生化学的酸素要求量

生化学的酸素要求量（ BODまたは生物学的酸素要求量とも呼ばれる）は、特定の温度で特定の期間にわたって水サンプル中に存在する有機物上で増殖する好気性細菌によって消費される 溶存酸素（DO）の量を表す分析パラメータです。BOD値は、20℃で5日間培養中にサンプル1リットルあたりに消費される酸素のミリグラム数で最も一般的に表され、有機水質汚染の程度の代替としてよく使用されます。^[1]

生化学的酸素要求量 (BOD) の減少は、廃水処理施設の有効性の尺度として使用されます。廃水処理水の BOD は、受入水の酸素レベルへの短期的な影響を示すために使用されます。

BOD 分析は化学的酸素要求量(COD) 分析と機能的に似ており、どちらも水中の有機化合物の量を測定します。ただし、COD 分析は生物学的に酸化された有機物のレベルだけでなく、化学的に酸化できるものすべてを測定するため、それほど特定的ではありません。

ほとんどの天然水には、少量の有機化合物が含まれています。水生微生物は、これらの化合物の一部を食物として利用するように進化してきました。酸素を豊富に含む水に生息する微生物は、溶存酸素を使用して有機化合物を酸化分解し、成長と繁殖に必要なエネルギーを放出します。これらの微生物の個体数は、利用可能な食物の量に比例して増加する傾向があります。この微生物代謝により、食物として有用な有機化合物の量に比例した酸素需要が生じます。状況によっては、微生物代謝は、大気中の酸素が水に溶解するよりも速く、または独立栄養生物群（藻類、シアノバクテリア、大型水草）が生成するよりも速く溶存酸素を消費することがあります。魚類や水生昆虫は、微生物代謝によって酸素が枯渇すると死ぬことがあります。^[2]

生化学的酸素要求量とは、水中の有機化合物を微生物が代謝するために必要な酸素の量です。この要求は、温度、栄養分濃度、および土着の微生物群が利用できる酵素に応じて、一定期間にわたって発生します。微生物の成長、死、腐敗、共食いの世代を経て、有機化合物を二酸化炭素と水に完全に酸化するために必要な酸素の量は、総生化学的酸素要求量(総 BOD) です。総 BOD は、水質よりも食物網にとって重要です。溶存酸素の枯渇は、大量の有機物に対する初期の水生微生物群の爆発時に明らかになる可能性が最も高くなります。しかし、微生物群が水を脱酸素化すると、その酸素不足により好気性水生微生物の群の成長が制限され、長期的な食料過剰と酸素不足が生じます。^[3]

BOD 検査を実施すべき標準温度は、1912 年に 王立下水処理委員会の第 8 回報告書で初めて提案されました。

(c) 一般基準に適合するためには、排出される排水は、浮遊物質を100,000分の3を超えて含んではならず、浮遊物質を含めた状態で、5日間で65°F（18.3°C）の溶存酸素を100,000分の2.0を超えて吸収してはならない。この一般基準は、法令または中央当局の命令によって規定され、10年以上の間隔を置いて当局によって変更される必要がある。^[4]

これは後に 68 °F、さらに 20 °C に標準化されました。この温度は、検査対象の水の自然環境の温度とは大幅に異なる場合があります。

王立下水処理委員会は、イギリスおよびアイルランドの河川では5日間が適切な試験期間であると提案したが、北米の河川ではより長い期間が調査された。1、2、5、10、20日の培養期間は、20世紀半ばまで使用されていた。^[5] 溶存酸素を選択した温度で利用できるようにすることで、研究者らは、総BODの最大99％が20日以内に、90％が10日以内に、約68％が5日以内に発揮されることを発見した。^[6]硝化細菌 への微生物集団の変動により、5日間を超える期間の試験の再現性が制限される。炭素質BODを重視した、許容できる再現性のある結果が得られる5日間の試験プロトコルは、米国環境保護庁（EPA）によって承認されている。この5日間のBOD試験結果は、好気条件下で水生微生物が分解可能な有機物を安定化するために必要な酸素の量として説明することができます。^{[7]ここでの安定化は、一般的には食物を生きた水生}動物 に変換することとして認識されるかもしれません。これらの動物は死んでも生化学的酸素要求量を発揮し続けますが、それはより高い栄養段階を含むより安定した進化した生態系内で起こる傾向があります。^[3]

1865年に設立された王立河川汚染委員会 と、1898年の王立下水処理委員会の設立により、1908年にBOD ₅が河川の有機汚染の決定的なテストとして選ばれました。5日間が適切なテスト期間として選ばれたのは、英国で河口まで水が水源から移動するのにかかる時間が最も長いと考えられているためです。王立委員会は第6回報告書で、基準値は15 ppmとすべきであると勧告しました。^[8]しかし、第9回報告書では、委員会は推奨基準を次のように改訂しました。

100,000 あたり 2.0 部の溶存酸素を吸収する排水は、単純な計算で、結果として生じる混合物が 0.4 部を超えないようにするためには、少なくとも 8 倍の量の河川水で希釈して 0.2 部を吸収する必要があることがわかります。私たちの経験では、ほとんどの場合、河川水の量は排水量の 8 倍を超え、実行可能であることが示された 100,000 あたり 2.0 部の溶存酸素という数値は、排水が 100,000 あたり 3.0 部を超える浮遊物質を含まないようにするという条件と併せて、一般的な基準として採用するのに安全な数値です。^[8]

これは、1970 年代まで英国で下水処理場の排水の水質の基準として使用されていた基礎となる 20:30 (BOD: 浮遊物質) + 完全硝化基準でした。

米国では、二次処理規制にBOD排出制限が含まれている。二次下水処理は、一般的に下水中のBODの85％を除去し、30日間の平均が30 mg/L未満、7日間の平均が45 mg/L未満の排出BOD濃度を生成することが期待されている。また、規制では「二次処理と同等の処理」を、BODの65％を除去し、30日間の平均が45 mg/L未満、7日間の平均が65 mg/L未満の排出BOD濃度を生成することと説明している。^[9]

清らかな川のほとんどは、5日間の炭素質BODが1 mg/L未満です。中程度に汚染された川のBOD値は2〜8 mg/Lの範囲です。BOD値が8 mg/Lを超えると、川はひどく汚染されているとみなされます。^[10] 3段階プロセス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。未処理の下水はさまざまですが、ヨーロッパでは平均約600 mg/L、米国や地下水や表層水の浸透/流入が深刻な地域では200 mg/Lほど低くなります。米国の値が一般的に低いのは、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]

BOD は、処理施設への廃棄物負荷を測定したり、そのような処理システムの BOD 除去効率を評価したりするために使用されます。

ウィンクラーは1888年に、シンプルで正確かつ直接的な溶存酸素分析法を発表しました。^{[11]それ以来、水中の溶存酸素レベルの分析は表層水の測定に重要な役割を果たしてきました。ウィンクラー法は現在でも酸素電極メーターの校正に使用されている2つの分析技術のうちの1つです。もう1つの方法は、}ヘンリーの法則に従って飽和時の酸素溶解度に基づいています。

BODの溶存酸素の測定には2つの方法が認められており、現在国際的に標準方法として認められていない他の方法もいくつかある。

この標準法はEPAに認められており、水および廃水検査の標準法では方法5210Bと呼ばれています。^{[12] BOD} ₅を得るためには、サンプル中の溶存酸素（DO）濃度を培養期間の前後に測定し、サンプルに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、300 mLの培養ボトルを使用して行われます。このボトルでは、緩衝希釈水に種子微生物を添加し、光合成によるDO生成を防ぐために暗室で20 °Cで5日間保存します。ボトルは伝統的にガラス製であり、サンプルごとに洗浄とすすぎが必要でした。このステップを省略できる、SM 5210B承認の使い捨てプラスチックBODボトルが利用可能です。BODサンプルのさまざまな希釈度に加えて、この手順では希釈水ブランク、グルコースグルタミン酸（GGA）コントロール、および種子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重大な変化を引き起こす可能性があるために必要です。GGA コントロールは種子の品質を決定するための標準化された溶液であり、推奨される BOD ₅濃度は 198 mg/L ± 30.5 mg/L です。炭素性 BOD (cBOD) を測定するには、希釈水をサンプルに追加した後、硝化抑制剤を追加します。この抑制剤は、窒素性 BOD (nBOD) を供給するアンモニア性窒素の酸化を妨げます。BOD ₅テストを実行する場合、窒素要求量は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慣例です。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。

BOD ₅は次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：

${\displaystyle D_{0}}$調製後の希釈溶液の溶存酸素（DO）（mg/L）

${\displaystyle D_{5}}$5日間培養後の希釈溶液のDO（mg/L）

${\displaystyle P}$10進希釈係数

${\displaystyle B_{0}}$調製後の希釈種子サンプルのDO（mg/L）

${\displaystyle B_{5}}$5日間培養後の希釈種子サンプルのDO（mg/L）

${\displaystyle f}$種子のBOD試験における希釈溶液中の種子体積と種子体積の比である。

この方法は、炭素酸化による酸素消費量のみの測定に限定されており、アンモニア酸化は抑制されます。

サンプルは、圧力センサーが取り付けられた密閉容器に保管されます。二酸化炭素を吸収する物質(通常は水酸化リチウム) が、サンプル レベルより上の容器内に追加されます。サンプルは、希釈法と同じ条件で保管されます。酸素が消費され、アンモニアの酸化が抑制されると、二酸化炭素が放出されます。二酸化炭素が吸収されるため、ガスの総量、つまり圧力が減少します。圧力の低下から、センサー エレクトロニクスが消費された酸素の量を計算して表示します。

希釈法と比較したこの方法の主な利点は次のとおりです。

• シンプルさ: サンプルの希釈は不要、シーディングも不要、ブランクサンプルも不要。
• BOD値の直接読み取り。
• 現在の培養時間におけるBOD値を連続表示します。

BODを測定するための代替手段はバイオセンサーの開発である。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を検出する装置である。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感知要素である。酵素をバイオセンサー構築に応用することは、面倒で時間がかかり、費用のかかる酵素精製方法によって制限されている。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を提供する。^[13]

BOD評価に有用な微生物の多くは、純粋培養で維持しやすく、低コストで増殖・収穫できる。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、取り扱いや準備が簡単で、装置が低コストであるなど、新たな可能性と利点が開かれた。トリコスポロン・クタネウム、バチルス・セレウス、クレブシエラ・オキシトカ、シュードモナス属などの純粋培養物は、BODバイオセンサーの構築に多くの研究者によって個別に使用されてきた。一方、多くの研究者は、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上に固定化してBODバイオセンサーを構築してきた。最も一般的に使用された膜は、ポリビニルアルコール、多孔性親水性膜などであった。^[14]

定義された微生物コンソーシアムは、体系的な研究、すなわち、さまざまな産業排水の BOD 分析における種付け材料として使用するために選択された微生物の事前テストを実施することによって形成できます。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上に固定化できます。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結合のため、微生物の固定化に適しています。したがって、他の膜に対するナイロン膜の利点は次のとおりです。二重結合、すなわち吸着と捕捉により、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）測定できる BOD 代替物と対応する検量線法（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、メンテナンス コストが高い、再活性化が必要なために実行時間が限られている、廃水処理ストリームで通常発生する品質特性の変化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、生分解性有機物の膜への拡散プロセスや、結果の再現性に問題をもたらすさまざまな微生物種による異なる反応などです (Praet ら、1995 年)。もう 1 つの重要な制限は、BOD 代替物を実際の BOD に変換するための検量線関数に関連する不確実性です (Rustumら、2008 年)。

_{BOD 5}の代替指標として、有機物の鉱化における微生物による酸素の吸収量を明らかにするレサズリン誘導体が開発されている。 ^[15]ヨーロッパと米国の109のサンプルで行われたクロスバリデーションでは、両方の方法の結果が厳密に統計的に同等であることが示された。^[16]

光活性化合物の発光と酸素によるその発光の消光に基づく電極が開発されている。この消光光物理学的メカニズムは、溶液中の溶存酸素に対するシュテルン・フォルマー方程式によって記述される：^[17]

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

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

発光消光法による酸素濃度測定は、広範囲の酸素濃度にわたって線形応答を示し、優れた精度と再現性を有する。^[18]

異種金属電極の存在下での酸素の酸化還元反応（レドックス）化学を利用する分析機器の開発は、1950年代に導入されました。^[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、その濃度をポーラログラフ電極またはガルバニック電極で測定します。この分析方法は、溶存酸素レベル± 0.1 mg/Lまで感度と精度に優れています。この膜電極のレドックス電極の校正には、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ります。

BOD を迅速に予測し、オンライン プロセスの監視と制御に使用できるように自動化する提案があります。たとえば、コンピューター化された機械学習法を使用して、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します。流量、化学的酸素要求量、アンモニア、窒素、pH、浮遊物質などは、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ます。このアイデアのテストでは、3 年間にわたって行われたこれらの値の測定値と BOD を使用して、予測モデルのトレーニングとテストが行​​われました。この手法では、一部の欠落データを許容できます。このアプローチは可能ですが、十分な履歴データが必要であることが示されました。^[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実現不可能でした。英国の一流大学による最近の研究では、電気伝導率、濁度、TLF、CDOM など、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 (電極を介した電気伝導率) 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、生物学的活動と計数のプロキシとして効果的に利用されてきました。^{[23] [22] [24] [25]} TLF ベースの監視は、下水処理場や淡水を含むがこれらに限定されない幅広い環境に適用できます。そのため、パラメータを監視し、それらをリアルタイムで使用して、実験室品質の BOD 値を提供できる複合センサーシステムに向けて大きな動きがありました。

異種金属電極の存在下での酸素の酸化還元反応（レドックス）化学を利用する分析機器の開発は、1950年代に導入されました。^{[26]このレドックス電極（溶存酸素センサー[27]}としても知られています）は、酸素透過性膜を使用してガスを電気化学セルに拡散させ、その濃度をポーラログラフ電極またはガルバニック電極で測定します。この分析方法は、± 0.1 mg/Lの溶存酸素レベルまで感度と精度に優れています。この膜電極のレドックス電極の校正には、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ります。

このテスト方法には、再現性を制限する変数が含まれています。テストでは通常、平均値のプラスマイナス10～20％の範囲で観測値が変動します。^{[29] : 82}

廃棄物の中には、微生物の増殖や活動を抑制できる化学物質が含まれているものがある。その発生源としては、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清掃施設の消毒剤、従来の下水処理後に使用される塩素消毒、乗用車や簡易トイレの衛生廃棄物貯蔵タンクに使用される臭気制御製剤などが挙げられる。廃棄物を酸化する微生物群集が抑制されると、検査結果が低下する。^{[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ます。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微生物の大きな集団がすでに含まれています。廃棄物のかなりの部分は、試験手順の開始前の保管期間中に利用される可能性があります。一方、産業源からの有機廃棄物には特殊な酵素が必要な場合があります。標準的な種子源からの微生物集団は、それらの酵素を生成するのに時間がかかる場合があります。受水域の進化した生態系の状態を反映するには、特殊な種子培養が適切である可能性があります。^{[29] : 85–87}

• 炭素生化学的酸素要求量
• 理論上の酸素需要
• 廃水の水質指標では、廃水の水質の指標としてBOD とCOD の両方について説明します。

• Rustum, R.、Adeloye, A.、および Simala, A.、2007。Kohonen 自己組織化マップ (KSOM) は、BOD5 の MLP-ANN 予測モデルを強化するために特徴を抽出しました。国際シンポジウム「持続可能な水資源管理のための予測不確実性の定量化と削減 - 国際測地学および地球物理学連合 (IUGG) 第 24 回総会」(pp. 181–187)。

• BOD Doctor 2007-08-21 にWayback Machineでアーカイブ- この問題のあるテストのトラブルシューティング wiki