うなぎセンサーによるリバーフロント研究所長 小池 達男
パシフィックコンサルタンツ株式会社 阿久根 徹
水質管理装置の開発 アクアテック株式会社
衛藤 俊司
アクアテック株式会社

秋山仁

観測しやすい１．
はじめに・生存力が強く、過酷な環境にも対応できる・餌を食べなくても２〜３ヶ月生存できる

現在、有害物質に関する水質基準では「人の健康の保護・養殖されているため、比較的容易に入手可能かつ安価

これに関する環境基準」
により23項目が定められている。
らの有害物質には重金属、農薬、化学合成物質等が含まれであるている。
しかし、現在様々な分野で利用されている全ての本研究では、有害物質を検知するウナギを用いた生物センサーにより水質を連続自動観測するための装置を開有害物質が網羅されているわけではない。

発し、その有効性を確認した。

有害物質が水域に流出してくるときは、その発生が不特定な場所や時間であるため、連続監視が望ましい。
しか２．
ウナギセンサーによる水質管理のシステム

し、連続観測が可能なセンサーは現在のところシアンしウナギセンサーを用いて連続水質監視を実施する場合かない状況であるため、また、センサーができたとしてものシステムの概略を以下に示す。

23種類のセンサーを用いて連続監視することは非現実的

まず、ウナギセンサーにより有害物質の流下が検知さである。

れる。直ちに、取水ポンプが稼働して採水がなされ、有害

そこで、個々の有害物質は流出時に特定できないが、流出してきたことを速やかに検知するためには、生物セン物質の特定分析に供される。
それと同時に、電話回線等をサーが適している。水質管理を目的とした生物センサー通じて通報がなされる。
通報により、下流にある工場や浄には、ほとんどが魚を用いてきた。
有害物質の検知には魚水場などの取水を行っているところは取水を停止する等の生態反応、つまり、有害物質が流れてきたときに示す忌の対応を速やかにとることができる。
また、事故調査が速避反応が用いられてきた。この忌避反応では、無味、無臭やかに実施されることになる。
採水された水は分析室に持ち帰られ、毒性解析手順にの有害物質では反応しない場合、もしくは、反応が見分け基づいて、対象水に含まれる有害物質の種類と濃度が特られない場合がある。

定される。

これに対して、心拍数、魚の鰓蓋運動といった生理反応は無味無臭の有害物質に対しても起こる。
生理反応の内、事前にウナギセンサー設置点より上流にある工場等の鰓蓋運動よりも心拍数変化の方が水質変化に敏感である

分布と使用物質を把握しておけば、毒性解析の結果と合ことがわかっている。
この心拍数変化を捉えるためには、

わせ、速やかに有害物質を流出させた機関を特定し、警告魚の体内に電極を埋め込む方法が検討されてきた。しかを発することが可能となる。
よって、有害物質の流出の再し、この方法では手術のために魚の寿命が短くなる、埋め発防止に非常に有効である。
この一連の流れを図−1に示す。

込みによる感染症により心拍数が変化してしまう等の問題があり、実際には適用できない。
この問題を解決するためには、魚の体外から心拍によ田畑工場る電位を測定して、心拍数の変化を捉えればよい。ただP採水し、今まで検討されてきた鯉、鮒、鮎は電極を埋め込まな流入支川
ウナギセンサー

くては電位を捉えられず、もっと大きな心拍電位を発生本できる魚が必要である。
そこで、
電気ウナギのように元々

川毒性なし

毒性あり警報発信

大きな心拍電位を発生できる魚として、ウナギを選定し採水た。

毒性解析

生物センサーとしてのウナギの利点は、以下の点で水質管理としての適正、維持管理が優れているためである。

有害物質の種類の特定及び流出対象発生源の推定

・心拍発生電位が大きく、外部電極で捉えられる・他の魚に比べ、味覚･臭覚･化学反応に敏感である

原因究明

・暗いところを好み筒の中に入り、動きが少ないために

図−1

12

ウナギセンサーによる水質管理のシステムである。これらの条件を決定するために、図−3に示した

３．
ウナギセンサーによる水質管理装置

測定槽を用いて実験を行った（実際の様子を図-4に示す）。ウナギを入れる部分は3cm径の円筒である。

今回製作した水質管理装置は、実際に現地に設置できるものである。
この装置を用いて、有害物質の検知実験を実施した。実験については、次の項でのべ、ここではウナギセンサーを用いた水質監視装置について述べる。
３−１・ウナギセンサーの構成
今回作製したウナギセンサーの主構成を図−2に示す。
採水部
異常を感知した場合のみ採水
採水の指示
対象水

受水部

温調・酸素供給部

図−2

ウナギセンサーの主構成

検知部
測定槽

排水

図−4

ウナギセンサーの測定槽の写真

ウナギを測定槽（図−3参照）に入れてセットし、検知部
実際にウナギを測定槽に設置して、上述した①〜⑤にを稼働させて心拍数の計測が行われる。ある範囲に検知関して実験を実施し、以下の条件を決定した。

部の数値を設定して、その範囲を超える場合には異常とする。すなわち、有害物質の流下と見なし、取水ポンプが・流速（①、②、⑤に関係）稼働し、採水されることになる。

3cm/sec

試薬投入・流量（①、②、⑤に関係）

ウナギの長さに合わせて移動ウナギの胴回りに合わせる。
流速3cm/secになるように調整する。
・ウナギの胴回り（③、④に関係）
流入

流出

図−3

３−２

3cm槽で胴回り7〜8cm

ウナギセンサーの測定槽の概略図

３−３

測定槽

ウナギセンサーを用いた水質管理装置の仕様

今回作製した装置の仕様を表−1に示す。また、装置の測定槽はウナギを設置して心拍数を計測する心臓部外観を図−5に示す。

である。そのため、装置の中で最重要部分である。今回の装置開発に当たり、この測定槽でウナギを設置して安定

４．
ウナギセンサーによる有害物質検知実験

的に心拍数を計測できるために以下の条件を検討した。
①糞やゴミが溜まらないこと

４−１②ウナギが泳がないこと

外的要因による影響把握実験

水質管理装置を実際に設置した場合には、場所によっ③測定槽にウナギが接触して動かないこと④ウナギが反転したり、飛び出さないことては、自動車による騒音や振動、また、流下水の水温変化⑤ウナギに十分な酸素を供給すること

等の外的要因による擾乱が必ず存在する。
そのため、この外的擾乱がウナギセンサーにどのような影響を与えるか①〜②は流量と流速に関係し、③〜④はウナギと槽のを実験により確認した。

関係（ウナギの大きさ、槽の大きさ・形状）、⑤はウナギ想定した外的要因は以下の５つである。
ただし、溶存酸を活かしておくために必要な条件（流量と流速に関係）
13

表−1

装置の仕様

表−2

外的要因による影響実験結果

要 因 実験条件
内容
水温変化 水 温 1 0℃ 温度上昇に比例して心拍数は上昇から20℃/ 10℃変化：
時 間 の 割 10回/分→75回/分
合で上昇 20℃以上で心拍数安定
飽 和 度 1 0 溶存酸素減少により心拍数は徐々DO％まで窒素 に変化
ガ ス で 減 飽和度100％→25％：
少45回/分→35回/分
3 秒 で5 回 １分以上、心拍数への影響は続か
騒音
金属音ない
測 定 槽 を 騒音より短時間で心拍数への影響
振動
強く振動さ が消えるせる
昼夜の変 1 2 時 間 の ほとんど心拍数に影響しない
明 暗を与化える

項 目サイズ

内容3
全体：L1300×W650×H1650mm（キャスター部分を含む）
3
測定槽：L900×W100×H100mm（内寸）１槽
採水容量：10㍑×１個
装置重量：400kg
重量
運転重量：480kg（水を含む）
心拍数：5〜200回分
センサー
エアーポンプ 最大空気量：12（50Hz）〜14（60Hz）r/min〜17（60Hz）r/min
給水ポンプ 最大流量：15（50Hz）
ヒーター電源：200V、20A使用電源
操作電源：100V、10A

４−２

有害物質の検知実験

人の健康に係わる環境基準23項目を中心に以下に示した実験に供した有害物質を選定した。
残留塩素

シアン化物イオンカドミウム

酸性水･塩基性水

トリクロロエチレン

四塩化炭素

テトラクロロエチレン

1,1,1-トリクロロエタン

シマジン

チラウム

チオベンカルブ

六価クロム

素（DO）
はDOセンサーにより監視可能であり対処できる

セレン

ヒ素

が、ウナギにどのような影響を与えるかを確認するため

鉛

フッ素に選択した。

1,2-ジクロロエタン

1,1-ジクロロエチレン

ジクロロメタンベンゼン

図−5

ウナギセンサーの全体写真①水温変化 ②DO ③騒音④振動⑤昼夜の変化

1,3-ジクロロプロペン

実験結果を表−2に示す。

工場等から有害物質が流出するその流下過程で希釈率以上の結果より、ウナギセンサーに具備すべき条件がが上昇しながら流下することとなる。

把握できた。

そこで今回の実験では、有害物質の濃度を希釈率を変

1) 水温：20℃以上に確保するえて調整し、実験濃度を設定した。

2) 生存させるためにバッキによりDOを供給する
また、騒音、振動の影響をカットするには、ウナギの心これらの有害物質を含んだ水をウナギセンサーに流拍数における異常検出初期30〜60秒の数値を読みとらし、その反応を実験により求めた。
得られた実験結果をとず、1分以降の数値を対象にすることで対応可能であるこりまとめて表−3に示す。
有害物質の種類で、ウナギの心拍数の変化は異なる。
変とが判明した。

化を大別すると心拍数が減少・下降するものが21物質中12物質と60%。
心拍数が増加・上昇するのは4物質の20%。
14他に、心拍数が激変する、即ち、異常に増減を繰り返した

トリクロロエチレン（1ppm）

り、また、無反応なものもあった。
無反応なものは、農薬の10090

シマジンであり、これは植物の光合成に影響を与えるが、心拍数（拍／分）80

魚には影響を与えないためである。
しかし、甲殻類には毒性がある。
このように魚には毒性がなく、甲殻類に毒性を持つ農薬については、今後検討していく必要がある。

7060504030

心拍数の変化の例を図−6に増加、図−7に減少の場合

20

薬物投入10を示す。

0以上より、ウナギの正常な心拍数及び有害物質が存在

control

371115192327

経過時間（分）し、心拍数が減少・下降する場合と心拍数が増加・上昇する場合の結果はそれぞれ以下となることがわかった。

図−6

心拍数の増加の例（トリクロロエチレン）− 40〜50拍／分・正常・減少・下降 − 25拍／分以下

ヒ素（標準液：金属換算20ppm）

・増加・上昇 − 65拍／分以上

10090
心拍数（拍／分）

80

表−370
薬物投入

60504030

有害物質検知実験

2010

変化の区分

有害物質名

正常 有害物質無し
減少、 残留塩素
下降 シアン化物イオン
カドミウム
酸性水・塩基性水
テトラクロロエチレン
チラウム
チオベンカルブ
六価クロム
ヒ素
鉛
上昇

激変

反応濃度
結
果（ppm）−
10〜50拍/分

1,1-ジクロロエチレン
1,3-ジクロロプロペン

250 100拍/分以上
2,500 100拍/分以上

傾向無し

1,1,1-トリクロロエタン

4

8

12

1620

2428

経過時間（分）図−7

心拍数の減少の例（ヒ素）

５．
ウナギの検定５−１

ウナギの検定の必要性

ウナギによる有害物質の検知は、使用するウナギの個体数を増やせば精度を向上させることが可能である。しかし、複数のウナギを用いることは、

20 7拍/分以下
472 8拍/分以下
360 21拍/分以下
1 20拍/分以上
8,820 100拍/分以上

ジクロロメタン
シマジン

control

0.1 38拍/分以下
0.4 20拍/分以下
10 16拍/分以下
pH4、 pH4:15拍/分以下
pH10 pH10:20拍/分以下
10 24拍/分以下
6 25拍/分以下
20 10拍/分程度減少を示
すがすぐ回復920 28拍/分以下

フッ素
トリクロロエチレン
1,2-ジクロロエタン

セレン
ベンゼン

0・装置：大きくなる、複雑になる、高価になる・ウナギの管理：面倒になる、個体差が大きく正常の設定が困難等の問題があり、可能な限りウナギ1匹の使用が良い。
よって、センサーとしての信頼性を維持し、ウナギの個

727 0〜100拍/分
1.6 100拍/分以上にすぐ変化

体差の問題を解決するためには、事前にウナギの心機能を検査し、センサーに適したウナギを選別する必要があ6,500 計測不可

る。

10まで

そこで、センサー用のウナギを選別するための実験を下降と固体差有60 上昇、り行い、ウナギの検定条件を決定した。
検討した条件は以下四塩化炭素の４条件である。
15

①通常時のウナギの心拍数と変化パターンある。

②通常刺激（音、振動）

その方法として、心拍数の変化ではなく、心臓の活動③心拍数が減少する毒物検査（残留塩素、シアンイオの変化を利用できる。これは、有害物質が流入したときン）に、ウナギの心拍数の変化としては捉えられなくとも、④心拍数が増加する毒物検査（1,1,2-トリクロロエタン、心臓の活動が変化する、即ち弱く拍動したり、強く拍動トリクロロエチレン）
５−２したりする状況を心拍電位の変化として捉える方法であり、心拍数の変化よりも感度が高い。この現象は、実験検定手順及び方法中の心電図からその可能性が示唆されていた。
今後は、心拍の電位変化を取り入れたより精度の高いウナギの検定手順と方法を以下のように決定した。下ウナギセンサーにしていく予定である。

記の検定に合格したウナギをセンサーに用いることで、また、今回の実験で判明した魚には毒性を及ぼさない1匹のウナギでセンサーの稼働が可能である。
①ウナギのサイズ：胴回り-7〜8cm、体重-120〜150g

が、甲殻類には毒性を及ぼす有害物質の検知方法につい②検定水温：25℃て検討していく予定である。さらに、今回行ってきた実③平常時の心拍験では、１種類の有害物質に対するウナギセンサーの有セットから24時間 １時間の平均心拍数：40拍/分

効性だけではなく、複数の有害物質に対する（金属と有〜50拍/分

機化合物、心拍を減少させるものと増加させるもの等）場合についても、検討を行っていく予定である。

④心拍数が減少する毒物検査・残留塩素：10ppm

７．
謝辞

心拍数の減少→平常時平均の50％以上
かつ、15分間以上の持続本研究では基本的な考え方から実験方法等について、
広島大学 難波 憲二教授（生物生産学部 水族生理研

・シアンイオン：1ppm

究室）にご指導を頂きました。ここに謹んで感謝の意を特別に必要な場合のみ、変化は残留塩素と同じ⑤清水を流し、12時間以上の快復をはかる表します。

⑥心拍数が増大する毒物検査
・トリクロロエチレン：10ppm
心拍数の増加→平常時平均の40％以上 かつ、6分間以上の持続・1,1,2-トリクロロエタン：100ppm
特別に必要な場合のみ、変化はトリクロロエチレンと同じ
６．
今後の課題
ウナギの心拍数の変化を外部電極により検知することは実験により確認することができた。
その結果を用いて、前項ではウナギセンサーの基本緒元を設定した。
しかし、心拍数のみでは有害物質に対する応答が、・小さすぎて検知できない・心拍数の変化に出ない有害物質の存在・心拍数の変化に出ない低濃度であるため、現在のウナギセンサーでは有害物質を検出できない場合がある。
そこで、より精度を高める必要が16