JP2005521431A - 電気化学的活性微生物を利用して，試料内毒性物質の存在を確認する方法及び装置 - Google Patents
電気化学的活性微生物を利用して，試料内毒性物質の存在を確認する方法及び装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】開示された発明は，電気化学的活性微生物を利用して試料内毒性物質の存在を確認する方法に関する。
【解決手段】微生物燃料電池から発生する電気化学的信号を測定する段階；
試料を前記微生物燃料電池に注入する段階；及び
前記微生物燃料電池から発生する電気化学的信号の変化程度を測定する段階からなることを特徴とする，試料内毒性物質の存在を確認する方法を提供する。
本発明によれば，毒性物質が測定試料に流入されると，微生物燃料電池の電気化学的活性菌の電気発生量が急激に下がり，毒性物質を探知する感度が極めて増大し，微生物燃料電池を使用することによりセンサー部の維持，管理，補修に必要な労力及び費用を最小化することができる。
【解決手段】微生物燃料電池から発生する電気化学的信号を測定する段階；
試料を前記微生物燃料電池に注入する段階；及び
前記微生物燃料電池から発生する電気化学的信号の変化程度を測定する段階からなることを特徴とする，試料内毒性物質の存在を確認する方法を提供する。
本発明によれば，毒性物質が測定試料に流入されると，微生物燃料電池の電気化学的活性菌の電気発生量が急激に下がり，毒性物質を探知する感度が極めて増大し，微生物燃料電池を使用することによりセンサー部の維持，管理，補修に必要な労力及び費用を最小化することができる。
Description
本発明は，生物学的方法による物質の測定方法及び該方法を実施するための装置，さらに詳しくは，微生物燃料電池を利用した毒性物質の自動測定のための方法及び該方法を実施するための自動早期警報装置に関する。
従来，毒性物質の水系流入を早期に測定して警告を発する装置は，多くの研究者により開発されて来ており，水質毒性を測定する従来の装置には，化学的水質毒性物質の探知装置と生物学的水質毒性物質の探知装置がある。化学的水質毒性の探知装置は，水系で発生する多くの物質により測定に制限を受け，幾つかの物質にのみ定量的に測定が可能である。また，高価な機器資材と熟練した技術を習得したエンジニアのみが測定できるという短所がある。このような短所を補完するために，様々な生物学的水質毒性物質の探知装置が開発されて来た。
従来の代表的な生物学的水質毒性物質の探知装置としては，魚を利用した水質監視方法と，ミジンコを利用した水質監視方法，そして発光微生物を利用した水質監視方法等がある。このうち，魚を利用した水質監視装置は，魚が水の流れをさかのぼる性質，即ち逆流性を利用して測定する装置である。魚が抜け出ないように魚の離脱防止網を設置した後，有害毒性物質が水の流入口を通して流入されると魚が被害を被り遊泳性が下がる。このように，遊泳性の低下した魚は流速を乗り越えることができず下流へ流されるが，魚の有する本能により再び前へ進もうと尾ひれを激しく動かす。この時，この尾ひれが感知センサーに触れ，これが電気的信号値として表されて記録される。
このような電気信号値は水質測定機で測定され，連設された制御装置により警報(alarm)及び流速制御に活用される。このような情報は，モニター及びキーボードを通して入出力される。ここで使用される魚は，鯉科ウグイ属の魚であるゴールドーフ（Goldorph）が主に使用される。
しかし，魚を利用した毒性物質探知・警報装置の短所は，毒性を探知する個体の大きさが大きいため，フェノールの場合には10ppm流入されると，毒性の測定に8時間も必要とされる。このように，魚を利用した生物毒性探知・警報装置の場合，感度が劣り測定時間及び誤差範囲が大きい。また，魚の選択及び育成条件が探知・警報装置の一貫性を劣らせるようになる。
ミジンコを利用した毒性物質の探知装置は，ミジンコの活動性を赤外線センサーを通して感知する。ミジンコを利用した毒性物質の探知装置はミジンコの遊泳性に基づいたものであって，ガラスまたはアクリルから作られた試験チャンバーには，試験しようとする水が流入，流出され，その中に20匹のミジンコを配置する。水が流入口を通して流入されると，試験チャンバーにあるミジンコが反応するが，ミジンコは水が毒性物質に汚染していない場合は規則的な動きを示すが，毒性物質が流入されると動きが不規則的に変わり急激になる。動きが急激になるほど赤外線センサーを遮断する回数が多くなるため，電気的信号値は増加する。温度感応装置を通して温度を恒常測定し，電子制御装置を通して赤外線センサーを制御し，出力装置を通してその値を出力し，測定された水は水の流出口を通して排出される。このようなミジンコを利用した早期探知・警報装置の場合，個体の大きさが魚より小さいため，敏感性は魚を利用した装置より優れているものの管理が難しい。
さらに，ミジンコを交換する時，試験水槽と流入水，流出水のための各種チューブ洗浄または交換が必要であり，ミジンコの培養に多くの努力が求められるが，培養液を作って1週間に2〜3回培養液を交替することと，母と子の分離にも注意しなければならない。又，ミジンコは別途の培養室で培養されなければならず，そこには室内空間の消毒や培養に妨害になる器具や設備，装置があってはならず，また，化学分析室の空気が培養室に移ってくることもあってはならないという管理上の問題点がある。
固定化された発光微生物を利用した水質毒性の自動測定機は，毒性に対する発光度を測定するものであるため，様々な光測定装置が含まれて機器が構成される。そのため，費用面から高価になるしかなく，補修及び管理する作業者もまたそれに関する専門家にしかできない。
本発明の発明者等は，前記ような従来の水質毒性の自動測定機器の問題点が，結局センサー部により引き起こされたものであることの知見に基づき，本発明を提案するに至った。
本発明の目的は，前記ような従来の水質毒性の自動測定装置の問題点を解決するためのものであって，毒性物質の迅速・正確な測定と，安価な維持費用及び容易な維持管理を可能とする画期的な毒性物質の測定方法を提供することにある。
前記ような本発明の目的は，電気化学的活性微生物を利用して試料内毒性物質の存在を確認する方法により達成される。
より詳しくは，微生物燃料電池から発生する電気化学的信号を測定する段階；
試料を前記微生物燃料電池に注入する段階；及び
前記微生物燃料電池から発生する電気化学的信号の変化程度を測定する段階からなることを特徴とする試料内毒性物質の存在を確認する方法により，本発明の目的が達成される。前記試料を，前記微生物燃料電池に注入する前に，試料の浮遊物と異物をスクリーニング(screening)する段階をさらに含むことができる。
試料を前記微生物燃料電池に注入する段階；及び
前記微生物燃料電池から発生する電気化学的信号の変化程度を測定する段階からなることを特徴とする試料内毒性物質の存在を確認する方法により，本発明の目的が達成される。前記試料を，前記微生物燃料電池に注入する前に，試料の浮遊物と異物をスクリーニング(screening)する段階をさらに含むことができる。
また，前記毒性物質の存在を確認する手段として，試料を採取するポンプ１，試料を処理する前処理槽２，毒性物質の流入から電流量の変化を感知する微生物燃料電池６，及び信号値を制御して自動測定する演算・制御部１１からなることを特徴とする毒性物質の測定装置により実行される。
さらに，毒性物質の流入信号が捕捉されると試料の流路を変更させるソレノイドバルブ5と，毒性物質の流入信号が捕捉された時点の試料を採取・保管する試料の採取筒4を設けても良い。
以下，図面を参照して説明するが，本発明の毒性物質の自動早期警報装置は，参照される図面の構成に限定されるものではなく，特許請求の範囲の記載に基づいて理解されなければならない。
図1は，毒性物質の自動測定装置の概略図であって，毒性物質の自動測定装置は試料を採取するポンプ1，試料を処理する（１次）前処理槽2，毒性物質の流入から電流量の変化を感知する微生物燃料電池6，及び信号値を制御して自動測定する演算・制御部11に大別される。また，前記測定装置に毒性物質の流入信号が捕捉されると，試料の流路を変更させるソレノイドバルブ5と，毒性物質の流入信号が捕捉された時点の試料を採取・保管する資料の採取筒4を設けることができる。
かように構成された微生物燃料電池を利用した毒性物質の測定装置の作用原理は，次の通りである。試料は1次及び2次前処理槽2,3を経て燃料電池の陰極部に入る。燃料電池の陰極部は炭素不織布（Carbon Felt)と白金(Pt)線から構成され，その内部は一般的に有機物質を原料として電気化学的エネルギーを生成する微生物触媒が充填される。陽極部は一般的な水が充填され流れるようになっている。即ち，有機物が含まれている試料が陰極部に入り，陽極部は空気で飽和された水が入る。
そして，燃料電池の陰極部で有機物が微生物により分解されて電流が発生され，その電流は白金(Pt)線に乗って電流測定機で測定される。このように発生する電流の流れは，一般的な状況では格別の変化の幅を示さないが，試料の陰極部に毒性物質が入ると，陰極部の電気化学的活性微生物の代謝率が下がり，電流値が急激に下がる。このように急激に下がるのは，電流値を演算・制御部が制御することにより，毒性物質の警報を視覚的，聴覚的に得ることができるようにするためである。
以下，実施例に従って本発明をさらに具体的に説明する。
<実施例1>
本実施例は陰極部には活性スラッジを入れ，活性スラッジ内の電気化学活性菌が電極に付着して濃化培養されるように環境を造成し，陽極部には空気で飽和された水を入れることにより，一定な電位差を維持させ生物電気化学反応が円滑に起こるようにした微生物燃料電池に，グルコースとグルタミン酸(CODcr 200ppm，これは重クロム酸カリウムによる化学的酸素要求量を意味する。)を燃料として使用し，発生する電流量を電圧電流測定機（2000マルチメータ；2000 multimeter, Keithley instrument. Inc, USA)を使用して60秒間隔で測定し，使用した燃料にCr6+標準溶液を0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppmの濃度で順次投入した。
本実施例は陰極部には活性スラッジを入れ，活性スラッジ内の電気化学活性菌が電極に付着して濃化培養されるように環境を造成し，陽極部には空気で飽和された水を入れることにより，一定な電位差を維持させ生物電気化学反応が円滑に起こるようにした微生物燃料電池に，グルコースとグルタミン酸(CODcr 200ppm，これは重クロム酸カリウムによる化学的酸素要求量を意味する。)を燃料として使用し，発生する電流量を電圧電流測定機（2000マルチメータ；2000 multimeter, Keithley instrument. Inc, USA)を使用して60秒間隔で測定し，使用した燃料にCr6+標準溶液を0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppmの濃度で順次投入した。
その結果，ほとんど一定に発生していた電流量がCr6+0.04ppmで急激に下がることを確認した(図2)。
<実施例2>
実施例2は実施例1で使用したものと同様な燃料電池を使用し，燃料もまた実施例1で使用したものと同一なものを使用した。燃料を注入して発生する電流量を前記電圧電流測定機を使用して60秒間隔で測定し，使用した燃料に水銀標準溶液Hg 0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm， 0.04ppm，0.05ppmを順次に注入した。
実施例2は実施例1で使用したものと同様な燃料電池を使用し，燃料もまた実施例1で使用したものと同一なものを使用した。燃料を注入して発生する電流量を前記電圧電流測定機を使用して60秒間隔で測定し，使用した燃料に水銀標準溶液Hg 0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm， 0.04ppm，0.05ppmを順次に注入した。
その結果，実施例1と同様に一定に発生していた電流量がHg 0.03ppmで急激に下がることを確認した(図3)。
<実施例3>
実施例3は実施例1で使用したものと同様な燃料電池を使用し，燃料もまた実施例1で使用したものと同一なものを使用した。燃料を注入して発生する電流量を前記電圧電流測定機を使用して60秒間隔で測定し，使用した燃料に鉛標準溶液Pb 0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppmを順次に注入した。
実施例3は実施例1で使用したものと同様な燃料電池を使用し，燃料もまた実施例1で使用したものと同一なものを使用した。燃料を注入して発生する電流量を前記電圧電流測定機を使用して60秒間隔で測定し，使用した燃料に鉛標準溶液Pb 0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppmを順次に注入した。
その結果，実施例1と同様に一定に発生していた電流量がPb 0.04ppmで急激に下がることを確認した(図4)。
<実施例4>
実施例4は実施例1で使用したものと同様な燃料電池を使用し，燃料もまた実施例1で使用したものと同一なものを使用した。燃料を注入して発生する電流量を前記電圧電流測定機を使用して60秒間隔で測定し，使用した燃料にフェノール標準溶液0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppmを順次に注入した。
実施例4は実施例1で使用したものと同様な燃料電池を使用し，燃料もまた実施例1で使用したものと同一なものを使用した。燃料を注入して発生する電流量を前記電圧電流測定機を使用して60秒間隔で測定し，使用した燃料にフェノール標準溶液0.01ppm，0.02ppm，0.03ppm，0.04ppm，0.05ppmを順次に注入した。
その結果，実施例1と同様に一定に発生していた電流量がフェノール 0.03ppmで急激に下がることを確認した(図5)。
このように本発明によると，毒性物質が測定試料に流入されると，微生物燃料電池の電気化学的活性菌の電気発生量が急激に下がり，毒性物質を探知する感度が極めて増大し，微生物燃料電池を使用してセンサー部の維持，管理，補修に必要な労力及び費用を最小化することができる。
又，毒性物質探知の正確度及び精密度もまた既存の探知・警報装置に比べて飛躍的に発展される。これと共に，探知装置に毒性物質の流入信号が感知されたとき，その時点の毒性物質が含有された試料を密閉容器に保管し，後にその試料を定量，定性的に分析することにより，毒性物質の流入原因を類推し，事後に発生する被害を予測することができる資料を提供する。
本発明は，毒性物質の流入を初期に探知して被害を最小化することができ，このような優秀な毒性物質の探知装置の開発により，各種機器の国産化，輸入代替及び輸出増大効果を期待できる。
又，本発明によると，微生物燃料電池を使用した毒性物質の測定装置は，下水処理場及び排水処理場の生物学的毒性度を規制することができ，飲用水の取水源における汚染物質を迅速に判断することにも利用し，上水源の保護区域に設置して民間企業及び公共団体などの不法放流を事前に防止するに効果的であり得る。
2 （試料の）1次前処理槽
3 （試料の）2次前処理槽
5 ソレノイドバルブ
6 微生物燃料電池
8 入水容器(Tap water chamber)
10 電圧計
11 演算，制御装置
3 （試料の）2次前処理槽
5 ソレノイドバルブ
6 微生物燃料電池
8 入水容器(Tap water chamber)
10 電圧計
11 演算，制御装置
Claims (5)
- 電気化学的活性微生物を利用して，試料内毒性物質の存在を確認する方法。
- 微生物燃料電池から発生する電気化学的信号を測定する段階；
試料を前記微生物燃料電池に注入する段階；及び
前記微生物燃料電池から発生する電気化学的信号の変化程度を測定する段階からなることを特徴とする試料内毒性物質の存在を確認する方法。 - 前記試料を，前記微生物燃料電池に注入する前に，試料の浮遊物と異物をスクリーニング(screening)する段階をさらに含むことを特徴とする請求項2記載の試料内毒性物質の存在を確認する方法。
- 試料を採取するポンプ，試料を処理する前処理槽，毒性物質の流入から電流量の変化を感知する微生物燃料電池，及び信号値を制御して自動測定する演算・制御部からなることを特徴とする毒性物質の測定装置。
- 毒性物質の流入信号が捕捉されると試料の流路を変更させるソレノイドバルブと，毒性物質の流入信号が捕捉された時点の試料を採取・保管する試料の採取筒を設けたことを特徴とする請求項4記載の毒性物質の測定装置。
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