令和３年度 公益財団法人 琵琶湖・淀川水質保全機構 水質保全研究助成

琵琶湖・淀川水系における超親水性溶存有機物の化学的描像
越後信哉(京都⼤学⼤学院地球環境学堂)
⼩坂浩司（国⽴保健医療科学院⽣活環境研究部）
藤川由季（京都⼤学⼤学院⼯学研究科）

１．背景と目的
⽔中の溶存有機物(Dissolved Organic Matters; DOMs)は，⽔道⽔質に様々な影響を及ぼす。特に，DOMs と消毒剤である塩素との反応により⽣成するトリハロメタンやハロ酢酸(Haloacetic acids; HAAs)といった消毒副⽣成物(Disinfection byproducts; DBPs)は⽔質管理上重要な物質群である。歴史的には DOMs のうち⽐較的疎⽔性の⾼いフミン物質が重要な前駆物質としてみなされてきたが 1)，近年になり親⽔性有機物も重要な前駆物質となりうることが指摘されている 2,3)。
このような条件下で，先⾏研究 4)において環境⽔中の⾮常に親⽔性の⾼い物質が極めて⾼いトリクロロ酢酸（Trichloro acetic acid; TCAA）⽣成能を持つことが確認された。これを受け，我々の研究グループでは，この環境⽔中の⾮常に親⽔性の⾼い DOMs (以下，超親⽔性 DOMs と表記する)に注⽬し，琵琶湖淀川⽔系の環境⽔中の超親⽔性 DOMs は炭素基準(DOC)で全 DOMs 中 10〜15%程度，親⽔性 DOMs の 20〜25%程度であることや，地点間での⼤きな差は認められないこと等を明らかにしてきたが 5)，その化学的特性については不明点も多い。また，浄⽔プロセスでの挙動に関する情報は皆無である。
以上より，本研究では超親⽔性 DOMs の物理化学的特性の把握と浄⽔処理過程での挙動を確認した。具体的には，親⽔性相互作⽤液体クロマトグラフィー(Hydrophilic Interaction
Liquid Chromatography; HILIC) を⽤いた HPLC 分画と各種固相への保持特性および窒素量を確認することで超親⽔性 DOMs の特性解明を試みた。また，各浄⽔処理過程における超親⽔性 DOMs の量と HAAs ⽣成能(Formation Potential; FP)を測定することで浄⽔処理過程での超親⽔性 DOMs の挙動を確認した。

２．実験方法
2.1 概要本研究は，(1)環境⽔中の超親⽔性 DOMs に関する調査と(2)浄⽔プロセスにおける超親⽔性 DOMs とその HAAs ⽣成能の挙動調査から構成される。以下にそれぞれについて述べる。
2.2 環境水の採水および前処理
環境⽔の採⽔は琵琶湖・淀川流域内の３地点から琵琶湖・南湖（2021/7/27，2021/11/16），
桂川・A 下⽔処理施設放流⼝直下（2021/7/27，2021/11/16），淀川・枚⽅⼤橋（2021/7/27，

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2021/11/16）にて⾏った。これら 3 試料は，それぞれガラス繊維ろ紙 GF/F （Whatman，
孔径 0.70 µm）で吸引ろ過し，冷蔵庫で保管した。その後，ろ液をロータリーエバポレーター（REN-1 Series，IWAKI）と窒素吹付け式試験管濃縮装置（Dry Thermo Bath MG-2000，EYELA）を⽤いて 100 倍濃縮した。この際濃縮により無機物や有機物が含まれると考えられる懸濁が⽣じたため，シリンジと親⽔性ポリテトラフルオロエチレン（Polytetraﬂuoroethylene; PTFE）タイプメンブレンフィルター（Advantech，孔径 0.20 µm）により再度ろ過した後，分画操作に供した。
2.3 固相抽出を用いた超親水性 DOMs の特性解析
超親⽔性 DOMs がどのような官能基を有するのかを検討するために，HILIC 分画を⾏う前の各試料を固相に通⽔した。環境⽔を各種固相に通⽔した際の通過液を HILIC カラムを⽤いた HPLC 分画を⾏うことにより得られた，特性ごとの超親⽔性 DOMs の DOC を測定した。
固相による前処理には Oasis MCX カートリッジ（容量 6 cc，固相重量 500 mg; Waters）と Oasis MAX カートリッジ（容量 6 cc，固相重量 500 mg; Waters），Oasis WAX カートリッジ（容量 6 cc，固相重量 500 mg; Waters）を⽤いた （以下，それぞれのカートリッジをMCX，MAX，WAX と表記する）。MCX と WAX のコンディショニングは，メタノール 20mL，1%ギ酸⽔溶液 20 mL，MQW20 mL の順で⾏った。MAX のコンディショニングは，
メタノール 20mL，1%アンモニア⽔溶液 20 mL，MQW20 mL の順で⾏った。試料 300 mLを 2 mL/min で通⽔した。固相カートリッジを通過した試料を回転式エバポレーター（REN1 Series，IWAKI）と窒素吹き付け式試験管濃縮装置（Dry Thermo Bath MG-2000，EYELA）を⽤いて 100 倍濃縮した。MAX は逆相-強陰イオン交換ポリマーで，酸性化合物に対する選択性がある。また，MCX は逆相-強陽イオン交換ポリマーで，塩基性化合物に対する選択性があり，WAX は逆相-弱陰イオン交換ポリマーで，強酸性化合物に対する選択性がある。
これらのカートリッジを⽤いることで酸性化合物，塩基性化合物，両性化合物および中性化合物に区分可能である。
2.4 HILIC 分画
上記の 100 倍濃縮試料を表 1 の条件で HILIC 分画を⾏った。波⻑ 254 nm における紫外部 UltraViolet; UV）吸光度を測定するとともに保持時間 22~25，25~28 分の画分（以下，これらの画分をあわせて超親⽔性画分と表記する）を分取した後，それらの DOC を測定した。
2.5 超親水性 DOMs の窒素量の定量
超親⽔性 DOMs が窒素原⼦をどの程度有するかを確認するために、溶存窒素（DissolvedNitrogen; DN）から溶存無機窒素（Dissolved Inorganic Nitrogen; DIN）を引くことで溶存令和３年度 公益財団法人 琵琶湖・淀川水質保全機構 水質保全研究助成

有機窒素（Dissolved Organic Nitrogen; DON）を算出した。DN は TN 計，TNM-1（Shimadzu）を⽤いて測定した。また、硝酸性窒素はイオンクロマトグラフィーを⽤いて測定した。検量線には硝酸カリウムを⽤いた。亜硝酸性窒素およびアンモニア性窒素については，ごく微量であったため 0 mgN/L とみなした。
表 1 HILIC 分画の測定条件

2.6 浄水施設における採水および前処理
採⽔は琵琶湖・淀川流域内の B 浄⽔場において 2 回⾏い（2021/10/6，2021/12/8 採⽔），原⽔，ろ過後，オゾン処理後，活性炭（GAC）処理後の⽔の 4 試料を対象とした。前処理は 2.2 と同様である。
2.5 HAAsFP の測定
HAAs の FP 試験の具体的な操作⼿順を以下に⽰す。100 倍濃縮した試料を 300 µL 採り，リン酸緩衝液を加えて pH 7.0（最終濃度 5 mM）とし，MQW でメスアップし全量を 1 mLとした。その後，塩素濃度が 30 mg/L の過剰量となるように次亜塩素酸ナトリウムを加え，24 時間，暗所・室温にて反応させた。反応後に残留塩素濃度を測定し，遊離残留塩素の存在を確認した。最後に最終濃度が 50 mg/L となるように塩化アンモニウム溶液を加え反応を 停 ⽌ し た 。 HAAs は 液 体 ク ロ マ ト グ ラ フ 質 量 分 析 計 （ Liquid Chromatograph-MassSpectrometry; LC-MS/MS）（4000 QTARP, AB Sciex）を⽤いて測定した。
3. 結果および考察
3.1 固相抽出を用いた環境水中の超親水性 DOMs の特性解析
7 ⽉採⽔試料の各カートリッジ通⽔前後の波⻑ 254 nm における UV クロマトグラムを⽐較すると，各カートリッジ通⽔後で保持時間 22~28 分の画分のシグナル強度が減少したが，

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その減少の程度に差が⽣じた。MCX に捕捉される物質は少なく，MAX と WAX に捕捉される物質は⽐較的多かった。また，３つのカートリッジで保持された超親⽔性画分の DOCを図 1 に⽰す。全体の傾向として，超親⽔性 DOMs は炭素基準で 80~90%程度が酸性物質で，酸性物質のうち 60~90%程度が強酸性物質，10~50%程度が弱酸性物質であり，10~50%程度が塩基性物質であった。なお，本実験での分画⽅法では酸性物質と塩基性物質両⽅の特性を持つ両性物質の存在割合は不明であるため，これらの割合は重複が⽣じる。以上の存在割合の結果から，環境⽔中の超親⽔性 DOMs の持つ構造としてはフェノール類やカルボキシル基などを持つ物質だけではなくスルホ基などの強酸性官能基，またアミノ基などの塩基性官能基やアミン構造を持つ可能性が⾼いことが⽰された。

図 1 7 月採水試料の各カートリッジ通水前後の超親水性 DOMs の DOC（mgC/L）
7 ⽉採⽔の試料に関して超親⽔性 DOMs の有する官能基の地点差を詳しく検討した。桂川⽔については塩基性物質が 45.8%であり，琵琶湖⽔ 10.0%，淀川⽔の 25.3%と⽐べて存在割合が⾼かった。これは，桂川⽔には下⽔処理⽔が含まれており，それに由来する有機態窒素に起因するものと考えられた。

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次に 11 ⽉採⽔試料についても同様の分画・評価を⾏った。波⻑ 254 nm における UV ク
ロマトグラムについては 7 ⽉採⽔試料と同様の傾向を⽰した。次いで，図 2 に 11 ⽉採⽔試料の各カートリッジ通⽔前後の DOC を⽰した。7 ⽉の採⽔の結果と⽐較すると，酸性物質，特に強酸性物質が多く塩基性物質は少ないという結果について季節間での⼤きな変動は⾒られなかった。

図211 月採水試料の各カートリッジ通水前後の超親水性 DOMs の DOC（mgC/L）

3.2 環境水中の超親水性 DOMs の窒素量
表 2 に 7 ⽉採⽔試料の総 DOMs ならびに超親⽔性 DOMs の窒素含有量を⽰した。DINについては検出器の感度の都合上，検量線の下限値が 0.3 mgN/L であったため，測定値が検量線下限値以下であった場合は，測定データを「下限値 0.3 mgN/L 以下」として取り扱った。桂川⽔と淀川⽔の超親⽔性画分後半部分（HILIC 保持時間 25~28 分の画分）の DINが下限値 0.3 mgN/L 以下であったため，超親⽔性画分後半部分の DON については，多くても DN と同じ値であると仮定して取り扱う。加えて，琵琶湖⽔については DIN が低濃度であり総 DOMs についても下限値 0.3 mgN/L 以下であったため，ここでは桂川⽔と淀川令和３年度 公益財団法人 琵琶湖・淀川水質保全機構 水質保全研究助成

⽔の 2 地点を対象にして考察を⾏う。
表 2 7 月採水試料の総 DOMs ならびに超親水性 DOMs の N/C 比

表3

11 月採水試料の総 DOMs ならびに超親水性 DOMs の N/C 比

桂川⽔の超親⽔性 DOMs の DON は最⼩ 0.21 mgN/L（ 超親⽔性画分前半部分の DON），最⼤ 0.21 mgN/L（超親⽔性画分前半部分の DON）+0.09 mgN/L（超親⽔性画分後半部分の DN）=0.30 mgN/L であった。淀川⽔の超親⽔性 DOMs の DON は最⼩ 0.06 mgN/L（超親⽔性画分前半部分の DON），最⼤ 0.06 mgN/L（超親⽔性画分前半部分の DON）+0.06mgN/L（超親⽔性画分後半部分の DN）=0.12 mgN/L であった。同様に，11 ⽉採⽔の桂川⽔，淀川⽔試料の総 DOMs ならびに超親⽔性 DOMs の N/C ⽐を表 3 に⽰した。桂川⽔は季節によって変動がなかった。また，タンパク質の N/C ⽐は C を約 44%，N を約 16%を含んでいると仮定すると 0.5 程度であり，これはタンパク質や炭⽔化物などを多く含むと考えられる⾼分⼦ DOMs を含む環境⽔の N/C ⽐を測定した実験で，概ね 0.5 程度であったことからも妥当であるといえる 5)。本実験では超親⽔性 DOMs の N/C ⽐は著しく⾼いものがあるものの概ね 0.5 程度であり，また低分⼦のものが多いことから特にペプチド様のものである可能性が⾼い。
3.3 浄水処理過程における超親水性 DOMs の炭素量の変化
図 3 および 4 に 10 ⽉および 12 ⽉採⽔の浄⽔処理過程における総 DOMs および超親⽔性 DOMs の DOC，ならびに超親⽔性 DOMs の寄与率をそれぞれ⽰す。浄⽔処理過程における DOC は，浄⽔処理が進むにつれて概ね減少した。また，超親⽔ DOMs の DOC についても浄⽔処理が進むにつれて基本的に減少したがオゾン処理後に増加した。これは，オゾン処理では DOMs が酸化・親⽔化されることにより親⽔性画分が増加するためと考えられた 6)。総 DOMs に対する超親⽔性 DOMs の⽐率（DOC として）でみても原⽔では 10 ⽉

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採⽔試料では 24.4%，12 ⽉採⽔試料では 16.4%であり，ろ過により 10 ⽉採⽔試料では20.8%，12 ⽉採⽔試料では 12.7%まで減少したが，オゾン処理と GAC 処理により 10 ⽉採⽔試料では 34.8%，12 ⽉採⽔試料では 21.7%まで増加した。

図3

10月採水の浄水処理過程における総DOMsおよび超親水性DOMsのDOC（上段）と超親水性 DOMs の寄与率 （下段）

これらの結果のうち超親⽔性画分が占める割合がろ過で減少した理由は不明であるが，オゾン処理では DOMs が酸化・親⽔化されることや，また GAC 処理の DOMs 除去効率が疎⽔性画分の⽅が親⽔性画分より⾼いとの報告もあることから 7)，これらがオゾン処理とGAC 処理により超親⽔性画分が増加した理由と考えられる。
超親⽔性 DOMs の除去率は 10 ⽉試料で 36.3%，12 ⽉試料で 50.2%であり，それ以外のDOMs の除去率は 10 ⽉試料で 61.4%，12 ⽉試料で 64.8%であった。このことから，炭素量の観点からは超親⽔性 DOMs は浄⽔処理過程全体を通じては総 DOMs の中でも除去が困難であることが分かった。10 ⽉，12 ⽉採⽔の両試料において波⻑ 254 nm における超親⽔性画分のピークの形状は原⽔，ろ過後，オゾン処理後，GAC 処理後の順番で徐々に⼩さくなった。よって，芳⾹環を持つ超親⽔性 DOMs は浄⽔処理が進むにつれて徐々に減少し処理されている可能性が⾼いことが分かった。
また，浄⽔処理過程における超親⽔性 DOMs の波⻑ 254 nm における UV ⾯積値は，両試料において原⽔，ろ過後，オゾン処理後，GAC 処理後の順番で徐々に減少した。また炭素量あたりの UV ⾯積値は 10，12 ⽉採⽔の両試料ともに原⽔とろ過後でほぼ同程度であり，オゾン処理と GAC 処理により減少した。反応性⾃体が低減していることが⽰唆される。

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このことから，UV クロマトグラムで得た⽰唆と同様，芳⾹環を持つ超親⽔性 DOMs は浄⽔処理が後段になるにつれて徐々に減少し処理される可能性が⾼いことが分かった。ただし，ろ過前後で炭素量あたりの UV ⾯積値はほぼ変わらなく，オゾン処理と GAC 処理により減少したことから，オゾン処理と GAC 処理で芳⾹環を持つ超親⽔性 DOMs は特に除去されやすいことが分かった。

図412月採水の浄水処理過程における総DOMsおよび超親水性DOMsのDOC（上段）と超親水性 DOMs の寄与率 （下段）

3.4 浄水処理過程における超親水性 DOMs の DCAAFP
図 5 に 10 ⽉採⽔の浄⽔プロセスにおける DCAAFP および DCAAFP への超親⽔性DOMs の寄与率を⽰す。10 ⽉採⽔試料では，全 DCAAFP に対する超親⽔性 DOMs の寄与は 20~50%程度であり，浄⽔処理の終盤の GAC 処理後では 42.3%と原⽔の 20.8%と⽐べて⾼い寄与率を⽰した 12 ⽉採⽔試料についても全 DCAAFP に対する超親⽔性 DOMs の寄与はろ過後で 4%とかなり低かったものの，ろ過以外の処理過程では概ね 40%前後であった。浄⽔処理終盤でも⾼い寄与率を⽰すことから，DCAA ⽣成に関与する超親⽔性 DOMsは浄⽔プロセスでは相対的に制御されにくいことがわかった。

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図5

10 月採水の浄水プロセスにおける DCAAFP

および DCAAFP への超親水性 DOMs の寄与率
3.5 浄水処理過程における超親水性 DOMs の TCAAFP
図 6 に 10 ⽉採⽔の浄⽔プロセスにおける TCAAFP および TCAAFP への超親⽔性 DOMsの寄与を⽰す。全 TCAAFP に対する超親⽔性 DOMs の寄与は 30~100%程度であり，浄⽔処理の終盤の GAC 処理後では 99.9%と原⽔の 27.3%と⽐べて⼤幅に⾼い寄与率を⽰した。
このことから，⽔道⽔に含まれる TCAA のほぼ全てが超親⽔性 DOMs に由来するものと推定された。12 ⽉採⽔試料についても，ろ過後で 3.4%とかなり低い値を⽰したものの，GAC 処理後では 67.7%と原⽔の 39.5%と⽐べて⾼い値を⽰し，TCAA ⽣成に関与する超親⽔性 DOMs は浄⽔プロセスでは制御されにくいことが分かった。以上のことから，DCAAおよび TCAA の前駆物質として超親⽔性 DOMs が重要であるということがわかった。

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図6

10 月採水の浄水プロセスにおける DCAAFP

および TCAAFP への超親水性 DOMs の寄与率
4. まとめ本研究では得られた知⾒は以下の 2 点に整理できる。


超親⽔性 DOMs の官能基について，酸性官能基，特に強酸性官能基が多い可能性を⽰した。



超親⽔性 DOMs は浄⽔処理で⼀部除去されるが，DOMs 全体よりは除去率が低く，結果として HAAs の主要な前駆物質となっていることわかった。

謝辞：試料を提供いただいた⽔道事業体関係者各位に感謝申し上げる。
参考文献
１) 伊藤禎彦, 越後信哉: ⽔の消毒副⽣成物, 技報堂出版, 2008.
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formation potential along drinking water treatment by a comprehensive fractionation
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3) 奥⽥恵理⾹ : 浄⽔処理過程におけるハロ酢酸の主要⽣成機構とその前駆体の推定, 京都⼤学⼤学院⼯学研究科修⼠論⽂, 2019.
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6) Phattarapattamawong, S., Echigo, S. and Itoh, S.: Characterization of organic precursors
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