微量毒物汚染監視方法及び装置
【課題】 微量毒物による被検水の汚染を容易且つ迅速に判定できるようにする。
【解決手段】 被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、この水棲生物の活動電位の変化に基づいて被検水の毒物による汚染の有無を監視するに際し、所定のサンプリング間隔で水棲生物の活動電位を所定時間サンプリングし、その所定時間における活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、このパワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と、低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和とを求めた後、その両電力の総和比を求め、この総和比が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定する。
【解決手段】 被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、この水棲生物の活動電位の変化に基づいて被検水の毒物による汚染の有無を監視するに際し、所定のサンプリング間隔で水棲生物の活動電位を所定時間サンプリングし、その所定時間における活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、このパワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と、低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和とを求めた後、その両電力の総和比を求め、この総和比が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水槽内の水棲生物の活動電位を計測して水の微量毒物汚染を監視する微量毒物汚染監視方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
河川、ダム、地下水、事業廃水、工場廃水などの毒物汚染を監視する毒物汚染監視技術として、河川、ダムなどの被検水を導入し排水する水槽の監視部にメダカなどの水棲生物を飼育しておき、その監視部に装備された一対の電極によって水棲生物の活動電位を計測し、その活動電位の変化に基づいて毒物汚染の有無を監視する方法がある（特許文献１）。この毒物汚染監視方法は、水槽内の水棲生物の活動による筋電位の変化を一対の電極により計測し、その筋電位の絶対値を単位時間で積算して活動量とし、この活動量と直前の一定回数の計測時の活動量との移動平均値を求め、その移動平均値が管理限界値を超えたときに水質異常と判定する方法を採っている。
【特許文献１】特開平１１−１２５６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この毒物汚染監視方法は、所定時間にわたって水棲生物の筋電位を計測し、その筋電位を増幅器で増幅した後、水棲生物の筋肉活動に起因する０．２〜２Ｈｚの周波数成分をフィルターにより選別し、Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換したものを活動電位とし、この活動電位の絶対値を積算して活動量を求め、その移動平均値が管理限界値を超えるか否かにより、毒物汚染の有無を判定している。
【０００４】
しかし、従来の監視方法は、基本的には水棲生物の活動電位の波高値の振幅計測による判定法であるため、毒物汚染の有無の判定が非常に難しく、微量毒物による汚染に対しては誤判定を招き易いという欠点がある。また筋電位の時間軸データはその波形が非常に複雑であるため、その電圧値をＡ／Ｄ変換をして使用するものの、その後の情報処理が煩雑であり、この点でも誤判定を招き易いという欠点がある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、微量毒物による被検水の汚染を容易且つ迅速に判定できる微量毒物汚染監視方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の方法は、被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と、低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和とを求め、前記両電力の総和に基づいて汚染の有無を判定するものである。その際に、前記両電力の総和の比を求め、該総和の比が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定してもよい。
【０００７】
本発明の第２の方法は、被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルのピーク値を求め、該ピーク値が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定するものである。
【０００８】
本発明の第３の方法は、被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を求め、該ピーク周波数が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定するものである。
【０００９】
本発明の第４の方法は、第１の方法の前記総和の比、第２の方法の前記ピーク値及び第３の方法の前記ピーク周波数に基づいて汚染の可能性を複数段階の危険レベルとして判定するものである。
【００１０】
本発明の装置は、被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視装置において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングするサンプリング手段と、前記所定時間の前記活動電位を高速フーリエ変換してパワースペクトルに変換する変換手段と、前記パワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和との比を演算する電力比演算手段と、前記パワースペクトルのピーク値を演算するピーク値演算手段と、前記パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を演算するピーク周波数演算手段と、前記総和の比、前記ピーク値、前記ピーク周波数が増大したときに汚染の可能性ありと判定する判定手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、微量毒物による被検水の汚染を容易且つ迅速に判定でき、従来のような誤判定を未然に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述する。図面は本発明の一実施例を例示する。微量毒物汚染監視用の水槽１は、図３、図４に示すように矩形状の内部が流入部２、整流部３、給餌部４、分配部５、第１監視部６、第２監視部７、予備飼育部８、排水部９に区画され、流入部２から排水部９へと水槽１内を被検水が矢印方向に通水するようになっている。
【００１３】
流入部２、整流部３、給餌部４は水槽１の上流側に横方向に配置され、その流入部２に、水槽１内へと被検水が流入する流入管１０が設けられ、この流入管１０から流入した被検水は、流入部２から整流部３を経て給餌部４へと流れる。給餌部４には給餌器１１が設けられている。
【００１４】
分配部５は上流側に、排水部９は下流側に夫々横方向に配置され、その分配部５と排水部９との間に、水棲生物、例えばメダカを飼育する第１監視部６、第２監視部７、予備飼育部８が横方向に配置されている。そして、給餌部４からの被検水は、分配部５で第１監視部６、第２監視部７、予備飼育部８に夫々分配され、その監視部６，７、予備飼育部８を通過した後、排水部９の排水管１１ａを経て外部に排出されるようになっている。排水管１１ａは監視部６，７、予備飼育部８に夫々対応して設けられている。
【００１５】
監視部６，７、予備飼育部８は、隔壁１２により互いに区画されると共に、餌等が通過しメダカが通過しない程度の編み目、孔等を有する仕切り板１３，１４により分配部５、排水部９と区画されている。監視部６，７には、例えば１３匹、２５匹程度の多数（複数）のメダカが飼育されている。予備飼育部８には予備用のメダカが飼育されている。
【００１６】
監視部６，７には、被検水の流れ方向の両端部、即ち上流側（流入口側）と下流側（流出口側）との端部に一対の電極１３ａ，１４ａが相対向して平行に配置されている。各電極１３ａ，１４ａにはメダカの活動電位の観測に適した材料、例えば白金酸化物をコーティングした金属板が使用されており、仕切り板１３，１４を兼用するようになっている。電極１３ａ，１４ａは仕切り板１３，１４と別に設けてもよい。また一対の電極１３ａ，１４ａは平行に配置することが望ましい。更に電極１３ａ，１４ａは白金酸化物製でもよい。
【００１７】
監視部６，７には、メダカが下流側で被検水の流れに逆らう方向に遊泳するように、一対の電極１３ａ，１４ａ間に複数のポール等の突起１５が設けられている。これは、メダカの身体の方向が一対の電極１３ａ，１４ａ間の方向と同じになった場合に、その筋電位の計測効率が最もよくなるためである。
【００１８】
なお、監視部６，７には、被検水の流れ方向と略直交する方向の両側に別の一対の電極を設ける等、一対の電極間を結ぶ方向が異なるように、複数組の電極を異なる方向に配置してもよい。また水槽１は、静電気の影響を防ぐために金属製接地板１６の上に配置されている。監視部６，７の一方は省略してもよい。
【００１９】
微量毒物汚染監視装置は、図１に示すように水槽１の他に、各監視部６，７で飼育される所定数のメダカの活動電位を所定のサンプリング間隔で一定時間サンプリングするサンプリング手段１７と、所定時間の活動電位を高速フーリエ変換等により周波数に対する電力密度分布であるパワースペクトル（図２参照）に変換する変換手段１８と、パワースペクトルの山の両側の谷の周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）を設定する周波数設定手段１９と、周波数設定手段１９で設定されたパワースペクトルの山の両側の谷の周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）のうち、その低い周波数ｆ１（Ｈｚ）までの周波数帯域における各周波数毎の電力の総和と低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの周波数帯域における各周波数の電力の総和との比を演算する電力比演算手段２０と、パワースペクトルのピーク値を演算するピーク値演算手段２１と、パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を演算するピーク周波数演算手段２２と、活動電位の振幅の最大値が基準値Ａ０を超えたとき、総和の比、ピーク値、ピーク周波数が増大したときに汚染の可能性ありと判定する判定手段２３と、判定手段２３の判定結果を出力し報知する報知手段２４とを備え、メダカの活動電位の変化に基づいて被検水の微量毒物による汚染の有無を監視するようになっている。
【００２０】
なお、微量毒物汚染監視装置の水槽１等を除く主要部分は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成されるか、又はパーソナルコンピュータ等により構成されている。
【００２１】
サンプリング手段１７は監視部６，７の一対の電極１３ａ，１４ａに接続され、所定の監視時刻毎に、所定のサンプリング間隔Δｔで一定時間Ｔにわたって電極１３ａ，１４ａ間のメダカの活動電位をサンプリングして記録するようになっている。なお、サンプリング手段１７は、サンプリングした活動電位の電圧信号を増幅する機能を備えている。
【００２２】
変換手段１８は高速フーリエ変換部２５とパワースペクトル変換部２６とを備え、高速フーリエ変換部２５で所定時間Ｔにおける活動電位を高速フーリエ変換アルゴリズムにより周波数スペクトルに変換し、次いでパワースペクトル変換部２６でその周波数スペクトル値を２乗し１／２を掛けて、周波数スペクトルを図２に示すパワースペクトルに変換するようになっている。
【００２３】
周波数設定手段１９は、平常時のパワースペクトルの山の両側の谷に対応して所定の周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）を任意に設定可能である。平常時のパワースペクトルをみた場合、メダカの呼吸運動及び胸鰭などによる姿勢制御のための筋肉活動に由来するピークがある。従って、ピークの両側の谷の周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）のうち、低い方の周波数をｆ１（Ｈｚ）、高い方の周波数をｆ２（Ｈｚ）として、周波数設定手段１９により設定する。
【００２４】
なお、平常時のメダカの活動電位を長時間観測した場合、パワースペクトルのピークは日周変化するため、パワースペクトルを求める都度、新たに周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）を設定し直す必要があるが、平常時の実測結果から、その周波数に大きな変化がない場合にはそれらの平均値に固定してもよい。
【００２５】
電力比演算手段２０は総和電力演算部２７と電力比演算部２８とを備えている。総和電力演算部２７は周波数設定手段１９で設定された両周波数ｆ１，ｆ２のうち、０（Ｈｚ）から低い周波数ｆ１（Ｈｚ）までの周波数範囲における各周波数毎の電力を総和した総和電力Ｐ１と、低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの周波数帯域における各周波数の電力を総和した総和電力Ｐ２とを夫々演算するようになっている。電力比演算部２８は、総和電力演算部２７で演算された両総和電力Ｐ１，Ｐ２の比である電力比（Ｐ２／Ｐ１）を演算するようになっている。
【００２６】
ピーク値演算手段２１は周波数設定手段１９で設定された０（Ｈｚ）から低い周波数ｆ１（Ｈｚ）まで、低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの各周波数範囲において、パワースペクトルのピーク値Ｄ１，Ｄ２を演算するようになっている。なお、ピーク値Ｄ２のみでもよい。ピーク周波数演算手段２２は周波数設定手段１９で設定された０（Ｈｚ）から低い周波数ｆ１（Ｈｚ）まで、低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの各周波数帯域においてパワースペクトルがピークになる周波数（ピーク値Ｄ１，Ｄ２を示すピーク周波数）Ｆ１，Ｆ２を演算するようになっている。なお、ピーク周波数Ｆ２のみでもよい。
【００２７】
判定手段２３は振幅判定部２９、電力比判定部３０、ピーク値判定部３１、ピーク周波数判定部３２、総合判定部３３を備えている。振幅判定部２９は、サンプリング手段１７でサンプリングされた活動電位の振幅の最大値を基準値Ａ０と比較して、振幅の最大値が基準値Ａ０を超えたときに毒物汚染の可能性ありと判定し、また最大値が基準値Ａ０に対して急激に大きくなったときに「毒物混入等の異常事態」と判定するようになっている。なお、メダカの活動電位の平均振幅は日周変動するため、所定時間毎（例えば1 時間）に活動電位の最大値を記録し、その最大値を基準値Ａ０として設定することが望ましい。
【００２８】
ピーク値判定部３１はピーク値演算手段２１で演算されたピーク値がそれ以前の平常値よりも増大したときに「毒物汚染の可能性あり」と判定するようになっている。ピーク周波数判定部３２はピーク周波数演算部で演算されたピーク周波数がそれ以前のピーク周波数（平常値）よりも増大したときに「毒物汚染の可能性あり」と判定するようになっている。総合判定部３３は振幅判定部２９、電力比判定部３０、ピーク値判定部３１、ピーク周波数判定部３２の判定結果を総合的に判断して、毒物汚染の可能性を数段階の危険レベルとして判定するようになっている。
【００２９】
報知手段２４はモニタ等から成り、判定手段２３の振幅判定部２９、電力比判定部３０、ピーク値判定部３１、ピーク周波数判定部３２、総合判定部３３の各判定結果を画像等により表示するようになっている。例えば報知手段２４は、活動電位の振幅の基準値Ａ０及びその判定結果（異常時の電圧振幅の倍率）、電力比Ｐ２／Ｐ１の平常値及びその判定結果（異常時の電力比Ｐ２／Ｐ１の値の倍率）、パワースペクトルのピーク値の平常値及びその判定結果（異常時のピーク値の倍率）、パワースペクトルのピーク周波数の平常値及びその判定結果（異常時のピーク周波数の値の倍率）、更にはそれらを総合的に判断した段階的な総合判定結果等をモニタに表示するようになっている。なお、報知手段２４には、判定結果を視覚的に報知するモニタ等の視覚的報知手段の他、聴覚的に報知する聴覚的報知手段を採用してもよい。
【００３０】
次に図５のフローチャートを参照しながら、被検水の監視方法を説明する。監視中は、サンプリング手段１７により所定の監視時刻毎に所定のサンプリング間隔Δｔで所定時間Ｔにわたって電極１３ａ，１４ａ間のメダカの活動電位をサンプリングする（ステップＳ１）。サンプリングは、例えば一定時間Ｔにサンプリング間隔０．０１秒で８１９２点（Ｔ＝８１．９２秒間）行う。
【００３１】
そして、サンプリング手段１７がメダカの活動電位をサンプリングすると、判定手段２３の振幅判定部２９が活動電位の振幅の大小により毒物汚染の有無を判定する。メダカの活動電位は、後述のように毒物汚染の有無によって振幅が変化する。そこで、判定手段２３の振幅判定部２９により、サンプリングされたメダカの活動電位の振幅の最大値Ａを求めて基準値Ａ０と比較し（ステップＳ２）、最大値Ａが基準値Ａ０を超えれば「毒物汚染の可能性あり」と判定して（ステップＳ３）、報知手段２４によりそれを報知する。
【００３２】
一方、これに並行して変換手段１８の高速フーリエ変換部２５、パワースペクトル変換部２６を経て、サンプリングされたメダカの活動電位をパワースペクトルに変換する（ステップＳ４）。先ず高速フーリエ変換部２５にて一定時間におけるメダカの活動電位を高速フーリエ変換アルゴリズムにより変換して周波数スペクトルに変換し、次いでその周波数スペクトルをパワースペクトル変換部２６にてパワースペクトルに変換する（周波数スペクトル値を２乗して１／２を掛ける）。
【００３３】
続いて電力比演算手段２０の総和電力演算部２７、電力比演算部２８を経て、総和電力Ｐ１，Ｐ２及びその電力比（Ｐ２／Ｐ１）を演算する（ステップＳ５，Ｓ６）。即ち、総和電力演算部２７により、０（Ｈｚ）から低い周波数ｆ１（Ｈｚ）までの周波数範囲の総和電力Ｐ１と、低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの周波数範囲の総和電力Ｐ２とを演算し、電力比演算部２８によりその両総和電力Ｐ１，Ｐ２の電力比Ｐ２／Ｐ１を演算する。
【００３４】
そして、電力比Ｐ２／Ｐ１が求まると、判定手段２３の電力比判定部３０により、その電力比Ｐ２／Ｐ１の変化により毒物汚染の有無を判定する（ステップＳ７）。即ち、毒物汚染があれば、後述のように電力比Ｐ２／Ｐ１が増大するため、判定手段２３の電力比判定部３０により、現在の電力比Ｐ２／Ｐ１をそれ以前のものと比較して、現在の電力比Ｐ２／Ｐ１が以前よりも増大しておれば「毒物汚染の可能性あり」と判定して（ステップＳ８）、報知手段２４によりそれを報知する。
【００３５】
またピーク値演算手段２１により０（Ｈｚ）から周波数ｆ１（Ｈｚ）まで、周波数ｆ１（Ｈｚ）から周波数ｆ２（Ｈｚ）までの各周波数範囲におけるパワースペクトルのピーク値Ｄ１，Ｄ２を演算する（ステップＳ９）。そして、ピーク値Ｄ１，Ｄ２が求まると、判定手段２３のピーク値判定部３１によりそのピーク値Ｄ２の変化により毒物汚染の有無を判定する（ステップＳ１０）。毒物汚染があれば、後述のようにピーク値Ｄ２が増大するため、判定手段２３のピーク値判定部３１により、現在のピーク値Ｄ２をそれ以前のものと比較し、現在のピーク値Ｄ２が以前よりも増大しておれば「毒物汚染の可能性あり」と判定して（ステップＳ１１）、報知手段２４によりそれを報知する。
【００３６】
更にピーク周波数演算手段２２により０（Ｈｚ）から周波数ｆ１（Ｈｚ）まで、周波数ｆ１（Ｈｚ）から周波数ｆ２（Ｈｚ）までの各周波数範囲においてパワースペクトルがピークになるピーク周波数Ｆ１，Ｆ２を演算する（ステップＳ１２）。そして、ピーク周波数Ｆ２が求まると、判定手段２３のピーク周波数判定部３２がそのピーク周波数Ｆ２の変化により毒物汚染の有無を判定する（ステップＳ１３）。毒物汚染があれば、後述のようにピーク周波数Ｆ２が増大するため、判定手段２３のピーク周波数判定部３２により、現在のピーク周波数Ｆ２をそれ以前のものと比較し、現在のピーク周波数Ｆ２が以前よりも増大しておれば「毒物汚染の可能性あり」と判定して（ステップＳ１４）、報知手段２４によりそれを報知する。
【００３７】
判定手段２３は、その振幅判定部２９、電力比判定部３０、ピーク値判定部３１、ピーク周波数判定部３２で個々の判定を行うと共に、最大振幅値、電力比、ピーク値、ピーク周波数を総合的に判断して、「毒物汚染の可能性」を数段階の危険レベルとして判定する。そして、その総合的判定の判定結果を報知手段２４により報知する。
【００３８】
なお、活動電位の振幅の最大値Ａ、電力比Ｐ２／Ｐ１、ピーク値Ｄ２、ピーク周波数Ｆ２は、順次記憶手段により記憶して、データベースを作成する。そして、判定手段２３の各判定部で現在値と比較する際に、それ以前の比較基準値等として活用する。
【００３９】
このように本発明は、水槽１内で飼育される所定数のメダカ（例えば２０匹から３０匹程度）から発生する活動電位の電圧振幅だけではなく、その活動電位のパワースペクトルを計測することにより、毒物汚染に対するメダカの生理反応と活動電位及びパワースペクトルの関連性から毒物汚染を検出するものである。
【００４０】
水槽１内でメダカを飼育する場合、メダカからその筋肉活動に由来する活動電位が発生する。即ち、メダカの遊泳運動、摂食や呼吸に伴う顎や鰓蓋の開閉などはすべて筋肉の働きによるものであり、その筋肉には骨や鰭を動かす骨格筋、内臓諸器官の構成要素となっている内蔵筋、及び心臓の壁を構成する心筋に大別される。そして、活動電位は、その骨格筋の活動によって発生する電位である。
【００４１】
筋肉を随意筋と不随意筋に分類すると、骨格筋は随意筋、内臓筋は不随意筋である。心筋は形態的には骨格筋であるが、機能的には自立神経系の支配を受ける不随意筋であるとされる。この分類に従うと、顎や鰓蓋の筋肉は随意筋であるが、これらは常時呼吸に伴う不随意的な運動をしている。また常時姿勢を保つために胸鰭を動かしていることから、この運動も不随意的な運動と考えられる。
【００４２】
毒物汚染に対するメダカの生理反応と活動電位及びパワースペクトルの関連性には、次のようなものがある。
【００４３】
関連性Ｉ：毒物濃度が十分高い場合は、メダカの活動電位は異常に大きくなる。
【００４４】
関連性II：毒物濃度がそれほど高くない場合は、メダカの活動電位はあまり大きく変 化しないが、呼吸に伴う口及び鰓蓋の開閉運動が速くなり、その開閉運動に対応 するパワースペクトルのピーク周波数は高くなる。
【００４５】
関連性III ：毒物汚染により随意的な運動（遊泳運動）は不活発になり、不随意的な 運動（呼吸に伴う口や鰓蓋の運動、胸鰭による姿勢制御）が主になる。
＜関連性Ｉについて＞
関連性Ｉはメダカの狂奔行動によるものである。毒物の濃度が高いとメダカは狂奔行動を取るが、濃度が比較的低い場合は狂奔行動は見られない。例えば、毒物がＫＣＮ（シアン化カリウム）の場合のメダカの活動電位を図６に示す。図６の（ａ）〜（ｅ）は、ＫＣＮ濃度が１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、０．０５ｐｐｍ、２．０ｐｐｍの場合であり、水流のある水槽１内にｔ＝０．５ｍｉｎでＫＣＮを投入している。（ａ）〜（ｅ）の何れにおいても、活動電位の最大値に大きな変化はない。なお、（ｄ）のｔ＝０．５ｍｉｎ付近で電圧振幅が±1.5 Ｖまで振れているが、これは外部からのノイズである。ＫＣＮ濃度が２ｐｐｍの（ｅ）では、ｔ＝４ｍｉｎ付近で電圧振幅が±5 Ｖまで振れている。これは大きなメダカの狂奔行動によるものである。
【００４６】
従って、毒物濃度が高い場合（例えば２ｐｐｍ以上などの場合）には、このような狂奔行動による電圧振幅の増大が頻繁に発生するため、その電圧振幅の最大値により「毒物汚染の可能性あり」、「毒物混入等の異常事態」と判定することができる。しかし、活動電位は、平常時でも電極１３ａ，１４ａ付近にメダカが集まったり、急に泳ぎだしたりした場合などに大きくなることがある。また低濃度の毒物汚染では狂奔行動が見られず、活動電位の振幅自体はほとんど変化しないこともある。
＜関連性II及びIII について＞
水流のない水槽１、水流のある水槽１、ＫＣＮ濃度１ｐｐｍが投入された水流のある水槽１内で夫々メダカが遊泳する場合の各活動電位を比較すると、次のようになる。
【００４７】
図７は水流のない水槽１内で遊泳するメダカ（１３匹）から発生する電圧信号（約５万倍に増幅）を示し、図８はそのパワースペクトルを示す。図７では約３．２Ｈｚの周期的な波形が見られるが、これは呼吸に伴う顎や鰓蓋の運動及び姿勢を保つ胸鰭の運動（不随意的運動）による活動電位である。図８のパワースペクトルから基本周波数である３．２Ｈｚと高調波成分である６．４Ｈｚに電力が集中していることが判る。
【００４８】
水流がなく静かな水中では、メダカの運動は極めて緩慢であるが、口と鰓蓋は呼吸のために規則的に運動し、また胸鰭も姿勢制御のために規則的に運動している。このため水槽１内には１３匹のメダカがいるが、その活動電位は１匹の場合とよく似た波形となっている。パワースペクトルのピーク値は約３Ｈｚの周波数に見られるが、これは１秒間に約３回の繰返し速度で口と鰓蓋及び胸鰭が動いているためである。
【００４９】
図９は水流のある水槽１内で遊泳するメダカ（２５匹) から発生する電圧信号を示し、図１０はそのパワースペクトル（黒太線は周波数幅０．１Ｈｚ毎に平均したパワースペクトル）を示す。この図９、図１０では、メダカの呼吸や姿勢制御（不随意的運動）による活動電位は約４Ｈｚの周波数成分が主であり、そのほかに遊泳運動（随意的運動）による不規則な活動電位が重畳されている。
【００５０】
水流が激しい場合は、メダカは水流に流されずに泳ぐために、その運動は激しくなる。このとき２５匹のメダカはばらばらに水流に逆らって泳いでいるため、その活動電位の波形の周期性はかなり乱れており、またパワースペクトルも０Ｈｚから１０Ｈｚに分散している。しかし、平均を取ると、４Ｈｚ付近にピーク値が見られる。これは激しい運動に伴い、呼吸や胸鰭の動きが速くなったからと考えられる。
【００５１】
図１１はメダカ（２５匹) が遊泳する水流のある水槽１にＫＣＮ（濃度１ｐｐｍ）を加えた場合の電圧信号を示し、図１２はそのパワースペクトルを示す。水槽１の流水にＫＣＮを加えると、図１１、図１２に示すようにメダカの活動電位が規則的になる。そして、呼吸や姿勢制御による活動電位の周波数は約５．８Ｈｚに上昇しており、電力密度もＫＣＮを加える前よりも増大している。
【００５２】
水流が激しい水槽１内にＫＣＮを投入すると、メダカの活動電位の波形とパワースペクトルの分布が図５と図６に示すように変化し、水流が激しいにも拘わらず、活動電位は再び周期的になり、パワースペクトルも５．６Ｈｚ付近に電力が集中する。パワースペクトルの形状は、水流がない場合の形状によく似ており、この現象はＫＣＮ濃度が１ｐｐｍ以下であっても同様である。
【００５３】
本発明は、このように毒物汚染があった場合に電力が集中する現象を利用して、毒物汚染の有無を判定するものである。即ち、毒物投入前の平常時には、図１０に示すように、４Ｈｚにパワースペクトルのピークがあり、そのピークの両側では２．５Ｈｚ付近及び７．５Ｈｚ付近に谷がある。一方、毒物が投入された場合は、図１２に示すように、パワースペクトルのピークは６Ｈｚ付近に移動する。しかし、２．５Ｈｚ付近と７．５Ｈｚ付近に毒物投入前と同様に谷がある。そして、２．５Ｈｚ以下の総和電力と２．５Ｈｚから７．５Ｈｚまでの総和電力とを比較すると、毒物投入前と投入後では総和電力の割合が急変する。従って、この電力比の変化から毒物汚染を判定することができる。
【００５４】
関連性II及びIII は、この測定結果からも判る。即ち、図９と図１１との活動電位の電圧幅を比較すると、図９の電圧幅は３Ｖ、図１１の電圧幅は３．５Ｖであり、ＫＣＮ濃度が１ｐｐｍ以下での電圧振幅には毒物汚染による影響は見られない。しかし、図１０と図１２とのパワースペクトルを比較すると、鰓蓋の開閉運動に対応する周波数は図１０では約４Ｈｚ、図１２では約５．８Ｈｚであり、ピーク周波数に変化が見られる。
【００５５】
毒物の影響が、活動電位のパワースペクトルに現れる様子を濃度の異なるＫＣＮ水溶液で調べると、次のとおりである。ＫＣＮ濃度は２ｐｐｍ、１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、０．０５ｐｐｍの5 種類であり、水温は２７°Ｃ、水流は少し強めであるが、メダカが流されない程度の強さである。各濃度でメダカの数は２５匹であり、その大きさは大小さまざまである。水槽１の大きさは幅１００ｍｍ、長さ２４５ｍｍ、水深１２３ｍｍ、水量３０００ｍｌ（井戸水）、水流１．５ｌ／ｍｉｎである。
【００５６】
メダカの活動電位の周波数帯域別の電力と最大電力周波数を次のように定める。まず、活動電位をサンプリング間隔０．０１秒で８１９２点（８１．９２秒間）サンプリングする。サンプリングで得られた時間信号から高速フーリエ変換アルゴリズムで周波数スペクトルを得た後、その周波数スペクトルをパワースペクトルに変換する。そして、パワースペクトルの０．０Ｈｚから２．５Ｈｚまで、２．５Ｈｚから７．５Ｈｚまでの各周波数帯域別の総和電力Ｐ１，Ｐ２を求め、それらの電力比Ｐ２／Ｐ１を演算する。また０．０Ｈｚから２．５Ｈｚまで、２．５Ｈｚから７．５Ｈｚまでの各周波数帯域別のパワースペクトルのピーク周波数Ｆ１，Ｆ２を求める。
【００５７】
周波数帯域別の総和電力Ｐ１，Ｐ２、電力比Ｐ２／Ｐ１、ピーク周波数Ｆ１，Ｆ２の時間変化とＫＣＮ濃度の関係を図１３、図１４に示す。図１４はＫＣＮ水溶液中のメダカの活動電位の周波数帯域別の電力と最大電力周波数を示し、図１３はＫＣＮ水溶液中のメダカの活動電位の周波数帯域別の電力の電力比を示す。なお、図１３、図１４において、ＫＣＮの投入時刻は０分であり、約８２秒ごとに求めた値がプロットされている（フーリエ変換は観測時間８１．９２秒毎に行うため）。
【００５８】
ＫＣＮが加えられると、図１３及び図１４に示すように、周波数帯域別の電力比Ｐ２／Ｐ１が上昇することが判る。特にＫＣＮ濃度が０．５ｐｐｍ以上の場合は電力比Ｐ２／Ｐ１の上昇が顕著に見られる。ただし、２ｐｐｍの場合は濃度が濃すぎて、メダカの活動がすぐに低下するようである。０．５ｐｐｍ以下の濃度では、時間の経過に伴い電力比Ｐ２／Ｐ１の上昇が認められるが、それは緩やかである。活動電位の周波数帯域別の最大電力周波数Ｆ２も、ＫＣＮが加えられると、直ちに上昇することが判る。
【００５９】
活動電位の周波数帯域別の最大電力周波数とパワースペクトルのピーク値は、次のようになる。即ち、前述のように活動電位の周波数帯域別の最大電力周波数Ｆ２は、ＫＣＮが加えられたときに上昇するが、図１５ないし図１９から判るように最大電力周波数Ｆ２におけるパワースペクトル値そのものもＫＣＮが加えられると上昇する。
【００６０】
図１５の（ａ１）〜（ａ４）は濃度１ｐｐｍのＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ａ１）はＫＣＮ投入前（即ち、平常状態）の１１分間のメダカのパワースペクトルであるが、１１分間を８区間（１区間の長さは８１．９２秒）に分割して、夫々の区間でパワースペクトルを求め、それを重ねて表示している。（ａ２）はＫＣＮ投入後１１分間、（ａ３）はＫＣＮ投入後１１〜２２分間、（ａ４）はＫＣＮ投入後２２〜３３分間のパワースペクトルを同様に重ねて表示している。
【００６１】
ＫＣＮ投入前の１１分間の時点では、水槽１内の水は水流ポンプで撹拌され、その水流に逆らって大小２５匹のメダカが泳ぎまわっている。従って、パワースペクトルは略一定の周波数にピークを持っており、ピーク値もわずかに変動する程度である。これは、８１．９２秒間というかなり長い時間の電圧データをフーリエ変換しているため、電圧信号の周波数成分が平均化されているからである。
【００６２】
毒が投入される（ＫＣＮ濃度＝１ｐｐｍ）と、４Ｈｚ付近にあったパワースペクトルのピーク値は５．８Ｈｚ付近に移動している。これは、図１５の（ａ１）と（ａ２）との比較、又は図１４（ｂ）のＫＣＮ濃度＝１ｐｐｍでｔ＝０の前後でピーク値（破線）が４Ｈｚから５．８Ｈｚに急変していることから判る。
【００６３】
またパワースペクトルのピーク値は０．０２５から０．０７５へと３倍の値に増大している。このときのピーク周波数Ｆ２は呼吸に伴う口及び鰓蓋の開閉運動が発生する筋電位の周波数と考えられる。ｔ＝０以前では１１分間も安定していたこの周波数Ｆ２が、ｔ＝０（毒物投入）以後、急変することは毒物投入などという異常事態が引き起こしたと判断して妥当だといえる。
【００６４】
図１６の（ｂ１）〜（ｂ５）は濃度０．５ｐｐｍのＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ｂ１）は平常時の１１分間、（ｂ２）はＫＣＮ投入の直後から約１１分間、（ｂ３）はＫＣＮ投入後から約１１〜２２分間、（ｂ４）はＫＣＮ投入後から約２２〜３３分間、（ｂ５）はＫＣＮ投入後から約３３〜４４分間分のパワースペクトルであり、同様に重ね書きしている。
【００６５】
（ｂ１）では４．８Ｈｚにピークがあるが、このピークは（ｂ２）では５．２Ｈｚに移動している。パワースペクトルのピーク値は０．０１４から０．０１９に（平均的に）増大している。更に（ｂ３）ではピークの周波数は５．２Ｈｚのままであるが、ピーク値は０．０２に増大し、（ｂ４）ではピーク周波数が５．８Ｈｚ、ピーク値は０．２３へ、（ｂ５）ではピーク周波数は５．０Ｈｚ、ピーク値は０．０２４へと変化している。図１４（ｃ）からは低周波側（Ｆ１付近）のピーク値周辺の総和電力Ｐ１と周波数Ｆ２にあるピーク値周辺の総和電力Ｐ２との電力比Ｐ２／Ｐ１（太い破線）がｔ＝０以後時間の経過とともに増大していることが判る。このように電力比Ｐ２／Ｐ１が時間に比例して変化するということは、毒物の影響によってメダカの口や鰓蓋の動きが徐々に速く激しくなっていったことを示している。
【００６６】
図１７の（ｃ１）〜（ｃ５）は濃度０．１ｐｐｍのＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ｃ１）は平常時の１１分間、（ｃ２）はＫＣＮ投入の直後から約１１分間、（ｃ３）はＫＣＮ投入後から約１１〜２２分間、（ｃ４）はＫＣＮ投入後から約２２〜３３分間、（ｃ５）はＫＣＮ投入後から約３３〜４４分間分のパワースペクトルであり、同様に重ね書きしている。
【００６７】
ＫＣＮの投入前と投入後で５Ｈｚ付近に見えるパワースペクトルのピークは、周波数はあまり変わらないが、ピーク値が０．０１６から０．０１７、０．０２２、０．２１、０．０１９と変化している。ＫＣＮの投入前には（ｃ１）から判るように５Ｈｚにおけるピーク値は１１分間観測してもせいぜい０．０１６程度だったものが、ＫＣＮの投入後は約３０分間にわたり約０．０２（平常時のピーク値の約１．２倍）に増大している。
【００６８】
図１８の（ｄ１）〜（ｄ５）は濃度０．０５ｐｐｍ（今回の観測で最小濃度）のＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ｄ１）は平常時の１１分間、（ｄ２）はＫＣＮ投入の直後から約１１分間、（ｄ３）はＫＣＮ投入後から約１１〜２２分間、（ｄ４）はＫＣＮ投入後から約２２〜３３分間、（ｄ５）はＫＣＮ投入後から約３３〜４４分間分のパワースペクトルであり、同様に重ね書きしている。
【００６９】
ＫＣＮの投入前後でパワースペクトルに変化は認められない。図１３に示す電力比Ｐ２／Ｐ１は、ｔ＝０以降わずかに上昇しているようにも見えるが、明確な上昇とはいえない。従って、今回の実験からは、ＫＣＮ濃度が０．１ｐｐｍ以上であればパワースペクトルのピーク値の周波数Ｆ２の変化、ピーク値Ｄ２の変化、更に電力比Ｐ２／Ｐ１の変化からＫＣＮの混入を判定できるといえる。
【００７０】
図１４の（ｅ１）〜（ｅ５）は濃度２ｐｐｍ（今回の観測で最高濃度）のＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ｅ１）は平常時の１１分間、（ｅ２）はＫＣＮ投入の直後から約１１分間、（ｅ３）はＫＣＮ投入後から約１１〜２２分間、（ｅ４）はＫＣＮ投入後から約２２〜３３分間、（ｅ５）はＫＣＮ投入後から約３３〜４４分間分のパワースペクトルであり、同様に重ね書きしている。
【００７１】
パワースペクトルのピーク値の周波数Ｆ２はＫＣＮの投入前後で４．６Ｈｚ付近を上下しているが、ピーク値は毒物の投入前は０．０１３、投入直後の１１分間は０．０２２（平常時の１．７倍）、投入後１１分から２２分の間は０．０１８（１．３８倍）、投入後２２分から３３分の間は０．０２２（１．７倍）と変化している。この場合にはＫＣＮ濃度が高濃度すぎて、メダカがＫＣＮの投入後すぐに狂奔行動を起こし弱ってしまった。（Ｅ２）は毒物投入直後の１１分間のパワースペクトルであるが、図１５から図１８と違って、パワースペクトルの周波数分布が１１分間で複雑に変化したため、きれいに重なったパワースペクトルの山が見られない。これは、極めて不自然な狂奔行動により周波数成分も乱れたためである。
【００７２】
図２０はＫＣＮ濃度毎におけるＫＣＮの投入前後の各時間のパワースペクトルのピーク値とその周波数を示す。図１５〜図１９及び図２０から、ＫＣＮを加えると、２．５Ｈｚから７．５Ｈｚの周波数帯域のパワースペクトルのピーク値が上昇し、そのピーク値を与える周波数も一般に上昇することが判る。なお、パワースペクトルのピーク値の上昇は、ＫＣＮの投入直後直ちに現れ、０．１ｐｐｍという低濃度の場合でさえ、投入後１１分から２２分の間に１．４倍に増大している。
【００７３】
このようにしてメダカの活動電位の時間データをサンプリングした後、先ず活動電位の振幅を基準値Ａ０と比較して、基準値Ａ０を超えておれば「毒物混入の惧れあり」と判定する。なお、メダカが毒物以外のものの影響で行動が激しいだけである場合もある。次にパワースペクトルから電力比Ｐ２／Ｐ１、ピーク値Ｄ２、ピーク周波数Ｆ２を以前のもの（平常値）と比較して、電力比Ｐ２／Ｐ１、ピーク値Ｄ２、ピーク周波数Ｆ２が増大しておれば「毒物混入の惧れあり」と判定する。
【００７４】
報知手段２４のモニタには、活動電位の基準値Ａ０及び異常時の電圧振幅の倍率、電力比Ｐ２／Ｐ１の平常値及び異常時の値の倍率、ピーク値の平常値及び異常時の値の倍率、ピーク周波数の平常値及び異常時の周波数の変化幅を夫々表示する。これらの判定用変数の値がどの程度であれば「毒物混入」と判定するかは、平常時のデータに基づき、判定用変数の統計データを参考にして決めればよい。例えば倍率をカラー表示して、倍率が低いときは青色だが、倍率が高いと赤色で危険とする。警報を鳴らすレベルは、対象とする被検水の用途その他の条件に応じて適宜設定すればよい。
【００７５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、実施例では、水棲生物としてメダカを例示しているが、その生理反応により活動電位を発生するものであれば、メダカ以外の魚類、貝類、蟹類、けら類その他を利用してもよい。またパワースペクトルの周波数帯域別の総電力Ｐ１，Ｐ２を求めた後、その電力比Ｐ２／Ｐ１の変化から毒物混入の有無を判定するのが望ましいが、両総電力Ｐ１，Ｐ２を加算して、その変化から毒物混入の有無を判定してもよい。
【００７６】
両総電力Ｐ１，Ｐ２を加算してその加算電力値を平常時の電力値と比較し、加算電力値が平常時の電力値と略同程度か否かにより、加算電力値が平常時よりも低いときに、「メダカの活動が静かすぎるので、異常かも知れない」とし、加算電力値が平常時よりも高いときに、「メダカの活動が活発すぎるので、異常かも知れない」と判断することも可能である。
【００７７】
水槽１の飼育部は１個でもよい。水槽１内には被検水の流れ方向に配置される一対の電極１３ａ，１４ａに加えて、被検水の流れ方向と交差する方向の両側、例えば被検水の流れを挟んでその左右方向に相対向し、又は上下方向に相対向するように配置してもよい。なお、上下両側に電極１３ａ，１４ａを配置する場合には、上側の電極１３ａ，１４ａは被検水の水面近傍に水没するように配置することが望ましい。また水槽１の対角線方向の両側に電極１３ａ，１４ａを配置してもよい。一対の電極１３ａ，１４ａは略平行に配置することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】微量毒物汚染監視装置ブロック図である。
【図２】活動電位のパワースペクトルの説明図である。
【図３】水槽の平面図である。
【図４】水槽の断面図である。
【図５】微量毒物汚染監視のフローチャートである。
【図６】毒物を投入したときの活動電位の波形図である。
【図７】水流のない水槽でのメダカの活動電位の波形図である。
【図８】水流のない水槽でのメダカの活動電位のパワースペクトル図である。
【図９】水流のある水槽でのメダカの活動電位の波形図である。
【図１０】水流のある水槽でのメダカの活動電位のパワースペクトル図である。
【図１１】水流のある水槽にＫＣＮを投入したときのメダカの活動電位の波形図である。
【図１２】水流のある水槽にＫＣＮを投入したときのメダカの活動電位のパワースペクトル図である。
【図１３】ＫＣＮを投入したときのメダカの活動電位の周波数帯域別の電力の電力比を示す図である。
【図１４】ＫＣＮを投入したときのメダカの活動電位の周波数帯域別の電力と最大電力周波数とを示す図である。
【図１５】ＫＣＮ１ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図１６】ＫＣＮ０．５ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図１７】ＫＣＮ０．１ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図１８】ＫＣＮ０．０５ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図１９】ＫＣＮ２ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図２０】ＫＣＮ投入前後のパワースペクトルのピーク値とピーク周波数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 水槽
６ 第１監視部
７ 第２監視部
１３ａ，１４ａ 電極
１７ サンプリング手段
１８ 変換手段
１９ 周波数設定手段
２０ 電力比演算手段
２１ ピーク値演算手段
２２ ピーク周波数演算手段
２３ 判定手段
２４ 報知手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水槽内の水棲生物の活動電位を計測して水の微量毒物汚染を監視する微量毒物汚染監視方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
河川、ダム、地下水、事業廃水、工場廃水などの毒物汚染を監視する毒物汚染監視技術として、河川、ダムなどの被検水を導入し排水する水槽の監視部にメダカなどの水棲生物を飼育しておき、その監視部に装備された一対の電極によって水棲生物の活動電位を計測し、その活動電位の変化に基づいて毒物汚染の有無を監視する方法がある（特許文献１）。この毒物汚染監視方法は、水槽内の水棲生物の活動による筋電位の変化を一対の電極により計測し、その筋電位の絶対値を単位時間で積算して活動量とし、この活動量と直前の一定回数の計測時の活動量との移動平均値を求め、その移動平均値が管理限界値を超えたときに水質異常と判定する方法を採っている。
【特許文献１】特開平１１−１２５６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この毒物汚染監視方法は、所定時間にわたって水棲生物の筋電位を計測し、その筋電位を増幅器で増幅した後、水棲生物の筋肉活動に起因する０．２〜２Ｈｚの周波数成分をフィルターにより選別し、Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換したものを活動電位とし、この活動電位の絶対値を積算して活動量を求め、その移動平均値が管理限界値を超えるか否かにより、毒物汚染の有無を判定している。
【０００４】
しかし、従来の監視方法は、基本的には水棲生物の活動電位の波高値の振幅計測による判定法であるため、毒物汚染の有無の判定が非常に難しく、微量毒物による汚染に対しては誤判定を招き易いという欠点がある。また筋電位の時間軸データはその波形が非常に複雑であるため、その電圧値をＡ／Ｄ変換をして使用するものの、その後の情報処理が煩雑であり、この点でも誤判定を招き易いという欠点がある。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、微量毒物による被検水の汚染を容易且つ迅速に判定できる微量毒物汚染監視方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の方法は、被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と、低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和とを求め、前記両電力の総和に基づいて汚染の有無を判定するものである。その際に、前記両電力の総和の比を求め、該総和の比が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定してもよい。
【０００７】
本発明の第２の方法は、被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルのピーク値を求め、該ピーク値が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定するものである。
【０００８】
本発明の第３の方法は、被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を求め、該ピーク周波数が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定するものである。
【０００９】
本発明の第４の方法は、第１の方法の前記総和の比、第２の方法の前記ピーク値及び第３の方法の前記ピーク周波数に基づいて汚染の可能性を複数段階の危険レベルとして判定するものである。
【００１０】
本発明の装置は、被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視装置において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングするサンプリング手段と、前記所定時間の前記活動電位を高速フーリエ変換してパワースペクトルに変換する変換手段と、前記パワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和との比を演算する電力比演算手段と、前記パワースペクトルのピーク値を演算するピーク値演算手段と、前記パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を演算するピーク周波数演算手段と、前記総和の比、前記ピーク値、前記ピーク周波数が増大したときに汚染の可能性ありと判定する判定手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、微量毒物による被検水の汚染を容易且つ迅速に判定でき、従来のような誤判定を未然に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳述する。図面は本発明の一実施例を例示する。微量毒物汚染監視用の水槽１は、図３、図４に示すように矩形状の内部が流入部２、整流部３、給餌部４、分配部５、第１監視部６、第２監視部７、予備飼育部８、排水部９に区画され、流入部２から排水部９へと水槽１内を被検水が矢印方向に通水するようになっている。
【００１３】
流入部２、整流部３、給餌部４は水槽１の上流側に横方向に配置され、その流入部２に、水槽１内へと被検水が流入する流入管１０が設けられ、この流入管１０から流入した被検水は、流入部２から整流部３を経て給餌部４へと流れる。給餌部４には給餌器１１が設けられている。
【００１４】
分配部５は上流側に、排水部９は下流側に夫々横方向に配置され、その分配部５と排水部９との間に、水棲生物、例えばメダカを飼育する第１監視部６、第２監視部７、予備飼育部８が横方向に配置されている。そして、給餌部４からの被検水は、分配部５で第１監視部６、第２監視部７、予備飼育部８に夫々分配され、その監視部６，７、予備飼育部８を通過した後、排水部９の排水管１１ａを経て外部に排出されるようになっている。排水管１１ａは監視部６，７、予備飼育部８に夫々対応して設けられている。
【００１５】
監視部６，７、予備飼育部８は、隔壁１２により互いに区画されると共に、餌等が通過しメダカが通過しない程度の編み目、孔等を有する仕切り板１３，１４により分配部５、排水部９と区画されている。監視部６，７には、例えば１３匹、２５匹程度の多数（複数）のメダカが飼育されている。予備飼育部８には予備用のメダカが飼育されている。
【００１６】
監視部６，７には、被検水の流れ方向の両端部、即ち上流側（流入口側）と下流側（流出口側）との端部に一対の電極１３ａ，１４ａが相対向して平行に配置されている。各電極１３ａ，１４ａにはメダカの活動電位の観測に適した材料、例えば白金酸化物をコーティングした金属板が使用されており、仕切り板１３，１４を兼用するようになっている。電極１３ａ，１４ａは仕切り板１３，１４と別に設けてもよい。また一対の電極１３ａ，１４ａは平行に配置することが望ましい。更に電極１３ａ，１４ａは白金酸化物製でもよい。
【００１７】
監視部６，７には、メダカが下流側で被検水の流れに逆らう方向に遊泳するように、一対の電極１３ａ，１４ａ間に複数のポール等の突起１５が設けられている。これは、メダカの身体の方向が一対の電極１３ａ，１４ａ間の方向と同じになった場合に、その筋電位の計測効率が最もよくなるためである。
【００１８】
なお、監視部６，７には、被検水の流れ方向と略直交する方向の両側に別の一対の電極を設ける等、一対の電極間を結ぶ方向が異なるように、複数組の電極を異なる方向に配置してもよい。また水槽１は、静電気の影響を防ぐために金属製接地板１６の上に配置されている。監視部６，７の一方は省略してもよい。
【００１９】
微量毒物汚染監視装置は、図１に示すように水槽１の他に、各監視部６，７で飼育される所定数のメダカの活動電位を所定のサンプリング間隔で一定時間サンプリングするサンプリング手段１７と、所定時間の活動電位を高速フーリエ変換等により周波数に対する電力密度分布であるパワースペクトル（図２参照）に変換する変換手段１８と、パワースペクトルの山の両側の谷の周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）を設定する周波数設定手段１９と、周波数設定手段１９で設定されたパワースペクトルの山の両側の谷の周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）のうち、その低い周波数ｆ１（Ｈｚ）までの周波数帯域における各周波数毎の電力の総和と低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの周波数帯域における各周波数の電力の総和との比を演算する電力比演算手段２０と、パワースペクトルのピーク値を演算するピーク値演算手段２１と、パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を演算するピーク周波数演算手段２２と、活動電位の振幅の最大値が基準値Ａ０を超えたとき、総和の比、ピーク値、ピーク周波数が増大したときに汚染の可能性ありと判定する判定手段２３と、判定手段２３の判定結果を出力し報知する報知手段２４とを備え、メダカの活動電位の変化に基づいて被検水の微量毒物による汚染の有無を監視するようになっている。
【００２０】
なお、微量毒物汚染監視装置の水槽１等を除く主要部分は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成されるか、又はパーソナルコンピュータ等により構成されている。
【００２１】
サンプリング手段１７は監視部６，７の一対の電極１３ａ，１４ａに接続され、所定の監視時刻毎に、所定のサンプリング間隔Δｔで一定時間Ｔにわたって電極１３ａ，１４ａ間のメダカの活動電位をサンプリングして記録するようになっている。なお、サンプリング手段１７は、サンプリングした活動電位の電圧信号を増幅する機能を備えている。
【００２２】
変換手段１８は高速フーリエ変換部２５とパワースペクトル変換部２６とを備え、高速フーリエ変換部２５で所定時間Ｔにおける活動電位を高速フーリエ変換アルゴリズムにより周波数スペクトルに変換し、次いでパワースペクトル変換部２６でその周波数スペクトル値を２乗し１／２を掛けて、周波数スペクトルを図２に示すパワースペクトルに変換するようになっている。
【００２３】
周波数設定手段１９は、平常時のパワースペクトルの山の両側の谷に対応して所定の周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）を任意に設定可能である。平常時のパワースペクトルをみた場合、メダカの呼吸運動及び胸鰭などによる姿勢制御のための筋肉活動に由来するピークがある。従って、ピークの両側の谷の周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）のうち、低い方の周波数をｆ１（Ｈｚ）、高い方の周波数をｆ２（Ｈｚ）として、周波数設定手段１９により設定する。
【００２４】
なお、平常時のメダカの活動電位を長時間観測した場合、パワースペクトルのピークは日周変化するため、パワースペクトルを求める都度、新たに周波数ｆ１（Ｈｚ），ｆ２（Ｈｚ）を設定し直す必要があるが、平常時の実測結果から、その周波数に大きな変化がない場合にはそれらの平均値に固定してもよい。
【００２５】
電力比演算手段２０は総和電力演算部２７と電力比演算部２８とを備えている。総和電力演算部２７は周波数設定手段１９で設定された両周波数ｆ１，ｆ２のうち、０（Ｈｚ）から低い周波数ｆ１（Ｈｚ）までの周波数範囲における各周波数毎の電力を総和した総和電力Ｐ１と、低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの周波数帯域における各周波数の電力を総和した総和電力Ｐ２とを夫々演算するようになっている。電力比演算部２８は、総和電力演算部２７で演算された両総和電力Ｐ１，Ｐ２の比である電力比（Ｐ２／Ｐ１）を演算するようになっている。
【００２６】
ピーク値演算手段２１は周波数設定手段１９で設定された０（Ｈｚ）から低い周波数ｆ１（Ｈｚ）まで、低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの各周波数範囲において、パワースペクトルのピーク値Ｄ１，Ｄ２を演算するようになっている。なお、ピーク値Ｄ２のみでもよい。ピーク周波数演算手段２２は周波数設定手段１９で設定された０（Ｈｚ）から低い周波数ｆ１（Ｈｚ）まで、低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの各周波数帯域においてパワースペクトルがピークになる周波数（ピーク値Ｄ１，Ｄ２を示すピーク周波数）Ｆ１，Ｆ２を演算するようになっている。なお、ピーク周波数Ｆ２のみでもよい。
【００２７】
判定手段２３は振幅判定部２９、電力比判定部３０、ピーク値判定部３１、ピーク周波数判定部３２、総合判定部３３を備えている。振幅判定部２９は、サンプリング手段１７でサンプリングされた活動電位の振幅の最大値を基準値Ａ０と比較して、振幅の最大値が基準値Ａ０を超えたときに毒物汚染の可能性ありと判定し、また最大値が基準値Ａ０に対して急激に大きくなったときに「毒物混入等の異常事態」と判定するようになっている。なお、メダカの活動電位の平均振幅は日周変動するため、所定時間毎（例えば1 時間）に活動電位の最大値を記録し、その最大値を基準値Ａ０として設定することが望ましい。
【００２８】
ピーク値判定部３１はピーク値演算手段２１で演算されたピーク値がそれ以前の平常値よりも増大したときに「毒物汚染の可能性あり」と判定するようになっている。ピーク周波数判定部３２はピーク周波数演算部で演算されたピーク周波数がそれ以前のピーク周波数（平常値）よりも増大したときに「毒物汚染の可能性あり」と判定するようになっている。総合判定部３３は振幅判定部２９、電力比判定部３０、ピーク値判定部３１、ピーク周波数判定部３２の判定結果を総合的に判断して、毒物汚染の可能性を数段階の危険レベルとして判定するようになっている。
【００２９】
報知手段２４はモニタ等から成り、判定手段２３の振幅判定部２９、電力比判定部３０、ピーク値判定部３１、ピーク周波数判定部３２、総合判定部３３の各判定結果を画像等により表示するようになっている。例えば報知手段２４は、活動電位の振幅の基準値Ａ０及びその判定結果（異常時の電圧振幅の倍率）、電力比Ｐ２／Ｐ１の平常値及びその判定結果（異常時の電力比Ｐ２／Ｐ１の値の倍率）、パワースペクトルのピーク値の平常値及びその判定結果（異常時のピーク値の倍率）、パワースペクトルのピーク周波数の平常値及びその判定結果（異常時のピーク周波数の値の倍率）、更にはそれらを総合的に判断した段階的な総合判定結果等をモニタに表示するようになっている。なお、報知手段２４には、判定結果を視覚的に報知するモニタ等の視覚的報知手段の他、聴覚的に報知する聴覚的報知手段を採用してもよい。
【００３０】
次に図５のフローチャートを参照しながら、被検水の監視方法を説明する。監視中は、サンプリング手段１７により所定の監視時刻毎に所定のサンプリング間隔Δｔで所定時間Ｔにわたって電極１３ａ，１４ａ間のメダカの活動電位をサンプリングする（ステップＳ１）。サンプリングは、例えば一定時間Ｔにサンプリング間隔０．０１秒で８１９２点（Ｔ＝８１．９２秒間）行う。
【００３１】
そして、サンプリング手段１７がメダカの活動電位をサンプリングすると、判定手段２３の振幅判定部２９が活動電位の振幅の大小により毒物汚染の有無を判定する。メダカの活動電位は、後述のように毒物汚染の有無によって振幅が変化する。そこで、判定手段２３の振幅判定部２９により、サンプリングされたメダカの活動電位の振幅の最大値Ａを求めて基準値Ａ０と比較し（ステップＳ２）、最大値Ａが基準値Ａ０を超えれば「毒物汚染の可能性あり」と判定して（ステップＳ３）、報知手段２４によりそれを報知する。
【００３２】
一方、これに並行して変換手段１８の高速フーリエ変換部２５、パワースペクトル変換部２６を経て、サンプリングされたメダカの活動電位をパワースペクトルに変換する（ステップＳ４）。先ず高速フーリエ変換部２５にて一定時間におけるメダカの活動電位を高速フーリエ変換アルゴリズムにより変換して周波数スペクトルに変換し、次いでその周波数スペクトルをパワースペクトル変換部２６にてパワースペクトルに変換する（周波数スペクトル値を２乗して１／２を掛ける）。
【００３３】
続いて電力比演算手段２０の総和電力演算部２７、電力比演算部２８を経て、総和電力Ｐ１，Ｐ２及びその電力比（Ｐ２／Ｐ１）を演算する（ステップＳ５，Ｓ６）。即ち、総和電力演算部２７により、０（Ｈｚ）から低い周波数ｆ１（Ｈｚ）までの周波数範囲の総和電力Ｐ１と、低い周波数ｆ１（Ｈｚ）から高い周波数ｆ２（Ｈｚ）までの周波数範囲の総和電力Ｐ２とを演算し、電力比演算部２８によりその両総和電力Ｐ１，Ｐ２の電力比Ｐ２／Ｐ１を演算する。
【００３４】
そして、電力比Ｐ２／Ｐ１が求まると、判定手段２３の電力比判定部３０により、その電力比Ｐ２／Ｐ１の変化により毒物汚染の有無を判定する（ステップＳ７）。即ち、毒物汚染があれば、後述のように電力比Ｐ２／Ｐ１が増大するため、判定手段２３の電力比判定部３０により、現在の電力比Ｐ２／Ｐ１をそれ以前のものと比較して、現在の電力比Ｐ２／Ｐ１が以前よりも増大しておれば「毒物汚染の可能性あり」と判定して（ステップＳ８）、報知手段２４によりそれを報知する。
【００３５】
またピーク値演算手段２１により０（Ｈｚ）から周波数ｆ１（Ｈｚ）まで、周波数ｆ１（Ｈｚ）から周波数ｆ２（Ｈｚ）までの各周波数範囲におけるパワースペクトルのピーク値Ｄ１，Ｄ２を演算する（ステップＳ９）。そして、ピーク値Ｄ１，Ｄ２が求まると、判定手段２３のピーク値判定部３１によりそのピーク値Ｄ２の変化により毒物汚染の有無を判定する（ステップＳ１０）。毒物汚染があれば、後述のようにピーク値Ｄ２が増大するため、判定手段２３のピーク値判定部３１により、現在のピーク値Ｄ２をそれ以前のものと比較し、現在のピーク値Ｄ２が以前よりも増大しておれば「毒物汚染の可能性あり」と判定して（ステップＳ１１）、報知手段２４によりそれを報知する。
【００３６】
更にピーク周波数演算手段２２により０（Ｈｚ）から周波数ｆ１（Ｈｚ）まで、周波数ｆ１（Ｈｚ）から周波数ｆ２（Ｈｚ）までの各周波数範囲においてパワースペクトルがピークになるピーク周波数Ｆ１，Ｆ２を演算する（ステップＳ１２）。そして、ピーク周波数Ｆ２が求まると、判定手段２３のピーク周波数判定部３２がそのピーク周波数Ｆ２の変化により毒物汚染の有無を判定する（ステップＳ１３）。毒物汚染があれば、後述のようにピーク周波数Ｆ２が増大するため、判定手段２３のピーク周波数判定部３２により、現在のピーク周波数Ｆ２をそれ以前のものと比較し、現在のピーク周波数Ｆ２が以前よりも増大しておれば「毒物汚染の可能性あり」と判定して（ステップＳ１４）、報知手段２４によりそれを報知する。
【００３７】
判定手段２３は、その振幅判定部２９、電力比判定部３０、ピーク値判定部３１、ピーク周波数判定部３２で個々の判定を行うと共に、最大振幅値、電力比、ピーク値、ピーク周波数を総合的に判断して、「毒物汚染の可能性」を数段階の危険レベルとして判定する。そして、その総合的判定の判定結果を報知手段２４により報知する。
【００３８】
なお、活動電位の振幅の最大値Ａ、電力比Ｐ２／Ｐ１、ピーク値Ｄ２、ピーク周波数Ｆ２は、順次記憶手段により記憶して、データベースを作成する。そして、判定手段２３の各判定部で現在値と比較する際に、それ以前の比較基準値等として活用する。
【００３９】
このように本発明は、水槽１内で飼育される所定数のメダカ（例えば２０匹から３０匹程度）から発生する活動電位の電圧振幅だけではなく、その活動電位のパワースペクトルを計測することにより、毒物汚染に対するメダカの生理反応と活動電位及びパワースペクトルの関連性から毒物汚染を検出するものである。
【００４０】
水槽１内でメダカを飼育する場合、メダカからその筋肉活動に由来する活動電位が発生する。即ち、メダカの遊泳運動、摂食や呼吸に伴う顎や鰓蓋の開閉などはすべて筋肉の働きによるものであり、その筋肉には骨や鰭を動かす骨格筋、内臓諸器官の構成要素となっている内蔵筋、及び心臓の壁を構成する心筋に大別される。そして、活動電位は、その骨格筋の活動によって発生する電位である。
【００４１】
筋肉を随意筋と不随意筋に分類すると、骨格筋は随意筋、内臓筋は不随意筋である。心筋は形態的には骨格筋であるが、機能的には自立神経系の支配を受ける不随意筋であるとされる。この分類に従うと、顎や鰓蓋の筋肉は随意筋であるが、これらは常時呼吸に伴う不随意的な運動をしている。また常時姿勢を保つために胸鰭を動かしていることから、この運動も不随意的な運動と考えられる。
【００４２】
毒物汚染に対するメダカの生理反応と活動電位及びパワースペクトルの関連性には、次のようなものがある。
【００４３】
関連性Ｉ：毒物濃度が十分高い場合は、メダカの活動電位は異常に大きくなる。
【００４４】
関連性II：毒物濃度がそれほど高くない場合は、メダカの活動電位はあまり大きく変 化しないが、呼吸に伴う口及び鰓蓋の開閉運動が速くなり、その開閉運動に対応 するパワースペクトルのピーク周波数は高くなる。
【００４５】
関連性III ：毒物汚染により随意的な運動（遊泳運動）は不活発になり、不随意的な 運動（呼吸に伴う口や鰓蓋の運動、胸鰭による姿勢制御）が主になる。
＜関連性Ｉについて＞
関連性Ｉはメダカの狂奔行動によるものである。毒物の濃度が高いとメダカは狂奔行動を取るが、濃度が比較的低い場合は狂奔行動は見られない。例えば、毒物がＫＣＮ（シアン化カリウム）の場合のメダカの活動電位を図６に示す。図６の（ａ）〜（ｅ）は、ＫＣＮ濃度が１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、０．０５ｐｐｍ、２．０ｐｐｍの場合であり、水流のある水槽１内にｔ＝０．５ｍｉｎでＫＣＮを投入している。（ａ）〜（ｅ）の何れにおいても、活動電位の最大値に大きな変化はない。なお、（ｄ）のｔ＝０．５ｍｉｎ付近で電圧振幅が±1.5 Ｖまで振れているが、これは外部からのノイズである。ＫＣＮ濃度が２ｐｐｍの（ｅ）では、ｔ＝４ｍｉｎ付近で電圧振幅が±5 Ｖまで振れている。これは大きなメダカの狂奔行動によるものである。
【００４６】
従って、毒物濃度が高い場合（例えば２ｐｐｍ以上などの場合）には、このような狂奔行動による電圧振幅の増大が頻繁に発生するため、その電圧振幅の最大値により「毒物汚染の可能性あり」、「毒物混入等の異常事態」と判定することができる。しかし、活動電位は、平常時でも電極１３ａ，１４ａ付近にメダカが集まったり、急に泳ぎだしたりした場合などに大きくなることがある。また低濃度の毒物汚染では狂奔行動が見られず、活動電位の振幅自体はほとんど変化しないこともある。
＜関連性II及びIII について＞
水流のない水槽１、水流のある水槽１、ＫＣＮ濃度１ｐｐｍが投入された水流のある水槽１内で夫々メダカが遊泳する場合の各活動電位を比較すると、次のようになる。
【００４７】
図７は水流のない水槽１内で遊泳するメダカ（１３匹）から発生する電圧信号（約５万倍に増幅）を示し、図８はそのパワースペクトルを示す。図７では約３．２Ｈｚの周期的な波形が見られるが、これは呼吸に伴う顎や鰓蓋の運動及び姿勢を保つ胸鰭の運動（不随意的運動）による活動電位である。図８のパワースペクトルから基本周波数である３．２Ｈｚと高調波成分である６．４Ｈｚに電力が集中していることが判る。
【００４８】
水流がなく静かな水中では、メダカの運動は極めて緩慢であるが、口と鰓蓋は呼吸のために規則的に運動し、また胸鰭も姿勢制御のために規則的に運動している。このため水槽１内には１３匹のメダカがいるが、その活動電位は１匹の場合とよく似た波形となっている。パワースペクトルのピーク値は約３Ｈｚの周波数に見られるが、これは１秒間に約３回の繰返し速度で口と鰓蓋及び胸鰭が動いているためである。
【００４９】
図９は水流のある水槽１内で遊泳するメダカ（２５匹) から発生する電圧信号を示し、図１０はそのパワースペクトル（黒太線は周波数幅０．１Ｈｚ毎に平均したパワースペクトル）を示す。この図９、図１０では、メダカの呼吸や姿勢制御（不随意的運動）による活動電位は約４Ｈｚの周波数成分が主であり、そのほかに遊泳運動（随意的運動）による不規則な活動電位が重畳されている。
【００５０】
水流が激しい場合は、メダカは水流に流されずに泳ぐために、その運動は激しくなる。このとき２５匹のメダカはばらばらに水流に逆らって泳いでいるため、その活動電位の波形の周期性はかなり乱れており、またパワースペクトルも０Ｈｚから１０Ｈｚに分散している。しかし、平均を取ると、４Ｈｚ付近にピーク値が見られる。これは激しい運動に伴い、呼吸や胸鰭の動きが速くなったからと考えられる。
【００５１】
図１１はメダカ（２５匹) が遊泳する水流のある水槽１にＫＣＮ（濃度１ｐｐｍ）を加えた場合の電圧信号を示し、図１２はそのパワースペクトルを示す。水槽１の流水にＫＣＮを加えると、図１１、図１２に示すようにメダカの活動電位が規則的になる。そして、呼吸や姿勢制御による活動電位の周波数は約５．８Ｈｚに上昇しており、電力密度もＫＣＮを加える前よりも増大している。
【００５２】
水流が激しい水槽１内にＫＣＮを投入すると、メダカの活動電位の波形とパワースペクトルの分布が図５と図６に示すように変化し、水流が激しいにも拘わらず、活動電位は再び周期的になり、パワースペクトルも５．６Ｈｚ付近に電力が集中する。パワースペクトルの形状は、水流がない場合の形状によく似ており、この現象はＫＣＮ濃度が１ｐｐｍ以下であっても同様である。
【００５３】
本発明は、このように毒物汚染があった場合に電力が集中する現象を利用して、毒物汚染の有無を判定するものである。即ち、毒物投入前の平常時には、図１０に示すように、４Ｈｚにパワースペクトルのピークがあり、そのピークの両側では２．５Ｈｚ付近及び７．５Ｈｚ付近に谷がある。一方、毒物が投入された場合は、図１２に示すように、パワースペクトルのピークは６Ｈｚ付近に移動する。しかし、２．５Ｈｚ付近と７．５Ｈｚ付近に毒物投入前と同様に谷がある。そして、２．５Ｈｚ以下の総和電力と２．５Ｈｚから７．５Ｈｚまでの総和電力とを比較すると、毒物投入前と投入後では総和電力の割合が急変する。従って、この電力比の変化から毒物汚染を判定することができる。
【００５４】
関連性II及びIII は、この測定結果からも判る。即ち、図９と図１１との活動電位の電圧幅を比較すると、図９の電圧幅は３Ｖ、図１１の電圧幅は３．５Ｖであり、ＫＣＮ濃度が１ｐｐｍ以下での電圧振幅には毒物汚染による影響は見られない。しかし、図１０と図１２とのパワースペクトルを比較すると、鰓蓋の開閉運動に対応する周波数は図１０では約４Ｈｚ、図１２では約５．８Ｈｚであり、ピーク周波数に変化が見られる。
【００５５】
毒物の影響が、活動電位のパワースペクトルに現れる様子を濃度の異なるＫＣＮ水溶液で調べると、次のとおりである。ＫＣＮ濃度は２ｐｐｍ、１ｐｐｍ、０．５ｐｐｍ、０．１ｐｐｍ、０．０５ｐｐｍの5 種類であり、水温は２７°Ｃ、水流は少し強めであるが、メダカが流されない程度の強さである。各濃度でメダカの数は２５匹であり、その大きさは大小さまざまである。水槽１の大きさは幅１００ｍｍ、長さ２４５ｍｍ、水深１２３ｍｍ、水量３０００ｍｌ（井戸水）、水流１．５ｌ／ｍｉｎである。
【００５６】
メダカの活動電位の周波数帯域別の電力と最大電力周波数を次のように定める。まず、活動電位をサンプリング間隔０．０１秒で８１９２点（８１．９２秒間）サンプリングする。サンプリングで得られた時間信号から高速フーリエ変換アルゴリズムで周波数スペクトルを得た後、その周波数スペクトルをパワースペクトルに変換する。そして、パワースペクトルの０．０Ｈｚから２．５Ｈｚまで、２．５Ｈｚから７．５Ｈｚまでの各周波数帯域別の総和電力Ｐ１，Ｐ２を求め、それらの電力比Ｐ２／Ｐ１を演算する。また０．０Ｈｚから２．５Ｈｚまで、２．５Ｈｚから７．５Ｈｚまでの各周波数帯域別のパワースペクトルのピーク周波数Ｆ１，Ｆ２を求める。
【００５７】
周波数帯域別の総和電力Ｐ１，Ｐ２、電力比Ｐ２／Ｐ１、ピーク周波数Ｆ１，Ｆ２の時間変化とＫＣＮ濃度の関係を図１３、図１４に示す。図１４はＫＣＮ水溶液中のメダカの活動電位の周波数帯域別の電力と最大電力周波数を示し、図１３はＫＣＮ水溶液中のメダカの活動電位の周波数帯域別の電力の電力比を示す。なお、図１３、図１４において、ＫＣＮの投入時刻は０分であり、約８２秒ごとに求めた値がプロットされている（フーリエ変換は観測時間８１．９２秒毎に行うため）。
【００５８】
ＫＣＮが加えられると、図１３及び図１４に示すように、周波数帯域別の電力比Ｐ２／Ｐ１が上昇することが判る。特にＫＣＮ濃度が０．５ｐｐｍ以上の場合は電力比Ｐ２／Ｐ１の上昇が顕著に見られる。ただし、２ｐｐｍの場合は濃度が濃すぎて、メダカの活動がすぐに低下するようである。０．５ｐｐｍ以下の濃度では、時間の経過に伴い電力比Ｐ２／Ｐ１の上昇が認められるが、それは緩やかである。活動電位の周波数帯域別の最大電力周波数Ｆ２も、ＫＣＮが加えられると、直ちに上昇することが判る。
【００５９】
活動電位の周波数帯域別の最大電力周波数とパワースペクトルのピーク値は、次のようになる。即ち、前述のように活動電位の周波数帯域別の最大電力周波数Ｆ２は、ＫＣＮが加えられたときに上昇するが、図１５ないし図１９から判るように最大電力周波数Ｆ２におけるパワースペクトル値そのものもＫＣＮが加えられると上昇する。
【００６０】
図１５の（ａ１）〜（ａ４）は濃度１ｐｐｍのＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ａ１）はＫＣＮ投入前（即ち、平常状態）の１１分間のメダカのパワースペクトルであるが、１１分間を８区間（１区間の長さは８１．９２秒）に分割して、夫々の区間でパワースペクトルを求め、それを重ねて表示している。（ａ２）はＫＣＮ投入後１１分間、（ａ３）はＫＣＮ投入後１１〜２２分間、（ａ４）はＫＣＮ投入後２２〜３３分間のパワースペクトルを同様に重ねて表示している。
【００６１】
ＫＣＮ投入前の１１分間の時点では、水槽１内の水は水流ポンプで撹拌され、その水流に逆らって大小２５匹のメダカが泳ぎまわっている。従って、パワースペクトルは略一定の周波数にピークを持っており、ピーク値もわずかに変動する程度である。これは、８１．９２秒間というかなり長い時間の電圧データをフーリエ変換しているため、電圧信号の周波数成分が平均化されているからである。
【００６２】
毒が投入される（ＫＣＮ濃度＝１ｐｐｍ）と、４Ｈｚ付近にあったパワースペクトルのピーク値は５．８Ｈｚ付近に移動している。これは、図１５の（ａ１）と（ａ２）との比較、又は図１４（ｂ）のＫＣＮ濃度＝１ｐｐｍでｔ＝０の前後でピーク値（破線）が４Ｈｚから５．８Ｈｚに急変していることから判る。
【００６３】
またパワースペクトルのピーク値は０．０２５から０．０７５へと３倍の値に増大している。このときのピーク周波数Ｆ２は呼吸に伴う口及び鰓蓋の開閉運動が発生する筋電位の周波数と考えられる。ｔ＝０以前では１１分間も安定していたこの周波数Ｆ２が、ｔ＝０（毒物投入）以後、急変することは毒物投入などという異常事態が引き起こしたと判断して妥当だといえる。
【００６４】
図１６の（ｂ１）〜（ｂ５）は濃度０．５ｐｐｍのＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ｂ１）は平常時の１１分間、（ｂ２）はＫＣＮ投入の直後から約１１分間、（ｂ３）はＫＣＮ投入後から約１１〜２２分間、（ｂ４）はＫＣＮ投入後から約２２〜３３分間、（ｂ５）はＫＣＮ投入後から約３３〜４４分間分のパワースペクトルであり、同様に重ね書きしている。
【００６５】
（ｂ１）では４．８Ｈｚにピークがあるが、このピークは（ｂ２）では５．２Ｈｚに移動している。パワースペクトルのピーク値は０．０１４から０．０１９に（平均的に）増大している。更に（ｂ３）ではピークの周波数は５．２Ｈｚのままであるが、ピーク値は０．０２に増大し、（ｂ４）ではピーク周波数が５．８Ｈｚ、ピーク値は０．２３へ、（ｂ５）ではピーク周波数は５．０Ｈｚ、ピーク値は０．０２４へと変化している。図１４（ｃ）からは低周波側（Ｆ１付近）のピーク値周辺の総和電力Ｐ１と周波数Ｆ２にあるピーク値周辺の総和電力Ｐ２との電力比Ｐ２／Ｐ１（太い破線）がｔ＝０以後時間の経過とともに増大していることが判る。このように電力比Ｐ２／Ｐ１が時間に比例して変化するということは、毒物の影響によってメダカの口や鰓蓋の動きが徐々に速く激しくなっていったことを示している。
【００６６】
図１７の（ｃ１）〜（ｃ５）は濃度０．１ｐｐｍのＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ｃ１）は平常時の１１分間、（ｃ２）はＫＣＮ投入の直後から約１１分間、（ｃ３）はＫＣＮ投入後から約１１〜２２分間、（ｃ４）はＫＣＮ投入後から約２２〜３３分間、（ｃ５）はＫＣＮ投入後から約３３〜４４分間分のパワースペクトルであり、同様に重ね書きしている。
【００６７】
ＫＣＮの投入前と投入後で５Ｈｚ付近に見えるパワースペクトルのピークは、周波数はあまり変わらないが、ピーク値が０．０１６から０．０１７、０．０２２、０．２１、０．０１９と変化している。ＫＣＮの投入前には（ｃ１）から判るように５Ｈｚにおけるピーク値は１１分間観測してもせいぜい０．０１６程度だったものが、ＫＣＮの投入後は約３０分間にわたり約０．０２（平常時のピーク値の約１．２倍）に増大している。
【００６８】
図１８の（ｄ１）〜（ｄ５）は濃度０．０５ｐｐｍ（今回の観測で最小濃度）のＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ｄ１）は平常時の１１分間、（ｄ２）はＫＣＮ投入の直後から約１１分間、（ｄ３）はＫＣＮ投入後から約１１〜２２分間、（ｄ４）はＫＣＮ投入後から約２２〜３３分間、（ｄ５）はＫＣＮ投入後から約３３〜４４分間分のパワースペクトルであり、同様に重ね書きしている。
【００６９】
ＫＣＮの投入前後でパワースペクトルに変化は認められない。図１３に示す電力比Ｐ２／Ｐ１は、ｔ＝０以降わずかに上昇しているようにも見えるが、明確な上昇とはいえない。従って、今回の実験からは、ＫＣＮ濃度が０．１ｐｐｍ以上であればパワースペクトルのピーク値の周波数Ｆ２の変化、ピーク値Ｄ２の変化、更に電力比Ｐ２／Ｐ１の変化からＫＣＮの混入を判定できるといえる。
【００７０】
図１４の（ｅ１）〜（ｅ５）は濃度２ｐｐｍ（今回の観測で最高濃度）のＫＣＮを投入する前後のパワースペクトルを示す。（ｅ１）は平常時の１１分間、（ｅ２）はＫＣＮ投入の直後から約１１分間、（ｅ３）はＫＣＮ投入後から約１１〜２２分間、（ｅ４）はＫＣＮ投入後から約２２〜３３分間、（ｅ５）はＫＣＮ投入後から約３３〜４４分間分のパワースペクトルであり、同様に重ね書きしている。
【００７１】
パワースペクトルのピーク値の周波数Ｆ２はＫＣＮの投入前後で４．６Ｈｚ付近を上下しているが、ピーク値は毒物の投入前は０．０１３、投入直後の１１分間は０．０２２（平常時の１．７倍）、投入後１１分から２２分の間は０．０１８（１．３８倍）、投入後２２分から３３分の間は０．０２２（１．７倍）と変化している。この場合にはＫＣＮ濃度が高濃度すぎて、メダカがＫＣＮの投入後すぐに狂奔行動を起こし弱ってしまった。（Ｅ２）は毒物投入直後の１１分間のパワースペクトルであるが、図１５から図１８と違って、パワースペクトルの周波数分布が１１分間で複雑に変化したため、きれいに重なったパワースペクトルの山が見られない。これは、極めて不自然な狂奔行動により周波数成分も乱れたためである。
【００７２】
図２０はＫＣＮ濃度毎におけるＫＣＮの投入前後の各時間のパワースペクトルのピーク値とその周波数を示す。図１５〜図１９及び図２０から、ＫＣＮを加えると、２．５Ｈｚから７．５Ｈｚの周波数帯域のパワースペクトルのピーク値が上昇し、そのピーク値を与える周波数も一般に上昇することが判る。なお、パワースペクトルのピーク値の上昇は、ＫＣＮの投入直後直ちに現れ、０．１ｐｐｍという低濃度の場合でさえ、投入後１１分から２２分の間に１．４倍に増大している。
【００７３】
このようにしてメダカの活動電位の時間データをサンプリングした後、先ず活動電位の振幅を基準値Ａ０と比較して、基準値Ａ０を超えておれば「毒物混入の惧れあり」と判定する。なお、メダカが毒物以外のものの影響で行動が激しいだけである場合もある。次にパワースペクトルから電力比Ｐ２／Ｐ１、ピーク値Ｄ２、ピーク周波数Ｆ２を以前のもの（平常値）と比較して、電力比Ｐ２／Ｐ１、ピーク値Ｄ２、ピーク周波数Ｆ２が増大しておれば「毒物混入の惧れあり」と判定する。
【００７４】
報知手段２４のモニタには、活動電位の基準値Ａ０及び異常時の電圧振幅の倍率、電力比Ｐ２／Ｐ１の平常値及び異常時の値の倍率、ピーク値の平常値及び異常時の値の倍率、ピーク周波数の平常値及び異常時の周波数の変化幅を夫々表示する。これらの判定用変数の値がどの程度であれば「毒物混入」と判定するかは、平常時のデータに基づき、判定用変数の統計データを参考にして決めればよい。例えば倍率をカラー表示して、倍率が低いときは青色だが、倍率が高いと赤色で危険とする。警報を鳴らすレベルは、対象とする被検水の用途その他の条件に応じて適宜設定すればよい。
【００７５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、実施例では、水棲生物としてメダカを例示しているが、その生理反応により活動電位を発生するものであれば、メダカ以外の魚類、貝類、蟹類、けら類その他を利用してもよい。またパワースペクトルの周波数帯域別の総電力Ｐ１，Ｐ２を求めた後、その電力比Ｐ２／Ｐ１の変化から毒物混入の有無を判定するのが望ましいが、両総電力Ｐ１，Ｐ２を加算して、その変化から毒物混入の有無を判定してもよい。
【００７６】
両総電力Ｐ１，Ｐ２を加算してその加算電力値を平常時の電力値と比較し、加算電力値が平常時の電力値と略同程度か否かにより、加算電力値が平常時よりも低いときに、「メダカの活動が静かすぎるので、異常かも知れない」とし、加算電力値が平常時よりも高いときに、「メダカの活動が活発すぎるので、異常かも知れない」と判断することも可能である。
【００７７】
水槽１の飼育部は１個でもよい。水槽１内には被検水の流れ方向に配置される一対の電極１３ａ，１４ａに加えて、被検水の流れ方向と交差する方向の両側、例えば被検水の流れを挟んでその左右方向に相対向し、又は上下方向に相対向するように配置してもよい。なお、上下両側に電極１３ａ，１４ａを配置する場合には、上側の電極１３ａ，１４ａは被検水の水面近傍に水没するように配置することが望ましい。また水槽１の対角線方向の両側に電極１３ａ，１４ａを配置してもよい。一対の電極１３ａ，１４ａは略平行に配置することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】微量毒物汚染監視装置ブロック図である。
【図２】活動電位のパワースペクトルの説明図である。
【図３】水槽の平面図である。
【図４】水槽の断面図である。
【図５】微量毒物汚染監視のフローチャートである。
【図６】毒物を投入したときの活動電位の波形図である。
【図７】水流のない水槽でのメダカの活動電位の波形図である。
【図８】水流のない水槽でのメダカの活動電位のパワースペクトル図である。
【図９】水流のある水槽でのメダカの活動電位の波形図である。
【図１０】水流のある水槽でのメダカの活動電位のパワースペクトル図である。
【図１１】水流のある水槽にＫＣＮを投入したときのメダカの活動電位の波形図である。
【図１２】水流のある水槽にＫＣＮを投入したときのメダカの活動電位のパワースペクトル図である。
【図１３】ＫＣＮを投入したときのメダカの活動電位の周波数帯域別の電力の電力比を示す図である。
【図１４】ＫＣＮを投入したときのメダカの活動電位の周波数帯域別の電力と最大電力周波数とを示す図である。
【図１５】ＫＣＮ１ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図１６】ＫＣＮ０．５ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図１７】ＫＣＮ０．１ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図１８】ＫＣＮ０．０５ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図１９】ＫＣＮ２ｐｐｍの場合のパワースペクトル図である。
【図２０】ＫＣＮ投入前後のパワースペクトルのピーク値とピーク周波数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 水槽
６ 第１監視部
７ 第２監視部
１３ａ，１４ａ 電極
１７ サンプリング手段
１８ 変換手段
１９ 周波数設定手段
２０ 電力比演算手段
２１ ピーク値演算手段
２２ ピーク周波数演算手段
２３ 判定手段
２４ 報知手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と、低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和とを求め、前記両電力の総和に基づいて汚染の有無を判定することを特徴とする微量毒物汚染監視方法。
【請求項２】
前記両電力の総和の比を求め、該総和の比が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定することを特徴とする請求項１に記載の微量毒物汚染監視方法。
【請求項３】
被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルのピーク値を求め、該ピーク値が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定することを特徴とする微量毒物汚染監視方法。
【請求項４】
被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を求め、該ピーク周波数が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定することを特徴とする微量毒物汚染監視方法。
【請求項５】
請求項１に記載の前記総和の比、請求項２に記載の前記ピーク値及び請求項４に記載の前記ピーク周波数に基づいて汚染の可能性を複数段階の危険レベルとして判定することを特徴とする微量毒物汚染監視方法。
【請求項６】
被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視装置において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングするサンプリング手段と、前記所定時間の前記活動電位を高速フーリエ変換してパワースペクトルに変換する変換手段と、前記パワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和との比を演算する電力比演算手段と、前記パワースペクトルのピーク値を演算するピーク値演算手段と、前記パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を演算するピーク周波数演算手段と、前記総和の比、前記ピーク値、前記ピーク周波数が増大したときに汚染の可能性ありと判定する判定手段とを備えたことを特徴とする微量毒物汚染監視装置。
【請求項１】
被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と、低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和とを求め、前記両電力の総和に基づいて汚染の有無を判定することを特徴とする微量毒物汚染監視方法。
【請求項２】
前記両電力の総和の比を求め、該総和の比が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定することを特徴とする請求項１に記載の微量毒物汚染監視方法。
【請求項３】
被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルのピーク値を求め、該ピーク値が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定することを特徴とする微量毒物汚染監視方法。
【請求項４】
被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視方法において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングし、該所定時間における前記活動電位を高速フーリエ変換してからパワースペクトルに変換し、該パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を求め、該ピーク周波数が以前よりも増大したときに汚染の可能性ありと判定することを特徴とする微量毒物汚染監視方法。
【請求項５】
請求項１に記載の前記総和の比、請求項２に記載の前記ピーク値及び請求項４に記載の前記ピーク周波数に基づいて汚染の可能性を複数段階の危険レベルとして判定することを特徴とする微量毒物汚染監視方法。
【請求項６】
被検水が通過する水槽内で水棲生物を飼育しておき、該水棲生物の活動電位の変化に基づいて前記被検水の毒物による汚染の有無を監視する毒物監視装置において、所定のサンプリング間隔で前記水棲生物の前記活動電位を所定時間サンプリングするサンプリング手段と、前記所定時間の前記活動電位を高速フーリエ変換してパワースペクトルに変換する変換手段と、前記パワースペクトルの山の両側の谷の周波数のうち、その低い周波数までの各周波数毎の電力の総和と低い周波数から高い周波数までの各周波数の電力の総和との比を演算する電力比演算手段と、前記パワースペクトルのピーク値を演算するピーク値演算手段と、前記パワースペクトルがピーク値となるピーク周波数を演算するピーク周波数演算手段と、前記総和の比、前記ピーク値、前記ピーク周波数が増大したときに汚染の可能性ありと判定する判定手段とを備えたことを特徴とする微量毒物汚染監視装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００７−１６３１６２（Ｐ２００７−１６３１６２Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５６３６４（Ｐ２００５−３５６３６４）
【出願日】平成１７年１２月９日（２００５．１２．９）
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【出願人】（５９２１２６６８１）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月９日（２００５．１２．９）
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【出願人】（５９２１２６６８１）
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