JP3077461B2 - 水中の有害物質のモニタ方法 - Google Patents

水中の有害物質のモニタ方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、下水や排水処理プロセ
スの流入水、河川水などの環境水および浄水場に流入す
る導水の安全性を確認するために、微生物センサを用い
て水中の有害物質を検知する有害物質のモニタ方法に関
する
【０００２】
【従来の技術】フェノール，シアン，砒素，重金属など
の有害物質が、不測の事故により工場の排水などに混入
し、下水処理場に流入した場合、下水処理プロセスにお
いて中心的な役割を果たす活性汚泥微生物（以下単に活
性汚泥と記す）が大きな阻害を受ける。
【０００３】有害物質の濃度が高い場合には活性汚泥は
死滅し、排水の処理が全く行なわれなくなり、また死滅
する程有害物質の濃度が高くない場合でも、活性汚泥の
活性度が低下し、排水処理能力の回復までに多大の時間
を必要とする。有害物質の混入した下水の流入をあらか
じめ検知することができれば、活性汚泥処理を行なう前
段の最初沈殿槽で中和処理を施すことにより、有害物質
の及ぼす影響を大幅に軽減することができる。このた
め、排水が処理場へ流入した時点、もしくは流入前の時
点で有害物質の存在をチェックすることが可能な装置が
要望されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記水中の有害物質の
測定は、ガスクロマトグラフ法や吸光光度法または原子
吸光法などによって行なわれるが、前処理から分析まで
に時間がかかり、結果を得て対処するまでに時間がかか
り過ぎ、水質異常時の緊急を要する対応が遅れるという
問題がある。
【０００５】また、浄水場では有害物質の混入を監視す
るために、水槽に魚類を複数飼育し、その行動を監視す
る方法を採用しているが、常時監視するのが難しい。ま
た、有害物質の監視はなるべく上流で検地することが望
ましいが、この方法では河川水などの遠方の水源の監視
は困難である。本発明は上述の点に鑑みてなされたもの
であり、その目的は酵素ウレアーゼと微生物亜硝酸生成
細菌とを組み合わせて用いる有害物質のモニタ方法を提
供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明の有害物質のモニタ方法は、 第１の方法は、ウレアーゼを固定化した酵素膜と亜
硝酸生成細菌を固定化した微生物膜で形成するハイブリ
ッド膜を備えた溶存酸素電極およびこの溶存酸素電極に
密着したフローセルからなるバイオセンサを有する液流
路に、所定の燐酸緩衝液を流してセンサ出力を測定し、
次に所定濃度の尿素を含む燐酸緩衝液を流してセンサ出
力を測定した後、これらの相対センサ出力差を１００％
として計測部で演算し記憶させておき、次いで液流路に
検水を流し、そのセンサ出力が相対センサ出力差１００
％相当値より低下した時点で、溶存酸素量の変化に基づ
く有害物質の存在を検出する。
【０００７】 第２の方法は、ウレアーゼを固定化し
た固定化酵素カラム，第１の石英フローセル，亜硝酸生
成細菌を固定化した固定化微生物カラム，第２の石英フ
ローセルをこの順に配置してなる液流路に、所定の燐酸
緩衝液を流して第１の石英フローセルと第２の石英フロ
ーセルにおける紫外吸光度を測定し、その吸光度の差を
計測部で演算し記憶させ、次に所定濃度の尿素を含む燐
酸緩衝液を流して第１の石英フローセルと第２の石英フ
ローセルにおける紫外吸光度を測定し、その吸光度の差
を計測部で演算し記憶させた後、はじめの燐酸緩衝液に
よる吸光度差と尿素を含む燐酸緩衝液による吸光度差と
の相対吸光度差を１００％として計測部で演算し記憶さ
せておき、次いで液流路に検水を流し、その紫外吸光度
が相対吸光度差１００％相当値より低下した時点で、亜
硝酸性窒素濃度の変化に基づく有害物質の存在を検出す
る。
【０００８】
【作用】以上のように、酵素ウレアーゼの基質である尿
素を一定濃度で供給し、ウレアーゼによって尿素から分
解生成したアンモニア性窒素を亜硝酸生成細菌が資化し
て一定の溶存酸素レベルとなるように構成した装置を用
いることにより、水中に有害な重金属が存在する場合に
は、酵素ウレアーゼの反応が阻害され、尿素からアンモ
ニア性窒素の生成が阻害されるため、アンモニア性窒素
が減少するので、亜硝酸生成細菌による酸素消費量が減
少すると同時に亜硝酸性窒素濃度が減少する。また、水
中にシアン，フェノール類や農薬類が混入した場合に
は、酵素反応は阻害されないが、亜硝酸生成細菌のアン
モニア酸化活性がこれらの物質により阻害されるため、
溶存酸素量の消費量が減少すると同時に、亜硝酸性窒素
濃度が減少する。
【０００９】したがって、溶存酸素量の増加または亜硝
酸性窒素濃度の減少を溶存酸素電極や紫外吸光度計で測
定することにより、水中の有害物質の混入の有無を判定
することができる。反応を要約すると次のようになる。 ここに、反応１を阻害する有害物質は、重金属イオン
（Ｈｇ2+，Ｃｕ2+，Ｐｂ2+など）反応２を阻害する有害
物質は、シアン，フェノール類，農薬類
【００１０】
【実施例】本発明を実施例に基づき説明する。図１は本
発明による有害物質のモニタ方法が適用される装置の構
成を示し、各種溶液の流れ方向を矢印で表わした模式図
である。図１において、まずバルブ１とバルブ４を開
け、ポンプ６により流量０．５ｍｌ／ｍｉｎのｐＨ７．
０，０．２Ｍの燐酸緩衝液Ａを流し、ポンプ７により流
量３．５ｍｌ／ｍｉｎの純水を流して、これらを混合し
た流路に、エアポンプ８を用いて空気を約５０ｍｌ／ｍ
ｉｎを注入することにより酸素飽和とした溶液を、３０
±１℃に保たれた恒温槽９内の熱交換器１０で加熱した
後、バイオセンサ１１（後述）を取り付けたフローセル
（後述）内に導入して排出する。一定時間後、例えば２
４時間に１回センサ１１の校正前にバルブ５を開いて、
洗浄水を流し、バルブ１２を開けて洗浄水を排出するこ
とにより、流路を洗浄する。
【００１１】センサ出力を安定させた後、燐酸緩衝液Ａ
のセンサ出力を測定し、これを計測部１３で演算し記憶
させる。次にバルブ１を閉じバルブ２を開け、尿素を８
０ｍｇ／ｌ含む０．２Ｍ燐酸緩衝液Ｂを流し、同様にし
てセンサ出力を測定し、これを計測部１３で演算し記憶
させる。さらに緩衝液Ａと緩衝液Ｂとの出力電流差、即
ち相対センサ出力差を１００％として計測部１３に記憶
させた後、バルブ４を閉じバルブ３を開けて、検水を導
入しモニタリングを開始する。
【００１２】図２は上述のバイオセンサ１１の要部構成
を示す模式断面図であり、図２において、バイオセンサ
１１は、フローセル１４と検水中の溶存酸素量を測定す
るガルバニ式隔膜型溶存酸素電極１５とを組み合わせ、
Ｏリング１６により固定してある。溶存酸素電極１５
は、ウレアーゼを牛血清アルブミンとグルタルアルデヒ
ドで架橋反応させて得た固定化酵素膜１７と、亜硝酸生
成細菌を固定化した固定化微生物膜１８からなるハイブ
リッド膜がフローセル１４内に位置し、固定化微生物膜
１８の一方の面に弗素樹脂のガス透過膜（図示を省略）
を介して、白金カソード１９を接触させ、ガス透過膜を
溶存酸素電極１５の本体にＯリング２０で固定すること
により、バイオセンサ１１を構成している。なお、上記
のハイブリッド膜は、ウレアーゼと亜硝酸生成細菌とを
同一膜内に固定化して形成しても、同様の効果を得るこ
とができる。
【００１３】図３は以上の測定による相対センサ出力差
を表わす線図である。図３の線図から、検水に実験的に
硫酸銅溶液をＣｕ2+濃度で５ｍｇ／ｌを添加すると、ウ
レアーゼの反応が阻害され、尿素からアンモニア性窒素
の生成量が減少し、結果的に亜硝酸生成細菌の呼吸量が
低下して、センサの出力電流が増加し、検水のセンサ出
力は相対センサ出力差１００％相当より低下するので、
この時点で銅イオンの検出が可能であることがわかる。
その後、再びはじめに用いた検水の状態に戻すと、有害
物質が存在しなければ図３における相対センサ出力差は
１００％に復帰する。
【００１４】次に、検水にＫＣＮをＣＮ- として０．１
ｍｇ／ｌとなるように添加すると、亜硝酸生成細菌の呼
吸活性が阻害され、同様に相対センサ出力差が低下する
ので、このことによりシアンを検出することができる。
次に図１に示したのとは異なる構成の装置を用いた場合
の本発明の方法について述べる。図４は図１と同様にそ
の装置の要部を示す模式図であり、図１と共通部分を同
一符号で表わしてある。図４が図１と異なる主な点は、
ウレアーゼをアクリルアミドゲルで固定化した固定化酵
素カラム２１と、亜硝酸生成細菌をアルギン酸ソーダの
ゲルマトリクスで固定化した固定化微生物カラム３１を
用いたことであり、光学的に測定を行なうことにある。
【００１５】図４において、はじめに流路を洗浄し、出
力を安定させるまでの初期操作は、図１に示す装置の場
合に準じて行なえばよいから、バルブ操作については省
略するが、ここでｐＨ７．０，０．２Ｍの燐酸緩衝液Ａ
と、純水との混合液を第１恒温槽９ａに導き、熱交換器
１０で３０±１℃に加温した後、固定化酵素（ウレアー
ゼ）カラム２１を通過して、第１恒温槽９ａ外部の第１
の石英フローセル２２に流す。
【００１６】この装置は光学測定系を有し、光の経路を
点線で表わしてあり、光源２３から出射する紫外線がレ
ンズ２４，フィルタ２５，レンズ２６，ビームスプリッ
タ２７を経て、第１の石英フローセル２２を流れる混合
液を透過し、レンズ２８を通って第１フォトダイオード
２９で受光し、その出力信号を計測部３０に送る、この
とき第１の石英フローセル２２で３５０ｎｍ付近の紫外
吸光度を測定する。
【００１７】第１の石英フローセル２２を流れる混合液
は、引き続き第２恒温槽９ｂ内の同じく３０±１℃に保
たれた固定化微生物（亜硝酸生成細菌）カラム３１を通
過した後、第２の石英フローセル３２を流れるが、ここ
で上述の光学測定系のビームスプリッタ２７により分岐
する光が、第２の石英フローセル３２を照射し、その透
過光をレンズ３３を通して第２フォトダイオード３４で
受け、第１の石英フローセル２２の場合と同様にして３
５０ｎｍ付近の紫外吸光度が測定される。そして、得ら
れた二つの紫外吸光度の差を計測部３０で演算し記憶さ
せる。
【００１８】次に、尿素を８０ｍｇ／ｌ含む０．２Ｍ燐
酸緩衝液Ｂを流す。固定化酵素カラム２１で尿素はアン
モニア性窒素に分解され、さらにアンモニア性窒素は固
定化微生物カラム３１で亜硝酸性窒素に変換される。亜
硝酸性窒素は３５０ｎｍ付近に吸収があるので、第１の
石英フローセル２２と第２の石英フローセル３２との間
で吸光度に差を生ずる。この差を計測部３０で演算記憶
させ、さきに求めた燐酸緩衝液Ａの吸光度差と、この燐
酸緩衝液Ｂの吸光度差との差を、相対吸光度差１００％
として計測部３０に記憶させる。次いで検水を導入しモ
ニタリングを開始する。
【００１９】図５は以上の測定による相対吸光度差を表
わす線図である。図３の線図から、検水に実験的に硫酸
銅溶液をＣｕ2+濃度で５ｍｇ／ｌを添加すると、ウレア
ーゼの反応が阻害され、尿素からアンモニア性窒素の生
成量が減少し、亜硝酸生成細菌による亜硝酸性窒素への
転換量が減少して、検水の両フローセル間の紫外吸光度
差は、相対センサ出力差１００％相当より低下するの
で、この時点で銅イオンの検出が可能であることがわか
る。相対吸光度差も低下し、これによって銅イオンの検
出が可能であることがわかる。そして、再び検水の状態
に戻すと、有害物質が存在しなければ相対吸光度差は１
００％に復帰する。
【００２０】次に、検水にＫＣＮをＣＮ- として０．１
ｍｇ／ｌとなるように添加すると、亜硝酸生成細菌の呼
吸活性が阻害され、同様に検水の吸光度差が低下するの
で、これによってシアンを検出することができる。以上
述べてきたように、本発明の水中の有害物質モニタ方法
は、酵素と微生物の組み合わせにより、一つはバイオセ
ンサを用いてＯ2 の変化から、もう一つは、バイオリア
クターを用いて光学的に、ＮＯ2 - イオンの変化から有
害物質の検出を可能としたものである。
【００２１】
【発明の効果】以上実施例で述べたように、本発明の水
中の有害物質をモニタする方法は、酵素ウレアーゼと微
生物亜硝酸生成細菌とを用いて、水中に混入する可能性
を持つ有害物質のうち、重金属イオンについては、ウレ
アーゼの反応阻害によりシアンやフェノール，農薬類な
どは亜硝酸生成細菌のアンモニア酸化活性の阻害によっ
て検出することができる。また、溶存酸素量や紫外吸光
度を測定しているために、簡便で短時間にほぼ連続的な
モニタリングが可能であるから、河川や浄水場の取水ま
たは下水処理場の流入水に、有害物質が混入するのを効
率よく常時監視することができ、広範囲な適用が期待さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイオセンサを用いた本発明の方法が適用され
る装置全体の模式図
【図２】本発明の方法が適用されるバイオセンサの要部
構成を示す模式断面図
【図３】本発明の方法における２種類の燐酸緩衝液の相
対センサ出力差に対する検水のセンサ出力の変化を表わ
す線図
【図４】固定化酵素カラムと固定化微生物カラムを用い
た本発明の方法が適用される装置全体の模式図
【図５】本発明の方法における２種類の燐酸緩衝液の相
対紫外吸光度差に対する検水の紫外吸光度の変化を表わ
す線図
【符号の説明】
１ バルブ ２ バルブ ３ バルブ ４ バルブ ５ バルブ ６ ポンプ ７ ポンプ ８ エアポンプ ９ 恒温槽 ９ａ 第１恒温槽 ９ｂ 第２恒温槽 １０ 熱交換器１１ バイオセンサ １２ バルブ １３ 計測部 １４ フローセル１５ ガルバニ式隔膜型溶存酸素電極 １６ Ｏリング １７ 固定化酵素膜 １８ 固定化微生物膜 １９ 白金カソード ２０ Ｏリング ２１ 固定化酵素カラム ２２ 第１の石英フローセル ２３ 光源 ２４ レンズ ２５ フィルタ ２６ レンズ ２７ ビームスプリッタ ２８ レンズ ２９ 第１フォトダイオード ３０ 計測部 ３１ 固定化微生物カラム ３２ 第２の石英フローセル ３３ レンズ ３４ 第２フォトダイオード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−10921（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−56700（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/416 G01N 21/33 G01N 27/327 G01N 33/18

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ウレアーゼを固定化した固定化酵素膜と亜
    硝酸生成細菌を固定化した固定化微生物膜で形成するハ
    イブリッド膜を備えた溶存酸素電極およびこの溶存酸素
    電極に密着したフローセルからなるバイオセンサを有す
    る液流路に、所定の燐酸緩衝液を流してセンサ出力を測
    定し、次に所定濃度の尿素を含む燐酸緩衝液を流してセ
    ンサ出力を測定した後、これら２種類の燐酸緩衝液の相
    対センサ出力差を１００％として計測部で演算し記憶さ
    せておき、次いで前記液流路に検水を流し、そのセンサ
    出力が前記相対センサ出力差１００％相当値より低下し
    た時点で、溶存酸素量の変化に基づく有害物質の存在を
    検出することを特徴とする水中の有害物質のモニタ方
    法。
  2. 【請求項２】請求項１記載の方法において、ハイブリッ
    ド膜はウレアーゼと亜硝酸生成細菌とを同一膜内に固定
    化して形成することを特徴とする水中の有害物質のモニ
    タ方法。
  3. 【請求項３】ウレアーゼを固定化した固定化酵素カラ
    ム，第１の石英フローセル，亜硝酸生成細菌を固定化し
    た固定化微生物カラム，第２の石英フローセルをこの順
    に配置してなる液流路に、所定の燐酸緩衝液を流して第
    １の石英フローセルと第２の石英フローセルにおける紫
    外吸光度を測定し、これらの吸光度の差を計測部で演算
    し記憶させ、次に所定濃度の尿素を含む燐酸緩衝液を流
    して第１の石英フローセルと第２の石英フローセルにお
    ける紫外吸光度を測定し、これらの吸光度の差を計測部
    で演算し記憶させた後、はじめの燐酸緩衝液による吸光
    度差と尿素を含む燐酸緩衝液による吸光度差との相対吸
    光度差を１００％として計測部で演算し記憶させてお
    き、次いで前記液流路に検水を流し、その紫外吸光度が
    前記相対吸光度差１００％相当値より低下した時点で、
    亜硝酸性窒素濃度の変化に基づく有害物質の存在を検出
    することを特徴とする水中の有害物質のモニタ方法。
  4. 【請求項４】請求項３記載の方法において、第１の石英
    フローセルおよび第２の石英フローセルにおける紫外吸
    光度の測定は、光学測定系に備えたビームスプリッタを
    用いて３５０ｎｍ付近の紫外線を照射し、透過光をそれ
    ぞれ第１フォトダイオードと第２フォトダイオードで受
    光することにより行なうことを特徴とする水中の有害物
    質のモニタ方法。
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