―主題科目・主題D「人間と環境」― 「水と土と緑」水質と湖沼の水環境鳥取大学農学部生物資源環境学科生存環境学講座原田昌佳はじめに近年，人間の生活や産業活動の影響が海域，河川，湖沼などの水域に及び，水環境の悪化が社会的問題．水質汚染・水質汚濁 1．化学汚染人間や動物の健康に悪影響を及ぼす有害物質による汚染 2．有機汚濁富栄養化によって生じる植物プランクトンの大増殖や水の酸欠状態などによる水質悪化かけがえのない「水」を地域環境の保全や地域資源の有効利用の観点から考えると，水質についての科学的な知見を認識しておくことは極めて重要である．はじめに水環境の保全・改善水圏環境に関する基礎知識の習得自然環境中で営まれる様々な現象の理解 1．生化学的反応による物質循環（微生物の活動を介した物質の酸化還元反応，加水分解） 2．生物学・生態学的な過程（動植物プランクトンの発生，生態系，食物連鎖，生物濃縮） 3．物理的現象（吹送流，熱対流，成層化，拡散現象） Contents 1. 水質とは？（定義と表示方法） 2. 有機汚濁とは 3. 富栄養化とは 4. 有機汚濁に関する水質項目 5. 水域の窒素とリンの循環 6. 湖沼内の物理的現象 7. 富栄養化した湖沼の水質現象 8. 水質の法規制と環境基準 9. 鳥取県湖山池の水環境について水質成分とその表記方法＊水質の定義： 1) 水H2Oに含まれる理化学的・生物学的成分 2) 含有成分によって変化する属性（例）水の密度，水温，pH，電気伝導度，透明度＊表記方法：含有成分については「濃度」 mg/L：水1L中に存在する物質の量をmgで表示． ppm ：重量百万分率．（例）溶液百万g（=1ton)中に含まれる溶質のg数．＊「mg/L」と「ppm」の関係 1ppm=溶質1g/溶液1ton→1g/1m3=103mg/103L=1mg/L （注）比重を1と見なせる希薄溶液の場合水質成分の分類有害有毒物質重金属（水銀，カドミウムなど）（健康項目）有毒物（シアン，PCBなど）有機物など有機物（BOD，COD，TOC）（生活項目）溶存酸素浮遊物質（ SS，濁度，透明度）細菌（大腸菌，一般細菌）水素イオン濃度電気伝導度水温栄養塩類窒素（アンモニア態，硝酸態，亜硝酸態，TN）リン（リン酸態，TP ）その他塩分，放射性物質，油有害有毒物質に関する項目 (1)重金属水銀（水俣病），カドミウム（イタイイタイ病），シアン，鉛，クロム，ひ素など． (2)有機塩素化合物 PCB（ポリ塩化ビフェニール）・絶縁性に優れ，電気製品に使用．・強い毒性 → 1970年以降，製造中止・残留性が極めて高い → 現在でも汚染が進行ダイオキシン（ポリ塩化ジベンゾ－パラ－ジオキシン）・ごみ焼却過程や化学物質の合成過程で生成・強い発がん性を持ち，体内に蓄積されやすい．＊環境ホルモン（外因性内分泌撹乱物質）生体内であたかもホルモンのように作用し，生殖異常などを生じさせるもの．有機汚濁多量の有機物の流入により水質の汚濁人間活動から排出される食物の残渣や排泄物有機物の増大溶存酸素の消費（好気性微生物の有機物分解）貧酸素化 = 嫌気的状態 ①動物の死滅（食物連鎖の破壊）植物プランクトンの増殖 ②有機物の腐敗と病原性微生物の発生 ③嫌気性微生物の作用による各種物質の還元化例）硫化水素の発生（SO42ー→H2S）：悪臭・毒性メタンガスの発生（CO２ →CH4）：悪臭リン・窒素の溶出植物プランクトンの増殖生態系の変化，毒を有する植物プランクトンの発生，悪臭の発生，景観の悪化，レジャー障害富栄養化とは元々の定義湖沼において初めに少なかった栄養塩類が様々な方法で湖沼に流入し，貧栄養湖  中栄養湖  富栄養湖と移行しながら，やがては湿原を経て草原化して行く湖沼の遷移＊何千年，何万年のオーダでの進行＊生物相の変化と調和を保ちながら移行現在の意味人為的原因によって自浄能力を超える窒素やリンなどの栄養塩類が水域に流入し，水質が悪化する有機汚濁＊急速かつ非調和な湖沼の遷移栄養塩類植物性プランクトンや水生植物の栄養となるN，P，K， Ca，Na，Mg，Fe，その他の微量金属など制御因子植物プランクトンの増殖を制御するような物質．リンや窒素が制御因子となることが多い．富栄養化の基準 Sawyer(1952) 無機態P>0.01mg/l，無機態N>0.3mg/l （春の循環期） Vollenweider(1967) 分類極貧栄養全窒素 0.005mg/L以下無機態窒素 0.2mg/L以下極中栄養中栄養中富栄養 0.005～0.01mg/L 0.01～0.03mg/L 0.03～0.1mg/L 0.2～0.4mg/L 0.3～0.65mg/L 0.5～1.5mg/L 富栄養 0.1mg/L以上 1.5mg/L以上吉村(1937)，津田ら（1967）全リンTP>0.02mg/L，全窒素TN>0.15mg/L 水の華，淡水赤潮，アオコ夏期の富栄養化が進んだ水域藻類の異常繁殖藍藻類（ミクロキスチス，アナベナなど）など水面に緑色や褐色の固まりとなって薄皮状に広がる．＝水の華藍藻類青い粉が吹いたようにマット状に広がるアオコ渦鞭毛藻類など水面が赤褐色に着色される淡水赤潮有機汚濁に関する水質項目＊水温水隗の分布や水の素性を知りうる水質の基本的データ．水温の鉛直構造は躍層の状態や水隗の安定・不安定の指標となる．＊電気伝導率（EC：Electric Conductivity）定義電気抵抗の逆数指標水溶液の電気伝導率は溶存イオンの量に比例するので，全溶解物質の概略値を表す＊pH 定義水素イオン濃度[H+]の逆数の対数．指標酸性・アルカリ性の尺度．淡水域のpH値は，炭酸イオンの濃度に依存＊溶存酸素（DO：Dissolved Oxygen ）定義水中に含まれる酸素濃度．単位はmg/L 指標有機物は溶存酸素を分解する有機汚濁に関連する項目＊生物化学的酸素要求量（BOD）定義試料水中の有機物が，好気性微生物によって分解・安定化される間に消費される酸素量．指標河川における有機物量の指標．＊化学的酸素要求量（COD）定義酸化剤を用いて試料水を処理したとき，消費される酸化剤の量を求め，酸素量に換算したもの．指標湖沼における有機物量の指標．生物化学的酸素要求量の測定方法有機物好気性微生物有機物好気性微生物 5日間放置溶存酸素採水直後のDO ー注意（暗所，20℃）５日後のDO 溶存酸素消費されたDO ＝＝BOD 植物プランクンを多く含む湖沼水では，植物プランクトンの呼吸による酸素消費量も加算される．河川における有機物量の指標．化学的酸素要求量の測定方法加熱分解被酸化物酸化剤（100℃，30分）被酸化物酸化剤有機物，亜硝酸塩，硫化物，塩化物イオン，Fe2+ 被酸化物 1. 過マンガン酸カリウム 2. 二クロム酸カリウム酸化剤滴定値初期値ー酸化剤消費量＝  酸素量＝COD K2Cr2O7法はKMnO4法より，多種の有機物を酸化分解させ，酸化率も大きい．多量の水銀，銀を使用するので，分析後の廃液処理に留意．＊有機炭素量定義試料水中の酸化されうる有機物の全量を，主要構成成分である炭素の量で示したもの．指標有機汚濁に関する項目＊クロロフィルa 説明クロロフィルはa，b，c，dの4種類に分類されるが，クロロフィルaはすべての藻類に含まれる．指標植物プランクトン量の指標＊窒素とリン説明植物プランクトンの増殖に必要な栄養塩類指標富栄養化に関する指標水域中の窒素＝無機態＋有機態懸濁態＋溶存態溶存態＋懸濁態アンモニア態＋硝酸態＋亜硝酸態全窒素（TN）水域中のリン＝無機態＋有機態懸濁態＋溶存態溶存態＋懸濁態リン酸態リン全リン（TP）水域の窒素循環窒素固定窒素ガス排泄物・遺骸脱窒(還元) 有機窒素動物ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ生分解 (酸化) アミノ酸・尿素同化植物ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ同化生分解(酸化) 同化ＮＨ４＋同化ＮＯ３－ＮＯ２－硝化作用（酸化）硝化作用（酸化） A．有機窒素の分解：動物プランクトンなどによる生分解 B．硝化作用：好気的条件下で硝化細菌による酸化反応 C．植物プランクトンの摂取：NH4+＞尿素＞NO3－ D．脱窒作用：嫌気的条件下のバクテリアによる還元反応 E．窒素固定：ラン藻類（アナベナなど）が主．水域のリン循環動物ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ植物ﾌﾟﾗﾝｸﾄﾝ摂取リン酸態リン排泄物・遺骸 Fe３＋ Fe２＋懸濁態有機リン吸着溶存態有機リン加水分解溶出沈殿・堆積好気的嫌気的湖沼内の物理的現象風風速・風向吹送時間コリオリ力湖盆形状波浪，波動吹送流，水平還流沿岸流，湧昇流乱流混合熱緯度，経度湖水深成層化，熱対流内部セイシュ，結氷河川流量，温度湖容積湖盆形状河口密度流河水噴流表層密度流＊気圧，重力の影響は大湖沼以外で無視できる密度成層成層化：上層の密度が下層の密度に比較して小さく，密度の層ができること． (1) 水温成層：上層と下層の水温差に起因春から夏の受熱期の深水湖にみられる現象． (2)塩分成層：上層と下層の塩濃度の差に起因汽水湖でみられる現象水温成層の形成太陽からの光エネルギー ↓ ↓ ↓ 表層（混合層）有光層水温水深水深水深風水温躍層密度密度界面深水層無光層水温水温，密度水温，密度富栄養化した湖沼の水質現象表層（生産層）深水層（分解層）底質水域（表層・深水層・底質）生物の死骸・排泄物光エネルギー貧酸素化  ＋各層で様々な水質現象過剰に供給されるN，P 嫌気的・還元的状態有機物体浮遊物淡水赤潮アオコ・水の華表層・生産層光のエネルギー CO2 生物システムが介在した物質収支の構成有植物プランクトンの繁好気性バクテリア光・Fe，Mn等の還元溶出層好気殖と活発な内部生産による分解無的深・栄養塩類の溶出光水層層・嫌・硫化水素の発生分気解的・透明度の低下・DOの低下層・底生生物の斃死・DOの増加・pHの低下・未分解有機物の堆積透明度低下栄養塩類 pH増加 O2 DO増加植物プランクトン捕　食魚類捕食躍層水温動物プランクトン死骸・排泄有機物分解沈降 pH減少 DO減少栄養塩類・溶解性物質の溶出有機物の堆積（ヘドロ）メタンガス硫化水素嫌気的細菌による分解・pHの増加底質のヘドロ化貧酸素化富栄養化と有機汚濁による水質悪化富栄養化有機汚濁 N，Pの流入有機物の流入 N，P濃度の増加有機物の増加藻類の大繁殖（水の華の発生）透明度の低下 CODの増加 DOの低下（貧酸素化）底質の悪化 H2Sの発生漁場の変化，魚介類の斃死，悪臭，景観の悪化，レジャー障害水質の法規制と環境基準水質汚濁防止法に基づいて水質の規制「環境基準」と「排水基準」人の健康を保護し，生活環境を保全する上で望ましい基準 ①健康項目：人の健康を害する成分として規制．重金属，有機塩素化合物，農薬など合計23項目．すべての水域に共通 ②生活項目：有機汚濁の指標と富栄養化防止河川，湖沼，海域別に基準値を設定生活環境に関する環境基準水域ごとに利水目的に応じた水域類型を設け，水質項目に対して環境基準を設定． COD 河川湖沼海域－ ○ ○ BOD pH SS DO TN TP 大腸菌 ○ －－ ○ ○ ○ ○ ○ － ○ ○ ○ － ○ －－ ○ －群数 n－ﾍｷｻﾝ抽出物質 ○ ○ ○ －－ ○ 大腸菌群数：糞便汚染の指標， n（ﾉﾙﾏﾙ）－ﾍｷｻﾝ抽出物質：油脂類の指標河川：AA～Eまでの類型指定類型の設定湖沼：AA～Cまでの類型指定海域： A～Cまでの類型指定生活環境に関する環境基準（湖沼）項目基準値単位 AA A B C pH － 6.0～8.5 6.0～8.5 6.0～8.5 6.5～8.5 COD mg/L以下 1 3 5 8 SS mg/L以下 1 5 15 ゴミなし DO mg/L以上 7.5 7.5 5 2 大腸菌 MPN/100ml 50 1,000 －－群数以下 AA 水道1級，水産1級，自然環境保全及びA以下の項目 A 水道2，3級，水産2級，水浴及びB以下の項目 B 水産3級，工業用水1級，農業用水及びC以下の項目 C 工業用水2級，環境保全湖沼のN，Pに関する環境基準類型湖沼の利用目的の適応性全窒素 I 自然環境保全およびII以下の欄 II 全リン 0.1mg/L以下 0.005mg/L以下水道1，2，3級（特殊なものを除く），水産 0.2mg/L以下 0.01mg/L以下 1級，水浴およびIII以下の欄 III 水道3級（特殊なもの）およびIV以下の欄 0.4mg/L以下 0.03mg/L以下 IV 水産2級およびVの欄に掲げるもの V 農業用水，水産3級，工業用水および環境保全生活項目に関する環境基準の達成率 0.6mg/l以下 0.05mg/L以下 1.0mg/L以下 0.1mg/L以下河川（70%台）海域（80%前後）湖沼（40%台）平成11年度湖山池の水質測定結果・鳥取県が，水質汚濁防止法に基づいて策定した公共用水域水質測定計画により実施・湖山池：湖沼類型A，窒素・リンについての類型IIIの環境基準測定地点 COD DO TN TP 75%値（年平均値）相当類型年平均値年平均値相当類型年平均値相当類型布勢地先堀越地先 5.6 (4.9) 5.1 (4.6) C C 9.7 9.5 0.53 0.51 IV IV 0.055 0.050 V IV 中央部 5.2 (4.7) 5.4 (4.7) C C 9.7 9.6 0.53 0.58 IV IV 0.055 0.058 V V 松原地先環境基準 3mg/L以下 7.5～ 0.4mg/L以下 0.03mg/L以下＊CODの評価は，75%水質値（値の小さいものから並べて(0.75×データ数)の値）を用いる．