JP2896575B2

JP2896575B2 - 懸濁態物質の分離測定方法

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Publication number: JP2896575B2
Application number: JP1019877A
Authority: JP
Inventors: 泰治植村; 末行中野; 宏至大沢; 精一金巻
Original assignee: FUYO KAIYO KAIHATSU KK
Current assignee: FUYO KAIYO KAIHATSU KK
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1989-01-31
Publication date: 1999-05-31
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: JPH02201250A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は例えば海洋・湖沼等の一般水域の懸濁態物質
をフィールドで計測を行う方法及びその装置に関するも
のであり、更に付言するならば、前記水域の濁りの因子
のうちの懸濁態物質を植物性プランクトンとそれ以外の
懸濁態物質（以下デトリタスとする。）に分けて各々の
濃度を連続自動的に計測する水質測定方法に関するもの
である。

［従来の技術］従来の濁りのモニタリング装置は、おおむね散乱光測
定法、吸光度測定法、体積消散係数測定法のいずれかの
方法によっている。これらの装置は単一物質による濁り
の程度を知る目的や、濁りの構成員までは考慮せず、一
括した水質の指標として濁りの程度を知る目的で使用さ
れてきた。

また、海域等の一般水域における濁りの構成員は第１
表のように大別できる。

第１表に示すように、一般水域の富栄養化の進展につ
れ、濁りのモニタリングにおいても自然の濁り（植物性
プランクトンによる濁り等）と人工による濁り（工事に
より発生した濁り等）との対比を目的としたものや、植
物性プランクトンによる濁りとその他の濁り（土粒子や
有機デトリタス等による濁り）との対比を目的としたも
の等、濁りの構成員を分離して計測を行う技術に対する
要望が増大している。

このため、吸光度測定や体積消散係数測定の分野で
は、多波長の光束を用いた測定法により濁りの構成員を
分離して計測するモニタリング方法及び装置が提唱され
ている。

本願発明者らも以前に特公昭60−38654号「水中の懸
濁物濃度及び有機物指標濃度測定法」、特願昭58−2071
68号「三波長体積消散係数による水質測定方法」で、体
積消散係数測定を用いて水中の濁りを測定する方法を提
案した。

前者は、紫外光と近赤外光による体積消散係数測定に
より、溶存態有機物（溶存態のCODを指標としている）
と懸濁態有機物（懸濁態のCODを指標としている）、懸
濁態物質（SSを指標としている）をそれぞれ計測し濁り
のなかの有機物指標濃度（COD等）を計測するモニタリ
ング方法及び装置である。

後者は、前者の方法を改善して一般水域でも連続して
測定を可能にするため、懸濁態物質の構成員が変化して
も誤差を生じないように、三波長の体積消散係数を測定
することにより、懸濁態物質を植物性プランクトンとそ
れ以外の懸濁態物質（デトリタス）に分離し、それぞれ
モニタリング計測を行う方法である。

また、蛍光法を用いた方法でも特開昭54−89796号
「水中の有機物濃度指標の測定方法および装置」が提案
されている。これは、水中の有機物の発する蛍光を計測
することにより有機物指標濃度（COD,BOD,TOC）をモニ
タリングする装置の開発である。またクロロフィル−ａ
の出す赤色蛍光（クロロフィル蛍光）を計測して水域の
植物性プランクトンのみの分布を測定する方法及び装置
もすでに考案されている。

以上の様に吸光法、蛍光法共に、濁りの構成員を分離
して計測する方法についての開発が行われている。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、改善された三波長体積消散係数測定に
よる方法では、予め測定された値により、係数を決定し
た三波長の体積消散係数の三元連立方程式を使い、測定
される被測定水の三波長の体積消散係数の測定値を用
い、前記三元連立方程式を解いてデトリタス、植物性プ
ランクトン、溶存態有機物の濃度を計測するため、予め
決定される方程式中の係数に含まれる小さな誤差が、最
終的な計測値に大きく影響するものとなり、各係数を決
定するのに、膨大なデータが必要となり、決定された係
数の変動が少ない場合のみ精度良い計測が実現される等
の問題があった。また、蛍光法を使って植物プランクト
ンとデトリタスを分離する方法も発明されていない。

そこで本発明は、懸濁態物質のみを計測対象として、
濁りの中の懸濁態物質を植物性プランクトンとそれ以外
の懸濁態物質（デトリタス）との２種類の物質としてと
らえることによる水質測定方法であり、簡便であり、か
つ安定した計測方法を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］第１の発明に係る懸濁態物質の分離測定方法では、懸
濁態物質の指標濃度の構成を植物性プランクトン指標濃
度とそれ以外の懸濁物質であるデトリタス指標濃度との
２種類としてとらえた懸濁態物質測定方法において、予め、植物性プランクトンの体積消散係数と植物性プ
ランクトンの指標濃度との比（τ）とデトリタスの体積
消散係数に対するデトリタスの指標濃度の比例係数
（α）を求めておき、被測定水の体積消散係数と植物性プランクトン指標濃
度とを測定し、測定された植物性プランクトン指標濃度より前記植物
性プランクトンの体積消散係数を求め、測定された被測
定水の体積消散係数と前記植物性プランクトンの体積消
散係数の差よりデトリタス体積消散係数を求め、デトリ
タス指標濃度を求めるものである。

第２の発明に係る懸濁態物質の分離測定方法では、第
１の発明に記載の懸濁態物質の分離測定方法において、前記植物性プランクトン指標濃度を蛍光発光強度とす
るものである。

第３の発明に係る懸濁態物質の分離測定方法では、第
１又は第２の発明に記載の懸濁態物質の分離測定方法に
おいて、前記予め求める植物性プランクトンの体積消散係数と
植物性プランクトンの指標濃度との比（τ）を被測定水
の植物性プランクトン指標濃度又は蛍光発光強度と、被
測定水の体積消散係数との相関関係の傾きより求めるも
のである。

［作用］動物プランクトン濃度は一般水域では、植物プランク
トンやデトリタスに比べて極めて小さく、光学的測定に
おいては通常無視し得る値であり、本発明においては、
懸濁態物質をデトリタスと植物性プランクトンに分離し
て考えた場合、体積消散係数（ｃ−c_w）_λおよび蛍光強
度Ｆは、以下のように表わせる。

（ｃ−c_w）_λ＝α（デトリタス濃度）＋ β（植物性プランクトン濃度）ただし、c_wは水自体の体積消散係数、λは波長を示す
サフィックス、α，βは係数（定数）Ｆ＝γ（デトリタス濃度）＋ δ（植物性プランクトン濃度）ただし、γ，δは係数（定数）ここで、デトリタスの蛍光強度係数γは無視できるほ
ど小さいので式は、Ｆ＝δ（植物性プランクトン濃度）と近似できる。

また、通常生きている植物性プランクトンについて植
物性プランクトンの体積消散係数（ｃ−c_w）_λと植物性
プランクトンの蛍光強度（Ｆ）との比（τ）は植物プラ
ンクトンの種類に応じた一定値をとることが明らかとな
り、τは次式のように表わされる。

τ＝（ｃ−c_w）_λ/F＝B/δ よって、前記，，式より、次式が導きだされ
る。

（ｃ−c_w）_λ＝α（デトリタス濃度）＋τＦここで、右辺第１項はデトリタスによる体積消散係
数、第２項は植物性プランクトンによる体積消散係数を
表わす。

［実施例］一般水域の濁りの構成員は前記第１表に示す通りであ
るが、この構成員の中で特に懸濁態物質のみを計測対象
とし、かつ懸濁態物質を植物性プランクトンとデトリタ
スに大別してモニタリングする測定方法、装置を検討し
た。

近赤外波長（例えば660,690nm）の吸光度や体積消散
係数（ｃ−c_w）_λは、懸濁態物質による散乱、吸収のみ
に影響され、溶存態物質の影響は無視できることから、
広く濁度の測定に使われている。

しかしながら、一般海域での（ｃ−c_w）_λと懸濁態物
質の指標としての懸濁物乾燥重量濃度（SS）との関係
は、広域または長期のデータでは第２図に示す様なバラ
ツキを示す事が知られている。

これは、懸濁態物質の質的変化によるものである。質
的変化とは以下の事が想定される。

１）懸濁態物質の構成員である植物性プランクトンとデ
トリタスの構成割合の変化２）懸濁態物質粒子の粒径と比重の変化３）植物性プランクトンの種組成の変化これらの質的変化は、相互に関連して変化しており、
第２図に示すような、（ｃ−c_w）_λと懸濁物乾燥重量濃
度（SS）との相関関係のバラツキの原因となっている。

しかしながらこれら全ての質的変化を対象とするモニ
タリング装置の実用化は現在の技術では難しいため、項
目１）の植物性プランクトンとデトリタスの分離計測技
術を研究対象とした。

懸濁態物質を植物性プランクトンとデトリタスに大別
した場合、近赤外波長（λ＝660nm）の体積消散係数
（ｃ−c_w）₆₆₀は以下の様に表される。

（ｃ−c_w）₆₆₀＝α（デトリタス濃度）＋ β（植物性プランクトン濃度）ただし、α，βは比例係数次にIN VIVO蛍光の測定では、436nm近傍の励起光によ
って、685nm近傍にクロロフィル−ａに基づく強い蛍光
のピークが観測される事が知られている。よってこの場
合の蛍光強度（Ｆ）は、以下の様に表せる。

ただし、γ，δは比例係数、サフィックス436は励起
波長436nmを示すサフィックス、サフィックス685は蛍光
波長685nmを示すサフィックスここで各比例係数がどの程度の数値となるかを以下の
実験より検討した。

（実施例１）まず東京湾芝浦埠頭の海水を採取し、通気培養により
ケイ藻類であるスケレトネマを培養した。培養中の対数
増殖期にあるスケレトネマは、活力のあるスケレトネマ
が多く、死亡細胞に基くデトリタスは相対的に少ないと
考えられる。

この対数増殖期の培養水をサンプリングし、クロロフ
ィル−ａ、細胞数、660nmの吸光度、蛍光強度を測定し
た。結果を次の第３図、第４図に示す。第３図は培養し
たスケレトネマの細胞数と吸光度（Log（1/T））の相関
関係を示す線図、第４図は培養したスケレトネマの細胞
数（個/ml）と蛍光強度の相関関係を示す線図を示す。

この場合、式の植物性プランクトン濃度を細胞数で
示し、培養水のデトリタス濃度が無視できる程小さいと
仮定すれば、式、式は以下のように示される。

（ｃ−c_w）₆₆₀＝β（植物性プランクトン濃度）ただし、βは比例係数ここで、（ｃ−c_w）₆₆₀、（Log（1/T））は以下の関
係があるので、吸光度（Log（1/T））より（ｃ−c_w）
₆₆₀を求めることが出来る。

（ｃ−c_w）₆₆₀＝（2.3/L）＊（Log（1/T））ただし、L:光路長（0.1m）式の関係を利用し、前記第３図、第４図より、前記
，式の比例係数β，δはスケレトネマの場合それぞ
れ以下の値となった。

β＝4.6＊10^-5（m^-1/cells） δ＝30＊10^-5（mV/cells）次に同様の方法でクロレラを培養し、スケレトネマと
同様にクロロフィル−ａ、細胞数、660nmの吸光度、蛍
光強度を測定した。結果を第５図、第６図に示す。

第５図、第６図より、比例係数β，δはクロレラの場
合それぞれ以下の値となった。

β＝0.69＊10^-5（ｍ−1/cells） δ＝10＊10^-5（mV/cells）さらに、クロレラ培養槽には、培養末期の１日間100m
lビンを水槽底部に設置し、デトリタスを採取した。こ
の試水にはデトリタスとクロレラが混在するが、顕微鏡
観察の結果フロック状のデトリタスが主であり、その中
に混在するクロレラ濃度は15.5＊10⁴cells/mlであっ
た。以下にデトリタス試水のデータを示す。

クロレラ細胞数 15.5＊10⁴cells/ml 660nm吸光度 1.50（10cmセル）蛍光強度 18mV 懸濁物乾燥重量濃度（SS） 248mg/l 上記デトリタス試水の660nm吸光度，蛍光強度データ
より、クロレラによる吸光度，蛍光強度を差し引くとデ
トリタスによる体積消散係数（ｃ−c_w）₆₆₀,蛍光強度は
それぞれ以下の値となっった。

デトリタスによる（ｃ−c_w）₆₆₀ ＝1.50＊2.3/0.1−（0.69＊10^-5＊15.5＊10⁴）＝33.43m^-1 デトリタスによる蛍光強度＝18−15.5＊10⁴＊10＊10^-5＝2.5mV ここで、単位当りの蛍光量に対する660nmの体積消散
係数の割合を比（τ）として定め、第２表に前記スケレ
トネマ，クロレラ，デトリタスそれぞれの試水のτ＝
（τ＝（ｃ−c_w）₆₆₀/蛍光強度（Ｆ））を整理した。

第２表に示すように植物性プランクトンとデトリタス
では、（τ）の値が非常に異なるという重要な知見が得
られた。デトリタスでは、13.37と生きたクロレラ細胞
とは大きな差を示した。

死亡した植物性プランクトン細胞は、急激な自己消化
によってクロロフィル−ａを含む細胞内部が分解され、
ついには蛍光の発生がなくなるが、（ｃ−c_w）₆₆₀は、
平行光束の透過程度を表す指標てあり、細胞の大きさ
（投影面積）と濃度に影響され、植物性プランクトンの
生死の別によっての変化は少ないことが本実験から明ら
かとなり、かつτの値は植物プランクトンの種類によっ
て異ることも明らかとなった。

以上得られた知見を整理すると、次のようになる。

懸濁態物質をデトリタスと植物性プランクトンに分離
して考えた場合、体積消散係数（ｃ−c_w）λおよび蛍光
強度Ｆは以下のように表わせる。

（ｃ−c_w）_λ＝α（デトリタス濃度）＋ β（植物性プランクトン濃度）ただし、α，βは比例係数ただし、γ，δは比例係数、λ_１は励起波長λ_２は蛍
光受光波長を示すサフィックスここで、デトリタスの蛍光強度係数γは無視できるほ
ど小さいことが明らかとなったため式はと近似できる。

また、植物性プランクトンの種類によってτは各々異
った値をとることが前記より明かとなったため、植物プ
ランクトンに基づくτは以下のように表わされる。

，，式より、ここで、右辺第１項はデトリタスによる体積消散係
数、第２項は植物性プランクトンによる体積消散係数を
表わす。

よって、事前に計測対象試水について、α，τを決定
しておけば、を計測することにより、試水のデトリタス濃度および植
物性プランクトン濃度を連続的に計測することができ
る。

また、後述するように、海域での植物性プランクトン
の増減により、の相関関係の傾きから、直接τを求めることが出来、こ
れを利用してデトリタス相対濃度を計測することができ
る。

（実施例２）前述の計測方法に基づき、一般海域における実証試験
を行うため、第１図に示す装置を制作した。

第１図は計測装置の概要を示す説明図であり、図にお
いて、（１）の光源の光は一方はレンズ系（２）によっ
て平行にかえられ出射窓（６）より試料（水）中に照射
される。出射した光は試料中の懸濁物による散乱や溶存
態有機物による吸収によって減衰した状態で受光窓（1
4）に達し、レンズ系（15）ピンホールフィルタ系（1
6）によって所定の波長の光が光検出器（17）に達す
る。この（17）の出力と（５）の出力より（ｃ−c_w）_λ
が算出される。

一方、蛍光を測定するための光は、光源（１）より
（３）のレンズ系を通り、フィルタ（４）によって励起
波長λの光のみが出射光（７）から出射される。この励
起光によつて発生した蛍光は試料窓（13）から蛍光入射
窓（８）を通り所定の波長以外の光はフィルタ系（９）
でカットされ、必要な蛍光のみがレンズ系（10）を通
り、蛍光受光部で検知される。光源の輝度変化は光源光
検出器（５）の出力から常に補正されている。（５），
（11），（17）からの出力により、前述の計測方法によ
り、植物性プランクトン濃度、デトリタス濃度が連続自
動的に計測される。

（実施例３）隅田川河口部に上記装置を設置（水深1m）し、８月24
日〜８月30日の６日間体積消散係数（λ＝660nm）と蛍
光強度（励起光強度436nm,蛍光波長685nm）を連続的に
計測した。この計測のうち８月25日と８月28日の24時間
の体積消散係数と蛍光強度の経時変化を第７図、第８図
に示す。図において、●は蛍光強度、×は体積消散係数
である。

両日の水質変化は非常に異なるパターンを示した。

8/25の変化を見ると（ｃ−c_w）₆₆₀が大きな増加を示
すが、蛍光強度の変化はほとんどなく、（ｃ−c_w）₆₆₀
の変化が激しく、濁りが12時にピークに達した。（ｃ−
c_w）₆₆₀の変化にもかかわらず、蛍光強度はほとんど変
化していない。一方、8/28には、（ｃ−c_w）₆₆₀の変化
と蛍光強度の変化は一定の関係を持って連動して変動し
た。

次に、（ｃ−c_w）₆₆₀と蛍光強度の散布図を第９図に
示す。図中、■は8/25のデータ、●は8/28のデータであ
る。8/28のデータは第10図上でほぼ直線的に分布してお
り、回帰直線を計算すると、以下の直線が求まる。

式と式とを比較すると、τ＝0.163が得られる。
この値は培養実験（実施例１）でのスケレトネマの値と
ほぼ等しい値となり、実施例１では種類によって植物性
プランクトンのτ値は一定値を示すことが明らかであ
り、実際の試水を検鏡した結果でも、優占種はスケレト
ネマであり、実施例１で検討したのと同種のプランクト
ンであった。8/28のデータでは、デトリタスによる（ｃ
−c_w）₆₆₀はほぼ一定で2.6となり、植物性プランクトン
による（ｃ−c_w）₆₆₀が大きく変化したと考えられる。

第10図に8/28のデータより蛍光強度とクロロフィル−
ａの相関を示す線図を示す。図に示すように、相関係係
0.95と蛍光強度とクロロフィル−ａに良好な相関関係が
あり、蛍光強度は植物性プランクトン濃度の増減を表わ
していることが明かである。

次に8/25も植物プランクトンの優占種はスケレトネマ
であり、すでに得られたτ＝0.163の値より、以下の式
が得られる。

上記実施例１に示すように、予め測定水域の植物性プ
ランクトンに基づくτを決定しておけば、の連続的計測値から、デトリタス相対濃度｛α（デトリ
タス濃度）｝を連続的に計測することができる。

また、事前に、デトリタス濃度の指標として、例えば
懸濁物乾燥重量濃度（SS）をとり、式に代入すれば以
下の式が得られる。

このαを検量線により事前に決定しておけばデトリタ
ス濃度を懸濁物乾燥重量濃度（SS）に変換することがで
き、デトリタスの懸濁物乾燥重量濃度（SS）を連続的に
計測することができる。

［発明の効果］本発明は以上説明したとおり、事前に計測対象試水に
ついて、α，τを決定しておけば、を計測することにより、試水のデトリタス濃度および植
物性プランクトン濃度を分離して各々連続的に計測する
ことができる。

また、一般海域での植物性プランクトンの増減によ
り、の相関関係の傾きから直接τを求めることができ、これ
を利用してデトリタス濃度を計測することができる。こ
のことは、工事等により、発生する土粒子等の濃度と天
然水、特に植物プランクトンの濃度とを分離して計測で
き、工事による環境への影響のみを連続的に計測するこ
とが可能となる。

さらに、前記の方法を使用する装置によって、フィー
ルドで容易に懸濁態物質の構成員を分離して測定するこ
とが可能である等の効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は計測装置の概要を示す説明図、第２図は一般海
域での体積消散係数と懸濁物乾燥重量濃度（SS）との関
係を示す線図、第３図は培養したスケレトネマの細胞数
と吸光度（Log（1/T））の相関関係を示す線図、第４図
は培養したスケレトネマの細胞数と蛍光強度の相関関係
を示す線図、第５図は培養したクロレラの細胞数と蛍光
強度の相関関係を示す線図、第６図培養したクロレラの
細胞数と蛍光強度の相関関係を示す線図、第７図は隅田
川河口部の体積消散係数と蛍光強度の経時変化を示す線
図、第８図は第７図と同じ場所での別の測定日の体積消
散係数と蛍光強度の経時変化を示す線図、第９図は第7,
8図の（ｃ−c_w）₆₆₀と蛍光強度の散布を示す線図、第10
図は蛍光強度とクロロフィル−ａの相関を示す線図であ
る。図において、（１）は光源、（２），（３），（10），
（15）はレンズ、（４），（９），（16）はフィルタ、
（５）は光源光検出器、（６）は平行光出射窓、（７）
は励起光出射窓、（８）は蛍光受光窓、（11）は蛍光検
出器、（12），（13）は被測定水水中、（14）は透過光
受光窓、（17）は透過光検出器である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−71339（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−100033（ＪＰ，Ａ) 特開平２−190746（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/74

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】懸濁態物質の指標濃度の構成を植物性プラ
ンクトン指標濃度とそれ以外の懸濁物質であるデトリタ
ス指標濃度との２種類としてとらえた懸濁態物質測定方
法において、予め、植物性プランクトンの体積消散係数と植物性プラ
ンクトンの指標濃度との比（τ）とデトリタスの体積消
散係数に対するデトリタスの指標濃度の比例係数（α）
を求めておき、被測定水の体積消散係数と植物性プランクトン指標濃度
とを測定し、測定された植物性プランクトン指標濃度より前記植物性
プランクトンの体積消散係数を求め、測定された被測定水の体積消散係数と前記植物性プラン
クトンの体積消散係数の差よりデトリタス体積消散係数
を求め、デトリタス指標濃度を求めることを特徴とする懸濁態物
質の分離測定方法。
【請求項２】請求項１に記載の懸濁態物質の分離測定方
法において、前記植物性プランクトン指標濃度を蛍光発光強度とする
ことを特徴とする懸濁態物質の分離測定方法。
【請求項３】請求項１又は２に記載の懸濁態物質の分離
測定方法において、前記予め求める植物性プランクトンの体積消散係数と植
物性プランクトンの指標濃度との比（τ）を、被測定水
の植物性プランクトン指標濃度又は蛍光発光強度と、被
測定水の体積消散係数との相関関係の傾きより求めるこ
とを特徴とする懸濁態物質の分離測定方法。