研究レポート
マイクロバブルによる生物付着抑制技術の開発
エネルギア総合研究所 環境技術担当 柳川 敏治*1
流通事業本部 土木計画担当 米田真梨子
電源事業本部 火力電気技術担当 加世堂栄彦

1

まえがき

マイクロバブル（以下MB）とは直径が50μｍ以下の微小気泡であり，通常の気泡が水中を急速に上昇して水面で破裂，消滅するのに対して，ゆっくりと上昇し，内部気体を水中に溶解させながら縮小し，一部は水中で消滅するのが特徴である（図1）。水中に導入した気体を無駄なく溶解させることが可能であることから，湖沼，河川の溶存酸素改善を通じた水質浄化方法，魚介類養殖における酸素添加方法として実用化されている。
また，MBは表面に電荷を帯びており，水質条件に応じて，縮小過程において気液界面に電解質イオン類が濃縮することで，気泡内部に含まれる気体の溶解が著しく抑制され，ナノサイズの気泡（ナノバブル）として残存する場合がある（1）。この特性を利用して殺菌能力が長期間持続するオゾンナノバブル水が市販されている。
一方，当社では，グループ会社を中心に平成10年頃からMBによるダム貯水池における水質浄化技術の開発を進めており，この技術を派生させた形で，平成18年から火力・原子力発電所海水系統におけるMBを用いた新規付着生物対策の開発を進めてきた。
空気，窒素およびCO2MBについて基礎検討を実施した結果，CO2を用いた場合に有効な結果が得られた
ことから，本報告ではCO2MBによる試験結果を報告する。
なお，
CO2は動物全般に対して麻酔効果を有することが知られており，活魚輸送への応用が検討されている（2）。
CO2は海水中にもともと一定濃度存在することもあり，殺傷効果ではなく麻酔効果に基づいた環境安全性の高い生物付着抑制方法につながることが期待できる。
破壊2

研究成果

（1）最適なマイクロバブル発生装置の選定について
MB発生装置には加圧溶解式，エジェクター式，回転攪拌式，旋回流式等様々な方式が考案され，実用化されている（2）。しかし，実海域での使用を前提とすると，懸濁物や固形物が存在しても閉塞せず連続的にMBを発生させる必要があるため，MBの発生密度だけではなく，耐久性についても考慮に入れる必要がある。本研究では，後述する屋外模擬水路試験においては，野外で長期間の運用実績のあるYJ型MB発生装置（バイ・クリーン社製）を選定した。一方，室内試
験においてはYJ型と発生方式が類似しているアクアエアー社製小型MB発生装置を用いた。人工海水（アクアマリンS 八洲薬品製），CO2ガスの条件での発生MBの粒径分布（パーティクルカウンタ LIQUOZ
E20P パーティクルメジャーリングシステム社製により計測）を図2，図3に示す。いずれの装置もポンプによる水流で気体を吸引し，ノズル部分から水流とともに30μｍの粒径に密度ピークを有するMBが放出され，海水が白濁した状態となった。

図2

YJ型における粒径分布

発生条件：人工海水100L，CO2ガス流量2L/min

消滅

上昇
持続縮小
通常の気泡

図1

ナノバブル
マイクロバブル
直径50μm以下（0.05mm）

マイクロバブルの縮小とナノバブルの残存※Cのマイクロバブルが縮小，消滅

図3

小型MB発生装置における粒径分布

発生条件：人工海水5L，CO2ガス流量0.1L/min

現所属 *1 流通事業本部 岡山土木担当
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マイクロバブルによる生物付着抑制技術の開発（2）アカフジツボ幼生の遊泳阻害試験
フジツボ類やイガイ類をはじめ，多くの付着生物は浮遊幼生期を経て付着へと至るが，幼生が遊泳できない環境条件が明らかになれば，付着を防止できる可能性が高い。このことから，本研究においては，アカフジツボの幼生を対象として遊泳阻害試験を実施した。
アカフジツボは，殻底径が5cmに達する大型のフジツボであり，火力・原子力発電所の海水冷却水取水路に密集して付着することから，主要な防除対象種とされている。アカフジツボの幼生を図4，成体および水路への付着状況を図5に示す。

図4

アカフジツボの幼生

左：ノープリウス幼生，右：付着期幼生

図5アカフジツボの成体および水路付着状況

遊泳阻害試験では飼育環境下で得られたアカフジツボ幼生を用いた。付着防止を目的とした試験であるため，本来であれば付着期幼生を試験に用いる必要があるが，付着期幼生は遊泳速度が速いうえ，動作が断続的であるため，影響を受けた個体と受けていない個体の判別が困難である。一方，付着期幼生へと変態する前の幼生であるノープリウス幼生は遊泳速度が遅く，付属肢を常時はげしく動かしていることから，一度にまとまった数の個体について肉眼観察下で遊泳状況を確認することが可能である。
本試験においては，大崎発電所周辺海域において得られた成体アカフジツボから孵出させた幼生を4～5日間珪藻Cheaetoceros gracilis を給餌しながら飼育し，肉眼でも遊泳状況を確認可能な大きさ（約400μｍ）まで成長させたノープリウス幼生を用いた。
試験海水は，目合い0.45μｍのフィルターでろ過した人工海水5LおよびCO2ガス流量0.1mL/minの条件下で上述の小型MB発生装置を一定時間稼動させることにより調製した。調製した試験海水から100mLをビーカーにとり，アカフジツボノープリウス幼生をピペットを用いて投入し，1分および5分経過後に遊泳が停止している個体数をカウントした。カウント終了後に350mmol/Lの塩化マグネシウム水溶液を試験水と同量添加し，すべての個体を麻酔した上で，供試個体数（全数）を改めてカウントし，遊泳阻害率を算出した。小型MB発生装置の稼動時間は，試験①：40秒，試間（pH7.6～7.9，溶存CO2ガス濃度2～5mg/L）
験②：2分間（pH6.3～6.9，同40～80mg/L），試験③：5分間（pH6.0～6.2，同100～160mg/L）の３通りとした。また，試験水の採取のタイミングはMB発生装置稼動前（対照区），停止1，10，20および30分後とした。試験は3回ずつ実施し，各試験には約30個体の幼生を用いた。なお，試験時の水温は21～23℃で，すべての試験において溶存酸素濃度は6.8mg/L（飽和度98％）以上であった。
遊泳阻害試験の結果を図6に示す。

試験①：稼動時間40秒間（pH7.6～7.9，溶存CO2ガス2～5mg/L）

試験②：稼動時間2分間（pH6.3～6.9，溶存CO2ガス40～80mg/L）

試験③：稼動時間5分間（pH6.0～6.2，溶存CO2ガス100～160mg/L）
図6 遊泳阻害試験の結果＊は対照区（暴露時間別）と有意水準0.05で有意差あり＊＊は対照区（暴露時間別）と有意水準0.01で有意差あり（逆正弦変換後，Tukey-Kramer検定，バーは標準偏差）エネルギア総研レビュー No.31

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研究レポート

試験①では，停止1分後に採取した海水の暴露1分後のみで高い遊泳阻害率が確認され，対照区との有意差が確認されたが，暴露5分後には遊泳阻害率は低下した。一方，試験②ではいずれの試験区においても対照区との有意差は確認されなかった。試験③では，暴露5分後でいずれの試験区においても高い遊泳阻害率が確認され，対照区との有意差が確認された。また，MB発生後，時間が経過すると遊泳阻害率が若干低くなる傾向がみられた。
試験③において暴露5分後に高い遊泳阻害率が確認されたのは，溶存CO2ガスの有する麻酔効果に由来すると考えられた。この麻酔効果は比較的遅効性であり暴露1分後から徐々に遊泳阻害効果が進行していく様子が観察された。具体的な濃度で評価するため，試験①，②，③において遊泳阻害率が安定した後のMB発生装置停止10分後の試験海水に5分間暴露した際の遊泳阻害率を抜粋し，薬剤の毒性試験において用いられるプロビット法により解析した結果，半数遊泳阻害となる溶存CO2ガス濃度（IC50）は111mg/L（pH6.2）と推定された。
一方，試験①のMB発生装置停止直後にみられた即効性があり持続性のない遊泳阻害については，明確な原因は不明であるが，（独）産業技術総合研究所に
お い て ナ ノ 粒 子 解 析 シ ス テ ム（Nanosight LM10
カンタムデザイン社製）による方法および電子スピン共鳴測定装置（esr33 キーコム社製）を用いた方法（1）により，本試験と同条件でCO2MBを発生させ，ナノバブルを計測したところ，試験①の停止直後に採水した試験水の採水1分後の計測においてのみ粒径300nmを中心とするナノバブルが計測された。このことから，
試験①で確認された即効性があり，比較的短期に減衰する遊泳阻害とナノバブルになんらかの関連性のあることが推測された。
本試験で用いたMB発生系は，約1分間で1回転循環するが，一旦発生したナノバブルが発生装置に再循環するとナノバブルが消失する可能性や，MB周囲の溶存CO2ガス濃度が高くなると，縮小速度が遅くなり，ナノバブルの形成が抑制されることが原因として考えられるが，詳細は不明である。
（3）屋外模擬水路試験
遊泳阻害試験の結果等から，CO2MBにより生物付着抑制効果が得られる可能性が高くなったことから，天然海水を用いた屋外模擬水路試験を実施した。
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総研レ�ュー31号CS3.indd 12（独）水産総合研究センター瀬戸内海区水産研究所
屋島庁舎において平成23年4月27日～6月27日までの62日間，水路試験を実施した。試験水路は，内径65mm長さ60cmの塩ビ製観察配管に試験海水を連続的に流入させる構造とした。また，試験に用いた海水は屋島湾において水中ポンプでくみ上げたものを使用し，上述のYJ型MB発生装置を用いて調製した高濃度のCO2MBを含む海水を，生海水を用いて一定の割合で希釈することにより設定濃度に調整した。試験装置
は，遊泳阻害試験の結果に基づき，MB発生装置への再循環が生じないように，発生したMBが速やかに観察配管へ流入する構造とした。
溶存CO2ガス濃度の設定は無処理の生海水を対照区），とし，高濃度区（ｐH6.6，溶存CO2ガス濃度40mg/L，中濃度区（ｐH7.0，同20mg/L），低濃度区（ｐH7.7，同10mg/L）に設定した。pHおよびCO2ガス濃度は試験期間中多少の変動が生じたが，定期的にｐHメー
ターおよびポータブル溶存炭酸ガス計（OxyGuard
CO2 ケーエンジニアリング社製）により計測し，CO2ガス供給量を調整した。また，塩ビ管内の流速は付着生物全般が付着しやすいとされる0.1m/secに設定した。試験期間中を通じて溶存酸素濃度は5.8mg/L（飽和度82％）以上であった。試験設備の構成図，写真を図7に示す。

図7 試験設備の構成図（左），全体写真（右上）および観察配管（右下）

試験終了時の配管内の生物付着状況を図8に示す。
試験終了時，二枚貝類ではキヌマトイガイ，フジツボ類ではサンカクフジツボ，コケムシ類，管棲多毛類棲管，群体ホヤ類の付着が確認された。対照区における配管60cmあたりの付着生物の湿重量は238gであった（図9）。湿重量は低濃度区では対照区の85％，中濃度区は38％，高濃度区は13％であり，CO2MBの濃度に依存して低くなる傾向がみられた。
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マイクロバブルによる生物付着抑制技術の開発

防除対策上の重要種である二枚貝類とフジツボ類
は，中濃度区以上でほぼ完全に付着が抑制された（図10,11）。対照区でフジツボ類の付着個体数が少なかった理由は不明であるが，コケムシ類等他種との相互作用が影響していると考えられる。
本 試 験 に よ り， 溶 存CO2ガ ス 濃 度20mg/L以 上（pH7.0付近以下）で生物付着抑制効果が得られることが確認された。

図8

試験終了時の配管内の生物付着状況

図9

図10

試験終了時の付着生物の湿重量

試験終了時のフジツボ類の付着個体数

3

あとがき

遊泳阻害試験と屋外模擬水路試験の結果を比較すると，遊泳阻害試験においては半数遊泳阻害となる溶存CO2ガス濃度（IC50）は111mg/L（pH6.2）と計算されたが，屋外模擬水路試験ではより低い濃度である中濃度区の20mg/L以上（pH7.0付近以下）で一定の付着抑制効果が確認された。遊泳阻害と付着抑制は別な指標であり，対象種も異なるため単純に比較できな
いが，遊泳阻害はより厳しい評価指標であり，遊泳阻害される条件であれば，付着が抑制される可能性が高いものと推測される。また，屋外模擬水路試験では発生直後のMBが水路に流入するため，より効率的に効果を及ぼすことができた可能性もある（遊泳阻害試験。のIC50は発生10分後に幼生を暴露した場合）
一方，屋外模擬水路試験においては，低濃度区での著しい付着抑制効果はみられず，遊泳阻害試験①で確認された「即効性があり，比較的短期に減衰する遊泳阻害」に由来する付着抑制効果は確認されなかった。
この効果がナノバブルに由来するとすれば，MBの縮小過程に左右されることになり，MBの発生条件や水質等の影響を受けやすいと考えられる。しかし，非常に少ないCO2注入量で付着抑制効果が得られる可能性があることから，実海域のように水質が変動する条件においても安定して効果が得られる注入方法について検討する余地があるものと考えられる。
なお，本研究ではCO2MBと次亜塩素酸ナトリウム溶液注入との併用による効果についても遊泳阻害試験および屋外模擬水路試験を実施した。本報告ではページ数の都合により報告できないが，今後，別な機会に報告したい。
最後に本研究を進めるにあたり，ご指導，ご協力を賜った共同研究先の（独）産業技術総合研究所 高橋
正好主任研究員，（独）水産総合研究センター 瀬戸
内海区水産研究所屋島庁舎増養殖部養殖グループ 山
本義久グループ長および今井正研究員に深く感謝を申し上げます。
［参考文献］（1）高橋正好（2009）マテリアルインテグレーション，
22
（5）
，
2-19.
（2）竹田達右・板沢靖男（1983）日本水産学会誌，49（5），
725-731.

図11

試験終了時の二枚貝類の付着個体数

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総研レ�ュー31号CS3.indd 13（3）上山智嗣・宮本誠（2006）「マイクロバブルの世界」工業調査会
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