『愛媛大学社会共創学部紀要』第６巻第２号

論

2022年

p.22－29

説

銅イオン担持ガラス繊維シートによる有害植物プランクトンの殺藻効果
福垣内丸 山竹 内清 水颯久園

暁（紙産業イノベーションセンター）
己（農学研究科）
登（南予水産研究センター）子（南予水産研究センター）

Algicidal Effect of Cu-ions-loaded Glass Fiber Sheet on Harmful Algae
Satoru FUKUGAICHI（Paper Industry Innovation Center）
Satsuki MARUYAMA（Graduate School of Agriculture）
Hisato TAKEUCHI（South Ehime Fisheries Research Center）
Sonoko SHIMIZU（South Ehime Fisheries Research Center）
キーワード：赤潮、プランクトン、殺藻、銅イオン、ガラス繊維
Keywords: red tide, algae, algicidal effect, Cu ions, glass fibers【原稿受付︰2022 年 7 月 22 日

受理・採録決定︰2022 年 8 月 1 日】

要旨
愛媛県は魚類の養殖が盛んであるが赤潮の発生による大きな被害が問題となっている。赤潮の防除策として、粉末状粘土鉱物の散布による除去が緊急的な措置として使用されているが使用後の回収が不可能であり、環境への負荷が懸念されている。そこで本研究では、回収可能な銅イオン担持ガラス繊維シートを有害植物プランクトンである、カレニア・ミキモトイ（Karenia mikimotoi）、及び、コクロディニウム・ポリクリコイデス（Cochlodinium polykrikoides）に適用した結果、銅イオン担持ガラス繊維シート暴露 24 時間後には、カレニア・ミキモトイの細胞数は 90 ％減少した。また、全ての正常細胞が異常細胞に変化し、最終的に完全消失した。一方、コクロディニウム・ポリクリコイデスでは 80 ％以上の細胞数の減少は確認されたが、異常細胞は 6 ％以下で大部分は正常細胞であった。試験後の培地水溶液中に銅イオンが検出されたことから、銅イオンがプランクトンの細胞状態に影響を与えたと考えられるが、銅イオンへの感受性は、カレニア・ミキモトイとコクロディニウム・ポリクリコイデスで異なることが示唆された。

1．緒言
現在、日本の水産業の 23 ％を養殖業が支えている（貝類、海藻類含む）1-2 ）。その中でも愛媛県は大きな役割を担っており、1978 年から 2018 年まで、愛媛県は魚類養殖生産量が全国 1 位、また 2014、2015 年（全国 2 位）を除き魚類養殖産出額も全国 1 位であった 3）。
特にマダイの養殖は盛んであり、全体の半数以上が愛媛県で養殖されている。愛媛県と大分県に挟まれた水道（豊後水道）の愛媛県側に位置する宇和海は日本有数のリアス海岸であり 4 ）、波や風が穏やかで水深も深いことから養殖に適した地形であるとされている。
また、黒潮の影響で年間の水温の変化が小さくプランクトンも豊富である 5-6 ）。
その一方、入り組む閉鎖的な海域は海水の入れ替わりが少ないため汚れやすく、甚大な漁業被害となる赤潮の発生が問題となっている 7 ）。赤潮とは、水中の微小生物、特に植物プランクトンの生態系のバランスに反した大量増殖や集積の結果生じる海水の着色現象－ 22 －

『愛媛大学社会共創学部紀要』第６巻第２号のことである 8 ）。プランクトンが増殖する原因は、水温・pH・塩分濃度などの物理的環境が増殖に適した環境となることと、産業排水・生活排水に含まれる窒素やリンなどの細胞を構成する元素である栄養塩類の流入多寡（富栄養化）である 9 ）。宇和海では主に 5種の赤潮プランクトンが被害をもたらしている 10 ）。
現在の赤潮の防除策として、粘土鉱物の散布による除去は緊急的な措置として使用されている 11 ）。しかし、粘土鉱物は粉末状であるため使用後の回収が不可能であり、環境への負荷が懸念されることが最大の問題点である。従って、回収が可能であり、緊急対応型の赤潮除去剤が必要とされている。そこで、本研究では、銅イオンが担持されたガラス繊維シートを作製し、これが有害プランクトンである、カレニア・ミキモトイ（Karenia mikimotoi，以下 Km）、及び、コクロディニウム・ポリクリコイデス（Cochlodiniumpolykrikoides，以下 Cp）に与える影響を検証することを目的とする。
2. 実験
2.1 銅イオン担持ガラス繊維シートの調製
本 研 究 で は、 ユ ニ チ カ（ 株 ） 製 の E ガ ラ ス 繊維（SiO2：52-26 ％、Al2O3：12-16 ％、CaO：15-25 ％、B2O3：5-13 ％）が編み込まれたガラス繊維シートを使用した。以後、未処理のガラス繊維シートを UNT-Gと表記する。顆粒状の水酸化ナトリウム（和光純薬工業（株）製特級試薬）で 3 mol/L 水酸化ナトリウム水溶液 1.8 L を調整し、82 g の UNT-G とともに、容量2.9 L のポリプロピレン製耐熱容器に入れ密閉した。
この容器を定温乾燥機（OFT-450B、アズワン（株））
で 60 ℃、24 時間加熱し、加熱後のガラス繊維シートを蒸留水で pH が 10 付近になるまで洗浄し、105 ℃で24 時間以上乾燥させた。得られたガラス繊維シートを ALK-G と表記する。銅イオンを担持するために、
82 g の ALK-G と硝酸銅（Ⅱ）三水和物（和光純薬工業（株）特級試薬）で調製された 1.8 L の 0.01 mol/L硝酸銅水溶液（株）を 2.9 L のポリプロピレン製耐熱容器に入れ、72 rpm に設定された振とう機（TS-10、タイテック（株））で、室温下 24 時間振とうさせた。
振とう後定温乾燥器で 105 ℃、24 時間以上乾燥させた。以後、銅イオンを担持したガラス繊維シートをCu-G と表記する。また得られた Cu-G をマッフル炉（FM-37、ヤマト科学（株））で大気下 300 ℃、2 時間加熱した。以後、Cu-G を加熱したガラス繊維シートを CuB-G と表記する。Cu-G に担持されている銅イオンを定量するために誘導結合プラズマ発光分光分析装置（iCAP、Thermo Fisher Scientific 製 ）（ 以 下 ICP分析装置と表記）を用いて、Cu-G 作製前後の硝酸銅2022水溶液中の銅イオンを定量した。加えて、ALK-G に銅を担持した際に、ALK-G から溶出してきた陽イオン種の定性・定量を行った。
2.2 特性評価
各種サンプルの表面観察及び元素分析を走査電子顕微鏡（SEM-EDS 分析：JSM-IT100、日本電子（株））で行った。SEM 観察は加速電圧 5 ～ 10 kV で二次電子像を観察した。SEM 観察には前処理としてオートファインコーター（JEC-3000FC、日本電子（株））を使用し 30 mA で 90 秒間白金蒸着させた。EDS 分析の際は白金蒸着を行わなかった。
各種シート状試料の結晶構造分析を、X 線回折装置（Ultima Ⅳ、（株）リガク製）で行った。測定は
CuKα線を用いて開始角度 3 °、終了角度 60 °、サン
プリング幅 0.02 °、スキャンスピード 2 °/ 分、電圧40 kV、電流 40 mA で行った。各種シート状試料の表面分析をフーリエ変換赤外分光光度計（Spectrum
Two システム A、（株）パーキンエルマージャパン）を用い、全反射測定法（Attenuated Total Reflection法：ATR 法）で行った。ALK-G の熱特性を熱重量 示差熱分析（TG-DTA 分析：Thermoplus TG 8120、（株）リガク製）で行った。大気環境下、昇温速度20 K/min で 1000 ℃まで上昇させた。
2.3 溶出成分の分析
供試プランクトン培養用の改変 SWM3 培地 12 ）（愛媛県愛南町の海水にリンやナトリウム、亜鉛やコバル
ト等の微量金属を添加した水溶液；以下培地）30 mLに Cu-G 0.30 g 及 び Cu-B-G 0.32 g を 浸 漬 さ せ、 小 型
レシプロシェーカー（NX-10N、（株）日伸理科）で50 rpm、24 時間振とうさせた後の水溶液中に含まれる元素を、ICP 分析装置で分析した。
2.4 供試プランクトン
Km は 2020 年 9 月 に 愛 媛 県 宇 和 海 か ら 採 取 し、愛媛大学南予水産研究センターにて分離培養した
UKM001 株 を 使 用 し た。 ま た、Cp は 九 州 大 学から譲渡された CP-OI-3.5 株を使用した。これら供試プ
ランクトンは培地を用いて培養（水温 20 ℃，光強度100 µmol photons m-2 s-1，明暗周期 14 h：10 h）し、これを培養液として一部を次の殺藻試験に用いた。
2.5 プランクトン殺藻試験
プランクトンの細胞数を 1000 cells/mL 程度に調整した培養液を細胞培養 6 well プレート（well 内径：φ 34.5 × 17.2 mm）（以下 well プレートと省略）の各
well に 2.8 mL ずつ添加し（株）PHC 製グロースチャ－ 23 －

銅イオン担持ガラス繊維シートによる有害植物プランクトンの殺藻効果

図1

各種試料の SEM 像 （a）UNT-G、（b）AlK-G、（c）Cu-G、（d）CuB-G

図2

Cu-G の SEM-EDS 分析結果 （a）SEM 像（b）EDS 分析 Cu マッピング

ALK-G（図 1（b））では、繊維表面が花びら状の形態に変化した。Cu-G（図 1（c））も花びら状の形態を維持しており、CuB-G（図 1（d））も変化はなかった。
図 2 に EDS 分析で得られた Cu-G の銅マッピング像を示す。担持された銅イオンはガラス繊維表面に均一に分散していることが確認された。
図 3 に XRD 分析結果を示す。いずれのサンプルとも非晶質の特徴であるブロードな回折ピークが確認された。ALK-G（図 3（b））
、Cu-G（図 3（c））、及びCuB-G（図 3（d））には 2 θ =29.6 °付近にカルサイト（CaCO₃ ）を示す小さな回折ピークが確認された。こ3. 結果・考察
れは、アルカリ処理によりガラス繊維表面のカルシウ
3.1 銅イオン担持ガラス繊維シートの特性
図 1 に各種試料の SEM 像を示す。UNT-G（図 1（a）） ム成分の反応性が高くなり、大気中の CO₂ と反応したためと考えられる 13 ）。以上より、得られた試料はは、ガラス特有の滑らかな表面形態であった。一方、ン バ ー で、20 ℃ で、 イ ン キ ュ ベ ー ト し た。24 時 間後、その中から 800 µL を採取し細胞数および pH を測定した。その後各 well に各試料（ 1 cm × 1 cm を1 枚）添加し、（株）タイテック製恒温振とう培養機
で 20 ℃、回転速度 50 rpm でインキュベートさせた。
0、1、3、6、12、24 時 間 後 に 蛍 光 培 養 倒 立 顕 微 鏡（TS100-F、（株）ニコン）で細胞形態を観察し、24 時間後に正立顕微鏡（CX31、（株）オリンパス）で各well の細胞数（最終細胞数）および pH を計測した。

－ 24 －

『愛媛大学社会共創学部紀要』第６巻第２号

図 3 各種試料の XRD パターン（a）UNT-G、（b）AlK-G、（c）Cu-G、（d）CuB-G

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図 4 各種試料の FT-IR スペクトル（a）UNT-G、（b）AlK-G、（c）Cu-G、（d）CuB-G◆：カルサイト（CaCO3 ）、●：unknown

表1

図5

溶出元素の定量結果

ALK-G の DT-DTA 分析結果

いずれも主構造は非晶質であることが示唆された。
図 4 に FT-IR の 分 析 結 果 を 示 す。UNT-G（ 図 4（a））には 924 cm-1 に Si-OH の吸収ピークが確認された。これは UNT-G に SiO2 が含まれていることに起因する 14 ）。アルカリ処理（ALK-G）により 876 cm-1と 960 cm-1 付近に新たなピークが出現した。876 cm-1と 1470 cm-1 付近の吸収ピークは C-O 伸縮振動である
ことから炭酸カルシウムの生成が示唆されており 15 ）XRD の結果と一致する。960 cm-1 付近にみられる IR
吸収ピークは Si-O（Q2 ）逆対称伸縮振動の吸収ピー
クであり、ケイ酸カルシウム水和物（CSH）の生成が示唆された 13 ）。
図 5 に熱分析結果を示す。100 ℃から 140 ℃の温度範囲に重量減と吸熱ピークが確認されたことから脱水現象であることが確認された。従って ALK-G には水和物が生成されたと考えられる。図 1 ～ 5 の結果から、ALK-G の表面には非晶質の CSH が生成されたと考えられる。銅イオンを担持した際に ALK-G から溶出してきた陽イオン及び ALK-G に担持された銅イオンの定性・定量分析結果を表 1 に示す。表 2 には EDS 分
析結果から求めた各試料の Ca/Si モル比を示す。表 1

表2各試料の EDS 分析結果

より、銅イオンを ALK-G に担持させると ALK-G から 40.6 µmol/g のカルシウムイオンが溶出し、Cu-Gには、186 µmol/g の銅イオンが担持された。このことから、カルシウムイオン→銅イオンによる陽イオン交換現象 16 ） によって Cu-G に銅イオンが担持されたと考えられる。しかし Cu-G の銅イオン担持量＞溶出したカルシウムイオン量、から過剰に担持された銅イオンは陽イオン交換現象とは異なる機構で Cu-G に担持されていると考えられる。ここで CSH の等電点は pH 3 〜 3.5 と報告されており 13 ）、処理に用いた硝酸銅水溶液の pH は 4.76 であったことから、ガラス繊－ 25 －

銅イオン担持ガラス繊維シートによる有害植物プランクトンの殺藻効果

図6

24 時間後の Km の細胞数の変化

図7

24 時間後の Cp の細胞数の変化

維表面はマイナスに帯電していたと考えられる。従って多くの銅イオンはマイナスに帯電したガラス繊維表面に静電引力により担持されたと考えられる。よって
Cu-G には、陽イオン交換機構と静電引力機構により担持された 2 種類の化学形態を有する銅イオンが存在していると考えられた。

3.2 プランクトン殺藻試験
図 6 に各種ガラス繊維シート暴露による試験開始から 24 時間後の Km の細胞数の変化（図 6（a））、初期細胞数に対する 24 時間後の細胞数の増減率（図 6（b））を示す。UNT-G、及び、
ALK-G はコントロール（Con）と同等の細胞減少率であった。Cu-G と CuB-G は、24時間後には 100% の細胞減少が確認された。
図 7 に各種ガラス繊維シート暴露による試験開始か－ 26 －

『愛媛大学社会共創学部紀要』第６巻第２号

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図8

暴露時間に対する Km の細胞状態の割合

図9

暴露時間に対する Cp の細胞状態の割合

ら 24 時間後の Cp の細胞数の変化（図 7（a））、初期細胞数に対する 24 時間後の細胞数の増減率（図 7（b））を示す。UNT-G 及び ALK-G には顕著な細胞減少効果が確認できなかった。一方、Cu-G 及び CuB-G は試
験開始から 24 時間後にそれぞれ、84.3 ％、84.5 ％の細胞減少が確認された。
図 8 に各種ガラス繊維シートの暴露時間に対するKm の細胞状態の割合を示す。Con は、24 時間後も正常細胞であった。UNT-G、ALK-G はいずれも 12、24 時間後に異常細胞がわずかに確認された。Cu-G は1 時間後には 35 % が球状化細胞、56.4 ％が異常細胞となり、3 時間後には全ての細胞が異常細胞となった。12 時間以降は細胞が完全に消失した。CuB-G では 1 時間後には 90 ％が球状化細胞、8.6 ％が異常細胞となった。3 時間後には、球状化細胞は 4 ％、異常細胞は 95.7 ％となった。6 時間後には、細胞は全て異常細胞となり、Cu-G 同様、12 時間以降は細胞が完全に消失した。
図 9 に各種ガラス繊維シートの暴露時間に対するCp の細胞状態の割合を示す。Con、UNT-G、ALK-Gの細胞は 24 時間後も変化はなく 100 ％正常細胞であった。Cu-G は 1 時間後に 30 ％が異常細胞に変化したが、その後は、異常細胞の割合は減少した。CuB-G では
1 時間後には 10 ％が異常細胞となり、3 時間後に異常－ 27 －

銅イオン担持ガラス繊維シートによる有害植物プランクトンの殺藻効果

細胞は 27 ％に増えたが、6 時間後でも異常細胞割合に変化はなかった。12 時間後及び 24 時間後の異常細胞はそれぞれ 6 ％と 5 ％へとさらに減少した。
Cu-G 及び CuB-G から溶出した培養液中の銅イオン を 分 析 し た と こ ろ、 そ れ ぞ れ、23 µmol/g 及 び
15 µmol/g の銅イオンが検出され、銅イオン担持ガラ
ス繊維シートから液中に銅イオンが溶出していた。培養液中には大量の陽イオンが存在するため、陽イオン交換で担持された銅イオンが再び陽イオン交換現象により水中に溶出されたと考えられる。
以上の結果より、銅イオン担持ガラス繊維シートには、Km 及び Cp いずれのプランクトンに対しても細胞数を減少させる効果が見られた。特に、Km は 6 時間後には、異常細胞の割合が 100 ％となり、その後、完全消失したことから、銅イオン担持ガラス繊維シー
トには、Km に対して顕著な殺藻効果があると考えられた。Cp では 24 時間後に 80 ％以上の細胞数の減少が認められたが、正常細胞が 90 ％近くを占めていた。銅イオンには藻類などの殺藻効果があることが知られている 17-18 ）が、銅イオンに対する感受性は、Kmと Cp で異なることが示唆された。しかしながら、銅イオンの溶出が確認されたことから、銅イオン担持ガ
ラス繊維シートを開放系で使用することは望ましくな
く、閉鎖域などで緊急的に使用することが適当であると考えられる。

謝辞

4. 結言
（ 1 ）ガラス繊維を水酸化ナトリウムで処理すると、ガラス繊維表面に非晶質のケイ酸カルシウム水和物（CSH）が形成された。
（ 2 ）ガラス繊維への銅イオンの担持は、イオン交換機構と静電引力機構によるものと考えられた。
（ 3 ）銅イオン担持ガラス繊維シートをプランクトンに暴露して 24 時間後には、Km は細胞数が 90 ％以上減少し、かつ、全ての正常細胞が異常細胞に変化し最終的に完全消失した。
（ 4 ）銅イオン担持ガラス繊維シートをプランクトンに暴露して 24 時間後には、Cp は細胞数が 80 ％以上減少したが、異常細胞は 6 ％以下で大部分は正常細胞であった。
（ 5 ）銅イオン担持ガラス繊維シートを培地水溶液中に加えると、培養液中に銅イオンが溶出したことから、溶出した銅イオンが各プランクトンに大きく影響を与えたと考えられるが、銅イオンへの感受性は、Km と Cp で異なることが示唆された。

9 ） 日色和夫、富栄養化と赤潮発生、J-STAGE、環境技術、本研究を遂行するにあたり、C. polukrikoides 単離株のCP-OI-3.5 株を譲渡していただいた九州大学農学研究院島崎洋平博士に厚く御礼申し上げます。

参考文献1 ） 農林水産省 HP、統計情報、分野別分類 / 水産業、海面漁業生産統計調査2 ） 中国四国農政局 HP、平成 30 年〜令和元年四国農林水産統計年報、第 12 部
3 ） 愛媛県 HP、えひめの水産統計 HP、5 養殖業（生産量、産出額）（ 1 ）養殖生産の地位、魚類養殖生産の地位（昭和 46 年〜平成 30 年）
4 ） 愛媛で就職！農林水産まるかじり就職支援サイト、
ehime-marukajiri.jp5 ） 株式会社ヨンキュウ、宇和海における魚類養殖について、suisan-innv.jp
6 ） 愛媛県漁業協同組合連合会

代表理事会長平井義則、愛媛県の養殖業と水環境等を巡る課題について、
4 ページ、平成 31 年 1 月 10 日
7 ） Z 会、瀬戸内海の漁業の特徴は ?、www.zkai.co.jp
8 ） 今井一郎、山崎峰生、松岡數充、有害有毒プランクトンの科学 Advances in Harmful Algal Bloom Research、
株式会社恒星社厚生閣、2016 年 2 月 10 日

初版 1 刷

発行
20 巻 12 号、770-774、1991
10 ）愛媛県 HP、宇和海で発生した赤潮による漁業被害について、有害赤潮プランクトンの詳細
11 ）今井一郎、沿岸環境と赤潮、そるえんす 79、10-17、200812 ）Yamasaki, Y. et al., Allelopathic interactions between
the bacillariophyte Skeletonema costatum and theraphidophyte Heterosigma akashiwo. Marine Ecology
Progress Series, 339, 83-92 (2007).
13 ）Shao, N. et al., Hierarchically Structured calcium
Silicate Hydrate-Based Nanocomposites Derived from
Steel Slag for Highly Efficient Heavy Metal Removalfrom Wastewater, ACS Sustainable Chemistry &Engineering, 6, 14926-14935 (2018).
14 ）Laroche, G. et al., FT-IR-ATR spectroscopy in thinfirm studies: The importance of sampling depth anddeposition substrate, Applied surface science, 273,632-637 (2013).
15 ）青木秀希、驚異の正体物質アパタイト、医歯薬出版株
式会社、1999 年 9 月 20 日、第 1 版第 1 刷発行
16 ）井上耕三、恒松修二、山田英夫、野間弘昭、芳尾真幸、－ 28 －

『愛媛大学社会共創学部紀要』第６巻第２号
アルミニウム含有低結晶質ケイ酸カルシウム水和物の陽イオン交換特性、無機マテリアル、Vol.6、May
184-191、1999
17 ）Cid, Á. et al., Copper toxicity on the marine
microalga Phaeodactylum tricornutum: effects on
photosynthesis and related parameters, AquaticToxicology, 94, 511–519 (1987).
18 ）Charles, C. et al., Impact of Copper Sulfate on
Plankton in Channel Catfish Nursery Ponds, Journalof the World Aquaculture Society, 40, 122-128 (2009).

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