現在の研究テーマ

（１）琵琶湖の難分解性溶存態有機物の特性に関する研究

　琵琶湖や霞ケ浦をはじめ国内の多くの湖沼において、数多くの流域発生源対策が実施されてきました。近年、これらの効果もあり、多くの湖沼でBODが減少しています。しかしながら、CODが増加傾向を示すという状況が報告されています。このことから、湖沼水中の天然有機物（Natural Organic Matter、NOM）あるいは溶存態有機物（Dissolved Organic Matter、DOM）が質的・量的に変化し、微生物などによって分解されにくい溶存態有機物である難分解性溶存態有機物（Refractory DOM, R-DOM）が湖沼水中に増加・蓄積していると考えられています。しかし、難分解性溶存態有機物が、湖沼生態系や私たちの水利用にどのような影響を与えているかはほとんど分かっていません。湖沼環境保全および水道水源の安全性確保のためにも、この現象の解明やその定量的な影響評価が必要不可欠です。
私たちは、平成21年度から滋賀県琵琶湖環境科学研究センター等の協力の下、琵琶湖流域における難分解性溶存態有機物に関する研究を行っています。具体的には、より現場に近い条件での湖沼有機物の分解性を評価するための試験法の開発、3次元蛍光分析（EEM）や有機物組成分析による有機物の詳細な分解挙動の解明、難分解性有機物の構造特性の把握、生態毒性評価等に取り組んでいます。
　平成22年度まで、NOMのより現場に近い分解性を評価することを目的とした長期間生分解性試験を確立し、それを琵琶湖北湖の夏季表層水へ適用しました。その結果、夏季の琵琶湖表層水に含まれるNOMの分解性評価には200日程度必要であることが明らかになり、従来の100日間試験では琵琶湖NOMの分解性を5%程度過小評価している可能性が示唆されました。また、季節によってNOMの分解挙動が異なっていることが明らかになりつつあります。さらに、蛍光分析による有機物の分解特性を評価した結果、琵琶湖NOMの分解過程中の質的な変化はDOC濃度のそれとは異なった傾向を示すことが明らかとなりました。私たちが開発した長期間生分解性試験により、琵琶湖NOMのより本質的な（inherent）生分解性の評価が可能となるのみならず、より現場に近い条件で調製された難分解性有機物のさらなる研究（例えば、生態毒性評価など）を可能にしました。
　H23年度は、過年度の成果および課題を踏まえ、琵琶湖NOMの分解挙動を厳密に評価・予測するために200日間程度の分解性試験を継続して実施するとともに、速度論的な解析等を行うことによってその質的変化について詳しく評価する必要があると考えています。琵琶湖NOMの分解過程における質的変化をより詳細に把握するためにアミノ酸や単糖などの組成分析を実施すると同時に、LC/MS/MS、NMR等の高度機器分析による難分解性有機物の構造特性の把握にも取り組んでいます。


　　　
　　　　　　　　

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（２）藻類の蛍光特性を利用した光合成阻害試験方法の確立と微量毒性物質およびNOMの生態毒性評価

　藻類の蛍光特性を利用した光合成阻害試験に関する研究を行っています。藻類に光を照射した際に光合成色素の一種であるクロロフィルは蛍光を放出します。光合成阻害試験では、その蛍光量の変化から光合成阻害率を算出し、化学物質の生態毒性評価を行います。
　藻類を用いた光合成阻害試験では、同じ藻類を用いた生長阻害試験とは異なり、短時間（30分）での生態毒性評価が可能であるため、実排水をほぼリアルタイムで監視することができます。また、物質により光合成阻害の応答の形に特徴が見られ、生態毒性が検出された際に毒性物質を推定できる可能性があると考えています。
　平成22年度の研究では、藻類による光合成阻害試験結果の違いを確認するために、緑藻からClosterium ehrenbergii、 Pseudokirchneriella subcapitata、 Chlorella vulgaris、 Chlamydomonas moewusii、 Scenedesmus obliquusの5種、藍藻からMerismopedia tenuissimaの1種の計6種の藻類について、重金属（塩化銅（�U））、医薬品（トリクロサン）、農薬（チオベンカルブ、シメトリン）の4物質に対する光合成阻害試験を行いました。その結果、藻類ごとに感受性が異なり、また、応答の時間変化も種によって異なることが明らかになりました。
　今後の研究では、光合成阻害試験方法の確立と試験対象藻類の選定、化学物質の光合成阻害試験データの蓄積を目標に研究を行う予定です。試験方法が確立された後には、実際の排水への適用を目指して、複合影響を考慮した光合成阻害試験やNOMの生態毒性評価を行う予定です。


　　　　　　　　　 　　 　　　　　 　 　
　　　

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（３）水環境中NOMの科学的再現と水処理プロセスの影響解明
　水環境中に遍在しているNOMは、膜ろ過処理において膜ファウリング（目詰まり）を引き起こして膜の寿命を縮めたり、塩素処理・オゾン処理・AOP等の消毒に伴って生じる有害な微量毒性物質の前駆物質であることが知られています。また、私たちの過去の研究により、水環境中のみならず膜処理プロセス等においてNOMが微量汚染物質の挙動や毒性に影響を及ぼしていることを明らかになってきました。しかし、NOMが有機高分子の集合体であるために成分・化学構造に不明な点が多く、NOM研究を行う上で大きな障害となっています。

　　　　　　　　

　私たちは平成21年度よりJST戦略的創造研究推進事業（CREST）の中で、NOMの科学的・普遍的な理解を目指して研究を進めています。最終的には、“NOM標準物質（群）”を構築することにより、水環境中NOMの実験室内での科学的再現を可能にし、NOM研究の大きな発展や高度工学的制御技術の開発などに資することが期待できます。具体的には、以下の3つのサブテーマを設定しています。

■　水環境中NOMの抽出・分析法の高度化
　水環境中におけるNOMの機能や役割について調べるためには、多くの場合、着目している対象水からNOMを抽出・濃縮してから危機分析やバイオアッセイ等を行う必要があります。私たちは、これまでにイオン交換、膜ろ過（MF、UF、RO）を組み合わせたDOMの抽出・分画法を開発してきました。さらに、高度機器分析を行う際には、DOMと共存する無機成分の影響を取り除く必要があり、脱塩・精製手法の開発も併せて実施してきました。現在は、粒子態（POM）やコロイド態（COM）有機物に対象を拡げ、NOM全体を抽出・分析できる手法へ高度化を図っています。さらに、LC/MS/MS、NMR、FTIRなどの高度機器分析も併せて行っており、NOMの化学構造の解明と類型化に取り組んでいます。

　　
　　　　 　　　　


■　膜ファウリング原因物質および消毒副生成物前駆物質の究明
　21世紀は水の世紀と言われ、特に都市域では気候変動などの要因なども絡み、必要な時に必要な量と質の水が必要となることが想定されます。そのため、都市域における21世紀型水循環系を構築するためには、湖沼・河川水ならびに下水2次処理水を含めた下排水に対して、膜処理や化学的酸化処理が有効な手段と期待されています。しかし、水中に共存するNOMにより膜ファウリングによる処理効率の低下や有害な消毒副生成物が生成することが知られています。私たちは、各種水処理プロセスにおいて、NOMのどの成分・画分がどれくらい影響を及ぼしているかを明らかにすることによって、より高度な工学的制御方法の開発を目指しています。

　　
　　　　　　


■　微量有機汚染物質の生物蓄積性および毒性緩和影響に与える共存NOMの影響
　水中に共存するNOMにより、微量有機汚染物質の毒性や生物蓄積性は影響を受けることが知られています。化学物質の環境動態や安全性を評価・予測するためには、共存しているNOMの影響をより詳細に評価することがとても重要です。これまで、私たちは琵琶湖において多環式芳香族炭化水素類（PAHs）のDOMに対する収着係数（K_doc）の季節変化や空間分布を明らかにしてきました。現在は、琵琶湖流域を主なフィールドとして、微量有機汚染物質の生物蓄積性および毒性緩和影響に対してNOMのどの成分・画分がどれくらい影響を及ぼしているかについて定量的な評価を行っています。また、NOM自身が有している人や生態系に及ぼす毒性影響についても調べています。

（4）金属コーティングしたろ過砂を用いた下水2次処理水中有機物（EfOM）の処理方法の開発
　生活排水の処理プロセスには、物理的に固形物を分離・除去する一次処理と微生物などを利用して有機物を除去する二次処理、これらで除去できなかったものを除去する高度処理があります。具体的には、凝集剤添加や塩素処理、オゾン処理、促進酸化処理法などの方法です。これらの水処理で有機物を除去する主な目的に、放流先の水環境の汚濁防止が挙げられます。
　実際、琵琶湖ではBODの値がほぼ横ばいであるのに対し、CODの値は漸増しています。このことから、水環境中のNOMが構造を変化させ、微生物に分解されにくい有機物、すなわち難分解性有機物として蓄積している可能性があります。しかし、NOMあるいは難分解性有機物の水環境中における役割や機能、さらにはそれらの湖沼生態系への影響についての詳細は明らかになっていません。
　私たちは水環境に放流される前の下水処理水中（特に2次処理水）に含まれる有機物（Effluent Organic Matter、EfOM）をさらに除去することを目的とした処理方法の開発に取り組んでいます。処理水の放流先が琵琶湖のような湖沼の場合には、BODだけでなくCODについてもさらなる濃度の削減が要求されます。一般には、有機物（EfOM）の多くは負に帯電していると考えられるため、正に帯電した表面には静電的に吸着する性質があります。そこで、本研究ではろ過砂の表面を金属（正電荷）で化学的にコーティングし、砂表面の正電荷により有機物を除去できると考えました。現在は、金属コーティング方法の確立や有機物特性の把握を目的とした有機物分画法の立ち上げを行っています。さらに、3次元蛍光（EEM）を測定することによってより詳細な有機物の除去特性を調べる予定です。

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（5）固相抽出-LC/MS法による溶存有機物の新規解析手法の提案

　DOMは多種多様な有機物の混合物であり、すべての成分を同定・定量することは現実的ではありません。私たちは、固相抽出法およびLC/MSを組み合わせることにより、DOM成分を網羅的かつ定量的に検出できる新規手法を開発し、DOMの質的・量的特性の解明に取り組んでいます。最終的には、（i）NOMの組成／構造の解明、（ii）流域圏における発生源の解明、（iii）水環境中におけるNOMの挙動・反応性の解明、（iv）NOMに関わるリスク／安全性の評価を通して、水環境の保全に資することを目指しています。

　　　　　　　 　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

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（6）化学物質の環境動態に影響を及ぼす溶存有機物（DOM）の探索
　DOMは多種多様な有機物の混合物であり、すべての成分を同定・定量することは現実的ではありません。私たちは、固相抽出法およびLC/MSを組み合わせることにより、現在、化学物質の環境中運命に及ぼすDOMの影響を評価。予測する指標として、マクロな物理化学的指標である「収着係数（K_doc）」や「オクタノール／水分配係数（K_ow）」が用いられています。しかし、これらのマクロな指標では、”DOM（有機物）全体に平均的にどれくらいの微量有機汚染物質が収着しているか”という情報しか得られません。実際の水環境においては、微量汚染物質と強く（特異的に）相互作用をしている成分が存在していると考えられます。私たちは、既存のK_doc等では評価することが困難であった化学物質と特異的な相互作用をしてその環境動態に強く影響を及ぼしているDOM成分の探索に挑んでいます。

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最近の卒論・修論・学位論文のテーマ

・琵琶湖水中難分解性溶存有機物の特性把握（卒論）
・琵琶湖水中天然有機物の分解特性解析（修論）
・ミカヅキモの蛍光特性を利用した微量汚染物質の毒性評価（卒論）
・藻類を用いた光合成阻害試験方法の確立に向けた基礎的研究（卒論）
・藻類を用いた光合成阻害試験法の開発と適用（修論）
・再生水利用に向けた溶存有機物の分画手法による特性解析（修論）
・下水二次処理水中有機物および天然有機物の3次元蛍光分析による特性解析（卒論）
・RO膜foulingに及ぼす天然有機物質の分子量特性評価（修論）
・溶存有機物によるUF膜ファウリングに関する基礎的研究（卒論）
・水環境中有機物（NOM）の分類とろ過砂を用いた有機物除去に関する研究（修論）
・下水再利用に向けた高度・再生処理における溶存有機物の挙動（修論）

競争的資金

・科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業（CREST）
・財団法人琵琶湖・淀川水質保全機構　水質保全研究助成
・文部科学省科学研究費補助金 若手研究（B）