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  第一次世界大戰後,日本陸軍祕密開發化學武器,建立專門製造毒氣之工廠;侵華戰爭開始後,日本化學部隊被派往中國戰場。日本在戰時主要的衛生研究部門分別於日本、中國、新加坡。  關東軍中還有一支以進行對蘇化學戰準備為目的之專門化學部隊——516部隊,設在齊齊哈爾市。1932年,石井四郎(陸軍軍醫、醫學博士)開始在東京之陸軍軍醫學校中準備細菌戰,1936年,根據日本「軍令陸甲第7號」命令,在哈爾濱之平房正式建立名為「關東軍防疫給水部隊」之細菌部隊,石井四郎擔任部隊長;1941年後,「關東軍防疫給水部隊」稱為「滿洲第731部隊」,並在海拉爾、海林、林口、孫吳等地設立支隊。  1939年,七三一部隊首次在中蒙邊界之諾門罕戰鬥中使用細菌武器;隨著侵略戰爭之擴大,日本關東軍和華北、華中、華南之派遣軍以及南方軍中,都建立起名為「防疫給水部隊」之細菌部隊,先後對中國之浙江、湖南以及山東、廣東等地實施大規模細菌戰,造成大批平民死傷;僅湖南常德一地有實名記錄之死亡人數就達7,463人。  而位於中國大陸的研究單位主要集中於滿洲國境內,除了研究單位以外另外有63個支隊分佈在各戰場。

  本部設於哈爾濱平房區,即731部隊。

  731部隊的前身,是石井四郎於1932年在中國東北哈爾濱市郊的背陰河設立的東鄉部隊。  1932年,石井四郎率部隊在哈爾濱市郊的監獄修建中馬城,但1935年的一次監獄暴動迫使石井關閉中馬城。  其後石井到離哈爾濱更近的平房區重新設立細菌工廠,於1939年建成,佔地四平方公里。  其中731部隊總部四方樓「監獄」佔地就達四萬平方米。  工廠內安置了500具孵育器和6座能容納兩噸製造培養液之鍋爐等裝置。  673部隊在黑河孫吳縣建立細菌實驗基地,包括動物飼養、制菌室等300間建築。

  731部隊進行分為8個部和4個支隊:  石井的衛生部隊(659部隊)除了平房本部(731部隊)外,還有4個支隊:

  731部隊的建築群佔地6平方公里,由150餘座建築組成。設施設計用以抵禦空襲,防止設施摧毀。建築群包括各式不同的工廠,還有大約4500個用於飼養跳蚤的容器,6個用於製造化學制劑的大鍋爐以及約1800個用於製造生物製劑的容器,幾天內可製出約30千克的腺鼠疫細菌。  如今731部隊周邊設施除已被深埋地下,無法搬遷的部分外,絕大部分作為731部隊罪證遺址供遊客參觀和考古研究使用,另建有侵華日軍第七三一部隊罪證陳列館介紹與之相關的歷史並展出相關文物和最新研究成果。

  關東軍憲兵隊將部分被抓獲的抗日士兵和為蘇聯從事情報工作之人員祕密押送到七三一部隊,作為細菌實驗之「材料」(又稱原木),當時稱為「特別輸送」。  七三一部隊將「特別輸送」之人員關押在祕密監獄裡,進行鼠疫、傷寒、副傷寒、霍亂、炭疽等幾十種細菌實驗,還進行凍傷、人血和馬血互換、人體倒掛等實驗,甚至進行活體解剖,並與化學部隊共同進行毒氣實驗;據七三一部隊要員供認,至少有3,000人在這裡被殘害。  凍傷實驗:  地點:野外凍傷試驗場  強迫受害者的雙手裸露在零下35度的戶外,並往上淋冰水,人會因為極度寒冷而昏迷。十小時後,手已完全壞死,呈黑紫色,此時將人送入冷凍實驗室,受害者甦醒,又將其雙手浸入15度的溫水中進行解凍,然後將手上壞死的組織撕下,雙手便只剩白骨。  低溫實驗:  地點:冷凍實驗室  將受害者的雙手放入零下196度的速凍櫃中進行速凍,隨後雙手便堅硬如石,呈灰白色,表面凝結了一層厚厚的白霜。此時用玻璃棒猛擊受害者的雙手,已經被凍硬的手指就會被一根根地打掉,最後手掌也會被擊碎。  滅壓實驗:  地點:滅壓艙  將人關進滅壓艙後進行減壓,此時人會有全身即將爆裂的疼痛感,當指數顯示為-4後,人會逐漸死亡,身體會變得浮腫。當壓力再減時人的眼球會從眼眶裡突出,大小腸、排洩物和未消化的食物會從肛門噴出。滅壓艙上有專供部隊人士觀察的玻璃窗。  毒氣實驗:  地點:毒氣實驗室  將成人、兒童和鳥類同時關進全透明毒氣室,隨即釋放不同濃度,不同種類的毒氣,以此觀察成人,兒童和鳥類對於毒氣的不同反應,受害者會在慢性毒氣中逐漸被毒死,抑或是窒息,會有口吐白沫,眼睛流淚甚至內出血,耳鼻口眼出血的情況。  低溫陶瓷細菌彈爆破:  地點:安達野外試驗場  將少則十幾名,多則數十名的不同國籍人種的受害者綁於十字木樁上,隨後引爆周圍的陶瓷細菌彈,受害者會出現全身面板肌肉腐爛,組織壞死,甚至肢體斷裂等情況,最終因細菌感染和肌肉組織壞死而死亡。  活體解剖:  地點:解剖室  經常作為其他實驗的輔助工作,在進行細菌注射後,如果人沒有出現任何發病的現象,就會被活體解剖以觀察器官活動情況。或是在進行人畜雜交實驗後,將疑似已經懷孕的婦女進行活體解剖以觀察有無胎兒。如果不是為了取器官做標本,其他原因的解剖都不會進行麻醉,因為部隊人士認為用麻醉後的人作觀察研究結果是不準確的。

  二戰期間,731部隊在東京新宿區運營著一家醫學院校。2006年,曾於戰期在該院校工作過的護士石井東洋(音譯)透露,1945年日本投降後不久,她在院校的庭院參與掩埋屍體與殘肢。日本厚生勞動省於2011年2月開始了位於該遺址的挖掘工作。中國政府要求獲取遺骸的DNA樣本。而由於日本政府從未正式承認731部隊的存在,所以拒絕了這一要求。

  駐紮在廣州的隸屬於南支那方面軍的8604部隊是731部隊的關聯單位。部隊在基地中進行禁食、脫水以及水傳斑疹傷寒的人體試驗。戰後證詞表明,該設施曾作為鼠類養殖場,向部隊的醫療分隊提供腺鼠疫的實驗帶菌媒介,並大量生產鼠疫桿菌,進行細菌戰。

  服役於英國皇家陸軍軍械總隊的羅伯特·皮蒂少校曾是距哈爾濱平房區350英里的奉天戰俘營的英國高階官員。根據他的證詞,731部隊的醫生對戰俘施行傳染病病菌的常規性注射,並偽裝成無害的牛痘疫苗,最終導致186位英國戰俘死亡。

  歷史上僅有4名倖存者成功越獄,他們分別是:中華民國吉林省中國國民黨黨務第三督導區108支部書記李廣德和黨員何家訓,110支部書記張人天,以及中共黨員、抗聯偵察員李遇遲。1945年8月12日夜,由於蘇聯紅軍逼近牡丹江,日軍對這裡的在押人員進行了大屠殺。日軍射擊兩輪後迅速撤離,並未進入牢房檢查,也未找到預先準備的汽油焚燬建築。天亮後四人紛紛越獄。當時和何家訓同室的趙連青也活著,但是趙連青大門都沒走出去就突然死去。其餘四人於13日逃出。

  1925年之日內瓦議定書明確規定禁止使用細菌武器與化學武器,因此七三一部隊在戰敗前撤退時,殺害俘虜,炸燬建築,將重要資料和物資帶回日本;但由於攜帶病菌之老鼠、牲畜四散逃逸,造成哈爾濱郊區鼠疫流行,直到1950年代鼠疫才被遏制。  同時,日軍還把大批化學武器丟棄在中國,遺害無窮;直到最近幾年,仍不斷髮現日本軍祕密掩埋之化學武器,導致遺棄化學武器在戰後不斷髮生傷人事件;根據禁止化學武器公約之要求,1999年中日間就處理遺棄化學武器問題達成備忘錄,開始銷燬遺棄化學武器。

  由於沒有判罪的緣故,許多前731部隊的成員都加入了日本醫療組織。北野政次領導了日本最大的製藥公司:綠十字。其他成員或進入醫學院校的領導層,或為日本厚生省工作。 1997年,180名中國人(731部隊的死者或其家屬),對日本政府提出訴訟,要求全面披露731部隊事實,道歉並賠償。  2002年8月,東京地方法院承認731部隊的存在以及所進行的生物戰的行為。  2017年8月13日,日本放送協會(NHK)播放紀錄片《731部隊的真相——精英醫者與人體實驗》,首次公佈了731部隊認罪的錄音資料,並指責多名日本醫學界權威專家涉入了731部隊人體實驗
731部隊是舊日本帝國陸軍關東軍本部的通稱號。該單位由石井四郎所領導,因此也稱之為「石井部隊」。“731部隊”同時也可以是指在抗日戰爭和第二次世界大戰期間,舊日本帝國陸軍於日本以外領土從事生物戰、細菌戰和人體試驗相關研究的所有祕密軍事醫療部隊,也代指大日本帝國陸軍在佔領滿洲期間所做的生物戰和人體試驗研究。