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2021年03月30日
ヘドロを分解して発電する微生物燃料電池を応用した 省エネルギー型溶存酸素計測バイオセンサーの実証実験を実施

当社は、群馬大学大学院(理工学府 環境創生部門 渡邉教授・窪田助教)と2019年に共同で開発した微生物燃料電池(以下MFC)式の溶存酸素(DO)計測バイオセンサー※(以下DOバイオセンサー)の実証実験を実施しました。MFCは、自然界に生息する発電菌を利用して有機物(ヘドロ等)を分解・浄化しながら発電する事ができる電池です。本DOバイオセンサーは、水中のDO濃度に応じてMFCの発電量が変化する性質を応用したもので、省エネルギーを実現しながらDO濃度を連続計測できるバイオセンサーとなります。
今回、本DOバイオセンサーを群馬県内の灌漑用ため池に設置し、2020年7月〜11月の4か月間にわたって運用した結果、実際のDO濃度に近い精度で計測できることが実証実験によって確認できました。本技術によって、貧酸素化しやすい水域等の連続計測が容易にできるようになります。
※:https://www.nishimatsu.co.jp/news/news.php?no=MzE3&icon=44GK55+l44KJ44Gb

■背景
内湾・湖沼やダム貯水池等の水域においては、これらの水質の適切な評価のために地域の住民にも分かりやすい指標の必要性が議論されてきました。また、一部の水域によっては極端に酸素が少なくなる水(貧酸素水塊)の発生等により、水生生物の生育や水利用等に障害が生じています。
このような現状を踏まえ、貧酸素化しやすい水底付近(底層)の水域でも水生生物が生存できる場を保全・再生するために、2016年3月に「水質汚濁に係る環境基準についての一部を改正する件の施行」を受け、底層DOの水域類型及び基準値が新たに設定されました。
このため、今後は底層DOの常時監視・計測のニーズが飛躍的に高まると考えられることから、本バイオセンサーのような微生物燃料電池を応用した、省エネルギーでありながら長期間に亘ってメンテナンスフリーである連続計測装置の需要が伸びることが予想されます。

■実証実験の概要
今回、群馬大学桐生キャンパスの近傍にある灌漑用ため池(沼)内に、実証試験用に試作したDOバイオセンサーを設置しました(図1、写真1及び2)。


図1 DOバイオセンサー設置概要図

 

写真1 DOバイオセンサー電極の外観(カソードA(正極))

 

写真2 DOバイオセンサー設置状況の外観

 

2020年7月から11月の4か月間に亘って運用した実績の一部を以下に示します(図2)。DOバイオセンサーで計測した値(図中の計測値)は実測値(光学式DO計による測定値)に近い値を示し、良好な分析精度を示すことを確認できました。
以上の結果から、長期間の連続計測が難しい公定分析を補完する計測センサーとしての技術の確立に目途がつきました。

 


 
図2 フィールド実証実験の計測データ(実測DO濃度との比較)

 

■今後の展開
本技術については、今回のフィールド実証実験での成果をフィードバックし、更なる計測精度の向上に努めていきます。また、近年のIoTセンサーで採用の進むLPWA(免許不要の省電力・広域無線通信システム)と連携させた無人の遠隔監視型の環境モニタリング技術としての活用を見据えた、より付加価値の高い省エネルギー型のIoTセンサーとしての研究開発を継続して参ります。また、MFCは底質環境を浄化しながら同時に発電もできる創・省エネルギー型の環境技術であることから、今後も望ましい水環境と生物多様性の保全に取り組みつつ、脱炭素社会の実現に貢献して参ります。