生化学的酸素要求量

ほとんどの清浄な河川では、5日間の炭素質BODは1  mg/L未満です。中程度に汚染された河川では、BOD値は2～8 mg/Lの範囲になる場合があります。BOD値が8 mg/L を超えると、河川は深刻な汚染を受けているとみなされます。 ^{[ 10 ]} 3段階の処理で効率的に処理された都市下水は、約20 mg/L以下の値になります。未処理の下水は様々ですが、ヨーロッパでは平均約600 mg/L 、米国では200 mg/L程度、または地下水や地表水の浸入/流入が深刻な地域ではそれよりも低くなります。米国で一般的に値が低いのは、世界の他の地域よりも一人当たりの水使用量がはるかに多いためです。^{[ 1 ]}    

この標準法はEPAによって認められており、水および廃水の検査のための標準法ではMethod 5210Bと表記されています。^{[ 12 ]} _{BOD 5}を得るには、サンプル中の溶存酸素（DO）濃度を培養期間の前後で測定し、サンプルの対応する希釈係数で適切に調整する必要があります。この分析は、緩衝希釈水に種微生物を添加し、光合成によるDO生成を防ぐために20℃の暗室で5日間保存する 300mL培養ボトルを使用して行われます。ボトルは従来ガラス製で、サンプル間で洗浄とすすぎが必要でした。SM 5210B承認済みの使い捨てプラスチックBODボトルが利用可能で、この手順を省略できます。この手順では、BODサンプルのさまざまな希釈に加えて、希釈水ブランク、グルコースグルタミン酸（GGA）コントロール、および種コントロールが必要です。希釈水ブランクは、他のサンプルを希釈するために使用される希釈水の品質を確認するために使用されます。これは、希釈水中の不純物が結果に大きな変化をもたらす可能性があるため必要です。GGAコントロールは、種苗の品質を判定するための標準溶液であり、推奨されるBOD ₅濃度は198 mg/L ± 30.5 mg/Lです。炭素系BOD （cBOD）の測定では、サンプルに希釈水を加えた後に硝化抑制剤が添加されます。抑制剤は、窒素系BOD（nBOD）を供給するアンモニア態窒素の酸化を阻害します。BOD ₅テストを実施する際には、窒素要求量が有機物からの酸素要求量を反映しないため、cBODのみを測定するのが一般的です。これは、nBODがタンパク質の分解によって生成されるのに対し、cBODは有機分子の分解によって生成されるためです。   

BOD5_は以下のように計算されます。

• シードなし :${\displaystyle \mathrm {BOD} _{5}={\frac {(D_{0}-D_{5})}{P}}}$
• シード済み:${\displaystyle \mathrm {BOD} _{5}={\frac {(D_{0}-D_{5})-(B_{0}-B_{5})f}{P}}}$

どこ：

${\displaystyle D_{0}}$は、調製後の希釈溶液中の溶存酸素量（DO）（mg/L）です。

${\displaystyle D_{5}}$は、5日間培養後の希釈溶液の溶存酸素濃度（mg/L）です。

${\displaystyle P}$10進希釈係数

${\displaystyle B_{0}}$は、調製後の希釈種子サンプルの溶存酸素量（mg/L）です。

${\displaystyle B_{5}}$希釈した種子サンプルを5日間培養した後の溶存酸素濃度（mg/L）

${\displaystyle f}$希釈溶液中の種子の体積とBOD試験中の種子の体積の比率

この方法は、炭素系酸化による酸素消費量の測定に限定される。アンモニア酸化は抑制される。

試料は圧力センサーを備えた密閉容器に保管される。二酸化炭素を吸収する物質（通常は水酸化リチウム）が試料液面より上の容器内に添加される。試料は希釈法と同じ条件下で保管される。酸素が消費され、アンモニアの酸化が抑制されるため二酸化炭素が放出される。二酸化炭素が吸収されるため、ガスの総量、ひいては圧力が低下する。センサーの電子回路は、この圧力低下から消費された酸素量を計算し、表示する。

この方法の希釈法と比較した主な利点は以下のとおりです。

• 簡便性：試料の希釈不要、シード添加不要、ブランク試料不要。
• BOD値の直接読み取り。
• 現在の培養時間におけるBOD値の連続表示。

BODを測定する代替手段として、バイオセンサーの開発があります。バイオセンサーは、生物学的成分と物理化学的検出器成分を組み合わせた分析対象物検出装置です。酵素は、バイオセンサーの製造において最も広く使用されている生物学的センシング要素です。バイオセンサーの構築における酵素の応用は、面倒で時間とコストのかかる酵素精製方法によって制限されています。微生物は、これらのボトルネックに対する理想的な代替手段となります。^{[ 13 ]}

BOD評価に有用な多くの微生物は、比較的簡単に純粋培養で維持でき、低コストで増殖および収穫できます。さらに、バイオセンサーの分野で微生物を使用することで、取り扱いの容易さ、準備の容易さ、デバイスの低コストなど、新しい可能性と利点が開かれました。多くの研究者が、BODバイオセンサーの構築に、Trichosporon cutaneum、Bacillus cereus、Klebsiella oxytoca、Pseudomonas sp.などの多数の純粋培養を個別に使用してきました。一方、多くの研究者は、BODバイオセンサーの構築に、活性汚泥、または2つまたは3つの細菌種の混合物をさまざまな膜に固定化しました。最も一般的に使用されている膜は、ポリビニルアルコール、多孔質親水性膜などです^{[ 14 ]。}

体系的な研究、すなわち、さまざまな産業排水の BOD 分析における種菌として使用する選択された微生物の事前テストを実施することにより、定義された微生物コンソーシアムを形成できます。このようにして形成されたコンソーシアムは、適切な膜、すなわち帯電ナイロン膜に固定化できます。帯電ナイロン膜は、負に帯電した細菌細胞と正に帯電したナイロン膜との間の特異的な結合により、微生物の固定化に適しています。したがって、ナイロン膜の他の膜に対する利点は 、吸着と捕捉の両方の結合による二重結合であり、より安定した固定化膜が得られます。このような特定の微生物コンソーシアムに基づく BOD 分析装置は、非常に短時間でさまざまな産業廃水中の汚染物質の強度の程度を監視するのに大いに役立つ可能性があります。^{[ 14 ]}

バイオセンサーは、迅速に（通常30分未満で）測定可能なBOD代替物と対応する校正曲線法（Karubeら、1977年に開拓）を介して、間接的にBODを測定するために使用できます。その結果、バイオセンサーは現在市販されていますが、維持費が高い、再活性化が必要なため実行時間が限られている、廃水処理の流れで通常発生するような変化する水質特性に対応できないなど、いくつかの制限があります。たとえば、生分解性有機物が膜に拡散するプロセスや、異なる微生物種による異なる反応により、結果の再現性に問題が生じます（Praetら、1995）。もう1つの重要な制限は、BOD代替物を実際のBODに変換するための校正関数に関連する不確実性です（Rustumら、2008）。

_{BOD 5}の代替として、有機物の鉱化作用における微生物による酸素消費の程度を明らかにするレサズリン誘導体が開発されました。 ^{[ 15 ]}ヨーロッパと米国の 109 サンプルで実施された相互検証では、両方の方法の結果の間に厳密な統計的等価性が示されました。^{[ 16 ]}

光活性化学化合物の発光と、その発光が酸素によって消光されることを利用した電極が開発されました。この消光光物理メカニズムは、溶液中の溶存酸素に対するStern–Volmer方程式で説明されます。^{[ 17 ]}

${\displaystyle I_{0}/I~=~1~+~K_{SV}~[{\ce {O2}}]}$

• ${\displaystyle I}$酸素存在下での発光
• ${\displaystyle I_{0}}$酸素が存在しない状態での発光
• ${\displaystyle K_{SV}}$酸素消光に関するシュテルン・フォルマー定数
• ${\displaystyle {\ce {[O2]}}}$溶存酸素濃度

発光消光による酸素濃度測定は、広範囲の酸素濃度に対して線形応答を示し、優れた精度と再現性を有する。^{[ 18 ]}

1950年代には、異種金属電極の存在下での酸素の酸化還元（レドックス）化学を利用する分析装置の開発が始まった。^{[ 19 ]}このレドックス電極は、酸素透過性膜を利用してガスを電気化学セルに拡散させ、ポーラログラフィー電極またはガルバニック電極でその濃度を測定した。この分析方法は、±0.1 mg/Lの溶存酸素レベルまで感度が高く正確である。この膜電極のレドックス電極の校正には、依然としてヘンリーの法則表または溶存酸素のウィンクラー試験 を使用する必要がある。

BODを迅速に予測し、オンラインプロセス監視および制御に利用できるようにするための自動化の提案がなされてきた。例えば、測定しやすい水質パラメータを使用してBODについて迅速に推論を行うためのコンピュータ化された機械学習手法の使用などである。流量、化学的酸素要求量、アンモニア、窒素、pH、浮遊物質などのパラメータは、オンラインハードウェアセンサーを使用して直接かつ確実に取得できる。このアイデアのテストでは、3年間にわたって行われたBODとともにこれらの値の測定値を使用して、予測モデルのトレーニングとテストが行​​われた。この手法は、一部の欠損データに対応できる。このアプローチは可能であるが、十分な過去のデータが必要であることが示された。^{[ 20 ]}

最近まで、BOD のリアルタイム監視は、その複雑な性質のため不可能でした。英国の一流大学による最近の研究では、電気伝導度、濁度、TLF、CDOM を含む複数の水質パラメータ間の関連性が発見されました。^{[ 21 ] [ 22 ]}これらのパラメータはすべて、従来の方法 (電極による電気伝導度) と蛍光などの新しい方法を組み合わせることでリアルタイムで監視できます。トリプトファン様蛍光 (TLF) の監視は、特に大腸菌(E. coli) に焦点を当てて、生物活性と計数の指標として成功裏に利用されています。^{[ 23 ] [ 22 ] [ 24 ] [ 25 ]} TLF ベースの監視は、下水処理場や淡水など、さまざまな環境に適用できます。そのため、パラメータを監視し、リアルタイムでそれらを使用して実験室レベルの BOD の測定値を提供できる複合センサー システムへの大きな動きがあります。

廃棄物の中には、微生物の増殖や活動を抑制する化学物質が含まれているものがある。潜在的な発生源としては、産業廃棄物、医薬品や医療廃棄物に含まれる抗生物質、食品加工施設や商業用清掃施設で使用される消毒剤、従来の汚水処理後に用いられる塩素消毒、乗用車や仮設トイレの汚水タンクで使用される消臭剤などが挙げられる。廃棄物を酸化する微生物群集の抑制は、検査結果の低下につながる。^{[ 29 ]： 85}

この試験は、利用可能な有機物を酸化できる酵素を持つ微生物生態系に依存している。生物学的二次下水処理からの廃水など、一部の廃水には、試験対象の水に順応した多数の微生物が既に存在している。試験手順開始前の保管期間中に、廃水の相当部分が利用される可能性がある。一方、産業由来の有機性廃棄物には、特殊な酵素が必要となる場合がある。標準的な種菌からの微生物群集では、これらの酵素を生成するのに時間がかかる場合がある。受水域における進化した生態系の状態を反映するには、特殊な種菌培養が適切である可能性がある。^{[ 29 ]： 85-87}