JP2005337976A - 水質監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】管理の難しい水生動物を利用することなく、精度の高い毒物検知を可能にする。
【解決手段】監視の対象となる水圏から採取したサンプル水中に、蛍光性を有する藻類を混合し、サンプル混合水を作製するサンプル混合水作製手段５、前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率の少なくとも一方を測定する蛍光測定手段７、前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率の少なくとも一方に基づいて、前記サンプル水への毒性物質の混入の有無を判定し、該判定結果を示す信号を出力する水質判定手段８、前記水質判定手段の判定結果を出力する出力手段９を具備する。前記水質判定手段８は、前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率のどちらか一方又は両方が、それぞれ設定された基準値よりも低い場合に、毒性物質が混入していると判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、上水、工場廃水、海水等の水質を監視するための水質監視システムに関するものである。

水質を監視するシステムに関する従来技術として、以下のようなものが開示されている。第１の従来技術は、監視対象の水圏から採取した水中で飼育される魚類の行動パターンを監視し、信号処理システムによって把握した魚類の行動パターンに基づいて、異常水質を検知するものである（特許文献１参照）。

また、第２の従来技術は、サンプリングする手段により水圏内の液を採取し、撮像手段によりサンプリング水の可視画像及び４００ｎｍ前後の波長の光を照射して植物プランクトンが発色した蛍光画像を得て、その計測手段からの情報と他の知識ベースとに基づき、診断手段が汚染に関する情報を提供し、該信号に基づき作動する水圏の浄化に必要な浄化手段を作動させるシステムであり、可視画像と蛍光画像を同時に処理することにより、植物プランクトンの種類とその出現量を把握でき、またゴミ状物質や動物プランクトンも精度良く監視できるとされている（特許文献２参照）。

また、第３の従来技術は、河川の水等に含まれる藻類の濃度を測定するシステムであり、濁度計によってサンプル水の濁度を測定し、励起光照射装置に励起光を生成させ、これを蛍光測定セル内のサンプル水に照射させながら、蛍光受光装置によって、濁度計から出力させる濁度データに基づき、蛍光装置から出力される蛍光強度データを補正させ、サンプル水中に含まれる濁度による影響を取り除かせた後、藻類濃度演算装置によって藻類濃度データに変換させることにより、サンプル水に濁質が混在していても、濁質の影響を受けずにサンプル水中に含まれる藻類の濃度を測定することができるとされている（特許文献３参照）。
特開平６−３２４０３１号公報 特開平５−１７２７２８号公報 特開２００１−８３０９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されるような水生動物を利用する技術においては、動物の行動パターンを正確に把握すること、また行動パターンと毒物との関係性を見出すことが困難であり、更に魚類自体の飼育管理にかかる負担も大きいため、毒物検知の精度、管理コスト等の面で改善の余地があった。また、上記特許文献２及び３に開示される技術は、植物プランクトンや藻類の蛍光性を利用して、サンプル水に混入されるこれらの植物プランクトン、藻類、ゴミ状物質の量を計測することができるものであるが、このようなシステムによって、水道水の水質基準等において規定されている毒性物質、例えばシアン化物、重金属、有機溶剤、病原菌等の混入を直接的に検知することはできない。

そこで、本発明は、管理の難しい水生動物を利用することなく、精度の高い毒物検知を可能にすることを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る水質監視システムは、監視の対象となる水圏から採取したサンプル水中に、蛍光性を有する藻類を混合し、サンプル混合水を作製するサンプル混合水作製手段、前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率の少なくとも一方を測定する蛍光測定手段、前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率の少なくとも一方に基づいて、前記サンプル水への毒性物質の混入の有無を判定し、該判定結果を示す信号を出力する水質判定手段、前記水質判定手段の判定結果を出力する出力手段を具備することを特徴とするものである（請求項１）。

また、上記請求項１記載の構成において、前記水質判定手段は、前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率のどちらか一方又は両方が、それぞれ設定された基準値よりも低い場合に、毒性物質が混入していると判定するものであることが好ましい（請求項２）。

また、上記請求項１又は２記載の構成において、水質判定の規範となるイオン交換水、蒸留水、標準海水等の基準水中に、前記藻類を混合し、基準混合水を作製する基準混合水作製手段を具備し、前記蛍光測定手段は、前記サンプル混合水及び前記基準混合水の両蛍光強度を測定し、前記水質判定手段は、前記基準混合水の蛍光強度と前記サンプル混合水の蛍光強度との差が所定値以上となった場合に、毒性物質が混入していると判定するものであってもよい（請求項３）。上記請求項２に記載した基準値は、上記請求項３のように基準混合水から得られる情報であってもよいし、予め行われた実験等により得られ所定のデータベースに記憶された情報であってもよい。

また、上記請求項１〜３記載のいずれかの構成において、前記水質判定手段は、前記サンプル混合水の蛍光収率が、時間経過に伴い一定以上の変化率をもって上昇している場合に、毒性物質が混入していると判定するものであってもよい（請求項４）。蛍光収率とは、吸収した光エネルギー（量子）のうち蛍光で消費されたエネルギー（量子）の割合であり、クロロフィルの蛍光を誘導するために照射される誘導光の光エネルギーの光化学反応への流失がある時の蛍光強度をＦ、誘導光の光エネルギーの光化学反応への流失がない時の蛍光強度をＦmとする時、（Ｆm−Ｆ）／Ｆmで表される値である。

また、上記請求項１〜４記載のいずれかの構成において、前記藻類は、ミカヅキモであることが好ましい（請求項５）。

また、上記請求項３記載の構成において、前記サンプル水を前記サンプル混合水作製手段に供給するサンプル水供給手段、前記基準水を前記基準混合水作製手段に供給する基準水供給手段、前記藻類を前記サンプル混合水作製手段及び前記基準混合水作製手段に供給する藻類供給手段、所定の条件が成り立つ時、前記サンプル混合水又は前記基準混合水を新規なものと入れ替えるように、前記サンプル水供給手段、前記基準水供給手段、前記藻類供給手段、前記サンプル混合水作製手段、前記基準混合水作製手段を制御する混合水入替手段を具備することが好ましい（請求項６）。

上記本発明によれば、上水、工場廃水、海水等の水圏から採取したサンプル水に蛍光性を有する藻類を混合して得られるサンプル混合水の蛍光強度や蛍光収率に基づいて、この水圏に毒性物質が存在するか否かが監視される。本発明者らは、シアン化物等の毒性物質が、クロロフィルによる蛍光性を有するミカヅキモ等の藻類の蛍光強度や蛍光収率に影響を与えることを発見し、一般的に毒性物質の濃度が高いほど蛍光強度及び蛍光収率が減少することを見出した。本発明は、ミカヅキモを代表とする藻類のこうした性質を利用したものであり、サンプル混合水の蛍光強度や蛍光収率をコンピュータ等を利用して監視すると共に、前記混合水の入替を自動的に行うようにすることにより、人的負担をかけることなく、連続的且つ正確な水質監視が可能となるものである。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１において、本発明に係る水質監視システム１の構成をブロック図として表している。該水質監視システム１は、サンプル水供給手段２、基準水供給手段３、藻類供給手段４、サンプル混合水作製手段５、基準混合水作製手段６、蛍光測定手段７、水質判定手段８、出力手段９、混合水入替手段１０を具備して構成されている。

サンプル水供給手段２は、監視の対象となる水圏から採取したサンプル水を後述するサンプル混合水作製手段５に供給するものであり、水槽、配管、ポンプ、弁等の装置から構成される。基準水供給手段３は、イオン交換水、蒸留水、標準海水等の基準水を後述する基準混合水作製手段６に供給するものであり、公知のイオン交換水や蒸留水を精製する装置、配管、ポンプ弁等の装置から構成される。藻類供給手段４は、ミカヅキモ等のクロロフィルによる蛍光性を有する藻類をサンプル混合水供給手段５及び基準混合水作製手段６に供給するものであり、藻類を保管・管理する装置、この保管・管理されている藻類を採取し所定の場所に注入する装置等により構成される。

前記サンプル混合水作製手段５は、前記サンプル水供給手段２から供給されるサンプル水と、前記藻類供給手段４から供給される藻類とを混合し、サンプル混合水を作製するものであり、計測用の容器やセル、撹拌機等の装置から構成される。前記基準混合水作製手段６は、前記基準水供給手段３から供給される基準水と、前記藻類供給手段４から供給される藻類とを混合し、基準混合水を作製するものであり、計測用の容器やセル、撹拌機等の装置から構成される。

蛍光測定手段７は、前記サンプル混合水作製手段５により作製されたサンプル混合水、及び前記基準混合水作製手段６により作製された基準混合水の蛍光強度及び蛍光収率を測定可能なものであり、公知の蛍光計測装置、特にＰＡＭ(Pulse Amplitude Modulation)法により計測する装置等により構成される。尚、ＰＡＭ法とは、蛍光を誘導するためにパルス変調された光を対象物に照射し、この対象物から発せられるパルス変調された蛍光を感知・測定する方法である。

水質判定手段８は、前記蛍光測定手段７により測定されたサンプル混合水及び基準混合水の蛍光強度及び蛍光収率に基づいて、サンプル水への毒性物質の混入の有無を判定し、該判定に基づいて所定の信号を出力するものであり、情報処理装置、該情報処理装置に所定の計算処理をさせるプログラム、藻類の蛍光強度・収率と毒性物質との関係等のデータが蓄製されたデータベース等により構成される。出力手段９は、前記水質判定手段８から出力される信号に基づいて、警報等の所定の表現をするものであり、ディスプレイ、警報機等の装置から構成される。

混合水入替手段１０は、所定の条件が成り立つ時に、前記サンプル混合水作製手段５内に作製されているサンプル混合水、及び前記基準混合水作製手段６内に作製されている基準混合水を新規なものと入れ替えるように、前記サンプル水供給手段２、前記基準水供給手段３、藻類供給手段４、サンプル混合水作製手段５、基準混合水作製手段６の電子装置に対して制御信号を出力するものであり、コントロールユニット、情報処理装置、プログラム、データベース等により構成される。

図２において、上記水質監視システム１の構成例を示す。この水質監視システム１は、監視する水圏からサンプル水を採取するための汲上げポンプ２０、基準水としてのイオン交換水又は蒸留水を精製する純水精製装置２１、ミカヅキモを培養し保管する培養・保管装置２２、培養・保管装置２２内のミカヅキモを抽出する抽出装置２３、サンプル混合水Ｌを収容するサンプル用容器２４、基準混合液Ｌ0を収容する基準用容器２５、サンプル用容器２４内の液体を撹拌する撹拌装置２６、基準用容器２５内の液体を撹拌装置２７、前記両容器２４，２５内の混合液Ｌ，Ｌ0を排水すると共に該容器２４，２５内を洗浄する排水・洗浄装置２８、前記容器２４，２５内の混合水Ｌ，Ｌ0の各蛍光強度及び蛍光収率を測定する蛍光計測装置２９、前記蛍光計測装置２９からの出力信号に基づいて計算処理を行う情報処理装置３０、前記情報処理装置３０からの出力信号に基づいて所定の画像を表示させるディスプレイ３１、又は該出力信号に基づいて警報音等を発する警報機３２、前記サンプル水汲上げポンプ２０、純水精製装置２１、抽出装置２３、排水・洗浄装置２６へ制御信号を出力するコントロールユニット３３を具備して構成される。

図３において、上記構成の水質監視システム１において行われる処理例を示す。先ず、サンプル水汲み上げポンプ２０により汲み上げられたサンプル水がサンプル用容器２４に供給（ステップ１００）されると共に、純水精製装置２１により精製されたイオン交換水又は蒸留水が基準用容器２５に供給（ステップ１０１）される。次いで、前記培養・保管装置２２中のミカヅキモが前記抽出装置２３により抽出され、該ミカヅキモは前記サンプル用容器２４に供給（ステップ１０２）されると共に前記基準用容器２５に供給（ステップ１０３）される。これにより、前記サンプル混合水Ｌ及び基準混合水Ｌ0が作製される。次いで、前記蛍光計測装置２７により前記サンプル混合水Ｌの蛍光強度Ｆ及び蛍光収率Ｙが測定（ステップ１０４）されると共に、前記基準混合水Ｌ0の蛍光強度Ｆ0及び蛍光収率Ｙ0が測定（ステップ１０５）される。

前記蛍光強度Ｆ，ＦOの測定結果は、図４に示すようなグラフとして得られる。図4中、実線Ａが前記サンプル混合水Ｌの蛍光強度Ｆであり、破線Ｂが前記基準混合水Ｌ0の蛍光強度Ｆ0である。サンプル水中に何らかの毒性物質が混入している場合、ミカヅキモの蛍光性が阻害され、純水中のものよりもその蛍光強度が弱まる傾向がある。

また、図５（ａ），（ｂ）において、ＫＣＮ溶液中のミカヅキモの蛍光収率の経時的変化が示されており、図５（ａ）はＫＣＮ溶液の濃度が１０ｍｇ／Ｌ、図５（ｂ）は濃度が１００ｍｇ／Ｌの場合である。尚、蛍光収率Ｙとは、吸収した光エネルギー（量子）のうち蛍光で消費されたエネルギー（量子）の割合であり、ミカヅキモ中のクロロフィルの蛍光を誘導するために照射される誘導光の光エネルギーの光化学反応への流失がある時（通常時）の蛍光強度をＦ、誘導光の光エネルギーの光化学反応への流失が生じないようにした時の蛍光強度をＦmとする時、Ｙ＝（Ｆm−Ｆ）／Ｆmで表される値である。前記Ｆは、ＰＡＭ法を用いた蛍光計測装置（Walt社製品等）においては、通常時のパルス変調された照射光により得られるものであり、前記Ｆmは、フラッシュ等の手段によりクロロフィルの光化学反応を行えない状態することにより得ることができる値である。図５（ａ），（ｂ）のグラフ中、破線Ｃ及びＥは、純水中のミカヅキモの蛍光収率であり、実線Ｄ及びＦは、ＫＣＮ溶液中のミカヅキモの蛍光収率である。これら２つのグラフから、ミカヅキモの蛍光収率は、毒性物質であるＫＣＮの存在下において、純水中の蛍光収率よりも全体として低い値を示すこと、及び時間経過に伴い所定の変化率（ｄＹ／ｄｔ）をもって上昇することがわかる。

そして、前記蛍光強度Ｆ，Ｆ0及び蛍光収率Ｙ，Ｙ0の測定結果は、電子信号に変換され前記情報処理装置２８に出力される（ステップ１０６）。次いで、前記情報処理装置２８により、Ｆ0−Ｆ≧Ｋ1、又はＹ≦Ｋ2、又は（ｄＹ／ｄｔ）≧Ｋ3であるか否かが判定される（ステップ１０７）。尚、前記Ｋ1，Ｋ2，Ｋ3は、設計者により任意に設定される値である。この判定により、Ｆ0−Ｆ≧Ｋ1、又はＹ≦Ｋ2、又は（ｄＹ／ｄｔ）≧Ｋ3であると判定された場合には、警報信号が前記ディスプレイ２９や警報機３０に出力され、所定の警告画像や警報音が発せられる（ステップ１０８）。これにより、ミカヅキモの蛍光性に上記のような変化がみられた場合、即ちサンプル水中に毒性物質が混入していると認められる場合には、自動的に警告が発せられる。

前記ステップ１０８実行後、若しくは前記ステップ１０７においてＦ0−Ｆ≧Ｋ1、Ｙ≦Ｋ2、（ｄＹ／ｄｔ）≧Ｋ3のいずれでもないと判定された場合には、前記コントロールユニット３１により前記混合水Ｌ，Ｌ0の入替時期であるか否かが判定され（ステップ１０９）、入替時期ではないと判定された場合には、前記ステップ１０４及びステップ１０５に戻り、再び蛍光強度Ｆ，Ｆ0が測定され、入替時期であると判定された場合には、前記サンプル用容器２４からサンプル混合水Ｌを排水（ステップ１１０）すると共に、必要に応じて前記基準用容器２５から基準混合水Ｌ0を排水（ステップ１１１）し、前記サンプル用容器２４に基準水（イオン交換水等）及び洗剤が注入され洗浄（ステップ１１２）されると共に、前記基準用容器に基準水及び洗剤が注入され洗浄（ステップ１１３）される。そして、前記ステップ１００及び１０１から再度処理が実行される。これにより、前記混合水Ｌ，Ｌ0の入替が自動的に行われる。

また、本発明は、魚類等の水生動物を利用することがないので、従来飼育管理にかかっていた手間とコストを削減することができる。

以上のように、本発明によれば、人的・コスト的負担をかけることなく、連続的且つ正確な水質監視が可能なシステムを提供することができる。

本発明の構成を示すブロック図である。 本発明の具体的構成例を示す図である。 本実施例において実行される処理例を示すフローチャートである。 本実施例において得られるサンプル混合水及び基準混合水の蛍光強度の経時的変化を示すグラフである。 ＫＣＮ溶液中のミカヅキモの蛍光収率の経時的変化を示すグラフであり、図５（ａ）はＫＣＮ溶液の濃度が１０ｍｇ／Ｌの場合を示し、図５（ｂ）はＫＣＮ溶液の濃度が１００ｍｇ／Ｌの場合を示す。

符号の説明

１ 水質監視システム
２ サンプル水供給手段
３ 基準水供給手段
４ 藻類供給手段
５ サンプル混合水作製手段
６ 基準混合水作製手段
７ 蛍光測定手段
８ 水質判定手段
９ 出力手段
１０ 混合水入替手段
２４ サンプル用容器
２５ 基準用容器
２６，２７ 撹拌装置
２９ 蛍光計測装置
３０ 情報処理装置
３１ ディスプレイ
３２ 警報機

Claims (6)

1. 監視の対象となる水圏から採取したサンプル水中に、蛍光性を有する藻類を混合し、サンプル混合水を作製するサンプル混合水作製手段、
   前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率の少なくとも一方を測定する蛍光測定手段、
   前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率の少なくとも一方に基づいて、前記サンプル水への毒性物質の混入の有無を判定し、該判定結果を示す信号を出力する水質判定手段、
   前記水質判定手段の判定結果を出力する出力手段、
   を具備することを特徴とする水質監視システム。
2. 前記水質判定手段は、前記サンプル混合水の蛍光強度、蛍光収率のどちらか一方又は両方が、それぞれ設定された基準値よりも低い場合に、毒性物質が混入していると判定することを特徴とする請求項１記載の水質監視システム。
3. 水質判定の規範となるイオン交換水、蒸留水、標準海水等の基準水中に、前記藻類を混合し、基準混合水を作製する基準混合水作製手段、
   を具備し、
   前記蛍光測定手段は、前記サンプル混合水及び前記基準混合水の両蛍光強度を測定し、
   前記水質判定手段は、前記基準混合水の蛍光強度と前記サンプル混合水の蛍光強度との差が所定値以上となった場合に、毒性物質が混入していると判定することを特徴とする請求項１又は２記載の水質監視システム。
4. 前記水質判定手段は、前記サンプル混合水の蛍光収率が、時間経過に伴い一定以上の変化率をもって上昇している場合に、毒性物質が混入していると判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の水質監視システム。
5. 前記藻類は、ミカヅキモであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の水質監視システム。
6. 前記サンプル水を前記サンプル混合水作製手段に供給するサンプル水供給手段、
   前記基準水を前記基準混合水作製手段に供給する基準水供給手段、
   前記藻類を前記サンプル混合水作製手段及び前記基準混合水作製手段に供給する藻類供給手段、
   所定の条件が成り立つ時、前記サンプル混合水又は前記基準混合水を新規なものと入れ替えるように、前記サンプル水供給手段、前記基準水供給手段、前記藻類供給手段、前記サンプル混合水作製手段、前記基準混合水作製手段を制御する混合水入替手段を具備することを特徴とする請求項３記載の水質監視システム。
   

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