小特集パルスパワー生成放電プラズマのバイオ技術への応用５．水中パルスアーク放電生成紫外線によるクリプトスポリジウムの不活化國友新太（荏原総合研究所） Inactivation of Cryptosporidium Oocysts by UV Emission Generated from Pulsed Arc Discharge in Water KUNITOMO Shinta Ebara Research Co., LTD., Fujisawa 251-8502, Japan (Received 16 September 2002) Abstract Cryptosporidium contaminates most surface waters around the world. It is difficult to remove through conventional treatment processes, and is extremely resistant to the method of chemical disinfection typically used to inactivate these microorganisms. We have developed a new technology for inactivating Cryptosporidium oocysts by using a pulsed arc discharge in water, which creates shock waves, UV emissions, and radicals. The pulsed arc is generated between two cylindrical stainless steel rod electrodes, 6 mm in diameter, and 2 mm apart. We applied this method to the inactivation of oocysts in backwash water from a sand-filter unit of a drinking water plant. The results indicate that the major factor influencing inactivation is UV emissions, and that more than 99% of the oocysts in the high turbidity backwash water (80 NTU) are inactivated with an energy of 0.24 kWh/m3. Keywords: Cryptosporidium, oocysts, pulsed arc discharge, UV emission, inactivation, disinfection, filtration, water treatment ５．１はじめにクリプトスポリジウムは世界中に広く分布し，人に対近年，水道水を介してのクリプトスポリジウム集団感して病原性を有する寄生虫である．人体に寄生すると激染が世界で多発している．１９８４年の米国テキサス州でのしい下痢症を引き起こすが，現在のところ有効な治療薬集団感染事例の報告を始めとして，１９９３年にはウィスコや予防薬は存在せず，免疫不全の人々へ感染した場合にンシン州ミルウォーキーで患者数４０万人を超える米国最は死に至らしめる場合もある．大規模の感染事例が発生した．わが国も例外ではなクリプトスポリジウムは原虫類の中の胞子虫網コクシく，１９９４年に神奈川県平塚市では４００人以上，１９９６年に埼ジウム類に属する．哺乳類に寄生するものとしては，C. 玉県越生町では 8,000 人以上にもおよぶ感染事例が報告 parvum と C.muris の２種類が知られている．下痢症の原されている［１‐３］．因となるのは前者で，人やウシ，イヌ，ネコ，ニワトリ， author’s e -mail: [email protected] ３１ J. Plasma Fusion Res. Vol.79, No.1 (2003)３１‐３４ Journal of Plasma and Fusion Research Vol.79, No.1 January 2003 ウシ，ヒツジ，アヒルなどの腸粘膜上皮細胞の微繊毛中に寄生し，無性生殖と有性生殖を繰り返しながら増殖する．外界では直径約 5 µm 程度のオーシスト（嚢胞体）と呼ばれる非常に丈夫な殻をかぶった形態で存在するため高い塩素耐性を有し，通常水道で使用している塩素濃度では不活化することができない．現在ではオゾン，紫外線，加圧などの新たな不活化方法が試みられている［４‐６］．しかしながら，オゾン処理においては不活化率が水温により大きく影響すること，紫外線処理においてはランプの寿命や保護管の割れや汚れ付着の問題のほかに水の濁度の上昇によって不活化効果 Fig. 1 Schematic illustration of experimental apparatus. Fig. 2 Photograph of Cryptosporidium parvum oocysts. が著しく低下すること，加圧処理ではシステムが巨大になることなど，未だ実用化への問題も多い．水中でのパルス放電は数千気圧にもおよぶ衝撃波，高強度の紫外線，ヒドロキシラジカルなどの各種活性種および強電界が発生するため，微生物の殺菌［７，８］，有害有機物分解［９，１０］，廃棄物リサイクル［１１］などに応用されている．この放電処理は，薬剤とは異なり残留性がなく環境にやさしい，液体の温度上昇がない，投入エネルギーコントロールが容易，加熱殺菌に比べてエネルギーロスが少ないなどの特徴を持つ．特に，高強度の紫外線を発生するため紫外線ランプの適用が難しい濁水中のクリプトスポリジウムの不活化に有望視されている．そこで本稿では，水中パルスアーク放電を用いて実際に浄水場から排出される洗浄排水を用いて濁水中のクリプトスポリジウムの不活化を試みた結果について報告する．５．２オーシスト不活化実験不活化処理に用いた実験装置の概略を Fig. １に示す．この装置はパルス電源，内容積 1.2 L のステンレス製反応容器から成る．パルス電源はコンデンサ充放電を利用したものであり，本実験ではパルス電圧 5.4 kV，出力でオーシストを容器外に漏らさぬようにしている．放電 72〜288 J/pulse の放電条件で不活化処理を行った．反応波形はデジタルオシロスコープと抵抗分圧型電圧プロー容器は内部形状が楕円柱型で放電電極をその片焦点に配ブおよびロゴスキーコイル型電流プローブにより測定・置したものを用いた．これは放電により発生した衝撃波記録する．処理対象水には，蒸留水，カオリン懸濁水，濁を他方の焦点に集束させ，放電により発生した紫外線だ水の３種類の試水を用いた．カオリンは鉱物（はくとうけでなく同時に発生した衝撃波も利用した不活化が期待土）紛であり，水道に関する試験では模擬濁質として使できるためである．放電電極は間隔 2 mm の棒対棒構造われている．濁水には浄水場砂ろ過池から発生する洗浄（ステンレス製，直径 !6 mm）であり，陽極はポリエチレ排水（ろ過池の目詰まりを解消するために定期的に行わン製ガイドによって反応容器から絶縁，陰極は接地電位れる逆洗浄によって生じる排水）を重力沈降により濁度の容器に固定されている．また，容器の上部には !1 µm 調整したものを用いた．の金属フィルタ（日本ミリポア株式会社ラインガードマ不活化処理するオーシストには人体に感染性をもつC. イクロ YYM200MS1）を接続し，放電時に発生した圧力 parvum を用いた．その顕微鏡写真を Fig. 2 に示す．この３２ Special Topic Article Inactivation of Cryptosporidium Oocysts by UV Emission Generated from Pulsed Arc Discharge in Water S. Kunitomo オーシストは大阪市立大学医動物学教室で継代維持された HNJ-1 株である．オーシストの不活化率の判定にはマウス感染法を用いた．放電後の処理水を 100 ml 採取，遠心分離によりオーシストを濃縮して，重症複合型免疫不全症（SCID）マウスに１頭あたり 1×105 個を経口投与した．放電を行わない未処理オーシストをマウス１頭あたりに1×105 個および1×103 個を投与してコントロール群とした．使用マウス数は各条件で３頭ずつである．オーシスト投与後，放電処理されたオーシストを投与した試験群マウスの糞便に排出されるオーシスト数を計数し，１日あたりのオーシスト排出数が 103 個に達するまでの日数をコントロール群と比較して不活化率を求めた．まず，①蒸留水，カオリン懸濁水，濁水（いずれも濁度 54.5）を用いて，出力 72 J/pulse，放電回数１２回（消費電力 0.24 kWh/m3）で放電処理を行い，濁質の不活化率 Fig. 3 Pulsed arc discharge pattern with rod-rod electrode. への影響を調べた．次に，② 濁度 40.8 の濁水を用いて，出力 288 J/pulse，放電回数３〜１２回（消費電力 0.24 〜1.92 kWh/m3）で処理を行い，不活化率のエネルギー依存性を求めた．さらに，③濁度２〜８０の濁水を用いて，パルス出力 288 J/pulse，放電回数６回（消費電力 0.48 kWh/m3）で処理を行い，濁度依存性を求めた．各処理では試水１L にオーシストを 2×107 個添加したものを被処理水とした．水中放電ではその効果が被処理水の電気伝導率に大きく依存するため，濁水と電気伝導率が同じになるよう蒸留水とカオリン懸濁水には NaCl を溶解した． Fig. 4 ５．３オーシスト不活化結果 Emission spectrum from pulsed arc discharge in tap water. 不活化率を調べる前に同様な電極構造を持つ反応容器 Table 1 と石英製の窓を用いて，水道水中放電での放電路撮影と Influence of constituent in sample water. 発光分光を行った．Fig. 3 にパルス電圧 5.4 kV，出力 288 J/pulse での典型的な放電路の様子を示す．放電による発光は電極中心部より放射状に広がっている．この発光は非常に強力であるため 0.1 ％透過 ND フィルタを用いて撮影を行った．発光分光はマルチチャネル分光器（浜松ホトニクス PMA-11）と 0.1％紫外線透過フィルタを用次に不活化結果について述べる．①濁質による影響をいて測定した．Fig. 4 にその結果を示す．230 nm から 400 調べた結果を Table 1 に示す．表中の不活化率は３匹の nm にかけての連続スペクトルで発光しているのがわか試験群マウスそれぞれから得られた値を示し，表中 − る．230 nm 以下の波長域での強度の減少は，水道水に含は放電処理オーシスト投与マウスからのオーシストの排まれる不純物による吸収によるものである．このような出が認められないこと，つまり不活化率が９９％以上であ連続スペクトルの発光はパルス放電の特徴であり，通常ることを意味する．蒸留水，カオリン懸濁水中での処理殺菌でも用いられている紫外線ランプとは大きく異なでは９９％以上のオーシストが不活化されたのに対し，濁る．このため紫外線ランプとは強度だけでなく，殺菌メ水中での処理では９０％程度しか不活化されていない．放カニズムも異なることが考えられる．電によって発生した衝撃波は３者とも同様な効果をもた３３ Journal of Plasma and Fusion Research Vol.79, No.1 January 2003 Table 2 Dependence on discharge number. も十分な不活化効果が確認され，パルス放電処理が非常に有効な不活化方法であることが示された．しかもこの処理では不活化に紫外線が大きく影響すること，同じ濁度でも洗浄排水とカオリン懸濁水とでは不活化効果が異なることが明らかとなった．水中パルス放電では，衝撃波，紫外線，ラジカルが同時に発生するため，３者の相乗効果による殺菌効果が期 Table 3 Dependence on turbidity of backwash water. 待できる．このため，単に紫外線ランプのみを用いた場合よりも効率が高く，しかも飲料水のような特別な殺菌剤を使用することが難しい場合には非常に適した方法と思われる．また，衝撃波による電極の自浄作用を持つため，紫外線ランプが持つ保護管の汚れや割れなどの問題もない．しかしながら，効率を高めるためにもその不活化原理を明確にすることも必要であり，今後はオーシストの光回復の問題を含めて研究を進めていく予定である．らすと考えられるため，この差は紫外線が原因であることが予想される．しかもカオリン懸濁水と濁水との濁度が同じにもかかわらず得られた不活化率が異なることか参考文献ら，濁質とオーシストとの凝集性の違いや濁質の紫外線［１］金子光美：環境技術 26 (9), 547 (1997). ［２］木俣勲：造水技術 23 (4), 23 (1997). ［３］平田強，森田重光，橋本温：用水と廃水 44 (4), 304 (2002). ［４］木村総一郎，本山信行，志村有通，森田重光，竹馬大介，鈴木めぐみ，平田強：日本オゾン協会年次研究講演会講演集 10, 95 (2000). ［５］浦上逸男，木俣勲，井関基弘，菅原龍幸：日本清涼飲料研究会第７回研究発表会講演要旨集 11 (1997). ［６］國友新太，佐々木賢一，五十嵐千秋，黒川賢一，鴻野卓，木俣勲，井関基弘：第５０回全国水道研究発表会講演集 280 (1999). ［７］速水光浩，天満孝昌，水野彰：静電気学会誌 13 (4), 322 (1989). ［８］M. Sato, K. Tokita, M. Sadakawa, T. Sasaki and K. Nakanishi, Int. Chem. Eng. 30, 605 (1990). ［９］S. Kunitomo and B. Sun, Proceedings of the 13th IEEE Int. Pulsed Power Conf. (2001) p.1138. ［１０］M. Sato and J.S. Clements, IEEE Trans. Industrial Appl. 32 (1), 106 (1996). ［１１］H. Bluhm, W. Frey, H. Giese, P. Hoppe, C. Schultheib and Strabner, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insulat. 7 (5), 625 (2000). 透過率の違いなどが結果に大きく影響していると思われる． Table 2 には②エネルギー依存性結果を示した．放電回数が増えるに従い不活化率が上昇している．放電回数が６回（消費電力＝0.48 kWh/m3）で９９％以上が不活化，２４回（消費電力＝1.92 kWh/m3）になると処理オーシストはマウスに感染しなくなり，濁水中のオーシストをほぼ完全に不活化できることがわかった． Table 3 には③濁度依存性結果を示した．濁度２，濁度１０ではオーシストの排出は認められず，濁度４０で９９％以上，濁度８０で９０％以上が不活化している．つまりこの処理では，不活化効果は濁度変化にはあまり依存せず，高濁度下でも十分な不活化効果を持つことが明らかとなったのである．５．４まとめ濁水中のクリプトスポリジウムオーシストの不活化を目的として，パルス放電による洗浄排水中のオーシストの不活化を試みた．その結果，高濁度の濁水中において３４