BOD測定の考察｜DO・5日間培養・希釈・CODとの違いと誤差原因

BOD測定実験は、水中に含まれる有機物が微生物によって分解されるとき、どの程度の酸素が消費されるかを測定し、水の有機汚濁の程度を評価する化学・生物・環境分野の代表的な学生実験です。

BODはBiochemical Oxygen Demandの略で、日本語では生物化学的酸素要求量と呼ばれます。一般的な測定では、試料の初期溶存酸素量と、一定条件で培養した後の溶存酸素量との差からBODを求めます。

この記事では、大学・高等学校などの学生実験でBODを測定することを想定し、BODの基本、DOとの関係、5日間培養、希釈水、植種、ブランク、硝化の影響、BODとCODの違い、測定値の見方、誤差原因、改善点、考察の書き方などを整理します。

注意：
この記事は、大学・高等学校などの化学・生物・環境実験で得られた結果を考察するための参考資料です。実際の培養温度、培養時間、希釈方法、植種方法、DO測定法、硝化抑制の有無、安全上の注意は、必ず所属学校の実験書、担当教員、TAなどの指示に従ってください。河川水、排水などの試料には病原微生物や有害物質が含まれる可能性があるため、飲用せず、素手で触れないようにします。

BODとは何か

BODは、水中の有機物が微生物によって酸化分解されるときに消費される溶存酸素量を利用して、水の有機汚濁の程度を評価する指標です。

一般にBODが高いほど、微生物が分解可能な有機物が多く含まれ、酸素消費が大きい水である可能性があります。

BODは通常mg/Lで表されます。

BOD測定で見るべき結果

結果に書く主な項目

• 試料名・採水地点
• 採水日時
• 試料量
• 希釈倍率
• 植種の有無
• 培養温度
• 培養時間
• 初期DO
• 培養後DO
• DO消費量
• 希釈水ブランクのDO変化
• 複数回測定した場合の平均値
• 算出したBOD
• 硝化抑制剤の使用有無
• 異常値や除外値がある場合はその理由

BODでは、最終的な数値だけではなく、初期DO、培養後DO、希釈倍率、ブランク、植種条件などを整理することが重要です。

BODでなぜ酸素消費を見るのか

微生物が有機物を分解するとき、多くの場合、呼吸によって酸素を消費します。

水中に微生物が利用できる有機物が多いほど、一定期間に消費される酸素量も大きくなります。

この酸素消費量を利用して、有機物負荷を間接的に評価するのがBODです。

DOとは何か

DOはDissolved Oxygenの略で、水中に溶けている酸素量を表します。

BOD測定では、培養前後のDO差を測定するため、DO測定が中心的な操作になります。

BODとDOの違い

DOは「現在、水中にどの程度酸素が溶けているか」を示す値です。

BODは「一定期間に微生物がどの程度酸素を消費したか」を示す値です。

名称に酸素が含まれていても、意味は異なります。

BOD5とは何か

一般的なBOD測定では、一定温度で5日間培養し、その間の酸素消費量を求める方法がよく用いられます。

この5日間のBODをBOD₅と表すことがあります。

なぜ一定温度で培養するのか

微生物の代謝速度は温度によって変化します。

温度が高いと有機物分解が速くなり、温度が低いと遅くなるため、比較可能な結果を得るには培養温度を一定にする必要があります。

なぜ5日間測定するのか

BODは時間とともに増加します。

培養期間を統一することで、異なる試料間で酸素消費量を比較できます。

5日間という条件は、BODを標準化して比較するための代表的な測定条件として用いられます。

暗所で培養する理由

光が当たると藻類や水生植物が光合成を行い、酸素を発生する場合があります。

すると、微生物による酸素消費量を正しく評価できなくなります。

そのため、BOD培養は光合成の影響を避けるため暗所で行います。

初期DOとは何か

試料を培養する前に測定する溶存酸素量を初期DOとします。

この値が十分に高くないと、培養中に酸素が不足し、微生物が本来消費するはずの酸素量を測定できない場合があります。

培養後DOとは何か

規定期間の培養後に測定するDOです。

初期DOと培養後DOとの差が、培養期間中に消費された酸素量の基本となります。

BODの基本的な考え方

希釈や植種補正を考えない単純な場合、BODは概念的には、

BOD = 初期DO – 培養後DO

として考えることができます。

実際には、試料を希釈した場合は希釈倍率を反映し、植種やブランクを使用した場合は必要な補正を行います。

試料を希釈する理由

BODの高い試料をそのまま培養すると、5日間の途中で溶存酸素をほとんど使い切ってしまう場合があります。

酸素がなくなると、その後の酸素消費量を測定できません。

そのため、必要に応じて試料を酸素を含む希釈水で薄めます。

希釈倍率

希釈した試料で測定した場合、培養液中の酸素消費量を元の試料濃度へ換算する必要があります。

希釈倍率を計算へ反映しないと、元試料のBODを過小評価します。

希釈率の考え方

全培養液量に占める試料量の割合をPとすると、単純な場合は、

BOD = (D₁ – D₂) ÷ P

のように表せます。

D₁は初期DO、D₂は培養後DOです。

希釈水とは何か

高BOD試料を希釈するために用いる水を希釈水と呼びます。

単なる純水ではなく、微生物の活動に必要な無機栄養塩などを含むよう調製する場合があります。

希釈水に酸素を十分含ませる理由

培養開始時に十分なDOがなければ、微生物による酸素消費を測定する余地が小さくなります。

そのため、希釈水にはあらかじめ十分な溶存酸素を含ませます。

植種とは何か

試料中に有機物を分解する微生物が十分に存在しない場合、微生物を含む種液を加えることがあります。

この操作を植種と呼びます。

なぜ植種が必要な場合があるのか

処理水、工業排水、滅菌に近い試料などでは、分解可能な有機物が存在しても微生物が少ない場合があります。

このような試料では、微生物を補わないとBODを低く評価する可能性があります。

植種補正

植種液そのものも酸素を消費するため、植種した試料ではその酸素消費を補正する必要があります。

植種液を含む対照液を用いて、植種由来のDO消費を差し引きます。

ブランク試験とは何か

BOD測定では、試料を含まない希釈水を同じ条件で培養するブランク試験を行うことがあります。

希釈水や試薬、微量汚染などによって生じる酸素消費を確認するためです。

ブランクのDOが大きく減る場合

ブランクで大きな酸素消費が見られる場合、希釈水の汚染、器具の洗浄不足、微生物の混入などが考えられます。

試料測定値の信頼性にも影響するため、原因を確認します。

BOD瓶とは何か

BOD測定では、空気との接触をできるだけ避けて培養できる専用瓶を用いることがあります。

培養中に外気から酸素が補給されると、本来の酸素消費量を正しく測定できません。

気泡を入れない理由

瓶内に気泡が残っていると、培養中に気相から水へ酸素が溶け込みます。

その結果、培養後DOが実際より高くなり、BODを低く見積もる可能性があります。

栓をする際の注意

BOD瓶へ試料を満たすときは、気泡を残さないようにします。

瓶を傾けたり、液を乱暴に注いだりすると気泡が混入するため注意が必要です。

DOの測定方法

DO測定には、DOメーターを用いる方法や滴定法を用いる方法があります。

使用する方法によって操作や誤差要因が異なるため、レポートには測定法を明記します。

DOメーター

DOメーターでは、センサーを試料へ浸して溶存酸素量を測定します。

センサーの校正、温度補償、気泡付着、流れの状態などが測定値へ影響します。

ウインクラー法

溶存酸素を化学反応によって固定し、滴定からDOを求める方法としてウインクラー法があります。

学生実験では、DO測定の原理を理解する目的で扱われる場合があります。

採水後すぐ初期DOを測る理由

採水後にも微生物活動や空気との気体交換は続きます。

初期DO測定まで時間がかかると、本来の採水時点からDOが変化してしまう可能性があります。

水温とDO

水温が高いほど、一般に水へ溶けることのできる酸素量は少なくなります。

BOD測定では培養温度を統一するだけでなく、初期DO測定時の水温も記録すると考察しやすくなります。

微生物の呼吸

微生物は有機物を分解するとき、その一部をエネルギー源として利用します。

好気的条件では酸素を電子受容体として用いるため、DOが減少します。

有機物が多いとBODが高くなる理由

微生物が利用できる有機物量が多いほど、分解に伴う呼吸量が増えます。

そのため、一定期間内の酸素消費量も大きくなり、BODが高くなる傾向があります。

有機物があってもBODが低い場合

有機物が存在していても、微生物が分解しにくい物質であればBODは高くならない場合があります。

また、毒性物質によって微生物活動が抑制されている場合も、実際の有機物量に比べてBODが低くなることがあります。

難分解性有機物

微生物によって短期間では分解されにくい有機物を難分解性有機物として扱います。

このような物質はCODには寄与しても、BOD₅には十分反映されない場合があります。

BODとCODの違い

項目	BOD	COD
原理	微生物による分解	酸化剤による化学酸化
主な対象	微生物が分解可能な有機物	化学的に酸化される物質
測定時間	数日を要する	比較的短時間で測定可能
影響	微生物活性に影響される	還元性無機物も影響する場合がある

BODとCODが一致しない理由

BODとCODは測定原理が異なります。

微生物が分解できない有機物でも、化学的には酸化される場合があります。

そのため、同じ試料でもBODとCODは異なる値になります。

BOD/COD比

BODとCODを両方測定すると、有機物が生物学的に分解されやすいかを考察する手掛かりになる場合があります。

ただし、測定法や試料特性に左右されるため、比だけで厳密に判断しないことが重要です。

硝化とは何か

アンモニア態窒素が微生物によって亜硝酸、硝酸へ酸化される反応を硝化と呼びます。

この反応でも酸素が消費されます。

硝化がBODへ与える影響

BOD測定中に硝化が進むと、有機物分解以外でも酸素が消費されます。

そのため、測定目的によっては炭素系有機物の分解による酸素消費と、硝化による酸素消費を区別する必要があります。

CBODとは何か

炭素系有機物の分解による酸素要求量を主に評価するため、硝化を抑制して測定したBODをCBODとして扱う場合があります。

硝化抑制剤

測定法によっては、硝化による酸素消費を抑えるための試薬を加えることがあります。

使用の有無はBOD値の意味に関わるため、レポートへ明記します。

参考実験条件

項目	参考例
試料	河川水、池水、処理水など
測定	培養前後のDO
培養	一定温度、暗所、5日間
希釈	BODが高い試料は適宜希釈
補正	ブランク・植種補正を必要に応じて実施

参考測定結果

試料	BODの参考傾向	考察の方向
水道水	低い	分解可能な有機物が少ない
上流河川水	比較的低い	自然由来有機物
下流河川水	高くなる場合がある	生活排水・流入水など
有機物の多い池水	高くなる場合がある	藻類・落葉・有機物分解

結果の書き方の例

河川の上流地点Aと住宅地を通過した下流地点Bから採水し、初期DOを測定した後、暗所で一定期間培養して培養後DOを測定した。

地点Bでは地点AよりDO減少量が大きく、算出したBODも高かった。下流では微生物が利用できる有機物量が多く、培養中の微生物呼吸によって多くの酸素が消費された可能性がある。

培養後DOがほぼ0になった場合

培養後にDOがほとんど残っていない場合、試料のBODに対して初期酸素量が不足していた可能性があります。

酸素が途中で枯渇すると、その後の酸素要求量を測定できないため、より大きく希釈して再測定する必要があります。

DOがほとんど減らなかった場合

試料中の分解可能な有機物が少ない、微生物が少ない、毒性物質によって微生物活動が抑制された、培養条件が不適切だったなどが考えられます。

適切な希釈を選ぶ理由

希釈が少なすぎると酸素が枯渇し、希釈しすぎるとDO差が小さくなって測定誤差の影響が大きくなります。

そのため、複数の希釈倍率を用意して測定する場合があります。

複数希釈を行う実験

例えば、希釈倍率の異なる複数のBOD瓶を作り、5日後に十分なDOが残り、かつ明確なDO減少が見られた条件を結果として採用します。

希釈水のブランク

希釈水だけを入れた瓶も培養し、希釈水自身の酸素消費が小さいことを確認します。

ブランクのDO消費が大きい場合は、希釈水や器具の汚染を疑います。

採水から測定までの時間

採水後も微生物分解は進みます。

長時間放置すると、初期状態から有機物量やDOが変化する可能性があるため、指定された保存条件と時間を守ります。

試料保存温度

低温保存すると微生物活動を一時的に抑えやすくなります。

ただし、凍結や長期保存によって試料の性質が変化する場合があるため、実験手順に従います。

試料を強く振らない

採水後に試料を強く振ると、空気から酸素が溶け込み、初期DOが変化する場合があります。

BOD測定では気体交換をできるだけ管理する必要があります。

試料を混合する場合

浮遊物を含む試料では、採取位置によって有機物量が異なる場合があります。

分析法で全試料を測定する場合は、気泡を過度に混入させないよう注意しながら均一化します。

ろ過の影響

ろ過すると粒子状有機物や粒子に付着した微生物が除かれます。

そのため、ろ過前後ではBODの意味が異なる場合があります。

pHの影響

微生物の活動はpHの影響を受けます。

極端に酸性・塩基性の試料では、微生物活動が抑制され、実際の有機物量に対してBODが低くなる場合があります。

毒性物質の影響

重金属、有機溶媒、消毒剤など微生物へ毒性を示す物質が含まれると、微生物分解が阻害される場合があります。

BODが低いから必ず有機物が少ないとは限りません。

塩分の影響

高塩濃度の試料では、通常の植種微生物が十分に活動できない場合があります。

海水や特殊排水では、試料に適した微生物群や測定条件が必要になる場合があります。

水温と微生物活性

採水地点の水温は、自然環境中での微生物活動に影響します。

ただし、BOD試験そのものでは培養温度を統一するため、自然水温と培養温度は区別して考えます。

BODと河川の自浄作用

河川へ有機物が流入すると、微生物分解によってDOが低下します。

その一方、流下する間に大気から酸素が供給され、有機物が分解・希釈されることで水質が回復する場合があります。

BODと魚類への影響

BODが高い水域では、有機物分解による酸素消費が大きくなり、DOが低下する可能性があります。

DOが低くなると、魚類など好気性生物の生育に不利になる場合があります。

富栄養化とBOD

窒素やリンが多い水域では藻類が増殖する場合があります。

増殖した藻類が死滅すると、その有機物を微生物が分解するため、BODが高くなる可能性があります。

日中DOが高くてもBODが高い場合

藻類が多い池では、日中の光合成によってDOが高くなる一方、有機物量が多いためBODも高い場合があります。

DOとBODは別の意味を持つため、両者を組み合わせて考える必要があります。

BODとTOC

TOCは水中の有機炭素量を直接的に評価する指標です。

BODはその有機物のうち、微生物分解に伴ってどの程度酸素が消費されるかを評価します。

BODとSS

浮遊物質SSが多い水では、粒子状有機物が含まれている場合があります。

その有機物が微生物分解されればBODへ寄与します。

BODと窒素

アンモニア態窒素が多い試料では、硝化による酸素消費がBODへ加わる場合があります。

炭素系有機物の負荷だけを評価したい場合は、硝化の影響を考慮します。

複数項目を使った考察

BOD単独より、DO、COD、pH、EC、窒素、リン、濁度などと組み合わせることで、水質の状態をより詳しく説明できます。

参考比較

状態	BOD	DO	考察の方向
有機物が少ない流水	低い	高い場合が多い	酸素消費が小さい
有機汚濁のある水	高い	低下しやすい	微生物分解による酸素消費
藻類の多い池・日中	高い場合がある	高い場合もある	光合成の影響

測定値をグラフ化する

複数地点を比較する場合は、横軸に採水地点、縦軸にBODをとったグラフにすると違いを確認しやすくなります。

同じ地点で季節変化を調べる場合は、横軸を採水日、縦軸をBODとして整理できます。

BODとDOを並べる

BODとDOを別々のグラフで同じ地点順に並べると、有機物負荷と酸素状態の関係を確認しやすくなります。

単位や値の範囲が異なるため、一つの軸へ無理にまとめない方が見やすい場合があります。

繰り返し測定する理由

BODは試料の不均一性、DO測定、希釈、微生物活性など多くの要因に影響されます。

複数の瓶を用いて測定し、再現性を確認すると結果の信頼性を評価できます。

異常値を除外する場合

培養瓶に気泡が残っていた、栓が緩んでいた、試料量を誤ったなど、明確な操作上の理由がある場合は、その理由を記録した上で除外を検討します。

主な誤差・実験上の問題

原因	結果への影響	改善方法
BOD瓶内の気泡	酸素が補給されBODを低く見積もる	気泡を入れずに密栓する
培養温度のずれ	微生物活性が変化する	恒温条件を維持する
希釈倍率の誤り	計算値が大きくずれる	試料量・全量を正確に記録する
植種不足	有機物分解が進まず低値になる	必要な試料では適切に植種する
硝化	有機物以外の酸素消費が加わる	目的に応じて硝化を抑制する
DO測定誤差	BODへ直接影響する	センサー校正・操作を統一する

うまくいかなかった場合の考察例

培養後DOがほぼ0 mg/Lとなり、BODを正確に求められなかった。試料中の分解可能な有機物量に対して希釈倍率が小さく、培養途中で溶存酸素を使い切った可能性がある。より高い希釈倍率で再測定する必要がある。

別の瓶では培養後DOが他の瓶より高かった。瓶内に気泡が残っていたため、培養中に気相から酸素が溶け込み、DO減少量を小さく測定した可能性がある。

改善点の書き方

試料調製を改善する方法

• 試料量を正確に測定する
• 複数の希釈倍率を準備する
• 希釈倍率を記録する
• 必要に応じて植種する
• 試料を過度に曝気しない

培養を改善する方法

• BOD瓶内へ気泡を残さない
• 確実に密栓する
• 暗所で培養する
• 培養温度を一定に保つ
• 培養時間を統一する

DO測定を改善する方法

• DOメーターを校正する
• 温度を記録する
• センサーへの気泡付着を確認する
• 初期DOを速やかに測定する
• 同じ測定条件で培養後DOを測定する

浅い考察とよい考察の違い

浅い考察の例

BODが高かったので水が汚れていた。

よりよい考察の例

下流地点のBODは上流地点より高く、培養期間中のDO減少量も大きかった。BODは微生物が有機物を分解するときの酸素消費量を反映するため、下流では微生物が利用可能な有機物が多かった可能性がある。住宅地からの流入、支流、有機物を含む土壌流出などが原因として考えられる。ただし、BODは微生物活性にも依存するため、有機物量だけを直接測定した値ではない。

希釈についての考察例

低希釈倍率の瓶では培養後DOがほぼ0になったが、高希釈倍率の瓶ではDOが残存した。低希釈倍率では有機物量に対して利用可能な酸素量が不足し、酸素要求量を最後まで測定できなかったためと考えられる。

気泡についての考察例

気泡の残ったBOD瓶では他の瓶より培養後DOが高かった。瓶内の気相から酸素が試料へ溶け込み、微生物が消費した酸素の一部が補われたため、BODを低く算出した可能性がある。

培養温度についての考察例

培養温度が高くなった瓶ではDO消費量が大きかった。温度上昇によって微生物代謝が速くなり、有機物分解と酸素消費が増加した可能性がある。そのため、試料間比較には培養温度の統一が必要である。

植種についての考察例

植種なしの試料ではBODが低かったが、植種した試料では酸素消費量が増加した。元の試料中に有機物を分解する微生物が不足しており、植種によって分解反応が進んだ可能性がある。

硝化についての考察例

アンモニア態窒素を多く含む試料では、培養中に有機物分解だけでなく硝化による酸素消費も生じた可能性がある。したがって、測定BODが炭素系有機物の分解だけを示しているとは限らない。

BODとCODについての考察例

CODは高かったがBODは比較的低かった。この試料には化学的には酸化されるものの、5日間では微生物が分解しにくい物質が含まれていた可能性がある。また、微生物に対する阻害物質が存在した可能性も考えられる。

BODとDOについての考察例

BODが高い地点では現地DOが低かった。有機物分解による微生物呼吸が水中でも進み、酸素が消費された可能性がある。ただし、DOには水温、流速、光合成なども影響するため、BODだけからDO低下の原因を断定することはできない。

藻類の多い池についての考察例

池水ではBODが高かったにもかかわらず、日中のDOも高かった。藻類由来の有機物が多いためBODが高くなった一方、採水時には藻類の光合成によって酸素が供給されていた可能性がある。

水質検査との関係

BODは水質検査の一項目であり、DO、COD、pH、電気伝導率、窒素、リン、濁度などと組み合わせることで、水の状態をより詳しく評価できます。

pH測定との関係

極端なpHは微生物活性を低下させるため、BOD測定値へ影響する場合があります。

特殊な試料では、測定前のpH条件も確認します。

COD測定との関係

CODは化学酸化、BODは微生物分解による酸素消費を評価します。

両者を測定すると、有機汚濁の量だけでなく、生物分解されやすさについても考察できます。

レポートで使える表現例

• BODは微生物による有機物分解に伴う酸素消費量を表す指標である。
• 培養前後のDO差から酸素消費量を求めた。
• BODが高い試料では微生物が利用可能な有機物が多い可能性がある。
• 培養温度の違いは微生物活性へ影響する。
• BOD瓶内の気泡は酸素供給源となり測定値を低くする可能性がある。
• 高BOD試料では適切な希釈が必要である。
• 植種液そのものの酸素消費は補正する必要がある。
• 硝化による酸素消費がBODへ加わる場合がある。
• BODとCODでは測定原理と対象物質が異なる。
• BODとDOを組み合わせることで有機物負荷と酸素状態を考察できる。
• BODは有機物量を直接測定する方法ではない。

BOD測定の考察で確認するポイント

• BODが何を表すか説明したか
• DOとの違いを説明したか
• 培養温度・時間を記録したか
• 暗所培養の理由を説明したか
• 初期DOと培養後DOを記録したか
• 希釈倍率を正しく反映したか
• 植種・ブランクの意味を説明したか
• BOD瓶内の気泡を誤差要因として考察したか
• 硝化による酸素消費を考慮したか
• CODとの違いを説明したか
• pHや毒性物質など微生物活性への影響を考えたか
• BODだけから汚染源を断定していないか

まとめ

BOD測定実験では、水中の有機物が微生物によって分解されるときに消費される酸素量を利用して、水の有機汚濁の程度を評価します。

一般的な測定では、試料の初期DOと一定期間培養後のDOを測定し、その差から酸素消費量を求めます。BODが高い試料では、微生物が利用可能な有機物が多い可能性があります。

一方、BODは微生物活性に強く依存するため、培養温度、pH、毒性物質、植種、希釈、硝化などの影響を受けます。また、BOD瓶内の気泡、DO測定誤差、希釈倍率の計算ミスなども結果へ大きく影響します。

レポートでは、単に「BODが高かったので水が汚れていた」と記述するのではなく、「なぜDOが減少したか」「微生物が利用可能な有機物量とどのように関係するか」「希釈・植種・硝化が結果へどう影響したか」「CODや現地DOと組み合わせると水質をどう説明できるか」を実験結果と結びつけて考察することが重要です。