特開 2023-176363 土壌微生物の観察デバイス及び観察方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023176363

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】土壌微生物の観察デバイス及び観察方法

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/34 20060101AFI20231206BHJP

   C12M 1/38 20060101ALI20231206BHJP

   C12M 1/42 20060101ALI20231206BHJP

   C12M 1/12 20060101ALI20231206BHJP

   C12Q 1/02 20060101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

C12M1/34 A

C12M1/38 Z

C12M1/42

C12M1/12

C12Q1/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022088605

(22)【出願日】2022-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 真奈美

(72)【発明者】

【氏名】今村 壮輔

(72)【発明者】

【氏名】高谷 和宏

(72)【発明者】

【氏名】瀧ノ上 正浩

【テーマコード（参考）】

4B029

4B063

【Ｆターム（参考）】

4B029AA08

4B029AA27

4B029BB02

4B029BB06

4B029CC01

4B029DG06

4B029DG10

4B029FA15

4B029GA08

4B029GB06

4B029GB10

4B063QA20

4B063QQ06

4B063QQ07

4B063QQ19

4B063QR75

4B063QR76

4B063QS07

4B063QS36

4B063QS39

4B063QX02

(57)【要約】

【課題】複数の培養部の間を接続する流路を交換することなく、土壌微生物同士の相互作用の時間変化を模擬可能な土壌微生物の観察デバイスを提供すること。
【解決手段】実施形態では、土壌微生物の観察デバイスは、複数の培養部、流路及び制御部を備える。複数の培養部のそれぞれにおいて、土壌微生物が培養され、複数の培養部は、互いに対して隔離される。流路は、複数の培養部の間を接続し、流路に媒体を流すことが可能である。制御部は、複数の培養部のそれぞれからの流路を通しての物質の拡散状態を制御することにより、複数の培養部のそれぞれからの流路を通しての物質の拡散状態を経時的に変化させることが可能である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

土壌微生物がそれぞれにおいて培養され、互いに対して隔離される複数の培養部と、
前記複数の培養部の間を接続し、媒体を流すことが可能な流路と、
前記複数の培養部のそれぞれからの前記流路を通しての物質の拡散状態を制御することにより、前記複数の培養部のそれぞれからの前記流路を通しての前記物質の前記拡散状態を経時的に変化させることが可能な制御部と、
を具備する、土壌微生物の観察デバイス。

【請求項2】

前記流路には、溶液及び空気のそれぞれを前記媒体として流すことが可能であり、
前記制御部は、前記流路における前記溶液の流速、及び、前記流路に流れる前記媒体の種類の少なくとも一方を変化させることにより、前記複数の培養部のそれぞれからの前記流路を通しての前記物質の前記拡散状態を変化させる、
請求項１の観察デバイス。

【請求項3】

前記複数の培養部のそれぞれに対して１つずつ設けられ、作動されることにより、前記複数の培養部の対応する１つと前記流路との接続部分にそれぞれが電場を発生させる複数の電場発生部をさらに具備し、
前記流路には、脂質膜に溶液が包まれた油中水滴を前記媒体として流すことが可能であり、
前記複数の培養部のそれぞれには、脂質膜に溶液が包まれた油中水滴が存在し、
前記制御部は、前記複数の電場発生部のそれぞれの作動を制御することにより、前記複数の培養部のそれぞれの前記油中水滴に対する前記流路を流れる前記油中水滴の融合状態を制御し、前記複数の培養部のそれぞれからの前記流路を通しての前記物質の前記拡散状態を制御する、
請求項１の観察デバイス。

【請求項4】

前記複数の培養部のそれぞれに対して１つずつ設けられ、前記複数の培養部の対応する１つと前記流路との間にそれぞれが配置される複数のフィルタ部をさらに具備し、
前記複数のフィルタ部の少なくとも１つは、第１のフィルタ層と、前記流路が位置する側とは反対側に前記第１のフィルタ層に対して積層され、透過部分が前記第１のフィルタ層に対してずれて形成される第２のフィルタ層と、を備える、
請求項１乃至３のいずれか１項の観察デバイス。

【請求項5】

互いに対して隔離される複数の培養部のそれぞれにおいて土壌微生物を培養することと、
前記複数の培養部の間を接続する流路に、媒体を流すことと、
前記複数の培養部のそれぞれからの前記流路を通しての物質の拡散状態を制御することにより、前記複数の培養部のそれぞれからの前記流路を通しての前記物質の前記拡散状態を経時的に変化させることと、
を具備する、土壌微生物の観察方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、土壌微生物の観察デバイス及び観察方法に関する。

【背景技術】

【0002】

土壌は、可視光を通さないため、土壌に存在する土壌微生物同士の相互作用を直接的に観察することは、難しい。このため、施肥等の土壌に与える操作が微生物活動及び植物成長に与える影響等を把握することが、難しい。このような事情から、土壌に存在する土壌微生物同士の相互作用を模擬可能な観察デバイスが開発されている。

【0003】

土壌微生物同士の相互作用を模擬した観察デバイスでは、互いに対して隔離された複数の培養部（チャンバ）が、流路を間に介して接続される。そして、複数の培養部の間の流路を通しての離間距離が互いに対して異なる複数の観察デバイスを用いることにより、複数の培養部の間での物質の交換状態を、すなわち、複数の培養部の間での土壌微生物同士の相互作用の度合いを、観察デバイスごとに異ならせて、観察が行われる。

【0004】

ここで、土壌は、雨等によって湿った状態になったり、乾いた状態になったりするため、土壌の状態は経時的に変化する。このため、土壌の状態の経時的な変化に対応して、土壌微生物同士の相互作用の度合いが経時的に変化する。観察デバイスでは、複数の培養部の間を接続する流路を交換することなく、土壌微生物同士の相互作用の時間変化を１つの観察デバイスで模擬可能なことが、求められている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Eyal Karzbrun, Alexandra M. Tayar, Vincent Noireaux, and Roy H. Bar‐Ziv. 2014. “Synthetic Biology. Programmable on‐chip DNA compartments as artificial cells.” Science 345 (6198): 829‐832

【非特許文献2】Felix J. H. Hol, Or Rotem, Edouard Jurkevitch, Cees Dekker, and Daniel A. Koster. 2016. “Bacterial Predator‐prey dynamics in microscale patchy landscapes.” Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 283 (1824): 20152154

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、複数の培養部の間を接続する流路を交換することなく、土壌微生物同士の相互作用の時間変化を模擬可能な土壌微生物の観察デバイス及び観察方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のある実施形態では、土壌微生物の観察デバイスは、複数の培養部、流路及び制御部を備える。複数の培養部のそれぞれにおいて、土壌微生物が培養され、複数の培養部は、互いに対して隔離される。流路は、複数の培養部の間を接続し、流路に媒体を流すことが可能である。制御部は、複数の培養部のそれぞれからの流路を通しての物質の拡散状態を制御することにより、複数の培養部のそれぞれからの流路を通しての物質の拡散状態を経時的に変化させることが可能である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、複数の培養部の間を接続する流路を交換することなく、土壌微生物同士の相互作用の時間変化を模擬可能な土壌微生物の観察デバイス及び観察方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１の実施形態に係る観察デバイスを示す概略図である。

【図2】図２は、第２の実施形態に係る観察デバイスを示す概略図である。

【図3】図３は、第２の実施形態に係る観察デバイスにおいて、複数の培養部及びこれらの近傍を、流路に媒体が流れている状態で、概略的に示す断面図である。

【図4】図４は、第２の実施形態に係る制御部によって行われる、定期的に撮影された撮影画像を含む画像データの画像処理の一例を説明する概略図である。

【図5】図５は、ある変形例に係る観察デバイスにおいて、複数の培養部のある１つ及びその近傍を、流路に溶液が流れている状態で、概略的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

【0011】

（第１の実施形態）
まず、実施形態の一例として第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る観察デバイス１を示す概略図である。観察デバイス１は、複数の培養部２及び流路３を備える。観察デバイス１では、培養部２及び流路３は、培養プレート５の内部に形成される。培養プレート５は、可視光を透過可能であり、培養部２及び流路３を培養プレート５の外部から観察可能（視認可能）である。培養プレート５を形成する材料としては、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）及びガラス等が挙げられる。

【0012】

複数の培養部２のそれぞれは、培養プレート５の内部のチャンバから形成され、培養部２のそれぞれでは、土壌微生物６及び培養液を含む懸濁液が収容され、培養液を用いて土壌微生物が培養される。培養液は、土壌微生物の栄養源を含有する液体である。培養プレート５の内部では、複数の培養部２は、互いに対して隔離される。なお、図１の一例では、培養部２が２つ設けられる構成が示されるが、培養部２が複数設けられる構成であればよい。ある一例では、培養部２が３つ以上設けられてもよい。

【0013】

流路３には、流体等の媒体を流すことが可能である。複数の培養部２は、流路３を間に介して、互いに対して接続される。ここで、培養プレート５において、培養部２及び流路３のそれぞれは、マイクロ加工技術を利用して形成される。また、培養部２及び流路３のそれぞれの寸法及び形状等は、特に限定されるものではない。ある一例では、流路３の幅が、２０μｍ程度に形成される。

【0014】

また、培養プレート５には、溶液流入口１１、空気流入口１２及び排出口１３が形成され、流路３は、溶液流入口１１、空気流入口１２及び排出口１３のそれぞれにおいて、培養プレート５の外部に対して開口する。流路３には、メイン流路部１５、供給流路部１６，１７及び合流部１８が形成される。流路３では、供給流路部１６が、溶液流入口１１から合流部１８まで延設され、供給流路部１７が空気流入口１２から合流部１８まで延設される。そして、供給流路部１６，１７が、合流部１８において合流する。そして、メイン流路部１５は、合流部１８から排出口１３まで延設される。培養プレート５の内部では、メイン流路部１５が、複数の培養部２のそれぞれに接続される。なお、流路３では、溶液流入口１１及び空気流入口１２が位置する側が、上流側となり、排出口１３が位置する側が、下流側となる。

【0015】

また、観察デバイス１には、溶液供給部２１及び空気供給部２２が設けられる。溶液供給部２１は、１つ以上のチューブ部材（図示しない）を介して、流路３の溶液流入口１１に接続される。溶液供給部２１は、例えば、培養液を含む溶液が溜められるタンク、及び、マイクロポンプ等の供給作動部から構成される。溶液供給部２１では、マイクロポンプ等の供給作動部が作動されることにより、タンクに溜められた溶液が、流路３へ供給される。溶液供給部２１から供給された溶液は、溶液流入口１１から流路３へ流入し、供給流路部１６、合流部１８及びメイン流路部１５を順に通って、上流側から下流側へ流れる。

【0016】

空気供給部２２は、１つ以上のチューブ部材（図示しない）を介して、流路３の空気流入口１２に接続される。空気供給部２２は、例えば、空気が溜められるタンク、コンプレッサ、及び、開閉弁等から構成される。空気供給部２２では、タンクに溜められた空気が、コンプレッサによって圧縮される。そして、開閉弁を開くことにより、圧縮された空気が、流路へ供給される。空気供給部２２から供給された空気は、溶液流入口１１から流路３へ流入し、供給流路部１６、合流部１８及びメイン流路部１５を順に通って、上流側から下流側へ流れる。

【0017】

排出口１３には、チューブ部材（図示しない）が接続される。流路３を前述のように流れた溶液及び空気のそれぞれは、排出口１３から排出される。この際、排出口１３に接続されるチューブ部材の内部通って、溶液及び空気のそれぞれが、排出される。前述のような構成であるため、流路３には、培養液を含む溶液、及び、空気のそれぞれを、媒体（流体）として流すことが可能である。なお、図１では、溶液供給部２１から流路３へ供給される溶液の流れ、空気供給部２２から流路３へ供給される空気の流れ、及び、流路３から排出される溶液及び空気のそれぞれの流れは、破線の矢印で示す。

【0018】

また、培養プレート５では、培養部２と同一の数のフィルタ部２３が設けられ、複数の培養部２のそれぞれに対して１つずつフィルタ部２３が設けられる。フィルタ部２３のそれぞれは、培養部２の対応する１つと流路３のメイン流路部１５との間に配置される。フィルタ部２３のそれぞれには、透過部分となる隙間２５が多数形成される。このため、フィルタ部２３のそれぞれは、透過部分を通してのみ、培養液を含む溶液及び空気等が流体を透過させることが可能である。このため、培養部２のそれぞれでは、対応するフィルタ部２３の透過部分を通してのみ、流路３から流体が流入可能であり、流路３へ流体を流出可能である。ある一例では、フィルタ部２３のそれぞれは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から形成され、フィルタ部２３のそれぞれにおいて、透過部分となる隙間２５のそれぞれは、０．６μｍ程度の幅（直径）となる。

【0019】

また、観察デバイス１は、撮影部２７を備える。撮影部２７は、カメラ又は撮影機能を搭載した機器等から構成され、撮影範囲Ｔを撮影する。この際、撮影部２７は、顕微鏡を用いて顕微鏡画像を撮影する。撮影範囲Ｔには、複数の培養部２の全て、及び、培養部２のそれぞれの流路３への接続部分が含まれる。培養プレート５が可視光を透過可能であるため、培養部２等の培養プレート５の内部を撮影可能となる。撮影部２７は、所定の時間間隔で定期的に、撮影範囲Ｔを撮影する。

【0020】

観察デバイス１は、制御部３１及びユーザインタフェース３２を備える。制御部３１は、観察デバイス１が設けられるシステム全体を制御する。制御部３１は、例えば、コンピュータ等の処理装置から構成され、制御部３１を構成する処理装置は、プロセッサ又は集積回路、及び、メモリ等の記憶媒体を備える。プロセッサ又は集積回路は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、マイコン、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、及び、ＤＳＰ（Digital Signal processor）等のいずれかを含む。制御部３１を構成する処理装置は、集積回路等を１つのみ備えてもよく、集積回路等を複数備えてもよい。制御部３１を構成する処理装置は、記憶媒体等に記憶されるプログラム等を実行することにより、処理を行う。

【0021】

なお、ある一例では、制御部３１は、複数のコンピュータ、すなわち、複数の処理装置から構成されてもよい。この場合、複数の処理装置が協働して、制御部３１による処理を行う。また、別のある一例では、制御部３１は、クラウド環境のサーバによって構成されてもよい。この場合、仮想ＣＰＵ等の仮想プロセッサによって、制御部３１による処理が行われる。ユーザインタフェース３２では、観察デバイス１の使用者等によって、各種の操作が行われる。また、ユーザインタフェース３２では、観察デバイス１の使用者等に各種の情報を告知可能である。ユーザインタフェース３２では、画面表示及び音声等のいずれかによって、情報が告知される。

【0022】

制御部３１は、撮影部２７が所定の時間間隔で定期的に撮影した画像を含む画像データを、取得する。制御部３１は、画像データを画像処理する等して、撮影範囲Ｔの状態の時間変化等を検出する。例えば、制御部３１は、撮影部２７が撮影した画像等に基づいて、流路３を流れている媒体の種類、及び、流路を流れている溶液の流速等を検出可能である。また、制御部３１には、観察デバイス１の使用者等によってユーザインタフェース３２で行われた操作に基づいて操作指令が、入力される。制御部３１は、撮影部２７からの画像データの画像処理による処理結果、及び、ユーザインタフェース３２からの操作指令等に基づいて、溶液供給部２１におけるマイクロポンプ等の供給作動部の作動、及び、空気供給部２２におけるコンプレッサ及び開閉弁等の作動を制御する。なお、図１では、制御部３１に入力されるデータ、及び、制御部３１からの制御指令等の伝送は、実線の矢印で示す。

【0023】

制御部３１は、例えば、溶液供給部２１の供給作動部を作動させることにより、流路３へ溶液を供給させ、溶液供給部２１の供給作動部の作動を停止することにより、流路３への溶液の供給を停止させる。このため、制御部３１は、溶液供給部２１の作動を制御することにより、流路３への溶液の供給の有無を切替え可能である。また、制御部３１は、例えば、空気供給部２２の開閉弁を開くことにより、流路３へ空気を供給させ、空気供給部２２の開閉弁を閉じることにより、流路３への空気の供給を停止させる。このため、制御部３１は、空気供給部２２の作動を制御することにより、流路３への空気の供給の有無を切替え可能である。

【0024】

前述のように溶液供給部２１及び空気供給部２２のそれぞれの作動が制御されるため、制御部３１は、流路３に流れる媒体（流体）の種類を制御及び調整可能であり、流路３に流れる媒体の種類を変化させることが可能である。すなわち、制御部３１によって、流路３に溶液が流れる状態と流路３に空気が流れる状態との間を、切替え可能である。また、流路３に溶液が供給されている状態では、制御部３１は、溶液供給部２１供給作動部の作動を制御することにより、流路３に流れる溶液の流速を制御する。この際、溶液供給部２１においてマイクロポンプからの溶液の吐出圧力及び吐出量等を調整することにより、流路３における溶液の流速が調整される。したがって、制御部３１は、流路３における溶液の流速を変化させることが可能である。

【0025】

観察デバイス１では、流路３に流れる媒体の種類、及び、流路３における溶液の流速の少なくとも一方が変化することにより、培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態が変化する。このため、制御部３１は、流路３に流れる媒体の種類、及び、流路３における溶液の流速を前述のように制御することにより、培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態を制御する。そして、培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態が制御部３１によって調整されることにより、複数の培養部２の間での土壌微生物６同士の相互作用の度合いが、調整される。

【0026】

例えば、流路３に溶液が流れ、かつ、流路３における溶液の流速がゼロ又は略ゼロになる状態では、培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散の度合いは、単純拡散と同程度となる。そして、流路３において溶液に流速が発生すると、溶液の流速がゼロの場合に比べて、培養部２のそれぞれから物質が、特に下流側へ、流路３を通して拡散し易くなる。そして、流路３における溶液の流速が速くなるほど、培養部２のそれぞれから物質が、流路３を通して拡散し易くなる。このため、流路３に溶液が流れている状態では、流路３における溶液の流速が速くなるほど、複数の培養部２の間での土壌微生物６同士の相互作用の度合いが大きくなる。

【0027】

また、流路３に空気が流れている状態では、培養部２のそれぞれから流路３を通して、物質が拡散しない、又は、ほとんど拡散しない。このため、流路３に空気が流れている状態では、複数の培養部２の間での土壌微生物６同士の相互作用の度合いは、ゼロ又は略ゼロになる。

【0028】

前述のように本実施形態では、制御部３１によって、流路３における溶液の流速、及び、流路３に流れる媒体の種類の少なくとも一方を経時的に変化させることにより、複数の培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態を経時的に変化させることが、可能となる。これにより、複数の培養部２の間での土壌微生物６同士の相互作用の度合いを経時的に変化させることが可能になり、１つの観察デバイス１において、土壌微生物６同士の相互作用の時間変化を模擬可能となる。したがって、土壌の状態の経時的な変化に対応した土壌微生物６同士の相互作用の時間変化を、観察デバイス１を用いて観察可能となる。

【0029】

また、本実施形態では、流路３における溶液の流速、及び、流路３に流れる媒体の種類の少なくとも一方を変化させることにより、培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態を変化させる。このため、土壌微生物６同士の相互作用の時間変化の観察において、複数の培養部２の間を接続する流路３を交換する必要はなく、培養部２の間の流路３を通しての離間距離が互いに対して異なる複数の観察デバイスを用いる必要もない。したがって、土壌微生物６同士の相互作用の時間変化の観察において、手間等が低減される。

【0030】

（第２の実施形態）
次に、実施形態の別の一例として第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態を以下のように変更した変形例である。このため、以下の第２の実施形態の説明では、第１の実施形態から変更された構成要素及び処理等について説明し、第１の実施形態と同様の構成要素及び処理等については、説明を省略する。

【0031】

図２は、第２の実施形態に係る観察デバイス１を示す概略図である。図２に示すように、本実施形態では、培養プレート５に、流入口４１及び排出口４２が形成され、流路３は、流入口４１及び排出口４２のそれぞれにおいて、培養プレート５の外部に対して開口する。本実施形態でも、培養プレート５の内部において、流路３が、複数の培養部２のそれぞれに接続される。本実施形態では、流路３において、流入口４１が位置する側が、上流側となり、排出口４２が位置する側が、下流側となる。

【0032】

また、観察デバイス１には、供給部４３が設けられる。供給部４３は、１つ以上のチューブ部材（図示しない）を介して、流路３の流入口４１に接続される。供給部４３は、例えば、後述する媒体を生成する媒体生成部、及び、マイクロポンプ等の供給作動部から構成される。供給部４３では、マイクロポンプ等の供給作動部が作動されることにより、媒体生成部によって生成された媒体が、流路３へ供給される。供給部４３から供給された媒体（流体）は、流入口４１から流路３へ流入し、上流側から下流側へ流路３を流れる。

【0033】

排出口４２には、チューブ部材（図示しない）が接続される。流路３を前述のように流れた媒体は、排出口４２から排出される。この際、排出口４２に接続されるチューブ部材の内部通って、媒体が排出される。なお、図２では、供給部４３から流路３へ供給される媒体の流れ、及び、流路３から排出される媒体の流れは、破線の矢印で示す。

【0034】

本実施形態の培養プレート５では、培養部２と同一の数の電場発生部４５が設けられ、複数の培養部２のそれぞれに対して１つずつ電場発生部４５が設けられる。電場発生部４５のそれぞれは、一対の電極４６，４７を備える。電場発生部４５のそれぞれでは、一対の電極４６，４７は、培養部２の対応１つ及び流路３を間に挟む状態で、配置される。したがって、電場発生部４５のそれぞれでは、一対の電極４６，４７の間に、複数の培養部２の対応する１つと流路３との接続部分が位置する。

【0035】

観察デバイス１では、培養部２及び電場発生部４５のそれぞれと同一の数の電源部４８が設けられ、電場発生部４５のそれぞれに対して１つずつ電源部４８が設けられる。電場発生部４５のそれぞれでは、電極４６が電源部４８に電気的に接続され、電極４７が接地される。電場発生部４５のそれぞれでは、電源部４８の対応する１つから電力が供給されることにより、一対の電極４６，４７の間に電圧が印加される。これにより、電場発生部４５のそれぞれでは、一対の電極４６，４７の間の領域に電場が発生する。したがって、電場発生部４５のそれぞれは、電力が供給されることにより、培養部２の対応する１つ、及び、培養部２の対応する１つと流路３との接続部分に、電場を発生させる。

【0036】

図３は、本実施形態の観察デバイス１において、複数の培養部２及びこれらの近傍を、流路３に媒体が流れている状態で、概略的に示す断面図である。図３に示すように、本実施形態では、油５１、及び、油５１に存在する油中水滴５２が、媒体として、供給部４３から流路３へ供給される。ある一例では、供給部４３から流路３に媒体が供給されている状態において、複数の油中水滴５２が流路３を流れ、複数の油中水滴５２は、流路３での流れの方向に、互いに対して所定の間隔を有する。油中水滴５２のそれぞれは、培養液を含む溶液であり、界面活性剤によって形成される脂質膜５３によって包まれる。

【0037】

また、本実施形態では、培養部２のそれぞれに、油５４が溜められ、培養部２のそれぞれでは、溜められた油５４に油中水滴５５が存在する。油中水滴５５のそれぞれでも、油中水滴５２と同様に、界面活性剤によって形成される脂質膜５６によって、培養液を含む溶液が包まれる。培養部２のそれぞれでは、油中水滴５５の内部、すなわち、油中水滴５５の溶液の部分において、土壌微生物６が培養される。

【0038】

電場発生部４５の対応する１つによる電場が発生していない状態では、培養部２のそれぞれの油中水滴５５は、流路３に流れる油中水滴５２と融合しない。一方、電場発生部４５の対応する１つによって電場が発生すると、培養部２のそれぞれの油中水滴５５は、流路３に流れる油中水滴５２と融合可能になる。このため、培養部２のそれぞれの流路３との接続部分では、電場発生部４５の対応する１つの作動状態、すなわち、電場発生部４５の対応する１つによる電場の発生状態に対応して、流路３を流れる油中水滴５２への油中水滴５５の融合状態が変化する。

【0039】

図２に示すように、本実施形態では、制御部３１は、撮影部２７からの画像データの画像処理による処理結果、及び、ユーザインタフェース３２からの操作指令等に基づいて、供給部４３におけるマイクロポンプ等の供給作動部の作動、及び、複数の電源部４８のそれぞれからの電場発生部４５の対応する１つへの電力の供給を制御する。制御部３１は、電場発生部４５のそれぞれへの電力の供給を制御することにより、電場発生部４５のそれぞれの作動を制御し、電場発生部４５のそれぞれによる電場の発生状態を制御する。なお、図２では、制御部３１に入力されるデータ、及び、制御部３１からの制御指令等の伝送は、実線の矢印で示す。

【0040】

本実施形態では、制御部３１は、電場発生部４５のそれぞれの作動を前述のように制御することにより、培養部２のそれぞれの油中水滴５５に対する流路３を流れる油中水滴５２の融合状態を、制御する。このため、制御部３１による制御によって電場発生部４５のそれぞれによる電場の発生状態が変化することにより、培養部２の対応する１つに存在する油中水滴５５に対する流路３に流れる油中水滴５２の融合状態が、変化する。

【0041】

観察デバイス１の培養部２でのそれぞれでは、油中水滴５５に対する流路３を流れる油中水滴５２の融合状態が変化することにより、その培養部２からの流路３を通しての物質の拡散状態が変化する。このため、制御部３１は、培養部２でのそれぞれの油中水滴５５に対する流路３を流れる油中水滴５２の融合状態を前述のように制御することにより、培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態を制御する。そして、本実施形態でも、培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態が制御部３１によって調整されることにより、複数の培養部２の間での土壌微生物６同士の相互作用の度合いが、調整される。

【0042】

ここで、電場発生部４５のそれぞれについて、電場を発生している状態をオン状態とし、電場を発生していない状態をオフ状態とする。例えば、培養部２のそれぞれでは、電場発生部４５の対応する１つがオン状態になる頻度、及び、電場発生部４５の対応する１つが単位時間当たりにオン状態になる時間等が基準レベルになる場合、その培養部２からの流路を通しての物質の拡散の度合いは、単純拡散と同程度となる。そして、培養部２のそれぞれでは、電場発生部４５の対応する１つがオン状態になる頻度が高いほど、その培養部２からの物質が、流路３を通して拡散し易くなる。また、培養部２のそれぞれでは、電場発生部４５の対応する１つが単位時間当たりにオン状態になる時間が長いほど、その培養部２からの物質が、流路３を通して拡散し易くなる。

【0043】

したがって、流路３に媒体が流れている状態では、電場発生部４５のそれぞれがオン状態になる頻度、及び、電場発生部４５のそれぞれが単位時間当たりにオン状態になる時間等に対応して、複数の培養部２の間での土壌微生物６同士の相互作用の度合いが変化する。また、流路３に媒体が流れている状態でも、電場発生部４５のそれぞれが経時的に継続してオフ状態の場合は、培養部２のそれぞれから流路３を通して、物質が拡散しない、又は、ほとんど拡散しない。このため、電場発生部４５が継続してオフ状態で維持される間は、複数の培養部２の間での土壌微生物６同士の相互作用の度合いは、ゼロ又は略ゼロになる。

【0044】

また、制御部３１は、撮影部２７からの画像データを画像処理することにより、撮影画像において油中水滴５２，５５のそれぞれを検出する。ここで、撮影範囲Ｔの撮影画像等では、光の屈折率の関係で、油中水滴５２を包む脂質膜５３、及び、油中水滴５５を包む脂質膜５６のそれぞれは、他の部分に比べて暗くなる。ある一例では、制御部３１は、撮影範囲Ｔの撮影画像を二値化処理することにより、撮影画像の二値化画像を生成する。そして、制御部３１は、二値化画像における閾値より暗い画素の位置等に基づいて、脂質膜５３，５６のそれぞれ、すなわち、油中水滴５２のそれぞれと油５１と境界、及び、油中水滴５５のそれぞれと油５４との境界を、撮影画像において検出する。

【0045】

前述のように撮影画像から脂質膜５３，５６が検出されることにより、制御部３１は、撮影画像において検出した脂質膜５３のそれぞれが包む部分を、油中水滴５２として検出する。そして、制御部３１は、撮影画像において検出した脂質膜５６のそれぞれが包む部分を、油中水滴５５として検出する。また、制御部３１は、撮影画像において検出した油中水滴５２のそれぞれについて、位置情報を算出し、例えば、検出した油中水滴５２のそれぞれについて、上流端及び下流端のそれぞれの位置を算出する。また、撮影部２７による撮影は、所定の時間間隔で定期的に行われる。このため、制御部３１は、定期的に撮影された撮影画像のそれぞれについて、その撮影画像において検出した油中水滴５２のそれぞれの位置情報を算出することにより、油中水滴５２のそれぞれについての位置情報の時間変化を算出する。

【0046】

制御部３１は、油中水滴５２のそれぞれについての位置情報及び位置情報の時間変化に基づいて、電場発生部４５のそれぞれの作動を制御する。ここで、流路３を流れる油中水滴５２のある１つの油中水滴５２Ａとする。油中水滴５２Ａを培養部２のそれぞれの油中水滴５５と融合する場合、制御部３１は、油中水滴５２Ａの位置情報及び位置情報の時間変化に基づいて、油中水滴５２Ａが培養部２のそれぞれの油中水滴５５に対して融合可能な位置に位置するか否かを、判定する。そして、制御部３１は、油中水滴５２Ａが培養部２のそれぞれの油中水滴５５に対して融合可能な位置に位置するタイミングにおいて、電場発生部４５の対応する１つをオン状態にする。

【0047】

また、複数の培養部２において、ある１つを培養部２Ａとし、培養部２Ａに対して流路３の下流側に隣り合って位置する１つを培養部２Ｂとする。制御部３１は、定期的に撮影された撮影画像を含む画像データを画像処理することにより、培養部２Ａの油中水滴５５に融合可能な位置を油中水滴５２Ａが通過した後において、流路３を下流側へ流れる油中水滴５２Ａをトラッキングする。油中水滴５２Ａをトラッキングすることにより、制御部３１は、培養部２Ａの油中水滴５５に融合可能な位置を油中水滴５２Ａが通過した後において、培養部２Ｂの油中水滴５５に融合可能な位置に油中水滴５２Ａが到達したか否かを、判定する。

【0048】

図４は、本実施形態の制御部３１によって行われる、定期的に撮影された撮影画像を含む画像データの画像処理の一例を説明する概略図である。ここで、時間ｔを変数として規定すると、図４の一例では、時間ｔ１の時点、及び、時間ｔ１より後の時間ｔ２の時点を含む複数の時点のそれぞれにおいて、撮影範囲Ｔが撮影部２７によって撮影される。また、制御部３１は、複数の培養部２のそれぞれについて、流路３を流れる油中水滴５２に対する油中水滴５５の融合領域Ｅを設定する。例えば、培養部２Ａについては、融合領域Ｅａが設定され、培養部２Ｂについては、融合領域Ｅｂが設定される。

【0049】

制御部３１は、撮影部２７による撮影画像を二値化処理した前述の二値化画像のそれぞれについて、構成する画素のそれぞれの画素値を取得する。二値化画像のそれぞれでは、閾値より明るい画素については画素値が０となり、閾値より暗い画素については画素値が１となる。また、油中水滴５２Ａに対して１つだけ上流側の油中水滴５２を、油中水滴５２Ｂとする。

【0050】

制御部３１は、定期的に取得される二値化画像のそれぞれにおいて、融合領域Ｅａ，ＥＢのそれぞれでの画素値の総和が基準値以上であるか否かを判定する。そして、培養部２Ａについての融合領域Ｅａを油中水滴５２Ｂが通過すると、制御部３１は、二値化画像における融合領域Ｅａでの画素値の総和が基準値より小さい状態から基準値以上に切替わるタイミングを、検出する。そして、制御部３１は、融合領域Ｅａでの画素値の総和が基準値以上に切替わったことに基づいて、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが、培養部２Ａについての融合領域Ｅａに到達したと判定する。

【0051】

そして、制御部３１は、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが融合領域Ｅａに到達したタイミング又はその直後において、電場発生部４５の中の培養部２Ａに対応する１つをオン状態にする。これにより、培養部２Ａの油中水滴５５に油中水滴５２Ａが適切に融合する。図４の一例では、時間ｔ１における二値化画像Ｉ１において、融合領域Ｅａでの画素値の総和が基準値以上に切替わったと判定される。そして、二値化画像Ｉ１に基づいて、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが、培養部２Ａについての融合領域Ｅａに到達したと、判定される。なお、図４の二値化画像Ｉ１，Ｉ２のそれぞれでは、閾値より明るい部分は白色で、閾値より暗い部分は黒色で示される。

【0052】

油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが融合領域Ｅａに到達した後における油中水滴５２Ａのトラッキングでは、制御部３１は、時間ｔ１における二値化画像Ｉ１と時間ｔ２における二値化画像Ｉ２との間での画素値の差分値を、画素のそれぞれについて算出する。この際、画素値の差分値は、絶対値で算出される。そして、制御部３１は、二値化画像Ｉ１，Ｉ２の間での画素値の差分値が画素ごとに示される差分値画像Ｉ３を、生成する。図４の差分値画像Ｉ３では、画素値の差分値が基準値より小さい部分は白色で、画素値の差分値が基準値以上の部分は黒色で示される。

【0053】

制御部３１は、時間ｔ１（二値化画像Ｉ１）における油中水滴５２Ａの上流端Ｕａの位置Ｕａ（ｔ＝ｔ１）、及び、差分値画像Ｉ３に基づいて、時間ｔ２における油中水滴５２Ａの上流端Ｕａの位置Ｕａ（ｔ＝ｔ２）を算出する。この際、制御部３１は、位置Ｕａ（ｔ＝ｔ１）に対して流路３の下流側において、差分値画像Ｉ３での差分値が基準値以上となる部分を検出する。そして、制御部３１は、位置Ｕａ（ｔ＝ｔ１）に対して下流側で差分値が基準値以上となる部分の中から、位置Ｕａ（ｔ＝ｔ１）に最も近い部分を、時間ｔ２における油中水滴５２Ａの上流端Ｕａの位置Ｕａ（ｔ＝ｔ２）として特定する。

【0054】

図４の一例では、制御部３１は、流路３に沿う仮想線Ｃを設定する。そして、制御部３１は、融合領域Ｅのそれぞれと同一の面積を囲む枠を、差分値画像Ｉ３において、時間ｔ１での上流端Ｕａの位置Ｕａ（ｔ＝ｔ１）から、仮想線Ｃに沿って下流側へ徐々に移動させる。この際、制御部３１は、枠を移動させるたびに、枠で囲まれた範囲の差分値の総和が基準値以上であるか否かを判定する。このような判定を行うことにより、制御部３１は、位置Ｕａ（ｔ＝ｔ１）に対して流路３の下流側において、差分値が基準値以上となる部分を検出可能となり、時間ｔ２における油中水滴５２Ａの上流端Ｕａの位置Ｕａ（ｔ＝ｔ２）を特定可能となる。

【0055】

時間ｔ２より後においても、時間ｔ２における油中水滴５２Ａの上流端Ｕａの位置Ｕａ（ｔ＝ｔ２）の特定と同様にして、制御部３１は、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａの位置を特定する。したがって、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが融合領域Ｅａに到達した後において、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが適切にトラッキングされ、油中水滴５２Ａが適切にトラッキングされる。

【0056】

制御部３１は、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが融合領域Ｅａに到達した後において、前述のように油中水滴５２Ａをトラッキングすることにより、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが、培養部２Ｂについての融合領域Ｅｂに到達したか否かを判定する。そして、制御部３１は、油中水滴５２Ａの上流端Ｕａが融合領域Ｅｂに到達したタイミング又はその直後において、電場発生部４５の中の培養部２Ｂに対応する１つをオン状態にする。これにより、培養部２Ａの油中水滴５５と融合した油中水滴５２Ａが、培養部２Ｂの油中水滴５５と適切に融合する。また、油中水滴５２Ａ以外の油中水滴５２についても、前述した制御と同様の制御が制御部３１によって行われることにより、培養部２Ａの油中水滴５５と融合した後において、培養部２Ｂの油中水滴５５と融合させることが可能である。

【0057】

前述のように、本実施形態では、制御部３１によって、複数の電場発生部４５のそれぞれの作動を制御することにより、複数の培養部２のそれぞれの油中水滴５５に対する流路３を流れる油中水滴５２の融合状態が、制御される。これにより、複数の培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態を経時的に変化させることが、可能となる。したがって、本実施形態でも、複数の培養部２の間での土壌微生物６同士の相互作用の度合いを経時的に変化させることが可能になり、１つの観察デバイス１において、土壌微生物６同士の相互作用の時間変化を模擬可能となる。したがって、本実施形態でも、土壌の状態の経時的な変化に対応した土壌微生物６同士の相互作用の時間変化を、観察デバイス１を用いて観察可能となる。

【0058】

また、本実施形態では、電場発生部４５のそれぞれの作動状態を変化させることにより、培養部２のそれぞれからの流路３を通しての物質の拡散状態を変化させる。このため、土壌微生物６同士の相互作用の時間変化の観察において、複数の培養部２の間を接続する流路３を交換する必要はなく、培養部２の間の流路３を通しての離間距離が互いに対して異なる複数の観察デバイスを用いる必要もない。したがって、本実施形態でも、土壌微生物６同士の相互作用の時間変化の観察において、手間等が低減される。

【0059】

（変形例）
なお、ある変形例では、複数のフィルタ部２３のいずれか１つ以上が、以下のように形成される。図５は、ある変形例の観察デバイス１において、複数の培養部２のある１つ及びその近傍を、流路３に前述の溶液が流れている状態で、概略的に示す断面図である。図５に示すように、本変形例では、フィルタ部２３の少なくとも１つは、複数層構造（複数段構造）に形成される。複数層構造のフィルタ部２３は、第１のフィルタ層６１及び第２のフィルタ層６２を備える。第２のフィルタ層６２は、第１のフィルタ層６１に対して、流路３が位置する側とは反対側に積層される。

【0060】

本変形例では、複数層構造のフィルタ部２３において、第１のフィルタ層６１及び第２のフィルタ層６２のそれぞれに、透過部分となる隙間２５が多数形成される。第２のフィルタ層６２の隙間２５は、第１のフィルタ層６１の隙間２５に対して、ずれて形成される。ただし、第２のフィルタ層６２の隙間２５のそれぞれは、第１のフィルタ層６１の隙間２５のいずれか１つ以上と連通する。このため、流路３から複数層構造のフィルタ部２３を通して対応する培養部２に流体が流入可能であり、対応する培養部２から複数層構造のフィルタ部２３を通して流体を流路へ流出可能である。対応する培養部２と流路３との間で複数層構造のフィルタ部２３を通して流体が流れる際には、第１のフィルタ層６１及び第２のフィルタ層６２のそれぞれにおいて、透過部分となる隙間２５を流体が通過する。

【0061】

本変形例では、複数層構造のフィルタ部２３の第１のフィルタ層６１及び第２のフィルタ層６２のそれぞれにおいて、透過部分となる隙間２５のそれぞれの幅（直径）をある程度大きくしても、流路３から対応する流路３へ流体が過度に流入すること等が、適切に抑制される。第１のフィルタ層６１及び第２のフィルタ層６２のそれぞれにおいて、隙間２５のそれぞれの幅をある程度大きくすることにより、複数層構造のフィルタ部２３の製造における手間及びコスト等を削減可能となる。

【0062】

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

【符号の説明】

【0063】

１…観察デバイス
２（２Ａ，２Ｂ）…培養部
３…流路
５…培養プレート
６…土壌微生物
１１…溶液流入口
１２…空気流入口
１３…排出口
１５…メイン流路部
１６，１７…供給流路部
１８…合流部
２１…溶液供給部
２２…空気供給部
２３…フィルタ部
２５…隙間
２７…撮影部
３１…制御部
３２…ユーザインタフェース
４１…流入口
４２…排出口
４３…供給部
４５…電場発生部
４６，４７…電極
４８…電源部
５１，５４…油
５２（５２Ａ，５２Ｂ），５５…油中水滴
５３，５６…脂質膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】