JP5961772B1 - バイオフィルムの形成抑制方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、水中の構造物におけるバイオフィルムの形成を抑制する方法であって、バイオフィルムの形成を抑制する構造物に対し、４０９〜４１２ｎｍの波長を含む光を照射することを特徴とする。

Description

本発明は、水中の構造物におけるバイオフィルムの形成を抑制する方法に関する。

冷却水として海水を利用する火力発電所や原子力発電所などの発電プラントにおいては、復水器細管の熱交換器内などに、バイオフィルムが形成し易い。形成されたバイオフィルムの量が多くなると、熱交換器の熱交換効率が低下するなどの不具合を招くおそれがある。

そこで、従来から、次亜塩素酸ナトリウム溶液や二酸化塩素などの塩素系薬剤を冷却水に注入することが行われている（例えば、非特許文献１〜３参照）。

海生生物汚損対策マニュアル．電気化学会・海生生物汚損対策懇談会 編，技報堂出版，1991． 発電所海水設備の汚損対策ハンドブック．火力原子力発電技術協会 編，恒星社厚生閣，2014． 大型付着生物対策技術総覧．川邊允志 著，電気化学会・海生生物汚損対策懇談会，1998．

本発明は、水中の構造物におけるバイオフィルムの形成を抑制する方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施態様は、水中の構造物におけるバイオフィルムの形成を抑制する方法であって、前記構造物に対し、４０９〜４１２ｎｍの波長を含む光を照射する方法である。前記光が４００〜４４０ｎｍの波長域のうち一部の波長を含んでもよい。前記光が４０９〜４１２ｎｍの波長域においてピークを有してもよい。前記光は、４０９〜４１２ｎｍの波長域に、前記構造物に対する分光照射強度が１．４μＷｃｍ^−２ｎｍ^−１以上の波長を有することが好ましい。前記光が４００〜４２０ｎｍの波長を含んでもよい。前記光の照射強度が、３Ｗｍ^−２以上であることが好ましい。前記光がレーザー光でないことが好ましい。前記光がＬＥＤ光であってもよい。前記水が海水であってもよい。

本発明の一実施例において、空気中で測定した光量子束密度と放射照度の関係を示したグラフである。 本発明の一実施例において、各付着板の分光放射照度を示したグラフである。 本発明の一実施例において、ＬＥＤ光が海水中を伝わる際の、放射照度の減衰を示したグラフである。 本発明の一実施例において、付着板に取り付けられたクレモナ網を示す写真である。 本発明の一実施例において、海水中に設置後、１週後に付着板に形成されるバイオフィルムの様子を示した写真である。 本発明の一実施例において、海水中に設置後、２週後に付着板に形成されるバイオフィルムの様子を示した写真である。 本発明の一実施例において、海水中に設置後、３週後に付着板に形成されるバイオフィルムの様子を示した写真である。 本発明の一実施例において、海水中に設置後、１６週後に付着板に形成されるバイオフィルムの様子を示した写真である。 本発明の一実施例において、付着板の間に設置し５〜７日で回収したスライドグラスに対し、ＤＡＰＩ染色によって細菌数を計測したグラフである。 本発明の一実施例において、付着板の間に設置し５〜７日で回収したスライドグラスに付着した細菌密度とＬＥＤ光照射面中央からの距離の関係を示したグラフである。 本発明の一実施例において、付着板の間に設置して５〜７日で回収し、クリスタルバイオレット染色したスライドグラスに対し、イルミネーターを用いて被覆率を計測したグラフである。 本発明の一実施例において、付着板の間に設置して５〜７日で回収し、クリスタルバイオレット染色したスライドグラスに対し、実体顕微鏡を用いて被覆率を計測したグラフである。

本発明の目的、特徴、利点、及びそのアイデアは、本明細書の記載により、当業者には明らかであり、本明細書の記載から、当業者であれば、容易に本発明を再現できる。以下に記載された発明の実施の形態及び具体的に実施例などは、本発明の好ましい実施態様を示すものであり、例示又は説明のために示されているのであって、本発明をそれらに限定するものではない。本明細書で開示されている本発明の意図並びに範囲内で、本明細書の記載に基づき、様々な改変並びに修飾ができることは、当業者にとって明らかである。

本発明にかかる、水中の構造物におけるバイオフィルムの形成を抑制する方法は、構造物に対し、４０９〜４１２ｎｍの波長を含む光を照射する工程を含む。

ここで、構造物は水中にあれば特に限定されないが、火力発電所、原子力発電所、潮流発電所、波力発電所、海流発電所、海洋温度差発電所、水力発電所、海水揚水発電所、LNGプラント、石油精製プラント、海水淡水化プラントにおける取水管路、ロータリースクリーン、バースクリーン、ドラムスクリーン、除貝装置、マッセルフィルター、ネットスクリーン、取水ポンプ、循環水ポンプ、循環水管、熱交換器、復水器、軸受冷却水冷却器、潤滑油冷却器、LNG気化器、発電機、スポンジボール洗浄装置、放水管路、海水水温計、残留塩素計、水質計測器、クラゲ防止網、水車、インペラ、バルブ、回転軸、導水管路、ろ過槽、膜、ダム、船舶、造船所における船体、スクリュー、バラスト水タンク、バラスト水導入・排出管、ポンプ類、水産養殖設備、水産試験場、水産設備、水族館、魚介類飼育水槽における水槽、配管、ポンプ類、砂ろ過槽、網イケス、ロープ、ノリ養殖網、ブイ、浮き桟橋、フロート、定置網、家屋における洗濯機、風呂場、洗面所、浄水場、温泉、銭湯、水耕栽培工場における水利用設備などが例示できる。また、水自体や、養殖生物、例えば魚類、カキ類、ホタテ貝など表面も構造物の一例として挙げられる。

バイオフィルムとは、水中の構造物の表面に、微生物によって形成される構造体であり、通常は膜状であって、微生物が分泌した多糖等の細胞外高分子物質（EPS, extracellular polymeric substance）を含む。また、バイオフィルムには、微生物の遺骸、排泄物、糞、棲管などが含まれてもよい。ここで微生物とは、細菌類、真菌類、藍藻類、原生動物などに属する生物が例示できる。また、付着珪藻類、緑藻類、褐藻類、紅藻類などの微小藻体、カイメン類、ヒドロ虫類、クラゲ類、管棲多毛類、コケムシ類、ヨコエビ類などの幼生もこれに含まれる。

水中の構造物に対して照射する光は、４０９〜４１２ｎｍの波長を含む光である。４００〜４４０ｎｍの波長域のうち一部（ここで、「一部」とは、「全部」を含まないものとする）の波長を含む光であってもよい。その光は、４００〜４２０ｎｍの全波長を含むことが好ましく、紫外線（４００ｎｍより小さい波長）、可視光（４００〜８３０ｎｍ）及び赤外線（８３０ｎｍより大きい波長）を含んでもよい。４００ｎｍ〜４２０ｎｍの波長の光は、海水中での透過性が紫外線より高いので、本発明は紫外線のみを含む光を用いる方法よりも広範囲に光の効果を及ぼすことができる。また、実施例で示すように、光が４０９〜４１２ｎｍの波長域においてピークを有することが好ましい。なお、この光はレーザー光でなくてもよい。

光の照射強度は特に限定されず、照射する環境（例えば、水質、水の深さ、透明度など）によって、当業者が適切に、且つ容易に決めることができるが、照射強度が約３Ｗｍ^−２以上である光が好ましく、約２００Ｗｍ^−２以上の波長を有する光がより好ましい。そして、４０９〜４１２ｎｍの波長域において、付着生物に対する分光照射強度が約１．４μＷｃｍ^−２ｎｍ^−１以上の波長を有する光が好ましく、約５００μＷｃｍ^−２ｎｍ^−１以上の波長を有する光がより好ましい。光の照射時間も特に限定されず、照射する環境によって、当業者が適切に、且つ容易に決めることができるが、例えば、３秒以上、１０秒以上、３０秒以上、１００秒以上または５分以上の照射時間を設定することができる。照射は、持続的であっても、間欠的であっても構わないが、間欠的である場合、光の総照射時間を上記のような時間とするのが好ましい。

照射方法は、特に限定されないが、例えば、光照射装置として、ＬＥＤ照射装置，水銀ランプ，蛍光管等の装置などを用いることができるが、ＬＥＤ照射装置を用いることが好ましく、特にＬＥＤを照射する光ファイバーであることが好ましい。

＜１＞モデル水路の設置
本実施例では、広島県水産海洋技術センターの海上施設上の敷地内に、長さ７ｍｘ幅１０ｃｍｘ深さ１０ｃｍのモデル水路を設置し、０．１ｍ／秒の流速で海水を流した。水路の一方の壁に、ＬＥＤ照射装置（シーシーエス社製ＳＭＤ素子実装型、ＬＥＤパネルの型式：ＩＳＬ−１５０Ｘ１５０−ＶＶ−ＴＰＨＩ?ＢＴＦＮ、照射面：１５ｃｍｘ１５ｃｍ、ＳＭＤ素子数：１２０（８ｘ１５）個、ＳＭＤ素子サイズ：５ｘ５ｍｍ、ピーク波長：４０９〜４１２ｎｍ、指向角特性：半角値５８．６°、半値幅１４ｎｍ）を設置し、拡散板と石英ガラス（厚さ５ｍｍ）を通して水路内に光を水平に照射した。パネルと石英ガラスの間には、楕円拡散タイプ（拡散角６０°×１°）のレンズ拡散板（株式会社オプティカルソリューションズ、ＬＳＤ６０×１ＰＣ１０−Ｆ５、厚み１．２５ｍｍ、基盤；ポリカーボネイト）を装着し、この拡散板により照射光を拡散させながら、ＬＥＤ光を水路内に照射した。なお、ＬＥＤ光を照射する水路壁面の開口部は１０ｃｍ×１０ｃｍ（正方形）とした。

次に、水路の他方の壁に、複数の付着板（幅１０ｃｍｘ高さ１５ｃｍ）を並列に設置した。まず、ＬＥＤパネルの真正面に付着板（Ｅ）を配置し、両側に４枚ずつ、２５ｃｍごとに付着板（上流から下流方向に、Ｅを挟んでＡ〜ＤとＦ〜Ｉ）を配置し（板同士の隙間は１５ｃｍ）、下流側にさらに４枚（Ｊ〜Ｍ）、１００ｃｍごとに配置し（板同士の隙間は９０ｃｍ）、最終的に付着板が上流から下流方向にＡ〜Ｍの順で並ぶようにした。

試験中、水路では光を遮り、ＬＥＤパネルと対面に位置する付着板Ｅ（基点）の中心における放射照度を約２００Ｗｍ^−２となるように、ＬＥＤ光を調節した。試験開始時（２０１４年３月６日１５：００）における光の測定結果を表１に示す。なお、対象としては、ＬＥＤ光を照射せず、光を遮った水路（付着板はＡ’〜Ｍ’）を用いた。

ここで、海水中の放射照度は、海水中における光量子束密度を測定し、予め空気中で測定した光量子束密度と放射照度の関係から得られた、以下の換算式（Ｉ）を用いて算出した（図１）。
放射照度（Ｗｍ^−２）＝０．１１２８８４×光量子束密度（μｍｏｌｓ^−１ｃｍ^−２）＋０．０５１８４２・・・（Ｉ）
試験期間中は、観察日毎に付着板Ｅにおける放射照度を２００Ｗｍ^−２に調整する作業を行なったが、その際、海水中における光量子束密度を１７６８．５μｍｏｌｓ^−１ｃｍ^−２に設定することによりこの調整を行なった。

なお、測定には以下の計測器を使用した。
（１）光量子束密度；メイワフォーシス株式会社製光量子計ＬＩ−１９２ＳＡ（４００〜７００ｎｍ）
（２）分光放射照度；株式会社オプトリサーチ社製多目的分光放射計ＭＳＲ−７０００Ｎ（２００〜２５００ｎｍ）
（３）照度；コニカミノルタセンシング株式会社製照度計Ｔ−１０ＷＬ（測定波長；４００〜７００ｎｍ）
また各付着板におけるＬＥＤ光の波長と分光放射照度の関係を図２に示したが、どの付着板でもピーク波長は４０９〜４１２ｎｍにあった。

表１の海水中において、ＬＥＤ光の放射照度は、パネルからの距離５ｃｍにおいて７３．２％にまで減衰し、１０ｃｍでは４４．４３％に減衰した（図３）。したがって、付着板Ｅにおける放射照度を２００Ｗｍ^−２と規定した場合、パネルからの距離０ｃｍにおける放射照度は４５０Ｗｍ^−２となり、水路中央（距離５ｃｍ）における放射照度は３２５Ｗｍ^−２となる。

実際の対面パネルに対し、ＬＥＤ光の放射範囲は幅３０ｃｍの範囲に及んでいた。通水海水の流速は０．１ｍ／ｓｅｃであることから、海水中の幼生はこの照射領域を１〜３秒を要して通過し、この間、（少なくとも１秒間は）２００〜４５０Ｗｍ^−２の放射照度光を浴びることになる。

各付着板には、クレモナ網（日東製網株式会社製無結節網；糸太さ１ｍｍ、目合い５ｍｍ）を取り付けた（図４）。付着板は、幅が１０ｃｍであり、水路内において水深１０ｃｍまで浸漬するが、付着生物は海水外の高さ１３ｃｍにまで付着したので、水深１３ｃｍまで評価対象とし、従って付着板の評価面積は１３０ｃｍ^２となる。この評価面における糸数は、縦糸１６本、横糸２０本である。目合い（５ｍｍ×５ｍｍ）の数は、評価面当たり３００個（縦列１５個×横列２０個）となる。
＜２＞ＬＥＤ光照射によるバイオフィルム形成の抑制
こうして配置した付着板に形成されるバイオフィルムの観察を、１、２、１６週後に行った。その時の付着板の外観を図５に示すが、２週間後からすでに明らかなように、付着板（Ｅ）でバイオフィルムの形成が抑制されており、１６週後でも、付着板（Ｅ）にはバイオフィルムの形成が見られなかった。付着板（Ｄ）（Ｆ）では、（Ｅ）より弱いが、バイオフィルムの形成抑制が観察された。

この間、付着板の隙間に、中央にスライドグラス（７６ｍｍｘ２６ｍｍ）を縦に（長軸を垂直方向に）設置した。５〜７日後に回収したスライドグラスに対し、以下の試験を行った。スライドグラスの名称は、両側にある付着板のイニシャルを並べることで表すものとする（例えば、ＡとＢの間にあれば、ＡＢとする）。
（１）ＤＡＰＩ（４’，６−ｄｉａｍｉｄｉｎｏ−２−ｐｈｅｎｙｌｉｎｄｏｌｅ）染色による細菌数の計数
乾燥保存したスライドグラスを、ＴＢＳ中に５分間浸した後、０．０５ｍｇ／ｍｌＤＡＰＩ染色溶液２００μｌを滴下し、暗所で１０分間反応させた。染色後、余分なＤＡＰＩ染色液をＴＢＳで洗浄除去し、カバーグラスを乗せ、落射型蛍光顕微鏡カメラシステム（Ｏｌｙｍｐｕｓ ＢＸ５１＆Ｃ３０４０Ｚ）により撮影した（対物×１００油浸、ＷＵ励起）。スライドグラスの中央付近を一方向に、撮影面が重複しないように十分移動させながら５回撮影した。同時に対物ミクロメーターを撮影し、撮影面積を算出した（０．１２ｍｍ×０．０９ｍｍ）。撮影画像は、ＰＣのモニター上で目視で確認しながら、細菌数を計数した。その結果、図６に示すように、ＤＥとＥＦにあるスライドグラスが著しく低い細菌数を示した。

また、スライドグラスに付着した細菌密度とＬＥＤ光照射面中央からの距離の関係を図７に示した。負側の相関係数が有意ではないものの、上下流方向に光源から遠ざかるにしたがって付着細菌密度が高くなる傾向を示した。
（２）クリスタルバイオレットによる染色
スライドグラスを、０．５％クリスタルバイオレット溶液（２％ＥｔＯＨを含む）に１分間浸した後、精製水で１０分間洗浄し、乾燥させた。

クリスタルバイオレット染色したスライドグラスをイルミネーター（ＨＡＫＵＢＡ ＫＬＶ−７０００ あるいはＳＩＮＫＯＨＳＨＡ ＳＶ５４０Ａ）に乗せ、デジタルカメラ（Ｏｌｙｍｐｕｓ ＢＸ５１）で全体を撮影した。撮影画像は写真編集ソフト（Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ ５．０ＬＥ， Ａｄｏｂｅ）により、中央部に固定した４０ｍｍ×１０ｍｍの領域を切り出し、評価面とした。評価面は２値化し、画像解析ソフト（ＩｍａｇｅＪ １．４８ｖ， Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）により暗色部（バイオフィルム）の画素数を計数し、被覆率（％）を算出した。その結果の一例を図８に示すが、ＤＥとＥＦについては常に低い値を示した。
（３）実体顕微鏡撮影
試験法２と同様にクリスタルバイオレット染色したスライドグラスを、実体顕微鏡撮影システム（Ｏｌｙｍｐｕｓ ＳＺＸ ＆ Ｃ３０４０Ｚ）により透過光で撮影した。その際、スライドグラスをランダムに５つ配置した窓開きプレートに乗せ、窓の中央を撮影した。同時に対物ミクロメーターを撮影し、撮影面積を算出した（１．３５ｍｍ×１．０１ｍｍ）。そして、（２）と同様に、画像の解析を行った。その結果の一例を図９に示すが、（２）と同様、ＤＥとＥＦについては常に低い値を示した。

以上のように、強弱はあるものの、付着板（Ｄ）から（Ｆ）の場所で、バイオフィルムの形成抑制が観察された。効果が強い場合、バイオフィルムの形成を防止することができた。

本発明によって、水中の構造物におけるバイオフィルムの形成を抑制する方法を提供することが可能になった。

Claims (8)

1. 水中の構造物におけるバイオフィルムの形成を抑制する方法であって、
   前記構造物に対し、４０９〜４１２ｎｍの波長を含み、４０９〜４１２ｎｍの波長域においてピークを有する光を照射する方法。
2. 前記光が４００〜４４０ｎｍの波長域のうち一部の波長を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記光は、４０９〜４１２ｎｍの波長域に、前記構造物に対する照射強度が１．４μＷｃｍ−２ｎｍ−１以上の波長を有する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記光が４００〜４２０ｎｍの波長を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記光の照射強度が、３Ｗｍ−２以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記光がレーザー光でない、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記光がＬＥＤ光である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記水が海水である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。