生圏の構築を促進することを最終目標としています。この最終目標に向けた初期段階として、本研究では1）スルガベイシミュレータを活用する基盤を整えること、その上で、2）シミュレータを用いて河川流量が駿河湾における低次生態系に与える影響を明らかにします。具体的には、河川流量が異なる条件下でシナリオ解析を実施することにより、駿河湾の栄養塩動態やプランクトン生産に対する河川やその流域の役割を、河川流量の観点から解明することで、“森は海の恋人”という仮説を定量評価します。

5. Ecological studies on reservoir environment
ダム湖環境を対象とした生態学的研究
WEC (till March 2031, PI-Yoshimura)

Water quality management in reservoirs is a critical issue for both water use and ecosystem conservation. Reservoir water quality is influenced by the resident biological communities, which are shaped by multiple interacting factors, including nutrient and organic matter inputs, reservoir morphology and volume, and land use within the catchment. This collaborative study aims to elucidate not only the relationships between biological communities and these environmental factors, but also the ecosystem functions driven by these communities, such as carbon storage, greenhouse gas emissions, heavy metal mobilization, cyanobacterial blooms, and water quality regulation. The outcomes of this research will contribute to the development of effective reservoir water quality management strategies, including eutrophication control, as well as to the conservation of aquatic ecosystems associated with reservoirs.

ダム湖の水質管理は、水利用と生態系保全の両者において重要な課題です。ダム湖の水質はそこに生息する生物群集の影響を受け、その生物群集は栄養塩や有機物の流入量やダム湖の形状や容積、集水域の土地利用など様々な要因が相互に影響して成立しています。本共同研究は、このような生物群集と様々な環境要因との関係に加え、それら生物群集による生態系機能（炭素ストック、温暖化ガス放出、重金属流出、アオコ発生、水質調整等）も明らかにすることを目的としています。それにより、富栄養化対策をはじめとするダム湖の水質管理や、ダム湖をめぐる水域生態系の保全策の提案を行います。

6. Development of system dynamics-backed circular economy approach for optimizing water management system in Southeast Asia
東南アジアにおける水管理システム最適化のためのシステムダイナミクスに基づく循環型経済アプローチの開発
Grant-in-Aid for JSPS Research Fellow (till Oct. 2026, PI-Yoshimura & Dhimas)

This project aims to promote the social implementation of a circular economy approach in water management by collaborating with related initiatives of the United Nations University and developing a system dynamics–based decision-support tool. Focusing on selected regions in Southeast Asia, it addresses three key tasks: (1) identifying the drivers and impacts of inefficient water treatment and limited access by considering both technical and non-technical factors; (2) developing a model to quantitatively evaluate interactions among distribution networks, treatment plants, energy use, carbon emissions, and source water quality to optimize system performance and resource use; and (3) proposing strategies to improve existing water supply systems from a circular economy perspective, including reducing water losses, enhancing energy efficiency, and mitigating health risks associated with source water contamination and treatment processes.

本プロジェクトは、水管理における循環経済アプローチの社会実装を促進することを目的として、国連大学の関連プロジェクトと連携し、システムダイナミクスに基づく意思決定支援ツールを開発するものです。東南アジアの複数地域を対象に、①技術的・非技術的要因の双方を踏まえて非効率な水処理や水アクセスの課題を整理し、②配水ネットワーク、処理プラント、エネルギー消費、炭素排出、水源水質の相互作用を定量評価できるモデルを構築することで、③水損失の削減、エネルギー効率の向上、健康リスクの低減に向けた循環経済型の水供給システム改善手法を提示します。

7. Research on water quality and safety of atmospheric water generation systems
大気造水システムに関する水質と安全性に関する研究
Collaborative Research Fund of MIZUHA Co. Ltd. (till Oct. 2026, PI-Yoshimura)

This study aims to improve water quality management and hygiene in atmospheric water generation systems. It investigates the adsorption behavior of silver ions to optimize filter design and water flow pathways, and evaluates their antimicrobial effects, particularly the relationship between microbial cell adsorption and inactivation. Furthermore, the disinfection performance of deep-UV LED systems is quantitatively assessed, and the properties and formation processes of deposits within the storage tank are also examined.　

本研究は、空水機における水質管理と衛生性向上を目的とします。銀イオンの吸着特性を解明し、フィルタ設計や導水経路の最適化を図るとともに、各種微生物に対する殺菌効果と細胞への吸着・不活化の関係を評価します。さらに、深紫外線LEDによる殺菌性能を定量評価し、また、タンク内付着物の性状と生成プロセスを明らかにします。

8. Elucidation of the photochemical reactivity of dissolved organic matter and its self-purification function in the Tama River
多摩川における溶存有機物の光化学反応性と自浄作用の解明
Collaborative Research Fund of Tokyu Fundation (till Mar. 2029, PI-Yoshimura)

This study focuses on the Tama River, a representative urban river in Japan, and aims to evaluate the photochemical reactivity of dissolved organic matter (DOM) through an integrated approach combining field observations, laboratory experiments, and modeling. It addresses the key question: to what extent does the photochemical degradation of recalcitrant organic matter contribute to the river’s natural self-purification capacity? Specifically, the study quantifies the quantum yields of key reactive intermediates and integrates these results with hydrological modeling to assess the photodegradation potential of recalcitrant organic pollutants, particularly residual pesticides and antibiotics. By elucidating the role of photochemical processes in riverine carbon dynamics and water quality formation, the study seeks to provide scientific insights that support sustainable watershed management, climate change adaptation, and biodiversity conservation policies.

本研究では、日本の代表的な都市河川である多摩川流域を対象に、現地観測・室内実験・モデル解析を組み合わせて、溶存有機物（DOM）の光化学反応性を多面的に評価いたします。これにより、「光化学反応による難分解性有機物の分解は、多摩川の自然浄化としてどの程度機能しているのか」という問いに答えることを目的としています。具体的には、各種ラジカルの量子収率を実験的に定量し、その結果を水文モデルと統合することで、残留農薬や抗生物質などの難分解性有機物の光分解ポテンシャルを評価いたします。さらに、本研究では、光化学反応を通じた河川の炭素動態および水質形成メカニズムを解明し、その成果を基に、持続的な流域環境管理、気候変動への対応、生物多様性保全に資する政策立案に貢献する科学的知見を提供いたします。

Photoproduction of radicals and their effects on carbon dynamics in tropical lakes
    熱帯湖沼におけるラジカルの光生成とその炭素動態への影響の解明
    JSPS-Kaken-International (till March 2027, PI-Yoshimura)

In tropical lakes under intense solar radiation, the roles of photolysis and photosensitization are more important than in temperate and cold climates. However, their actual conditions and mechanisms have not been elucidated. Thus, we will elucidate the photogeneration process of major radicals in tropical lakes and their role in carbon dynamics. Specifically, we will quantitatively evaluate and compare the quantum yields and steady-state concentrations of photogenerated radicals in the surface layers of lakes in Indonesia, Cambodia, and Japan through joint international experiments, and elucidate the carbon dynamics in the lakes caused by radicals. Furthermore, by creating a predictive model of quantum yields based on the optical properties of lake water, we aim to explicitly utilize photochemical reactions for the management of water resources and aquatic ecosystems.

日射の強い熱帯域の湖沼では、温帯や寒帯に比べると光分解や光増感の役割が重要ですが、その実態やメカニズムは解明されていません。そこで、熱帯湖沼における主要なラジカルの光生成過程およびその炭素動態における役割を解明します。インドネシア、カンボジア、日本における湖沼表層における各ラジカルの光生成の量子収率や定常濃度を、国際共同実験により定量評価・比較した上で、ラジカルに起因する湖沼の炭素動態を解明します。さらに、湖沼水の光学特性に基づく量子収率の予測モデルを作成することで、光化学反応を明示的に水資源や水域生態系の管理に活かすことを目指しています。

Tohoku University (東北大学), Japan
Toho University (東邦大学), Japan
Yokohama National University (横浜国立大学), Japan
Shizuoka University (静岡大学), Japan
Shinshu University (信州大学), Japan

Institute of Technology of Cambodia, Cambodia
National Research and Innovation Agency, Indonesia

MIZUHA Co.,Ltd

In the past:
Kyoto University (京都大学), Japan
Policy Research Institute, Nepal
International Center for Environmental Management of Enclosed Coastal Seas (EMECS)

1. Establishment of environmental conservation platform of Tonle Sap Lake
    トンレサップ湖における環境保全基盤の構築 => facebook site 
    SATREPS (JST-JICA) (till March 2022, PI-Yoshimura)

2. Development of new photochemical reaction model for predicting water quality transformation efficiency
水質変換効率を予測する新しい光化学反応モデルの開発
JSPS-Kaken-Kiban-B (till March 2024, PI-Yoshimura)

3.  Collaborative research platform to manage risk and enhance resilience of coral reef in Southeast Asia
東南アジアのサンゴ礁を対象としたリスク管理と回復力強化のための共同研究プラットフォーム
APN (till February 2024, PI-Rajendra)

4. Graphene-induced charge separation for enhancing intimately coupled photocatalytic biodegradation
グラフェンによる電荷分離を利用した光触媒・生分解統合処理の高効率化
Grant-in-Aid for JSPS Research Fellow (till May 2025, PI-Yoshimura & Ajinkya)

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