UVC LEDによる海洋生物付着の軽減

ハリ・ベヌゴパラン

250 ～ 280nmの範囲で発光する深紫外線LEDは、バイオフィルムによる船舶への生物付着の検知および防止に役立つ。

毎年、生物付着によって船舶や海運といった世界規模の産業に数十億ドルもの費用が発生しているにもかかわらず、環境をめぐる他の問題の報道には余念がないメディアによって、この問題が取り上げられることはほとんどない。しかし、センサ業界は、生物付着の問題に大いに注目しているので安心してほしい。この業界では、生物付着の影響を計測して最小限に抑えたり、発生そのものを防止したりするのに役立つ、UVC（250 ～ 280nm）LEDに基づく一連の装置が開発されている。
　生物付着は、水中の微生物が濡れた表面に付着することで発生する。最初に付着したこれらのバクテリアはその後増殖し始め、徐々に表面全体をバイオフィルムで覆い尽くす。最終的にはそのバイオフィルムに他の有機物が付着し、除去は困難（かつ高コスト）となる（図1）。
　生物付着によって海運業界には、毎年推定75億ドルもの費用が発生する。その費用のほとんどが、船体に蓄積した生物付着物によって船体抵抗や重量が増加するために、船舶で燃焼する燃料が40%多くなることに起因する。また、燃焼する燃料が増加すると、船舶による二酸化炭素や二酸化硫黄の排出量も増加する。
　生物付着は、さまざまなセンサを利用して海洋や沿岸水域の環境状態を監視する、沿岸・海洋研究機関にも影響を及ぼす。確認せずに放置すると、一部のセンサは設置から1 ～ 2週間のうちに、バイオフィルムの影響で動作不能になることが知られている。
　解決策として、船体上に形成されるバイオフィルムを初期の段階で検出し、バイオフィルムの除去を容易にするためのUVC（紫外線C波）LEDに基づくデバイスが開発されている。そして現在では、LEDを海洋センサ内に配置することによって、微生物のDNAを破壊し、バイオフィルムがそもそも形成されないようにすることが行われている。

海運業界

早期に検出すれば、船体のバイオフィルムを除去し、比較的長い期間にわたってその状態を維持することができる。付着してからの時間が長くなるほど除去は格段に難しくなり、腐食による損傷によって、遅きに失する可能性もある。
　そのため海運会社は長い間、船舶の保守・洗浄スケジュールを最適化できるように、生物付着の経過を監視して予測する方法を模索してきた。適切なタイミングで実施されているとはいえない現在の船体洗浄には、年間約10億ドルの費用がかかっている。監視してより適切に予測できるようになれば、その費用を大幅に削減できると考えられている。
　ドイツのヘルムホルツ海洋研究センター（Helmholtz Centre for Ocean Research）とクリスティアン・アルブレヒト大（Christian-Albrechts-University）の物理化学研究所（Institute of Physical Chemistry）の科学者らは、海運産業におけるバイオフィルム形成の検出と監視を現場で非破壊的に行えるように支援する、堅牢で信頼性の高い海洋環境センサを開発した（1）。これまでに、その実験によって初めて、生息環境におけるバイオフィルムの形成を継続的に監視する手段が提供されている。両機関が開発したUVC LEDを利用した分光装置のプロトタイプは、有機物と無機物を区別する能力を備え、数カ月間にわたって自律的に稼働するように設計されており、（船体のような）広い面積にわたるバイオフィルムの初期形成を監視する実地試験が実施済みである。
　その仕組みは次のとおりである。分析機関では長い間、さまざまな複合物の検出と分析に、吸収や蛍光を利用する光検出分析を採用してきた。しかし、従来の方法では複雑さ、サイズ、コストの問題から、現場で使用できる装置の開発に制約があった。LEDはフットプリントが小さく、コストが低く、光出力が安定していることからこの問題を解決すると思われたが、初期のサファイア基板をベースとする、波長範囲が250 ～ 280nmのLEDには、寿命、性能、信頼性の問題があった。
　しかし、単結晶の窒化アルミニウム（AlN）基板上で作成された新しいLEDは格子が整合しており、このような問題が解決された。1cm2あたりの欠陥が約1万個少ないこれらのLEDは、光出力が高く、耐用年数が格段に長い。そのため、UVC LEDは現在、現場での使用や携帯が可能な診断装置の新世代への進化を促進する最大の要素となっている。
　すべての微生物の細胞内にフルオロフォア（蛍光色素分子）があり、蛍光を利用する検出に好都合である。蛍光は、高い感度と選択性を備え、応答時間が速く、現場で広い面積に対して、実際のサンプルに触れることなく監視可能である。UV範囲の波長において、たんぱく質の自然蛍光は、チロシン、フェニルアラニン、トリプトファンという3つの芳香族アミノ酸に主に起因する。フェニルアラニンは量子収率が非常に低く、チロシンの発光には一般的なクエンチング（消光）の仕組みが伴うため、たんぱく質の自然蛍光は主にトリプトファンによって発せられる。トリプトファンは、波長280nmの光励起によって選択的に測定可能で、ピーク蛍光検出の中心は約350nmとなる（図2）。
　そのため、LEDに基づくバイオフィルム監視は、トリプトファンの自然蛍光を対象とする。トリプトファンの蛍光は、UVC LED光源を備え、数値的に最適化されたセンサヘッドによって励起され、光ファイババンドルによって集光される。UVC LEDの光は、数ミリ秒以内に瞬時にオン／オフ可能で、消費電力を最小限に抑えつつ、再現性の高い光強度を生成することができる。
　科学者らは、トリプトファンと2つの特徴的な海洋バクテリア菌株に合わせてプロトタイプを校正し、線形の信号応答、十分なバックグラウンド抑制、広いダイナミックレンジ、そして最大で4×103細胞/cm2の実験検出結果を達成した。続いて実施されたバルト海での21日間にわたる実地試験にも成功している。最初のバクテリア付着から、最終的にバイオフィルムが完全に形成されるまでに、バイオフィルムの形成には3つの特徴的な段階があることが計測によって明らかになった。まだ開発中ではあるものの、このセンサは、海運や深海調査に加え、さらに小型化が進めば、工業や生物医学の業界にも適用できる可能性がある。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2016/11/LFWJ1609pf.pdf