JP2020018297A - プランクトン駆除方法及びプランクトン駆除装置並びに養殖方法及び養殖システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、養殖魚へのストレスを抑えつつ、養殖網周囲の赤潮プランクトンを駆除可能な、プランクトン駆除方法等を提供することを目的とする。【解決手段】 本発明の第１の観点は、水中のプランクトンを死滅させるプランクトン駆除方法であって、水中の一対の電極間にパルス大電流を発生させるパルス大電流発生ステップを備える、プランクトン駆除方法である。本発明によれば、水中のプランクトンを死滅させることが可能になる。また、数μｓｅｃ程度の短時間に電極間にしか電流が流れないので、電極間以外の場所にいる生物には影響を与えない。【選択図】図１
Description
本発明は、水中のプランクトンを死滅させるプランクトン駆除方法等に関するものである。
海面養殖業において、高密度の赤潮が発生すると、魚のエラにその植物プランクトンが溜まり、プランクトンが出す物質（不飽和脂肪酸、活性酸素等）が魚のエラにダメージを与え、エラ呼吸を行う魚は十分な酸素を取り込めずに死亡する。その被害は、一部の魚ではなく、１０ｍ立方の養殖網内に存在する魚が全滅するほどとなる。赤潮の発生による被害頻度は、気候や場所にもよるが、過去に１年間で１０回という報告例が香川県より出され、その時の被害金額は約２９億円である。
植物プランクトンのうち、魚へ被害を与える主な種類は、カレニア・ミキモトイ、コクロディウム・ポリクリコイデスなどであり、場所にもよるが、カレニア・ミキモトイによる被害件数が多く報告されている。
現状、一度発生した赤潮を取り除く有効な方法はなく、薬品を撒く方法（特許文献１）では、その作用空間の制御が困難であるため、対象プランクトンだけでなく、他の魚や生物も殺してしまう可能性があり、さらにその必要量も多いことから、現場ではほとんど使用されていない。また、ウイルスやバクテリア（細菌）などで特定の種類のプランクトンだけを殺す方法の研究もされているが、実用化されたものはない。
養殖現場において取られている対策法として、餌止め（赤潮により水中酸素が低減している状態で魚が使う酸素の量が増えると、酸欠になるため、魚の活性を下げる目的）や、養殖網を船で牽引して、赤潮発生エリアから逃げる、などがある。
また、本願発明者らは、直径１ｃｍほどの節足動物であるカイヤドリウミグモを駆除する方法として、パルス発生システムを開発した（非特許文献１）。
D.Wang, et al., "Studies of Electrical Killing on Nymphonella tapetis Using Pulsed Power Technology", Proceeding of the XXX International Conference on Phenomena in Ionized Gasses (ICPIG), Belfast, Northern Ireland, UK, D16 on CD-ROM, 2011. 08.28-09.02.
しかしながら、餌止めは養殖魚の生育を妨げる。また、養殖網を船で牽引すると、養殖網の移動によるストレスそのもので魚が死亡する懸念があり、いずれも抜本的な対策ではない。
さらに、本願発明者らが開発したパルス発生システムは、カイヤドリウミグモに有効であったからといって生物的な構造が全く異なる植物プランクトンに有効であるかどうかは未知であり、プランクトンのような数十マイクロメートル以下の微小生物へのパルス電流応用例は皆無であった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、養殖魚へのストレスを抑えつつ、養殖網周囲の赤潮プランクトンを駆除可能な、プランクトン駆除方法等を提供することを目的とする。また、上記プランクトン駆除方法等を用いた魚の養殖方法及び養殖システムを提供することを目的とする。
本発明の第１の観点は、水中のプランクトンを死滅させるプランクトン駆除方法であって、水中の一対の電極間にパルス大電流を発生させるパルス大電流発生ステップを備える、プランクトン駆除方法である。
本発明の第２の観点は、第１の観点のプランクトン駆除方法であって、前記電極が、平行平板電極である、プランクトン駆除方法である。
本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点のプランクトン駆除方法であって、前記パルス大電流発生ステップにおいて、注入エネルギー密度を０．１Ｊ／ｃｍ３・ｐｕｌｓｅから１０Ｊ／ｃｍ３・ｐｕｌｓｅの範囲内に設定する、プランクトン駆除方法である。
本発明の第４の観点は、第２の観点のプランクトン駆除方法であって、前記平行平板電極に、印加電界強度が０．１ｋＶ／ｃｍから２０ｋＶ／ｃｍの範囲内の電界を印加する、プランクトン駆除方法である。
本発明の第５の観点は、第２の観点のプランクトンの駆除方法であって、前記平行平板電極の間に発生させる印加電流密度を１０Ａ／ｃｍ２から４００Ａ／ｃｍ２の範囲内に設定する、プランクトン駆除方法である。
本発明の第６の観点は、水中のプランクトンを死滅させるプランクトン駆除装置であって、水中に設置する平行平板電極と、前記平行平板電極間にパルス大電流を発生させるパルス電源とを備える、プランクトン駆除装置である。
本発明の第７の観点は、魚を養殖する養殖方法であって、第１から第５の観点のいずれかに記載のプランクトン駆除方法を用いた養殖方法である。
本発明の第８の観点は、魚を養殖する養殖システムであって、第６の観点に記載のプランクトン駆除装置を備えた養殖システムである。
本発明の第９の観点は、第８の観点において、前記養殖システムは陸上養殖システムであり、前記プランクトン駆除装置は、養殖用の魚を入れた器へ海水を送るために海から海水を汲み上げる位置に設けられることを特徴とするものである。
本発明の各観点によれば、水中のプランクトンを死滅させることが可能になる。また、数μｓｅｃ程度の短時間に電極間にしか電流が流れないので、電極間以外の場所にいる生物には影響を与えない。
本発明の第２及び第６の観点によれば、放電光、放電音及び水中放電衝撃波が発生しないため、養殖魚にとってストレスを与えない環境を保ちつつ、プランクトンを死滅させることが可能になる。
さらに、本発明の第３の観点によれば、効率よくプランクトンを駆除することが可能になる。赤潮を引き起こすプランクトンを駆除するための適切なエネルギー密度範囲は、本願発明者らが独自に得た知見であり、そもそも赤潮を引き起こすプランクトンの入手が容易でない中で得られたものである。
さらに、本発明の第４及び第５の観点によれば、安全かつ効果的にパルス大電流を発生させることが容易となる。
さらに、本発明の第７及び第８の観点によれば、養殖全般において、赤潮対策等が可能になり、魚の養殖にとって社会的な意義が大きいものとなる。
さらに、本発明の第９の観点によれば、陸上養殖においては、海水中と異なり、海から海水を汲み上げる位置にプランクトン駆除装置を設ければ済むので、設置が容易なことに加え、プランクトン駆除装置を大型化しなくても実用化できるものになり得る。
以下、図面を参照して、本発明のプランクトン駆除装置及びプランクトン駆除方法の実施例について述べる。
図１は、本発明のプランクトン駆除装置１の（ａ）概略図及び（ｂ）回路図である。プランクトン駆除装置１は、平行平板電極３と、パルス電源５とを備える。なお、概略図では、水槽７の中に対象試料８を入れているが、海面養殖現場において使用する場合は、水槽７を設けずに海中に平行平板電極３を設置することを想定している。回路は、直流電源９と、保護抵抗１１と、切替スイッチ１３と、コンデンサ１５と、平行平板電極３とを備える。
パルス発生回路を用いて、水中に設置された平行平板電極３の間にパルス高電圧を印加し、平行平板電極３の間にパルス大電流を発生させると（請求項記載の「パルス大電流発生ステップ」の一例）、平行平板電極３の間の海水に含まれるプランクトンにパルス電流が作用することにより、プランクトンが死滅する。他方、養殖魚等のプランクトン以外の生物については、数μｓｅｃ程度の短時間に僅かな電流しか流れないため影響を与えない。
また、平行平板電極３は、放電を伴わないため、養殖魚にとってストレスとなる放電光、放電音および水中放電に伴い発生する衝撃波を引き起こすことがない。
表１に、ラボスケールでの実験条件及び実験結果を示す。試料には、養殖現場で発生した赤潮プランクトンを用いた。試料中には、多種類のプランクトンが存在していたが、今回はカレニア・ミキモトイ（Karenia mikimotoi）のみを観察対象として、観察及び計数を行った。また、表１中の計数値は、１ｍｌ当たりの生存数／全生物数である。平行平板電極としては、有効直径５０ｍｍφのディスク型平行平板電極を用いた。平行平板電極の間隔は１０ｍｍであり、パルス通電有効容積は１９．６ｃｍ３である。
また、図２に、表１の実験条件でパルス大電流を発生させた後のプランクトンの顕微鏡画像を示す。
表１に記載の実験条件でパルス大電流を発生させると、表１及び図２に示す通り、遊泳している個体が少なくなり、直径５ｃｍ・深さ１０ｍｍの平行平板電極３の間の範囲において、死滅しているプランクトンが多くなることが確認できた。また、直流電源の充電電圧２０ｋＶ、コンデンサ容量０．８μＦ、印加回数５回、総注入エネルギー８００Ｊとした場合に、プランクトンの生存率が０％となり、最も良いプランクトン駆除効果が観測された。また、下記の式１により総注入エネルギー密度Ｅｄを求めたところ、２．０４Ｊ／ｃｍ３・ｐｕｌｓｅから８．１５Ｊ／ｃｍ３・ｐｕｌｓｅの場合に、プランクトン駆除効果を有することが観測された。
Ｅ［Ｊ／ｐｕｌｓｅ］は、１パルスあたりの注入エネルギーであり、Ｖ［ｃｍ３］は、負荷容積であり、Ｃ［Ｆ］は、コンデンサ容量、Ｖｃｈ［Ｖ］は、充電電圧である。
図３は、本発明のプランクトン駆除方法の安全性を確認するために用いた電位差測定システムを示す図である。（ａ）はプランクトン駆除装置の回路図、（ｂ）は平行平板電極の拡大図、（ｃ）はプランクトン駆除装置及び電位差測定システムの斜視図、（ｄ）はプランクトン駆除装置及び電位差測定システムを上から見た図、（ｅ）は測定点の拡大図である。（ｂ）において、接地側の平板電極から水平方向に１５０ｍｍ又は２５０ｍｍ、垂直上方向に２５ｍｍの点を測定点１、高電圧側の平板電極から水平方向に１５０ｍｍ又は２５０ｍｍ、垂直下方向に２５ｍｍの点を測定点２とし、測定点１と測定点２の間隔は５０ｍｍ、各測定点の水深は１００ｍｍとした。また、（ｅ）に示す通り、２本の高電圧用電線１７を、各先端が各測定点に位置するように水中に垂らし、大気中に出ている各他端に高電圧プローブを接続した。そして、プランクトン駆除装置作動時における、測定点１と測定点２の電位を同時に測り、その電位差を計測した。
図４は、各測定点における電位変化を示す図であり、測定点と電極との距離が、（ａ）１５０ｍｍの場合と、（ｂ）２５０ｍｍの場合の２パターンを示している。いずれの測定結果においても、各測定点における描線が重なり合って見えるほど微小な電位差しか生じていない。したがって、測定点１及び２においては電流が流れていないため、海水中にいる生物が接地に触れない限り、感電はしないことが確認できた。パルス電流は、水中放電衝撃波のような物理的な力（爆音や放電光）を伴わないため、養殖魚へのストレスを最小限にプランクトンを駆除できる。
さらに、本実施例では、パルス、すなわち瞬間的にエネルギーを注入するため、電気代のランニングコストが非常に安価である。そのため、実用化されやすく、商品コストの軽減を通じて多くの養殖業者や従業員の利益増大に貢献できる。
なお、平行平板電極は、全体を水中に設置してもよいし、一部のみを水中に浸漬してもよい。
また、ここでいう「駆除」とは、生存率を０％にすることに限らず、生存率を下げることを意味する。
次に、上記の実験室レベルと異なり、赤潮が発生した現場における海水中の赤潮について、汲み上げた海水中に含まれる赤潮を死亡させる現場試験の結果を記載する。
[試験方法]
大分県佐伯市畑野浦地区において、ポンプを用いて汲み上げた海水を処理容器へ溜め、処理容器内へ設置された一対の平行平板電極間へパルス高電圧を印加することで、電極間へパルス大電流を発生させ、海水中に含まれる植物プランクトン（赤潮）を処理した。
試験では、異なる電気パラメータ（パルス電流値、印加回数）を印加することとし、それぞれの処理効果について検討した。なお、パラメータを変える都度、海水サンプルを入れ替えた。パルス電流処理を施す前と後において、海水中の「溶存酸素濃度」、「導電率」および「塩分濃度」を測定した。また、パルス電流印加直後の処理容器において、上層（水面下約5 cm）、中層（水面下約15 cm）、下層（水面下約30 cm）それぞれの部分から約40 mlの海水を採取し、採取した海水中の植物プランクトンを顕微鏡観察し、その生死を判定した。なお、パルス電流処理を施していないサンプルをコントロールとして用い、プランクトン活性の比較対象とした。
大分県佐伯市畑野浦地区において、ポンプを用いて汲み上げた海水を処理容器へ溜め、処理容器内へ設置された一対の平行平板電極間へパルス高電圧を印加することで、電極間へパルス大電流を発生させ、海水中に含まれる植物プランクトン（赤潮）を処理した。
試験では、異なる電気パラメータ（パルス電流値、印加回数）を印加することとし、それぞれの処理効果について検討した。なお、パラメータを変える都度、海水サンプルを入れ替えた。パルス電流処理を施す前と後において、海水中の「溶存酸素濃度」、「導電率」および「塩分濃度」を測定した。また、パルス電流印加直後の処理容器において、上層（水面下約5 cm）、中層（水面下約15 cm）、下層（水面下約30 cm）それぞれの部分から約40 mlの海水を採取し、採取した海水中の植物プランクトンを顕微鏡観察し、その生死を判定した。なお、パルス電流処理を施していないサンプルをコントロールとして用い、プランクトン活性の比較対象とした。
[評価対象プランクトンの決定]
＜8月21日採取分＞
8月21日の午後に採集した海水サンプル中には、約42,000 cells/mlの多量のプランクトンが観察された。しかしながら、その大部分は、形状および大分県から発表されていた赤潮情報より、Prorocentrum dentatumではないかと考えられた。この種は酸欠を引き起こす恐れがあるものの、基本的に魚介類には無害とされている。他に観察された種として、同じく無害とされているProrocentrum sigmoidesが50〜60 cells/ml、有害なプランクトンであるKarenia mikimotoiが70〜80 cells/ml、Alexandrium属やChattonella属と考えられるプランクトンが10 cells/ml以下の数で見られた。
＜8月22日採取分＞
8月22日に採集した海水サンプルでは、約15,000 cells/mlと個体数が減少していたが、ほぼProrocentrum dentatumで占められていた。また、Karenia mikimotoiの数が100〜120 cells/mlと、前日よりも増加していた。
＜8月23日採取分＞
8月23日に採集した海水サンプルにおいては、プランクトンの密度が300 cells/ml未満と全体的に個体数が激減していた。また、この日は肉眼でも赤潮を確認できなかった。
以上を踏まえて、今回の実験においては、8月21日と8月22日に採取した海水サンプルに対してパルス印加を行い、サンプル中の主要な種であるProrocentrum dentatumを観察対象とし、計数を行った。また、それぞれの計数値はすべて、「1 ml当たりの生存細胞数／全細胞数」とした。
＜8月21日採取分＞
8月21日の午後に採集した海水サンプル中には、約42,000 cells/mlの多量のプランクトンが観察された。しかしながら、その大部分は、形状および大分県から発表されていた赤潮情報より、Prorocentrum dentatumではないかと考えられた。この種は酸欠を引き起こす恐れがあるものの、基本的に魚介類には無害とされている。他に観察された種として、同じく無害とされているProrocentrum sigmoidesが50〜60 cells/ml、有害なプランクトンであるKarenia mikimotoiが70〜80 cells/ml、Alexandrium属やChattonella属と考えられるプランクトンが10 cells/ml以下の数で見られた。
＜8月22日採取分＞
8月22日に採集した海水サンプルでは、約15,000 cells/mlと個体数が減少していたが、ほぼProrocentrum dentatumで占められていた。また、Karenia mikimotoiの数が100〜120 cells/mlと、前日よりも増加していた。
＜8月23日採取分＞
8月23日に採集した海水サンプルにおいては、プランクトンの密度が300 cells/ml未満と全体的に個体数が激減していた。また、この日は肉眼でも赤潮を確認できなかった。
以上を踏まえて、今回の実験においては、8月21日と8月22日に採取した海水サンプルに対してパルス印加を行い、サンプル中の主要な種であるProrocentrum dentatumを観察対象とし、計数を行った。また、それぞれの計数値はすべて、「1 ml当たりの生存細胞数／全細胞数」とした。
[パルスパワー印加方法]
＜パルスパワー発生電源＞
コンデンサバンク型パルスパワー発生回路を適用した。コンデンサ容量は40μFに固定とし、コンデンサへの充電電圧を変化させることで負荷（電極）への出力を制御した。
＜処理容器＞
ガラス容器内の上部へステンレス製平行平板電極を固定し、電極へコンデンサバンク型パルスパワー発生回路を接続した。電極間は海水サンプルで満たし、電極間へパルス高電圧を印加することで電極間にある海水へパルス大電流が流れる仕組みとなっている。電極は水面から約20 cmの深さまで挿入した。ガラス容器寸法は縦35 cm×横35 cm×深さ55 cm、平行平板電極寸法は縦25 cm×横34 cm（海水中寸法：縦20 cm×横34 cm）、電極間距離は35 cmとした。
＜パルスパワー発生電源＞
コンデンサバンク型パルスパワー発生回路を適用した。コンデンサ容量は40μFに固定とし、コンデンサへの充電電圧を変化させることで負荷（電極）への出力を制御した。
＜処理容器＞
ガラス容器内の上部へステンレス製平行平板電極を固定し、電極へコンデンサバンク型パルスパワー発生回路を接続した。電極間は海水サンプルで満たし、電極間へパルス高電圧を印加することで電極間にある海水へパルス大電流が流れる仕組みとなっている。電極は水面から約20 cmの深さまで挿入した。ガラス容器寸法は縦35 cm×横35 cm×深さ55 cm、平行平板電極寸法は縦25 cm×横34 cm（海水中寸法：縦20 cm×横34 cm）、電極間距離は35 cmとした。
結果は、以下の表２の通りであった。特に、サンプルNo.5に示される結果からは、１点目「上層において、プランクトンの死亡個体が激増し」、２点目「全体的に生存率は減少したが生存個体の動きは活発なままであり」、３点目「死亡した個体も形状は維持し」、４点目「合計900回のパルスを印加したプランクトンの水槽内平均生存率は44.8 %であり（サンプルNo.5の平均値）、パルス未印加時の生存率より約44 %低い」という結果が得られた。このように、海水中へ設置した平行平板電極間へパルス大電流を印加することにより、電極間に存在するプランクトンを死亡させることが可能であることを確認できた。また、上記３点目にも記載したが、死亡したプランクトンの形状は、パルスパワー印加前後において変化がないことを観察できた意義も大きいものであった。
[まとめ]
これまでの実験室レベルにおける赤潮駆除試験では、汲み上げた海水サンプルを熊本大学まで陸送し、その後にパルスパワー印加していた。パルスパワーによるプランクトン（K. mikimotoi）の死亡が確認できた反面、陸送によるプランクトンの活性低下が懸念された。今回の現場試験では、現場汲み上げ直後の海水サンプルに対するパルスパワー印加が、生物活性度を維持した状態のプランクトン（P. dentatum）を死亡させることが確認できた。このことは、パルスパワーによる赤潮駆除技術の開発にとって意義が高いと言える。
これまでの実験室レベルにおける赤潮駆除試験では、汲み上げた海水サンプルを熊本大学まで陸送し、その後にパルスパワー印加していた。パルスパワーによるプランクトン（K. mikimotoi）の死亡が確認できた反面、陸送によるプランクトンの活性低下が懸念された。今回の現場試験では、現場汲み上げ直後の海水サンプルに対するパルスパワー印加が、生物活性度を維持した状態のプランクトン（P. dentatum）を死亡させることが確認できた。このことは、パルスパワーによる赤潮駆除技術の開発にとって意義が高いと言える。
上記のように実験室レベルから現場レベルでの試験結果でも効果が認められた結果、上記のプランクトン駆除方法及び駆除装置を用いた魚の養殖方法及び養殖システムの実用化が現実化してきたことになる。特に、海中での赤潮対策にも効果があることはもちろんのこと、陸上養殖においては、通常、養殖用の魚を入れた器へ海水を送るために海から海水を汲み上げる位置は１箇所が多く、そこにプランクトン駆除装置を設けられればよいことから、設置も簡便で装置も大型化する必要がなく普及が広まる可能性も十分にある。そのため、現状でも認識している課題を今後も解決し、さらに実用化を視野に入れた開発を進めていく意味があることも付言する。
１ プランクトン駆除装置、３ 平行平板電極、５ パルス電源、７ 水槽、８ 対象試料、９ 直流電源、１１ 保護抵抗、１３ 切替スイッチ、１５ コンデンサ、１７ 高電圧用電線
Claims (9)
- 水中のプランクトンを死滅させるプランクトン駆除方法であって、
水中の一対の電極間にパルス大電流を発生させるパルス大電流発生ステップを備える、プランクトン駆除方法。 - 前記電極が、平行平板電極である、請求項１記載のプランクトン駆除方法。
- 前記パルス大電流発生ステップにおいて、注入エネルギー密度を０．１Ｊ／ｃｍ３・ｐｕｌｓｅから１０Ｊ／ｃｍ３・ｐｕｌｓｅの範囲内に設定する、請求項１又は２記載のプランクトン駆除方法。
- 前記平行平板電極に、印加電界強度が０．１ｋＶ／ｃｍから２０ｋＶ／ｃｍの範囲内の電界を印加する、請求項２記載のプランクトン駆除方法。
- 前記平行平板電極の間に発生させる印加電流密度を１０Ａ／ｃｍ２から４００Ａ／ｃｍ２の範囲内に設定する、請求項２記載のプランクトン駆除方法。
- 水中のプランクトンを死滅させるプランクトン駆除装置であって、
前記水中に設置する平行平板電極と、
前記平行平板電極間にパルス大電流を発生させるパルス電源とを備える、プランクトン駆除装置。 - 魚を養殖する養殖方法であって、請求項１から５のいずれかに記載のプランクトン駆除方法を用いた養殖方法。
- 魚を養殖する養殖システムであって、請求項６記載のプランクトン駆除装置を備えた養殖システム。
- 前記養殖システムは陸上養殖システムであり、
前記プランクトン駆除装置は、養殖用の魚を入れた器へ海水を送るために海から海水を汲み上げる位置に設けられることを特徴とする、請求項８記載の養殖システム。
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