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JP5999848B2 - 水生生物の飼育システムとその飼育方法 - Google Patents

水生生物の飼育システムとその飼育方法 Download PDF

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Description

本発明は、水生生物、特に深海生物のうちの熱水・冷湧水噴出領域等の環境において、硫化水素を利用する化学合成生態系生物を飼育するのに好適な水生生物の飼育システムとその飼育方法に関する。
従来、この種の水生生物の飼育システムとして、「水槽内局部温度域形成装置」、「水生生物の飼育装置」とした名称において特許文献1,2に開示された構成のものがある。
上記した特許文献1に開示された水槽内局部温度域形成装置、従ってまた、水生生物、特に深海生物の飼育装置としては、耐圧容器で形成された水槽と、水槽内に一方向(横方向)の水流を生じさせる水流生成装置と、水槽の底部の水流の一部を加熱若しくは冷却して局部温度域を形成するヒータ等の温度域発生装置と、温度域発生装置で形成した局部温度域を水槽全体に拡散しないように保持するノズル等の温度域保持装置を備え、温度域保持装置内で、貝類のように水流で流されない深海生物を飼育するものである。
一方、特許文献2に開示された水生生物の飼育装置は、水とともに水生生物を収容する主水槽と、主水槽の底部に配置した噴出孔から上方に熱水を噴出させる熱水供給手段と、主水槽の上部に配置され且つ上昇してきた熱水を外部に排出する熱水排出手段を備え、水中に冷水域と局部的な熱水域を形成するものである。
特開平9−117235号公報 国際公開第2008/114720号
上記した特許文献1,2に開示された水槽内局部温度域形成装置や水生生物の飼育装置では、硫化水素を利用する化学合成生態系生物を飼育するために、当該ガスを添加することができないが、若しくは当該ガスに硫化ナトリウムを添加することにより、硫化水素を含有する熱水を供給できるものの、飼育装置内の硫化水素濃度を制御できないために、適切な量の硫化水素ガスを供給することが困難である。
そこで本発明は、飼育水中の硫化水素濃度を測定することなく、その飼育水中の硫化水素濃度を一定に保つことができる水生生物の飼育システムとその飼育方法の提供を目的としている。
上記した課題を解決するための本発明に係る水生生物の飼育システムは、上部に気相を残して飼育水を貯留した水槽と、上記気相中における硫化水素ガスの濃度を検知するガスセンサと、上記ガスセンサから出力される検知信号に基づいて、飼育水中における硫化水素の濃度が一定となるように、その飼育水に対して硫化水素を供給する硫化水素供給手段とを有することを特徴としている。
同上の課題を解決するための本発明に係る水生生物の飼育方法は、上記した水生生物の飼育装置を用いたものであり、ガスセンサによって、気相中における硫化水素ガスの濃度を検知し、そのガスセンサから出力される検知信号に基づいて、飼育水中における硫化水素の濃度が一定となるように、その飼育水に対して硫化水素供給手段により硫化水素を供給することを特徴としている。
本発明によれば、飼育水中の硫化水素濃度を測定することなく、その飼育水中の硫化水素濃度を一定に保つことができる。
本発明の一実施形態に係る水生生物の飼育装置の概略構成を示すブロック図である。 摂氏5〜5.4度、pH7.6の人工海水中の硫化水素濃度を比色定量法で測定した値と、ガスセンサの出力値を両対数グラフにプロットした図である。 ガスセンサの出力値の経時変化とメチレンブルー法による飼育水中の硫化水素濃度の推定値の経時変化を示す図である。 硫化水素濃度と経過時間との関係を示す図である。 温度・pH・溶存酸素と経過時間との関係を示す図である。 生存率と経過時間との関係を示す図である。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る水生生物の飼育システムの概略構成を示すブロック図である。
なお、図1において、実線は飼育水の流路、破線はガス流路、点線は電気的な信号路を示し、また、黒塗りの矢印は飼育水の循環方向、白色の矢印はガスの流通方向を示している。
まず、本発明の一実施形態に係る水生生物の飼育システムA1を概略的に説明すると、硫化水素を利用する水生生物の一例である化学合成生態系生物を飼育するために、生物毒性の強い硫化水素を低濃度かつ連続的に増減制御することを内容としている。
すなわち、温度・pH等の物理的な条件が一定であれば、予め飼育水W中の硫化水素濃度と、飼育水上部に形成されている気相中の硫化水素ガス濃度の関係を調べておくことにより、その硫化水素ガス濃度の測定値から飼育水中の硫化水素濃度を推定しかつ制御することができることを闡明にしたものである。
本実施形態においては、「飼育水W」として人工海水、また、「水生生物」として深海生物を例としているが、それらに限るものではなく、例えば飼育水Wとして海水を使用してもよい。
また、海水や人工海水としては、飼育する当該生物の特性に応じ、微量金属成分・有機成分等を追加したものを用いることができる。
さらに、飼育可能な硫化水素を利用する化学合成生態系生物は、水深200m以深に生息する深海生物、熱水噴出孔や冷湧水域付近に生息する生物を挙げることができる。
化学合成生態系生物の具体的例としては、ユノハナガニ類、ゴエモンコシオリエビ類、シンカイコシオリエビ類、オハラエビ類、熱水性フジツボ類、ハオリムシ類、シンカイヒバリガイ類、シロウリガイ類、ホネクイハナムシ類、ヒラノマクラ類、鯨骨につく生物、イバラガニ類、ゲンゲ類等である。
本発明の一実施形態に係る水生生物の飼育システムA1の具体的構成は、図1に示すように、水槽10、酸素制御装置B、温度制御装置C、pH表示装置D及び硫化水素制御装置Eを有して構成されている。
水槽10は、上部に気相(空間)を残す容量の飼育水Wとともに水生生物を収容するものであり、例えば100×75×75cm程度の大きさにした本体11と、この本体11の上部開口をガス密的に閉じる蓋体12とからなる。
ところで、飼育に最適な溶存酸素濃度は、深海水の溶存酸素濃度を考慮した場合、6〜7ppmが望ましい。
また、飼育水Wの溶存酸素は、水生生物や微生物による呼吸、硫化水素の酸化等により消費される一方、飼育水Wが低温である場合、空気中の酸素が溶けやすくなり、溶存酸素が過多になる場合もある。
そこで、本実施形態における酸素制御装置Bは、水中ポンプ20、プレフィルタ21及びフォローファイバーモジュール22からなる飼育水循環系と、溶存酸素電極23、溶存酸素計24、エアーポンプ25及び真空ポンプ26からなる酸素増減調整系からなるものとしている。
飼育水循環系の詳細な構成は、次のとおりである。
水中ポンプ20は飼育水W内に配置されており、その水中ポンプ20とフォローファイバーモジュール22の受水口22aとが送給パイプ27によって連結されているとともに、その送給パイプ27の途中に上記したプレフィルタ21が配設されている。
プレフィルタ21は、水中ポンプ20によって吸い上げられた飼育水Wに含まれるゴミ等を除去するものである。
酸素制御装置Bにおけるフォローファイバーモジュール22は、飼育水Wに溶存する酸素を脱気するための酸素脱気装置であり、それは、円筒形の本体22b内に中空糸(図示しない)を収容した構造のものであり、その中空糸内を流通する飼育水Wに含まれる酸素を脱気するようにしている。
このフォローファイバーモジュール22の送水口22cには、返戻パイプ28の一端部が連結され、また、その返戻パイプ28の他端部は飼育水W中に配置されており、フォローファイバーモジュール22から送給される脱気後の飼育水Wを返戻させている。
フォローファイバーモジュール22の本体22bには、連結パイプ29を介して真空ポンプ26が連結されており、そのフォローファイバーモジュール22内を流通する飼育水Wに溶存している酸素を脱気できるようにしている。
溶存酸素電極23は、水槽10に貯留している飼育水Wに溶存している酸素を検知するためのものであり、その飼育水W内に配置されている。
上記溶存酸素電極23は、溶存酸素計24の入力側に接続され、また、その溶存酸素計24の出力側には、真空ポンプ26とエアーポンプ25とが接続されている。
真空ポンプ26は、上記したフォローファイバーモジュール22内を流通する飼育水Wに溶存する酸素を減圧脱気するものであり、溶存酸素計24によってオン/オフ駆動されるようになっている。
エアーポンプ25は、上記した水槽10に貯留されている飼育水Wに酸素を給気するためのものであり、これには、送給パイプ29の一端部が連結されているとともに、当該他端部を飼育水W内に位置させている。
溶存酸素計(溶存酸素コントローラ)24は、溶存酸素電極23によって検知した酸素の溶存量を算出するとともに、これの出力側に接続されているエアーポンプ25と真空ポンプ26とを、算出した酸素の溶存量に基づいて適宜オン/オフ駆動して増減調整する機能を有している。
すなわち、水生生物にとって最適な溶存酸素量となるように、エアーポンプ25と真空ポンプ26とを互いに独立してオン/オフ駆動している。
本実施形態においては、飼育水Wに溶存する酸素を増減調整するための溶存酸素増減調整手段Hを、フォローファイバーモジュール(酸素脱気装置)22、エアーポンプ25、真空ポンプ26及び溶存酸素コントローラ(溶存酸素計)24により構成している。
温度制御装置Cは、飼育水Wの温度を検知するための温度センサ30と、検知された温度に基づいて、その飼育水Wの温度を昇降調整するための温度調整器31とからなる。
本実施形態においては、温度センサ30として熱電対を採用しているが、公知の他のものを採用してもよい。
温度調整器31は、飼育水Wを加熱し又はその冷却を行なう機能を有するものであり、これに、取水パイプ33と排水パイプ34を垂設している。
すなわち、取水パイプ33から飼育水Wを取り込んで加熱又は冷却した後、温度調整をした飼育水Wを排水パイプ34から水槽10に返戻するようにしている。このような温度制御装置Cを設けることにより、飼育水Wの温度を常に水生生物にとって最適な温度に保つことができる。
pH表示装置Dは、飼育水W中に配置され、その飼育水WのpHを検知するためのpH電極41と、そのpH電極41により検知された飼育水WのpHを表示するための装置本体40とからなる。このように、飼育水WのpHを目視できるので、水生生物の飼育をより容易に行なうことができる。
飼育水WのpHは、深海生物を飼育する場合、望ましくはpH7.6〜8.4程度がよいが、その値に限るものではない。
深海生物を飼育するときには、飼育水W中に、炭酸カルシウム又は炭酸カルシウムを主成分とするpH調整部材9を配する。
pH調整部材9としては、例えば珊瑚砂等であり、これを飼育水W内に設置することにより、飼育水WのpHを上記したpH7.6〜8.4に維持することができる。
硫化水素制御装置Eは、ガスセンサ50、これに接続されたリレー51及び記録計52からなる硫化水素ガス測定系と、硫化水素ボンベ53、電磁弁54、上述したものと同等のフォローファイバーモジュール22、プレフィルタ55及びチュービングポンプ56からなる硫化水素ガス増減調整系からなる。
硫化水素ガス測定系の詳細な構成は、次のとおりである。
ガスセンサ50は、硫化水素ガスを検知するためのものであり、上記した水槽10の気相G中に配設されており、これには上記リレー51の入力端子に接続されている。
このガスセンサー50は公知の気相中硫化水素検出法のうち、電気的な信号へ変換可能な方法のいずれかを用いればよい。例えば基材上に水酸化銅の薄膜(いずれも図示しない)を備えるとともに、表面薄層の変化を赤外吸収スペクトルを測定するもの、不完全化学量三酸化モリブデンを材料とし、電気特性の変化によりガス混合物濃度を測定するもの、固体電解質を利用するもの等、連続的にガス濃度を検出でき、かつ、電気的な信号を出力可能であるか、電気的な信号に変換可能なものであれば、採用することができる。
一般的には、ガス警報器等に利用される半導体センサを採用することにより、安価で簡便に飼育水Wの硫化水素ガス濃度を検出できる。
記録計(データロガー)52は、検出した硫化ガス濃度を記録するためのものである。
リレー51は、ガスセンサ50で検出した信号に基づいて、電磁弁54とチュービングポンプ56とをオン/オフ駆動する機能を有するものである。
硫化水素ガス増減調整系の詳細な構成は、次のとおりである。
硫化水素ボンベ53は、所要量の硫化水素ガスを充填したものであり、これと、フォローファイバーモジュール22の本体22bとを連結パイプ53aで連結されている。
硫化水素ガス増減調整系におけるフォローファイバーモジュール22は、硫化水素ガスを飼育水に給気するための硫化水素ガス給気装置であり、円筒形の本体22b内に中空糸(図示しない)を収容した構造のものであることは、上記したものと同等である。
電磁弁54は、硫化水素ボンベ53からフォローファイバーモジュール22への硫化水素ガスの給気の許容と停止を行なうものであり、上記の連結パイプ53aに配設されている。 この電磁弁54は、上記したリレー51によってオン/オフ駆動されることにより、硫化水素ボンベ53からフォローファイバーモジュール22への硫化水素ガスの圧送の許容と停止を行なうようになっている。
プレフィルタ55は、チュービングポンプ56によって吸引された飼育水Wに含まれるゴミ等を除去するものであり、これの受水口(図示しない)には吸水パイプ55aの基端部が連結されているとともに、その吸水パイプ55aの先端部を飼育水W内に位置させている。
上記プレフィルタ2の送水口(図示しない)とフォローファイバーモジュール22の受水口との間には連結パイプ55bが連結されている。
また、フォローファイバーモジュール22の送水口22cと、チュービングポンプ56の受水口56aとの間には連結パイプ57が連結されているとともに、そのチュービングポンプ56の送水口56bには、送水パイプ58の基端部が連結されているとともに、その送水パイプ58の開放端部を飼育水W内に位置させている。
チュービングポンプ56は、飼育水Wを送給するための送給ポンプであり、弾力性のあるチューブをローラ(いずれも図示しない)で扱くことにより、そのチューブ内の飼育水Wを押出す方式のものである。このチュービングポンプ56の採用により、送給ポンプ自体が飼育水Wに接触せず、また、弁構造がなく飼育水Wを脈動させたり衝撃を与えることがない。
本実施形態においては、上記したリレー51、電磁弁54及びチュービングポンプ56により、飼育水W中における硫化水素の濃度が一定となるように、その飼育水に対して硫化水素を供給する硫化水素供給手段Fを構成している。
本実施形態において「飼育水中における硫化水素の濃度」とは、飼育水W中における水生生物にとって適切な硫化水素ガス濃度という意味であり、これにより、化学合成系水生生物の飼育を連続的かつ長期にわたって行なうことができる。
上述した水生生物の飼育システムA1を用いた水生生物の飼育方法は、ガスセンサ50によって、上記気相G中における硫化水素ガスの濃度を検知し、そのガスセンサ50から出力される検知信号に基づいて、飼育水W中における硫化水素の濃度が一定となるように、その飼育水Wに対して硫化水素を供給することを内容としている。
上記構成からなる水生生物の飼育システムA1の動作について説明する。
酸素制御装置Bの動作は、次のとおりである。
飼育水W中の溶存酸素が不足する場合、エアーポンプ25を駆動させて、飼育水Wに空気を給気する。
一方、飼育水W中の溶存酸素が過多の場合、フォローファイバーモジュール22を流通している飼育水Wから、真空ポンプ26を駆動させて酸素を脱気して、溶存酸素濃度を低下させる。
硫化水素制御装置Cの動作は、次のとおりである。
飼育水W中に溶存する硫化水素が不足する場合、電磁弁54及びチュービングポンプ56をリレー51によって駆動させ、飼育水W中における硫化水素の濃度が一定となるように、その飼育水Wに対して硫化水素を供給する。
上記構成からなる水生生物の飼育システムA1及び飼育方法の効果について説明する。
・硫化水素を利用する化学合成生態系の多種多様な生物を長期にわたって飼育することができる。
すなわち、ガスセンサを用いて、水槽上部の気相中に存在する硫化水素ガスの濃度から、飼育水中の硫化水素の濃度を推定し、かつ、半導体ガスセンサの電気的な変化から、リレーを介して、ガス供給弁、循環ポンプ等を制御することにより、適切な量の硫化水素ガスを供給できる。これにより、連続的かつ長期にわたって適切な量の硫化水素ガスを供給でき、化学合成系水生生物の長期飼育を行なうことができる。
・フォローファイバーモジュールを用いて、硫化水素ガスを飼育水に供給しているので、余剰のリュウ水素ガスを系外に放出させることがなくん安全性を高めることができる。
図2は、摂氏5〜5.4度、pH7.6の人工海水中の硫化水素濃度を比色定量法で測定した値と、ガスセンサの出力値を両対数グラフにプロットした図である。
飼育水W中の硫化水素の濃度とガスセンサの出力の関係を調べるために、任意の濃度の硫化水素を含む飼育水Wが存在する場合のガスセンサの出力を調べた。
飼育水W中の硫化水素の濃度は、メチレンブルー法を改良したジアミン法を用いて測定した。
飼育水Wの体積は、150リッターとし、飼育水Wの温度を5度、溶存酸素濃度は6.4、pHは7.4で維持するように設定した。また、ガスセンサは清浄な空気中で4.0Vの出力が得られるように設定した。
ジアミン法を用いた硫化水素濃度の測定は以下のように行なった。
6N塩酸50mlにN,N‐ジメチル‐フェニレンジアミン硫酸1.8gと塩化第二鉄6水和物を3.0gを完全に溶かして混合ジアミン試薬とした。
発色試薬50μlに対して、飼育水500μlを添加し、よく攪拌した後、1,2分放置した。
さらに、蒸留水で11倍に希釈したものの波長670nmの吸光度を分光光度計で測定した。予め用意した任意の濃度の硫化ナトリウム9水和物を蒸留水に溶かした標準液を用いて標準曲線を作成し、測定した吸光度から硫化水素濃度を算出した。
飼育水中の硫化水素濃度とガスセンサとの出力の関係は、図2に示すように、飼育水中の硫化水素濃度が50〜500μM(μmol/L)の範囲で、それぞれの常用対数値が反比例する関係となることがわかった。
飼育水中の硫化水素濃度とセンサー出力の関係から、リレー51のオン/オフ動作のしきい値を繊維に設定することにより、飼育水中の硫化水素濃度を任意の範囲において制御できることがわかった。
図3は、ガスセンサの出力値の経時変化とメチレンブルー法による飼育水中における硫化水素濃度の推定値の経時変化を示す図である。
実際に飼育水中の硫化水素濃度を制御できることを確認するため、深海水生生物を飼育するのに適した硫化水素濃度50〜150(μmol/L)の範囲において硫化水素濃度が維持できることを確認する実験を実施した。
上記した実施例と同様に、飼育水中の硫化水素濃度は経時的に採水し、ジアミン法を用いて測定した。
飼育水の体積は150リッターとし、飼育水の温度を摂氏5度、溶存酸素濃度は6.4、pHは7.4で維持するように設定した。
ガスセンサは、清浄な空気中で4.0Vの出力が得られるように設定した。リレー51は、ガスセンサの出力が3.8V以下になると電磁弁54及びチュービングポンプ56の電源が切れた状態になり、3.8Vより大きなセンサー出力値で電磁弁54及びチュービングポンプ56の電源が入るように設定した。
ガスセンサの出力値は1分おきにデータロガー52を用いて記録した。ガスセンサの出力値の記録を、開始から8時間後から硫化水素ボンベ53の電磁弁54を開いて、硫化水素ガスの供給を開始した。なお、チュービングポンプ56の流量は10ml/分に設定した。
図3に示すように、硫化水素ガスの供給を開始した後、ガスセンサの出力値は3.7〜3.9Vの間で維持された。飼育水Wを経時的に採取し、その飼育水中の硫化水素濃度をジアミン法で測定した結果、飼育水W中の硫化水素濃度は、52〜131μMの間で維持できることがわかった。
図4は、硫化水素濃度と経過時間との関係を示す図、図5は、温度・pH・溶存酸素と経過時間との関係を示す図、図6は、生存率と経過時間との関係を示す図である。
本発明者らは、上記した構成からなる水生生物の飼育システムにより、硫化水素を利用する化学合成生態系生物としてゴエモンコシオリエビを飼育した。図4〜6に示すような飼育効果を得ることができた。
・深海性のカニ「ゴエモンコシオリエビ」を、硫化水素存在下で80日間飼育することができた。
・硫化水素を添加して飼育したゴエモンコシオリエビの外部共生菌は、硫化水素を添加しなかった場合に比べて、1000倍以上の高濃度にまで増殖させることができた。
・増殖した外部共生菌の系統群は深海性の共生菌とされるものと近縁であるものが多く検出できた。
・飼育水槽に、副次的に発生した深海性硫黄酸化細菌を主体とするバクテリアマットを増殖させることができた。
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、飼育水Wに溶存する酸素を脱気するための酸素脱気装置としてフォローファイバーモジュールを用いたものを例示したが、飼育水Wに溶存する酸素を脱気できる機能を有するものであればよい。
上述した実施形態においては、硫化水素ガスを飼育水に給気するための硫化水素ガス給気装置としてフォローファイバーモジュールを用いたものを例示したが、硫化水素ガスを飼育水に給気できる機能を有するものであればよい。
10 水槽
22 酸素脱気装置、硫化水素ガス給気装置(フォローファイバーモジュール)
24 溶存酸素コントローラ(溶存酸素計)
25 エアーポンプ
26 真空ポンプ
30 温度センサ
50 ガスセンサ
51 リレー
53 硫化水素ボンベ
54 電磁弁
56 送給ポンプ(チュービングポンプ)
C 温度制御装置
F 硫化水素供給手段
H 溶存酸素増減調整手段
W 飼育水

Claims (10)

  1. 上部に気相を残して飼育水を貯留した水槽と、
    上記気相中における硫化水素ガスの濃度を検知するガスセンサと、
    上記ガスセンサから出力される検知信号に基づいて、飼育水中における硫化水素の濃度が所定の値となるように、その飼育水に対して硫化水素を供給する硫化水素供給手段とを有することを特徴とする水生生物の飼育装置。
  2. 所定の値は、飼育水中における水生生物にとって適切な硫化水素濃度である請求項1に記載の水生生物の飼育装置。
  3. 飼育水の温度を検知する温度センサと、
    上記温度センサによって検知した温度に基づき、その飼育水の温度を昇降調整するための温度調整器とを有する温度制御装置とを設けた請求項1又は2に記載の水生生物の飼育装置。
  4. 硫化水素供給手段は、
    硫化水素ガスを充填した硫化水素ボンベと、
    硫化水素ガスを飼育水に給気するための硫化水素ガス給気装置と、
    硫化水素ボンベから硫化水素ガス給気装置への硫化水素ガスの給気の許容と停止を行なう電磁弁と、
    飼育水を送給するための送給ポンプと、
    ガスセンサで検知した信号に基づいて、電磁弁と送給ポンプとをオン/オフ駆動するリレーとを有している請求項1〜3のいずれか1項に記載の水生生物の飼育装置。
  5. 飼育水に溶存する酸素を増減調整するための溶存酸素増減調整手段を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の水生生物の飼育装置。
  6. 溶存酸素増減調整手段は、
    飼育水に溶存する酸素を脱気するための酸素脱気装置と、
    飼育水に酸素を給気するためのエアーポンプと、
    飼育水に溶存する酸素を酸素給気装置を介して脱気させる真空ポンプと、
    酸素の溶存量を算出するとともに、算出した酸素の溶存量に基づいてエアーポンプと真空ポンプとを適宜オン/オフ駆動して増減調整する溶存酸素コントローラとを有している請求項5に記載の水生生物の飼育装置。
  7. ガスセンサが、半導体センサである請求項1〜6のいずれか1項に記載の水生生物の飼育装置。
  8. 飼育水は、海水又は人工海水である請求項1〜7のいずれか1項に記載の水生生物の飼育装置。
  9. 飼育水中に、炭酸カルシウム又は炭酸カルシウムを主成分とするpH調整部材を配した請求項1〜8のいずれか1項に記載の水生生物の飼育装置。
  10. 請求項1〜9のいずれか1項に記載した水生生物の飼育装置を用いた水生生物の飼育方法であって、
    ガスセンサによって、気相中における硫化水素ガスの濃度を検知し、そのガスセンサから出力される検知信号に基づいて、飼育水中における硫化水素の濃度が一定となるように、その飼育水に対して硫化水素供給手段により硫化水素を供給することを特徴とする水生生物の飼育方法。
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