JP4652119B2

JP4652119B2 - 水質連続監視方法

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Publication number: JP4652119B2
Application number: JP2005138762A
Authority: JP
Inventors: 邦明吉富; 善胤田村; 博保赤嶺
Original assignee: Kyushu University NUC
Current assignee: Kyushu University NUC
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: JP2006317229A

Description

本発明は、水棲生物を用いた水質連続監視方法に関するものである。

例えば水道原水として適性がある地表水、地下水、人造水にあっても、様々な原因で突発的に毒性物質、或いは水質基準を超えた上水処理障害物質等により、水質汚染被害を受ける惧れがある。

水道法に定められている毒性物質には、無機物質としてシアン、次亜塩素酸ナトリウム、砒素があり、有機物質として農薬類、白蟻防除剤、ＰＣＢの他、ベンゼン、トリクロロエチレン、キシレン、四塩化炭素等の有機溶剤がある。

これらの毒性物質等による水道水の汚染が発生した場合には、いち早くこれを検出して対処することは公衆衛生上必要である。しかし、これらの原因物質による突発的な汚染を常時監視するために理化学分析に依存することは経済性からも不可能であり、水棲生物を用いた監視方法が提案されている。

この水棲生物を用いた監視方法は、従来、被検水が通水する水槽内に緋メダカ等の水棲生物を飼育しておき、水棲生物の活動による筋電位の変化を一対の電極により捉えて、水質汚染の有無を判定する方法を採ったものがある（特許文献１）。
特開平１１−１２５６２８号公報

従来の水質連続監視方法は、水棲生物の活動電位の変化により水質汚染の有無判定するため、緋メダカ等の水棲生物が平常時と異なる挙動（例えば呼吸困難での鼻あげ、忌避行動、狂奔行動等）を行うようになるまで待たなければならず、毒物の混入から水棲生物の挙動の変化までにしばらくの時間を要する。従って、毒物が混入した場合にも、その混入直後の比較的短間時間でその事実を判定できないという欠点がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、毒物物質等の汚染物質が混入した場合に、その直後で水棲生物の挙動が変化する前にその汚染を容易且つ迅速に判定できる水質連続監視方法を提供することを目的とする。

本発明は、被検水が通水する水槽内で水棲生物を飼育しておき、一対の電極間の電圧出力を所定のサンプリング周期でサンプリングしながら前記被検水の汚染の有無を監視する水質連続監視方法おいて、前記水棲生物の活動電位が変化する前に前記電圧出力が急激に変化したときに前記被検水が汚染の可能性ありとするものである。

前記電極に白金酸化物又は白金酸化物のコーティング材を使用することが望ましい。また前記一対の電極が前記被検水の流れ方向に配置された前記水槽を使用することが望ましい。

本発明では、毒物物質等の汚染物質が混入した場合に、その直後で水棲生物の挙動が変化する前にその汚染を容易且つ迅速に判定できる利点がある。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述する。図面は本発明の一実施例を例示する。水質連続監視用の水槽１は、図２、図３に示すように矩形状の内部が被検水の流入領域２、整流領域３、給餌領域４、分配領域５、第１監視領域６、第２監視領域７、予備飼育領域８、排水領域９とに区画されている。流入領域２、整流領域３、給餌領域４は水槽１の上流側に横方向に配置され、その流入領域２に、水槽１内に被検水が流入する流入管１０が設けられ、この流入管１０から流入した被検水は、流入領域２から整流領域３を経て給餌領域４へと流れる。給餌領域４には給餌器１１が設けられている。

分配領域５は上流側に、排水領域９は下流側に夫々横方向に配置され、その分配領域５と排水領域９との間に、水棲生物、例えば緋メダカを飼育する第１監視領域６、第２監視領域７、予備飼育領域８が横方向に配置されている。そして、給餌領域４からの被検水は、分配領域５で第１監視領域６、第２監視領域７、予備飼育領域８に夫々分配され、その監視領域６，７、予備飼育領域８を通過した後、排水領域９の排水管１１を経て外部に排出されるようになっている。排水管１１は監視領域６，７、予備飼育領域８に夫々対応して設けられている。

監視領域６，７、予備飼育領域８は、隔壁１２により互いに区画されると共に、餌等が通過し緋メダカが通過しない程度の編み目、孔等を有する仕切り板１３，１４により分配領域５、排水領域９と区画されている。監視領域６，７には、例えば１３匹程度の多数（複数）の緋メダカが飼育されている。予備飼育領域８には予備用の緋メダカが飼育されている。

監視領域６，７には、被検水の流れ方向の両端部、即ち上流側（流入口側）と下流側（流出口側）との端部に一対の電極１３ａ，１４ａが配置されている。各電極１３ａ，１４ａには緋メダカの活動電位（筋電位）の観測に適した材料、例えば白金酸化物をコーティングした金属板が使用されており、仕切り板１３，１４を兼用するようになっている。電極１３ａ，１４ａは仕切り板１３，１４と別に設けてもよい。また一対の電極１３ａ，１４ａは平行に配置することが望ましい。更に電極１３ａ，１４ａは白金酸化物製でもよい。

監視領域６，７には、緋メダカが下流側で被検水の流れに沿って逆らう方向に遊泳するように、一対の電極１３ａ，１４ａ間に複数のポール等の突起１５が設けられている。これは、緋メダカの身体が一対の電極１３ａ，１４ａ間の方向になった場合に、その筋電位の計測効率が最もよくなるためである。

なお、監視領域６，７には、被検水の流れ方向と略直交する方向の両側に別の一対の電極を設ける等、一対の電極間を結ぶ方向が異なるように、複数組の電極を異なる方向に配置してもよい。また水槽１は、静電気の影響を防ぐために金属製接地板１６の上に配置されている。監視領域６，７の一方は省略してもよい。

このような構成の水槽１を用いて、その監視領域６，７で所定数の緋メダカを飼育しながら、図１に例示のサンプリング手段２０、フーリエ変換手段２１、周波数成分波形演算手段２２、移動平均波形演算手段２３、第１判定手段２４、第２判定手段２５、第３判定手段２６、第４判定手段２７、警報手段２８等から成る水質連続監視系統により、緋メダカの活動電位の電位変化を捉えて、被検水の水質を連続的に監視する。

次に図１の水質連続監視系統、図４のフローチャート等を参照しながら、被検水の水質連続監視方法について説明する。水槽１の監視領域６，７内に多数の緋メダカを飼育しておけば、緋メダカの活動電位（遊泳、給餌、睡眠、交尾等の活動に伴う、緋メダカの生命維持のための筋電位）の変化により監視領域６，７の両側の電極１３ａ，１４ａ間の電圧出力が変化する。

なお、緋メダカの活動電位は、魚体が電極１３ａ，１４ａ間でその方向に沿い且つその頭、尾びれが各電極１３ａ，１４ａ側に向いているときに最大値を示す。そして、緋メダカの頭、尾びれが逆向きになれば、活動電位の極性が反転する。また緋メダカが電極１３ａ，１４ａと略平行（電極１３ａ，１４ａ間を結ぶ方向と略直角方向）になれば、電極１３ａ，１４ａ間の活動電位が殆どゼロまで低下する。従って、一対又は複数対の電極１３ａ，１４ａ間の活動電位の変化を捉えることにより、水槽１内の緋メダカの状態を把握することができる。

監視に際しては、先ず図５に示すように所定の時間間隔ｔに設定された所定の監視時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・毎に、サンプリング手段２０により、電極１３ａ，１４ａ間の電圧出力（電圧データ）を一定のサンプリング周期Δｔで所定時間ＴにわたってＮ点の電圧データをサンプリングする（図４のステップＳ１）。例えば、この実施例では、例えば各監視時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３・・・毎にサンプリング周波数１００Ｈｚで８１９２点サンプリングし、その各サンプリング時点の電圧データを得る。なお、一対の電極１３ａ，１４ａ間の電圧変化は微弱であるため、適宜増幅する。

次にフーリエ変換手段２１において、サンプリング手段２０のサンプリングによって得た各監視時点の電圧データを高速フーリエ変換して、各サンプリング時の電圧データの周波数成分を抽出する（図４のステップＳ２）。続いて周波数成分波形演算手段２２において、フーリエ変換手段２１により変換された各電圧データの周波数成分に基づいて、その周波数成分の分布状況を振幅値として示す周波数成分波形を演算する（図４のステップＳ３）。

なお、フーリエ変換データは、そのままでは細かな振動が生じるため、周波数成分の振幅値を０．１Ｈｚ幅（所定の周波数幅）で平均化することが望ましい。例えば８１９２点でサンプリングする場合には、具体的にはフーリエ変換データを９点分ずつ足して、その平均を取る。なお、９点分は約０．１Ｈｚの周波数幅である。

サンプリング手段２０により電極１３ａ，１４ａ間の電圧出力をサンプリングする場合、その電圧データは緋メダカの活動電位（筋電位）によるものと、被検水によるものとが重畳されたものとなる。しかし、その後のデータの処理により、次のようにその両者を確実に区別できる。

図６は緋メダカ１３匹の平常時の活動電位の電圧波形を示し、図７はその活動電位の周波数成分波形を示す。図８は水槽１内が水だけの場合の電圧出力の電圧波形を示し、図９はその電圧出力の周波数成分波形を示す。

緋メダカの平常時の活動電位をサンプリング手段２０によりサンプリングした場合、その活動電位は図６に示すように略一定の振幅と周期のパルス列として観測できる。因みに、この活動電位はパルス振幅が１０μＶ、パルス周波数（パルス周期の逆数）が約３〜４Ｈｚの約３．５Ｈｚである。そして、この活動電位をフーリエ変換手段２１で高速フーリエ変換して、周波数成分波形演算手段２２により、その時点の活動電位の周波数成分波形を求めると、図７に示す波形となる。この図７の周波数成分波形では、約３．５Ｈｚの基本周波数成分による高尖頭部Ａと、その整数倍の高調波成分による低尖頭部Ｂとが確認できる。

なお、緋メダカの数が増えるに連れて、活動電位の基本周波数成分、高調波成分の２つの尖頭部Ａ，Ｂが周波数成分波形にはっきりと現れる傾向にある。緋メダカの活動電位は、緋メダカの向き（正電極１３ａ，１４ａに頭が向いているか、尾が向いているか）によって形状が決まる。また活動電位の電圧値は緋メダカが電極１３ａ，１４ａを結ぶ直線に沿ったときに上昇し、直角に向くと低下するが、緋メダカの活動の大小と発生電位（筋電位）は略比例関係にある。

水槽１内が水だけの場合には、電極１３ａ，１４ａ間の電圧出力は図８に示すように振幅が１μＶであり、その周波数成分の周波数成分波形は、図９に示すように振幅が周波数に略逆比例する１／ｆ特性を示している。この１／ｆ特性は自然界に普遍的に存在する「１／ｆゆらぎ」の特性を表している。

図７と図９との周波数成分波形を比較すると、その周波数成分の相違は１Ｈｚ以上の周波数帯に現れるが、１Ｈｚ未満の周波数帯では確認できない。従って、１Ｈｚ以上の周波数帯の周波数成分波形を見れば、その電圧出力が緋メダカの活動電位によるものか、流水によるものかを判定できる。何故なら、流水による電圧出力の周波数成分は、その振幅が周波数に逆比例（１／ｆゆらぎ）する。一方、緋メダカの活動電位の周波数成分は約３〜４Ｈｚに尖頭部Ａ，Ｂがあり、活動が活発か休止中かで周波数が僅かに上下し、周波数成分の振幅も変化するが、明かに流水の１／ｆゆらぎとは区別できる。

次に移動平均波形演算手段２３において、過去の複数回の監視時刻Ｔ１〜Ｔ５における周波数成分波形を平均化した移動平均波形を演算し（図４のステップＳ４）、その移動平均波形を毒性物質混入の有無を判定する基準周波数成分波形とする。即ち、図１０〜図１５は平常時の活動電位の異なる監視時刻Ｔ１〜Ｔ５における周波数成分の周波数成分波形を示すが、緋メダカの活動電位は、この図１０〜図１５に示すように、平常時においても水槽１内の被検水の水温、緋メダカの活動状況等によって若干異なる。しかし、各周波数成分波形において、その基本周波数成分と、その整数倍の高調波成分とが大きく変化することはない。そして、各監視時刻Ｔ１〜Ｔ５毎の活動電位の周波数成分波形を平均化すると、図１５に太線で示す移動平均波形となる。従って、移動平均波形演算手段２３により、過去の所定時間（例えば３０分間、１時間等）内の複数回分の周波数成分波形を平均化して、その移動平均波形を基準周波数成分波形とする。

その後、第１判定手段２４において、周波数成分波形演算手段２２により演算された移動平均波形を基準周波数成分波形として、この基準周波数成分波形と周波数成分波形演算手段２２で演算された現在の監視周波数成分波形との波形を対比して（図４のステップＳ５）、毒性物質の混入の可能性の有無を判定する。また第２判定手段２５において、基準周波数成分波形と現在の監視周波数成分波形との約１Ｈｚ以下の周波数成分の振幅の大小を比較して、毒性物質の混入の可能性の有無を判定する。

即ち、図１６、図１７は毒性物質の混入直後に電圧出力が急激に変化する場合の電圧波形を示す。図１８はその後の緋メダカの活動電位の電圧波形を示し、図１９は基準周波数成分波形Ｃ、水の１／ｆ特性の電圧出力の周波数成分波形Ｃ６の他に、毒性物質の混入後における活動電位の周波数成分の周波数成分波形Ｃ１〜Ｃ５を示す。図１８の活動電位の電圧出力は、緋メダカの平常時とは異なる挙動（例えば呼吸困難での鼻あげ、忌避行動、狂奔行動等）に伴う活動電位であり、緋メダカの大きな動きに対応して大きな振幅となって現れている。毒性物質の混入後に各監視時刻でサンプリングした電圧データの周波数成分の周波数成分波形は、例えば図１９に示すある時点の最大の周波数成分波形Ｃ１を経た後、時間の経過に伴う緋メダカの活動の低下により、周波数成分波形Ｃ２〜Ｃ５のように低下する。

この図１９の周波数成分波形Ｃ１〜Ｃ５からも判るように、毒性物質の混入後の所定の時間帯では、平常時に比較して全周波数成分波形の振幅が大きく増大している。そして、約１Ｈｚ以下の低周波域で周波数成分の振幅が大きく上昇している。また周波数特性は略１／ｆ特性であるが、約３Ｈｚ以上の周波数成分が一様に増大し、基準周波数成分波形Ｃの基本周波数成分、高調波成分の尖頭部Ａ，Ｂが消滅又は埋没している。

そこで、第１判定手段２４では、各監視時点の現在の監視周波数成分波形（例えば周波数成分波形Ｃ１）と基準周波数成分波形Ｃとを対比して（図４のステップＳ５）、監視周波数成分波形Ｃ１に基準周波数成分波形Ｃの基本周波数成分、高調波成分の尖頭部Ａ，Ｂがあるか否か確認し（図４のステップＳ６）、監視周波数成分波形Ｃ１から基本周波数成分、高調波成分の尖頭部Ａ，Ｂが消滅するか、尖頭部Ａ，Ｂが監視周波数成分波形Ｃ１に埋没した場合に毒性物質汚染、又はその可能性があるものとして（図４のステップＳ７）、警報手段２８から予告又は警報を発する。

一方、第２判定手段２５では、各監視時点の現在の監視周波数成分波形Ｃ１と基準周波数成分波形Ｃとの１Ｈｚ以下の低周波数域の振幅の大小を比較して、現在の監視周波数成分波形Ｃ１の振幅が基準周波数成分波形Ｃの振幅よりも或る閾値以上に上昇しているか否かを確認し（図４のステップＳ８）、上昇した場合に毒性物質汚染又はその可能性があるものとして（図４のステップＳ９）、警報手段２８から予告又は警報を発する。

緋メダカが死滅又はこれに近い状態になれば、平常時の活動電位の周波数特性に約３Ｈｚ以上に見られた周波数成分の増大は現れず、全体が略１／ｆ特性を示す。これは、水槽１が被検水だけの場合の周波数成分波形Ｃ６に殆ど一致する。従って、第３判定手段２６で現在の監視周波数成分波形と水の１／ｆ特性の周波数成分波形Ｃ６とを比較して（図４のステップＳ１０）、現在の監視周波数特性が１／ｆ特性の周波数成分波形Ｃ６と一致又は近づけば、水槽１内の緋メダカの死滅と判定して（図４のステップＳ１１）、警報手段２８から警報を発する。

このように各監視時点の各電圧出力をフーリエ変換して周波数成分を抽出し、その監視時点の各周波数成分の分布状況を演算し、その監視時点の分布状況を緋メダカの活動電位による周波数成分の分布状況と比較して被検水の汚染の有無を監視することにより、汚染物質の混入等による汚染を容易且つ迅速に判定できる。また緋メダカの活動電位（筋電位）の電圧出力の振幅の大小を毒性物質汚染の判定基準とする場合には、その電圧波形の変化が複雑である上に、毒性物質汚染以外の要因による誤判定が多発する惧れがあるが、そのような問題を容易に解消できる。

電極１３ａ，１４ａ間の水質が一様であれば、その界面電位の差は小さい。しかし、毒性物質が混入して電極１３ａ，１４ａの一方と接触した場合には、緋メダカの活動電位が変化する前に或る時間だけ、電極１３ａ，１４ａ間の界面電位に大きな差が発生するため、図１６、図１７に示すように電圧出力が急激に変化する。このため第４判定手段２７において、電極１３ａ，１４ａ間の電圧出力が急激に変化するか否かを監視し（図４のステップＳ１２）、電圧出力が所定の閾値を超えて急激に上昇した場合に毒性物質汚染等による水質急変の可能性ありとして（図４のステップＳ１３）、警報手段２８から警報を発する。

即ち、図１６は毒性物質注入直後（８０秒余りの間）の電圧出力の電圧波形であり、図１７は毒性物質注入から１分３０秒後の電圧出力の電圧波形である。図１６の電圧出力の急激な上昇は、緋メダカの活動が大きく変化する前に発生する。そして、しばらくして毒性物質が被検水に溶け込み、均質な溶液が一対の電極１３ａ，１４ａに接触すると、図１７に示すように毒性物質と電極１３ａ，１４ａとの接触による電位は観測されなくなる。従って、これは毒性物質の不均質な溶液と一方の電極１３ａ，１４ａとの接触により発生する、一種の接触電位と考えられる。そこで、第４判定手段２７により電極１３ａ，１４ａ間の電圧出力の急激な変化の有無（電圧振幅の時間変化）を監視しておけば、毒性物質により緋メダカの活動が大きく変化する前の時点で、毒性物質汚染の可能性の有無を容易且つ迅速に確認できる。

急激な電圧出力の増大もなく（ステップＳ１２）、尖頭部Ａ，Ｂの埋没等がなく（ステップＳ６）、低周波域での振幅の増大もなく（ステップＳ８）、１／ｆ特性ともならなければ（ステップＳ１０）、被検水の水質に異常がないものとして処理する（（図４のステップＳ１４）。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、監視周波数成分波形と基準周波数成分波形とを対比して、尖頭部Ａ，Ｂの有無を確認する場合、所定の周波数帯毎に積分して、その監視周波数成分波形、基準周波数成分波形を各周波数帯毎の積分値として求め、その積分値を比較すればよい。移動平均波形演算手段２３は、過去の複数回の監視周波数成分波形の移動平均を求めて、それを基準周波数成分波形とするが、その過去の複数回は被検水が汚染した場合に緋メダカが死滅に至る時間を十分に超えた時間に跨がる回数であることが望ましい。

被検水がごく微量の毒性物質等によって徐々に汚染した場合には、緋メダカの活動能力が徐々に低下し、それに伴って緋メダカの活動電位も徐々に低下する。このため過去の複数回の監視周波数成分波形を平均化して、それを基準周波数成分波形とすれば、監視周波数成分波形の振幅が低下しても、被検水の汚染を判定できない惧れがある。従って、監視周波数成分波形の振幅が平常時の平均周波数成分波形の振幅から一定の閾値を超えて低下したときに、被検水の汚染又はその可能性ありと判定する等の適宜手段を講じることが望ましい。

被検水が汚染した場合、基準周波数成分波形の尖頭部Ａ，Ｂよりも低周波数側において、その監視周波数成分波形に尖頭部Ａ，Ｂができることがある。このような場合には、基準周波数成分波形の尖頭部Ａ，Ｂと監視周波数成分波形の尖頭部Ａ，Ｂとの相対的な位置関係から、被検水の汚染の有無を判定することができる。また基準周波数成分波形の尖頭部Ａ，Ｂに対する監視周波数成分波形の振幅値の大小から、被検水の汚染の有無を判定することも可能である。

実施例では、フーリエ変換後の各周波数成分から、監視時点の各周波数成分の分布状況を示す監視周波数成分波形を演算し、この監視周波数成分波形と緋メダカの活動電位による基準周波数成分波形とを比較して被検水の汚染の有無を判定する方法を例示しているが、フーリエ変換後の各周波数成分から、監視時点の各周波数成分の分布状況を演算し、その監視時点の分布状況を水棲生物の活動電位による周波数成分の分布状況と比較して被検水の汚染の有無を判定してもよい。

監視周波数成分波形に、水棲生物の活動電位による周波数成分波形中の基本周波数成分及び／又はその高調波成分の尖頭部Ａ，Ｂが共にない場合に被検水の汚染の可能性ありと判定する他、基本周波数成分、高調波成分の尖頭部Ａ，Ｂの何れか一方がない場合に汚染の可能性ありと判定するようにしてもよい。

水槽１の飼育部は１個でもよい。また水棲生物の代表例として緋メダカを例示しているが、緋メダカ以外の水棲生物でもよい。電極１３ａ，１４ａには、白金酸化物板又は白金酸化物のコーティングン板の他に、酸化チタン板、銅板、アルミ板等のように導電性を有する各種の板材等が使用可能である。

本発明の一実施例を示す水質連続監視系統のブロック図である。本発明の一実施例を示す水槽の平面図である。本発明の一実施例を示す水槽の断面図である。本発明の一実施例を示す水質連続監視のフローチャートである。本発明の一実施例を示すサンプリングのタイムチャートである。本発明の一実施例を示す平常時の活動電位の電圧波形図である。本発明の一実施例を示す平常時の活動電位の周波数成分波形図である。本発明の一実施例を示す水の電圧出力の電圧波形図である。本発明の一実施例を示す水の電圧出力の周波数成分波形図である。本発明の一実施例を示す平常時の活動電位の周波数成分波形図である。本発明の一実施例を示す平常時の活動電位の周波数成分波形図である。本発明の一実施例を示す平常時の活動電位の周波数成分波形図である。本発明の一実施例を示す平常時の活動電位の周波数成分波形図である。本発明の一実施例を示す平常時の活動電位の周波数成分波形図である。本発明の一実施例を示す平常時の活動電位の周波数成分波形図である。本発明の一実施例を示す毒性物質の混入直後の電圧波形図である。本発明の一実施例を示す毒性物質の混入直後の電圧波形図である。本発明の一実施例を示す毒性物質の混入から所定時間経過後の電圧波形図である。本発明の一実施例を示す毒性物質の混入から所定時間経過後の周波数成分波形図である。

符号の説明

１水槽
６第１監視領域
７第２監視領域
１３ａ，１４ａ電極
２０サンプリング手段
２１フーリエ変換手段
２２周波数成分波形演算手段
２３移動平均波形演算手段
２４第１判定手段
２５第２判定手段
２６第３判定手段
２７第４判定手段
２８警報手段

Claims

被検水が通水する水槽内で水棲生物を飼育しておき、一対の電極間の電圧出力を所定のサンプリング周期でサンプリングしながら前記被検水の汚染の有無を監視する水質連続監視方法おいて、前記水棲生物の活動電位が変化する前に前記電圧出力が急激に変化したときに前記被検水が汚染の可能性ありとすることを特徴とする水質連続監視方法。
前記電極に白金酸化物又は白金酸化物のコーティング材を使用することを特徴とする請求項１に記載の水質連続監視方法。
前記一対の電極が前記被検水の流れ方向に配置された前記水槽を使用することを特徴とする請求項１又は２に記載の水質連続監視方法。