(57)【要約】【課題】  より広範囲の有害物質を検出し得る有害物質検出方法および装置を提供する。【解決手段】  本発明の有害物質検出装置は、電極上に微生物を固定化し、試料水に含まれる微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングすることにより試料水への有害物質の混入を検知するバイオセンサと、試料水に含まれる有害物質が作用できる擬似細胞膜を有し、試料水中の有害物質の存在を擬似細胞膜の物理的変化として捉える擬似細胞膜センサとを併せ備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極上に微生物を固定化し、試料水に含まれる前記微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングすることにより前記試料水への有害物質の混入を検知するバイオセンサと、前記試料水に含まれる有害物質が作用できる擬似細胞膜を有し、前記試料水中の有害物質の存在を前記擬似細胞膜の物理的変化として捉える擬似細胞膜センサとを備えたことを特徴とする有害物質検出装置。
【請求項２】
前記擬似細胞膜センサは組成の異なる複数種類の擬似細胞膜を有し、各擬似細胞膜の出力信号をパターン認識することにより有害物質の種類を決定することを特徴とする請求項１に記載の有害物質検出装置。
【請求項３】
前記擬似細胞膜は有害物質と不可逆的に結合する生体機能素子を含有し、長期間の蓄積により毒性が発現する慢性毒性物質の検出を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の有害物質検出装置。
【請求項４】
前記バイオセンサに固定化する微生物として鉄酸化細菌を利用することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の有害物質検出装置。
【請求項５】
試料水に含まれる有害物質の監視を通常時は、微生物が作用する電極活物質を有するバイオセンサにより連続的に行い、前記バイオセンサで水質の異常を検出したとき、組成の異なる複数の擬似細胞膜を有する擬似細胞膜センサに試料水を供給し、前記擬似細胞膜センサから得られる信号をパターン認識することにより、水質異常の原因となった毒物の種類および量を特定することを特徴とする有害物質検出方法。
【請求項６】
試料水に含まれる有害物質の監視を通常時は、擬似細胞膜を備えた擬似細胞膜センサにより連続的に行い、前記擬似細胞膜センサにより急性毒性物質と推定される出力信号パターンが得られたとき、微生物が作用する電極活物質を有するバイオセンサに試料水を供給し、急性毒性物質の混入を確認することを特徴とする有害物質検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浄水場取水、もしくは河川、湖沼、ダム、地下水等の水道水源への有害物質の混入を検出するための有害物質検出方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上水道原水の取水源として、河川、湖沼、ダム、地下水等が利用されているが、これら原水へ化学物質・油等が流出する事故が発生する場合がある。これらの化学物質等の中には人体の健康に重大な影響を及ぼす有害物質が含まれる可能性がある。仮に有害物質を含んだ水を給水することになると、広範囲かつ多数の人が健康傷害等の水道事故に巻き込まれることになる。このような事態を回避し、安全な水を供給するためには、原水の水質監視が重要である。
【０００３】
浄水場では、有害物質混入の監視手段として、原水中で魚を飼育し、魚の異常行動を監視員の目視による観察もしくは画像解析により検知することも行われている。しかし、この手法では、魚の給餌、水槽のメンテナンス等の手間が必要であり、魚自体の健康状態により左右されたり、個体差により感度が異なったりする等の問題点がある。
【０００４】
取水に含まれる化学物質の検出には機器分析を適用する方法も考えられるが、流入する可能性のある化学物質全てを対象として機器分析を行うことは困難であり、実用上、分析対象を限定することになる。この場合の不都合は、流入を想定していない化学物質については検出することが不可能であるということである。また、測定には試料水の前処理が必要であり、連続的なモニタリングには適していない。
【０００５】
これらの状況から、有害物質の混入を連続的に検出する方法として、有害物質の生物の活性に与える負荷を計測し、試料水の有害性を総合的に評価する手法が提案されている。特に酸素電極と微生物膜を組み合わせたバイオセンサを用いることにより、微生物膜の酸素消費量から微生物の呼吸活性をモニタリングする手法は、比較的簡便な装置で試料水への有害物質の混入を連続的に監視することができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この文献記載のものでは、鉄酸化細菌の呼吸活性をモニタリングする。微生物の呼吸活性は、呼吸反応の直接的な阻害、その他の代謝反応の阻害、細胞壁、細胞膜の破壊等を引き起こす化学物質によって阻害を受けることから、比較的広範囲な有害物質を検出することができる。しかし、基本的に単細胞生物の単一細胞に対する毒性が評価対象であることから、人体への毒性とは必ずしも対応しない場合がある。特に、多細胞間の情報伝達の阻害、組織に長期にわたって蓄積されて毒性が発現する慢性毒性等については、バイオセンサでは直接的に測定することが困難である。
【０００７】
なお、水への有害物質の混入を検出するために、化学物質と生体組織との相互作用を検出する手法自体は、すでに開示されているところである（例えば、特許文献２参照）。この手法では化学物質と相互作用を持つ擬似細胞膜を備え、擬似細胞膜への化学物質の接着・吸着等の相互作用を、化学物質との反応により変化する擬似細胞膜の物理情報、例えば膜電位、電気容量、イオン透過性、発光、発熱・吸熱などを測定し、反応前後の出力値の差から化学物質の混入を判定する。
【特許文献１】特開平１１−３７９６９号公報
【特許文献２】特開平１１−５６３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、バイオセンサでは対応することが困難な有害物質を含めて、より広範囲の有害物質を検出し得る有害物質検出方法および装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために請求項１に係る発明の有害物質検出装置は、電極上に微生物を固定化し、試料水に含まれる微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングすることにより試料水への有害物質の混入を検知するバイオセンサと、試料水に含まれる有害物質が作用できる擬似細胞膜を有し、試料水中の有害物質の存在を擬似細胞膜の物理的変化として捉える擬似細胞膜センサとを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
微生物を利用したバイオセンサによる有害物質検出では、試料水に有害物質が混入した場合、有害物質の影響により微生物の活性に何らかの変化が現れることを利用する。この有害物質による活性変化に基づく微生物による電極活物質の生産量もしくは消費量の変化をモニタリングする。例えば、溶存酸素電極に微生物を固定化し、微生物の呼吸による酸素消費量をモニタリングすることにより、有害物質による酸素消費量の減少から有害物質の混入を検知することができる。
【００１１】
このとき使用している微生物の活性に影響を及ぼさない化学物質、もしくは電極において検出できるレベルの活性変化を引き起こさない化学物質については、流入を検知することは困難である。これら化学物質のうち、人体に影響を及ぼす可能性のある有害物質については、微生物の活性には影響を及ぼさないものの、やはり人体、言い換えると生体組織との相互作用が存在する。
【００１２】
擬似細胞膜は生体細胞膜を模した構造をとるために、リン脂質を主成分とする脂質二分子膜、もしくはそれに代わる人工高分子膜を主成分とし、毒物と作用する各種の蛋白質や糖などの機能分子を配合することにより作製される。バイオセンサの測定対象外の有害物質を擬似細胞膜センサの測定対象とするために、その有害物質と相互作用をする蛋白質や糖など機能分子を擬似細胞膜中に含有させることにより、バイオセンサでは測定不可能な有害物質の検知が可能となる。
【００１３】
バイオセンサの特徴として、単一のバイオセンサ素子（微生物）で多種の有害物質の生物に与え得る負荷を総括的に評価することができる点を挙げることができる。しかし、評価指標である呼吸活性の変化からは、有害物質の種別に関する情報を得ることは難しく、センサ応答から有害物質の種類を識別することは困難である。
【００１４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の有害物質検出装置において、擬似細胞膜センサは組成の異なる複数種類の擬似細胞膜を有し、各擬似細胞膜の出力信号をパターン認識することにより有害物質の種類を決定することを特徴とする。
【００１５】
この場合、擬似細胞膜センサは、組成の異なる複数種類の擬似細胞膜を備え、個々の擬似細胞膜センサの有害物質に対する応答、すなわち毒物の種類と量に応じて出力値がどのように変化するか、予めを求めておき、これらの応答パターンを基に、複数のセンサからの出力値から有害物質の種類について大まかな分類をすることが可能となる。
【００１６】
バイオセンサと複数種の擬似細胞膜をセンサとを組み合わせることにより、バイオセンサにより生物への負荷をモニタリングしつつ、流入する化学物質の種別を推定することが可能となり、水質監視の精度を一層向上させることができる。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の有害物質検出装置において、擬似細胞膜は有害物質と不可逆的に結合する生体機能素子を含有し、長期間の蓄積により毒性が発現する慢性毒性物質の検出を行うことを特徴とする。
【００１８】
特に、バイオセンサで測定することが困難な慢性毒性物質についても、擬似細胞膜中に慢性毒性物質を捕捉することができる機能素子を埋め込み、複数種の擬似細胞膜から得られる応答パターンのうち、慢性毒性物質に特徴的なパターンを識別することにより、慢性毒性物質の検知を行うことができる。この場合、バイオセンサにより急性毒性物質、擬似細胞膜センサにより慢性毒性物質をカバーすることが可能となる。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の有害物質検出装置において、バイオセンサに固定化する微生物として鉄酸化細菌を利用することを特徴とする。
【００２０】
バイオセンサに固定化する微生物としては、多くの種類の微生物が適用可能であるが、安定した測定を実現するためには、特定の化学物質を選択的に基質と利用している化学合成独立栄養細菌が望ましい。さらに酸性領域で活性がある鉄酸化細菌を利用することにより安定性を向上させることができる。
【００２１】
請求項５に係る発明の有害物質検出方法は、試料水に含まれる有害物質の監視を通常時は、微生物が作用する電極活物質を有するバイオセンサにより連続的に行い、バイオセンサで水質の異常を検出したとき、組成の異なる複数の擬似細胞膜を有する擬似細胞膜センサに試料水を供給し、擬似細胞膜センサから得られる信号をパターン認識することにより、水質異常の原因となった毒物の種類および量を特定することを特徴とするものである。
【００２２】
常時２つのセンサを稼動させるのではなく、通常時はバイオセンサにより連続的に生物的負荷のモニタリングを実施し、バイオセンサにより有害物質を検知したときに、擬似細胞膜センサに試料水を供給して動作させる構成をとる。バイオセンサは比較的簡単な装置で構成することができ、連続測定が容易であり、迅速に異常を検出することが可能である。そこで、常時は低コストで長期間連続的に運転可能なバイオセンサにより有害物質のモニタリングを実施し、バイオセンサで何らかの有害物質が混入した場合に、擬似細胞膜センサを動作させて有害物質の種別を特定するのが有効になる。
【００２３】
請求項６に係る発明の有害物質検出方法は、試料水に含まれる有害物質の監視を通常時は、擬似細胞膜を備えた擬似細胞膜センサにより連続的に行い、擬似細胞膜センサにより急性毒性物質と推定される出力信号パターンが得られたとき、微生物が作用する電極活物質を有するバイオセンサに試料水を供給し、急性毒性物質の混入を確認することを特徴とするものである。
【００２４】
この場合、通常時は擬似細胞膜センサによるモニタリングを実施し、急性毒性を示す有害物質に相当する応答パターンを検出した時に、バイオセンサに試料水を供給して動作させる構成をとる。擬似細胞膜センサは比較的高感度に有害物質を検知することが可能であるが、有害物質特有の応答パターンが得られたとしても、有害物質に類似した毒性の無い化学物質が含まれている場合もあり得る。このため、実際に生物に対する負荷をバイオセンサにより確認することにより、試料水に含まれる化学物質の実質的な有害性を評価することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、バイオセンサの検出対象物質の拡大を図ることができるとともに、化学物質の識別が可能な有害物質検出方法および装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は本発明による有害物質検出装置の一構成例を示すものである。この装置の特徴は、試料水中への有害物質の混入を検知する手段として、バイオセンサ１と擬似細胞膜センサ２を併せ備えることにある。試料水は試料水供給手段３から供給され、バイオセンサ試料水供給バルブ４を介して、ポンプ５によりバイオセンサ１に供給される。また同じ試料水供給手段３からの同じ試料水は、擬似細胞膜センサ試料水供給バルブ６を介して、ポンプ７により擬似細胞膜センサ２にも供給される。
【００２７】
バイオセンサ１は溶存酸素電極８および微生物膜９から構成されており、微生物膜９に固定化した微生物の呼吸活性を溶存酸素電極８により検知する。バイオセンサ１の微小検出出力は出力処理部１０により測定される。微生物膜７を活性化させるため、微生物の栄養源を基質溶液タンク１１からバルブ１３ａおよびポンプ１４を介して供給する。また長期的な安定性を維持するため、洗浄を実施する必要があることから、洗浄液を洗浄液タンク１２からバルブ１３ｂおよびポンプ１４を介して定期的に供給する。これらの液の切換はバルブ１３ａ，１３ｂの開閉により制御され、ポンプ１４により送液され、ポンプ５から供給される試料水と混合されてバイオセンサ１に供給される。
【００２８】
擬似細胞膜センサ２は、擬似細胞膜１５、電極１６、および膜電位測定槽１７により構成される。膜電位測定槽１７の中央部に擬似細胞膜１５配置され、それを挟むように一対の電極１６が配置されている。電極１６から取り出される擬似細胞膜センサ２の出力が膜電位測定装置１８により測定され、ここで膜電位の初期値に対する変化を捉えることにより、擬似細胞膜１５への有害物質の存在を捉える。すなわち、擬似細胞膜センサ２は擬似細胞膜１５に及ぼす有害物質の作用により生ずる電気・光・熱などの物理的変化を膜電位変化として捉える。図１に示すように、複数の（図示の例では３個の）擬似細胞膜センサを適用する場合、それぞれのセンサ出力を測定する。
【００２９】
バイオセンサ１および擬似細胞膜センサ２の検出出力は演算装置１９に伝送され、ここで、両検出出力に基づいて有害物質の混入量の判定、および有害物質の種類推定等の演算処理を行う。さらに図１の構成例では、バイオセンサ１にの校正水を供給するための校正水供給手段２０、有害物質検出時の分析用の水を採水するための採水タンク２１を備える。校正水供給手段２０はバルブ１３ｃを介してポンプ５の入口に接続される。採水タンク２１はバルブ１３ｄを介してバルブ６の入口に接続される。
【００３０】
図２はバイオセンサ１による有害物質検出の応答例を示すものである。測定開始から数分のところで、基質溶液として硫酸第一鉄を添加することにより一旦検出電流値は低下する。すなわち、バイオセンサ１に微生物の基質を含んだ溶液を添加することにより、微生物は呼吸により酸素を消費する。微生物として鉄酸化細菌（Thiobacilus ferroxidans）を使用した場合、栄養源である鉄イオンを含む溶液を添加することにより呼吸を活性化する。その結果、酸素は微生物膜９で消費されることから、酸素電極に到達する酸素量が減るため電流値は低下する。そのまま何の有害物質をも添加しなければ特性線２１のように低レベルで推移するが、検出電流値が低下してから数分経過したところで何らかの有害物質を添加すると、特性線２２に示すように検出電流値は一般に増加する。特性線２２では、有害物質の添加により微生物が呼吸阻害を受けて電流値が増加し、警報ラインＡを超過した場合に有害物質の混入を検出することになる。
【００３１】
図３は基質溶液を添加した後、数分したところで、有害物質としてシアン化物を添加した場合について、種々の擬似細胞膜を用いた場合の膜電位変化量を示したものである。特性線３１は擬似細胞膜１を用いた場合を示し、特性線３２は、擬似細胞膜２を用いた場合を示し、さらに特性線３３は、擬似細胞膜３を用いた場合を示すものである。
【００３２】
擬似細胞膜は人工的に作製した脂質二分子膜等で構成され、膜内に種々の機能分子を含有している。脂質膜としては、モノオレイン、トリオレイン＋コレステロール等の合成界面活性剤、各種リン脂質、糖脂質等が適用可能であるが、二分子膜構造をとるものがより望ましい。機能分子としては、有害物質と相互作用をする、生物の細胞膜成分から分離した各種蛋白質、糖や、人工的に合成した分子を適用する。各種物質の検出に適用可能な機能分子の例としては、重金属等のイオン性化学物質用にはイオノフォア、農薬その他抗原となる化学物質により生成される抗体、内分泌撹乱性を有する化学物質を受容するレセプタ、特定の化学物質を資化する性質のある微生物、例えばシアン資化菌から採取した膜構成脂質等を挙げることができる。
【００３３】
通常時においては、擬似細胞膜センサ２の出力膜電位は一定の値で推移する。ところが、試料水に有害物質（図３の例では、シアン化物）が混入すると、有害物質が擬似細胞膜１５内の機能物質もしくは擬似細胞膜に作用し、膜電位が変化する。図３の例では、数種類の擬似細胞膜に対して、有害物質としてシアン化物および農薬を添加したときの応答を示している。特性線３１で示す擬似細胞膜１ではシアン化物に対して電位が変化し、特性線３２で示す擬似細胞膜２では農薬に対して電位が変化し、特性線３３で示す擬似細胞膜３ではシアン化物および農薬の両方に対して電位が変化している。この特性を利用し、各擬似細胞膜の電位変化パターンから有害物質種の識別が可能となる。
【００３４】
バイオセンサでは前記のように、微生物の活性に影響を及ぼさない有害物質の検出は困難である。鉄酸化細菌を利用したバイオセンサでは、特定の農薬類や重金属については、呼吸活性への影響が現れにくい。ここで、図３に示す擬似細胞膜２や擬似細胞膜３の出力変化を検出することにより、バイオセンサ１により検出が困難な農薬についても検出することが可能となる。
【００３５】
また、急性毒性は低いものの長期間生体組織に蓄積・作用することにより毒性が発現する慢性毒性物質も、バイオセンサによって検出することが困難な物質である。慢性毒性物質についても、予め慢性毒性物質に対する複数の擬似細胞膜の応答パターンを測定しデータベース化しておき、類似の応答パターンを示した場合に慢性毒性物質の混入を検出することが可能となる。
【００３６】
このようにバイオセンサの検出対象の拡大を目的とした場合、バイオセンサ１と擬似細胞膜センサ２を並列かつ同時に運用し、水質モニタリングを実施する。また、それぞれの特徴を活かし、常時は一方のセンサを稼動させる方法を取ることもできる。以下に、それぞれの運用方法について、より詳細に説明する。
【００３７】
図４は図１に示す有害物質検出装置の一運用例を説明するフローチャートである。この運用例では、常時はバイオセンサ１によるモニタリングを実施する（ステップＳ１）。バイオセンサ１の出力が警報値Ａを超えたかどうかを監視し（ステップＳ２）、超えた場合は有害物質が混入したと判断し、有害物質混入した旨の警報を行う（ステップＳ３）。続いて擬似細胞膜センサ２による有害物質の識別すなわちパターン認識を行う（ステップＳ４）。この擬似細胞膜センサ２で大まかな有害物質の種類を推定し、特に人体に甚大な影響を及ぼす可能性のある急性毒性物質であるか否かを判断し（ステップＳ５）、急性毒性物質である場合、急性毒性物質が混入した旨の警報を発する（ステップＳ６）とともに、一時的に取水を停止する処置をとる（ステップＳ７）。ステップＳ５において、急性毒性物質でなかった場合、すなわち、有害物質の種別が浄水処理で除去可能な物質であったり、すぐに甚大な影響を及ぼす物質ではなかったりした場合は、有害物質の種別を表示する（ステップＳ８）に止め、採水・詳細分析を行った後（ステップＳ９）、別途、適切な処置をとる。
【００３８】
図５は図１に示す有害物質検出装置の他の運用例を説明するフローチャートである。この運用例は、常時は擬似細胞膜センサ２によるモニタリングを実施し（ステップＳ１，Ｓ２）、バイオセンサ１の出力が警報値Ａを超えた場合は有害物質が混入したと判断し、有害物質混入した旨の警報を行う（ステップＳ３）ことは図４の場合と同様である。その後、擬似細胞膜センサ２により、混入した有害物質が急性毒性物質か否かを判別し（ステップＳ５）、急性毒性物質であると推定した場合、バイオセンサ１を起動し（ステップＳ１０）、バイオセンサ１による測定を行う。ここでバイオセンサ１において警報値を超える出力増加の有無を調べ（ステップＳ１１）、警報値を超えた場合は、急性毒性物質が混入した旨の警報を発する（ステップＳ６）とともに、一時的に取水を停止する処置をとる（ステップＳ７）。ステップＳ５において急性毒性物質でなかった場合、すなわち、有害物質の種別が浄水処理で除去可能な物質であったり、すぐに甚大な影響を及ぼす物質ではなかったりした場合、およびステップＳ１１において、警報値を超えなかった場合は、採水・詳細分析を行った後（ステップＳ９）、別途、適切な処置をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による有害物質検出装置の一例を示すブロック図。
【図２】バイオセンサによる有害物質検出の応答例を示す特性線図。
【図３】擬似細胞膜センサによる有害物質検出の応答例を示す特性線図。
【図４】図１の有害物質検出装置を用いて常時バイオセンサでモニタリング場合の手順の一例を示すフローチャート。
【図５】図１の有害物質検出装置を用いて常時擬似細胞膜センサでモニタリング場合の手順の一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４０】
１  バイオセンサ
２  擬似細胞膜センサ
３  試料水供給手段
４  バイオセンサ試料水供給バルブ
５，７，１４  ポンプ
６  擬似細胞膜センサ試料水供給バルブ
８  溶存酸素電極
９  微生物膜
１０  出力処理部
１１  基質溶液タンク
１２  洗浄液タンク
１３ａ〜１３ｄ  バルブ
１５  擬似細胞膜
１６  電極
１７  膜電位測定槽
１８  膜電位測定装置
１９  演算装置
２０  校正水供給手段
２１  採水タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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