ロゼットサンプラーは、水質検査のために五大湖や海洋などの深海で水サンプルを採取するために使用されます。

水質とは、水の使用基準に基づいた化学的、物理的、生物学的特性を指します。 [1] [2]水質は、一般的に水処理によって達成される適合性を評価するための一連の基準を参照して使用されることが最も一般的です。水質の監視と評価に用いられる最も一般的な基準は、生態系の健全性、人との接触の安全性、水質汚染の程度、飲料水の状態を伝えます。水質は水供給に大きな影響を与え、しばしば供給オプションを決定します。[3]

公衆衛生への影響

時が経つにつれ、飲料水の水質の重要性とそれが公衆衛生に与える影響に対する認識が高まり、水質の保護と管理が強化されてきました。[4]

水質と健康の関連性についての理解は深まり続けており、新たな健康危機の可能性も浮き彫りになっています。感染症による子供の発育阻害への慢性的な影響から、マンガンなどの既知の汚染物質による害に関する新たな証拠、そして子供の神経毒性に関する証拠の増加に至るまで、様々な問題が浮上しています。[4]さらに、マイクロプラスチック、過フッ素化合物、抗菌剤耐性など、水質に関する新たな問題も数多く発生しています。[4]

カテゴリー

水質のパラメータは、その用途によって決まります。水質に関する研究は、飲料水、工業用・家庭用、あるいは（一般的には人間や水生生物の健康のための）環境・生態系の修復のために処理された水に重点が置かれる傾向があります。[5]

人間の消費

化学物質の種類と曝露リスクのある人口規模による飲料水の地域的および全国的な汚染

未処理水に含まれる可能性のある汚染物質には、ウイルス、原生動物、細菌などの微生物、塩分や金属などの無機汚染物質、工業プロセスや石油使用に起因する有機化学汚染物質、殺虫剤や除草剤、放射性汚染物質などがあります。水質は、地域の地質や生態系、そして下水の拡散、産業汚染、水域のヒートシンクとしての利用、過剰利用（水位低下につながる可能性があります）といった人間の利用状況に左右されます。[要出典]

米国環境保護庁（EPA）は、米国の公共水道システムから供給される水道水に含まれる特定の汚染物質の量を制限しています。安全飲料水法により、EPAは以下の2種類の基準を制定する権限を有しています。

  • 一次基準は、人間の健康に影響を与える可能性のある物質を規制する。[6] [7]
  • 二次基準は、味、匂い、外観に影響を与える美的品質を規定する。[8]

米国食品医薬品局（FDA）の規制では、ボトル入り飲料水に含まれる汚染物質の限度が定められています。[9]ボトル入り飲料水を含む飲料水には、少なくとも少量の汚染物質が含まれていることが合理的に予想されます。これらの汚染物質の存在は、必ずしもその水が健康リスクをもたらすことを意味するものではありません。

世界中の都市化地域では、水道水源（表層水または地下水）から汚染物質を除去するために、浄水技術が水道システムで利用されています。その後、家庭、企業、学校などの受給者に供給されます。河川、湖、帯水層から直接取水し、処理されていない水は、飲用に適した水質とは言えません。[3]

汚染された飲料水の負担は、代表性の低い脆弱な集団に不釣り合いなほど大きな影響を与えています。[10]清潔な飲料水供給サービスがないコミュニティは、コレラ、下痢、赤痢、A型肝炎、腸チフス、ポリオなど、水媒介性および汚染関連の病気にかかるリスクがあります。[11]これらのコミュニティは低所得地域にあることが多く、そこでは人間の廃水が十分な処理なしに近くの排水路や地表水路に排出されたり、農業用灌漑に使用されたりしています。

産業用および家庭用

溶解 イオンは、工業用および家庭用のさまざまな用途における水の適合性に影響を与える可能性があります。最も一般的な影響は、石鹸の洗浄作用を阻害し、給湯器やボイラーで硬い硫酸塩と柔らかい炭酸塩の沈殿物を形成する可能性があるカルシウム（Ca 2+）とマグネシウム（Mg 2+ ）の存在です。[12]これらのイオンを除去するために、硬水を軟水化する場合があります。軟化処理では、多くの場合、ナトリウム陽イオンが置換されます。[13]健康上の問題がカルシウム欠乏とナトリウム過剰に関連付けられているため、特定の集団にとっては硬水が軟水よりも好ましい場合があります。[14]一般的に、人々は推奨量を食物から摂取するため、水に追加のカルシウムとマグネシウムが必要かどうかは、問題となる集団によって異なります。[3] : 99、115、377 

環境水質

環境水質は周囲水質とも呼ばれ、湖、河川、海洋などの水域に関係する。[15]表層水の水質基準は、環境条件、生態系、人間の用途の違いにより大きく異なる。毒性物質や特定の微生物の大量増殖は、灌漑、水泳、釣り、ラフティング、ボート、産業用途など飲用以外の目的で使用する場合、健康被害をもたらす可能性がある。 [16]これらの条件は、飲料水や生息地として水を使用する野生生物にも影響を与える可能性がある。EPAによると、水質法は一般的に漁業やレクリエーション利用の保護を規定しており、最低限、現在の水質基準の維持を義務付けている。[17]場所によっては、望ましい水質条件には、高溶存酸素濃度、低クロロフィル a濃度、高透明度などがある。[18]

一般の人々の中には、水域を自然のままの状態、つまり産業革命以前の状態に戻したいという願望がある。[19]現在の環境法のほとんどは、水域の特定の用途の指定に焦点を当てている。一部の国では、これらの指定において、特定の種類の汚染が指定された用途に有害でない限り、ある程度の水質汚染が許容されている。多くの淡水域の流域における景観変化（土地開発、都市化、森林地帯の皆伐など）を考えると、自然のままの状態に戻すことは大きな課題となるだろう。このような場合、環境科学者は健全な生態系を維持するという目標の達成に焦点を当て、絶滅危惧種の個体群の保護や人間の健康の保護に注力する場合がある。

海水浴用の水質に関する規制や等級付けのシステムには、2013 年の英国海水浴水質規制、2006 年の欧州海水浴水質指令、国際的なブルー フラッグ ビーチスキームなどがあります。

サンプリングと測定

サンプル採取

ウィスコンシン州ニューフェーンのミルウォーキー川東支流沿いに設置された自動サンプリングステーション。24本ボトルを収容するオートサンプラー（中央）のカバーが部分的に開き、内部のサンプルボトルが見える。オートサンプラーは一定間隔で、または指定期間内の流量に比例してサンプルを採取する。データロガー（白いキャビネット）は、温度、比電気伝導度、溶存酸素濃度を記録する。

水質というテーマの複雑さは、水質指標の測定方法の多様性に反映されています。水質測定の中には、水が周囲の環境と平衡状態にあるため、現場で行うことが最も正確な測定が可能です。現場で、対象とする水源と直接接触して行われる一般的な測定には、温度、pH、溶存酸素、導電率、酸素還元電位（ORP）、濁度、セッキーディスク深度などがあります。

物理的または化学的な試験のための水のサンプリングは、必要な精度と汚染物質の特性に応じて、いくつかの方法で行うことができます。サンプリング方法には、例えば、単純ランダムサンプリング、層別サンプリング、系統的およびグリッドサンプリング、アダプティブクラスターサンプリング、グラブサンプリング、半連続モニタリングおよび連続、パッシブサンプリング、遠隔監視、リモートセンシング、バイオモニタリングなどがあります。パッシブサンプラーの使用は、サンプリング場所におけるコストとインフラの必要性を大幅に削減します。

多くの汚染事象は時間的に非常に限定されており、最も一般的には降雨事象に関連しています。そのため、「グラブ」サンプルでは汚染物質レベルを完全に定量化するには不十分な場合が多くあります。[20]この種のデータを収集する科学者は、一定時間間隔または排水間隔で水を徐々に採取する自動サンプラー装置を使用することが多いです。

より複雑な測定は多くの場合、実験室で行われ、水サンプルを収集、保存、輸送し、別の場所で分析する必要があります。

問題

水サンプル採取のプロセスでは、2 つの重大な問題が発生します。

  • 最初の問題は、サンプルがどの程度、対象とする水源を代表するものであるかという点です。水源は時間と場所によって変化します。対象とする測定値は、季節、昼夜、あるいは人間の活動や水生植物・動物の自然個体群に応じて変化する可能性があります。[21]対象とする測定値は、水域境界から上層の大気、下層または封じ込め土壌までの距離によって変化する可能性があります。サンプル採取者は、単一の時間と場所で調査の要件を満たすのか、それとも対象とする水利用を時間と場所をまたがるサンプルの平均値で十分に評価できるのか、あるいは重要な最大値と最小値を得るためには、複数の時間、場所、または事象にわたる個別の測定が必要なのかを判断する必要があります。サンプル採取手順では、平均化が適切な場合、個々のサンプル採取時間と場所の重み付けを正しく行う必要があります。[22] : 39–40 重要な最大値または最小値が存在する場合、観測された変動に統計的手法を適用し、それらの臨界値を超える確率を評価するのに十分なサンプル数を決定する必要があります。 [23]
  • 2 つ目の問題は、サンプルが水源から取り出され、新しい環境、つまりサンプル容器と化学平衡を確立し始めるときに発生します。サンプル容器は、測定対象物質との反応性が最小限である材料で作られている必要があります。サンプル容器を事前に洗浄することが重要です。水サンプルはサンプル容器の一部とその上の残留物を溶解する可能性があり、水サンプルに溶解した化学物質はサンプル容器に吸着して、分析のために水を注ぎ出した際にそこに残る可能性があります。[22] : 4 同様の物理的および化学的相互作用は、水サンプルをサンプル容器に移すために使用されるポンプ、配管、または中間装置でも発生する可能性があります。地表より深いところから採取された水は通常、大気圧の減圧状態に保たれるため、水に溶解したガスは容器の上部に集まります。水面上の大気ガスも水サンプルに溶解する可能性があります。水サンプルの温度が変化すると、他の化学反応平衡が変化する可能性があります。水の乱流によって浮遊していた微細な固体粒子が試料容器の底に沈降したり、生物の増殖や化学沈殿によって固相が形成されたりすることがあります。試料水中の微生物は、酸素、二酸化炭素、有機化合物の濃度を生化学的に変化させる可能性があります。二酸化炭素濃度の変化はpHを変化させ、対象化学物質の溶解度を変化させる可能性があります。これらの問題は、非常に低濃度でも影響があると想定される化学物質の測定において特に懸念されます。[21]
手動で採取した水サンプル（グラブサンプル）を分析用にろ過する

サンプル保存は、2番目の問題を部分的に解決できる可能性があります。一般的な方法としては、サンプルを冷蔵保存して化学反応と相変化の速度を遅らせ、できるだけ早くサンプルを分析する方法がありますが、これは変化を最小限に抑えるだけで、変化を防ぐことはできません。[22] : 43–45 サンプル採取と分析の間の遅延中にサンプル容器が及ぼす影響を判断するための有用な手順として、採取前に2つの人工サンプルを準備する方法があります。1つのサンプル容器には、前回の分析で対象化学物質が検出できないことが分かっている水を入れます。この「ブランク」サンプルは、対象サンプル採取時に開封して大気に曝露し、その後再封してサンプルと共に分析室に搬送し、サンプル採取または保管手順によって測定可能な量の対象化学物質が混入したかどうかを判断します。2つ目の人工サンプルは対象サンプルと共に採取しますが、採取時に測定された量の対象化学物質を「スパイク」します。ブランク（ネガティブコントロール）とスパイクサンプル（ポジティブコントロール）を対象サンプルと一緒に持ち歩き、同じ方法で同時に分析して、採取から分析までの経過時間中に増加または減少を示す変化を決定します。[24]

自然災害やその他の緊急事態に対応したテスト

ディープウォーター・ホライズン原油流出事故後のメキシコ湾の水質検査

地震や津波などの災害が発生すると、援助機関は直ちに救援活動を開始し、基本的なインフラの復旧や生存とその後の復興に必要な基本的な物資の提供に努めます。[25]多くの人々が密集し、劣悪な環境下で適切な衛生設備もないまま生活しているため、病気の脅威は大幅に増大します。[26]

自然災害発生後の水質検査に関しては、最善の対応策については様々な見解があり、様々な方法を採用することができます。緊急時に対応すべき主要な基本的な水質パラメータは、糞便汚染の細菌学的指標、遊離残留塩素、pH、濁度、そして場合によっては導電率／全溶解固形物です。除染方法は数多く存在します。[27] [28]

大規模な自然災害の後、水質が災害前の水準に戻るまでには相当の時間がかかることがあります。例えば、2004年のインド洋津波の後、コロンボに拠点を置く国際水管理研究所（IWMI）は塩水の影響を監視し、津波発生から1年半後に井戸の水質が津波前の飲料水水準に回復したと結論付けました。[29] IWMIは塩水汚染された井戸の浄化手順を開発し、これは後に世界保健機関（WHO）の緊急時ガイドラインの一部として正式に承認されました。[30]

化学分析

ガスクロマトグラフ
質量分析計は、農薬やその他の有機汚染物質を測定します。

化学分析の最も単純な方法は、化学元素をその形態に関係なく測定する方法です。たとえば、酸素の元素分析では、水サンプルの濃度は 890 g/L (グラム/リットル) と示されます。これは、酸素 (O) が水分子 (H 2 O) の 89% の質量を占めるためです。溶存酸素の測定に選択される方法は、二原子酸素と他の元素と結合した酸素を区別する必要があります。元素分析は比較的単純なため、大量のサンプル データと、重金属として特定されることもある元素の水質基準が生成されています。重金属の水質分析では、水サンプル中に浮遊する土壌粒子を考慮する必要があります。これらの浮遊土壌粒子には、測定可能な量の金属が含まれている可能性があります。粒子は水に溶解していませんが、水を飲む人が摂取する可能性があります。溶解した金属がサンプル容器に失われるのを防ぐために水サンプルに酸を加えると、浮遊土壌粒子からより多くの金属が溶解する可能性があります。ただし、酸を加える前に水サンプルから土壌粒子をろ過すると、溶解した金属がフィルターに失われる可能性があります。[31]類似した有機分子を区別することの複雑さはさらに困難である。

原子蛍光分光法は水銀やその他の重金属を測定するために使用されます。

これらの複雑な測定には費用がかかる場合があります。水質の直接測定には費用がかかる可能性があるため、通常は継続的なモニタリングプログラムが実施され、その結果は政府機関によって公表されます。しかしながら、一般的な評価を行うための地域ボランティアプログラムやリソースも利用可能です。[32]一般の人々が利用できるツールとしては、家庭用水槽で一般的に使用される現場検査キットや生物学的評価手順などがあります。

バイオセンサー

バイオセンサーは、「高感度、選択性、信頼性、簡便性、低コスト、リアルタイム応答」の可能性を秘めています。[33]例えば、バイオナノテクノロジストは、多様な水質汚染物質のレベルを検出できるROSALIND 2.0の開発を報告しました。[34] [35]

リアルタイム監視

水質は通常、実験室で採取・分析されますが、20世紀後半以降、自治体が供給する飲料水の水質に対する国民の関心が高まっています。多くの水道事業者は、水源の水質に関するリアルタイムデータを収集するシステムを開発しています。21世紀初頭には、pH、濁度、溶存酸素などのパラメータを測定するための様々なセンサーや遠隔監視システムが導入されています。[36]また、河川、河口、沿岸水域の環境水質を監視するためのリモートセンシングシステムも開発されています。[37] [38]

総溶解固形物を測定するには電気伝導率計を使用します。

以下は、状況カテゴリ別に測定されることが多い指標のリストです。

環境指標

物理的な指標

化学指示薬

生物学的指標

生物学的モニタリング指標は多くの場所で開発されており、淡水で広く用いられている指標の一つは、カゲロウ目、カワゲラ目、トビケラ目（EPT）昆虫（底生大型無 脊椎動物で、それぞれカゲロウ、カワゲラ、トビケラの一般名を持つ）の存在と生息数である。EPT指標は地域によって当然異なるが、一般的に、ある地域内ではこれらの目の分類群の数が多いほど、水質は良好である。EPAなどの米国の機関は、モニタリングプログラムの開発と、これらの目およびその他の水生昆虫目の特定に関するガイダンスを提供している。米国の多くの廃水排出者（工場、発電所、製油所、鉱山、都市下水処理場など）は、定期的な全排水毒性（WET）試験の実施が義務付けられている。[39] [40]

水質モニタリングに関心があるものの、実験室規模の分析を行う余裕や費用がない場合は、生物指標を用いて水質の概略を把握することもできます。一例として、アイオワ州のIOWATERボランティア水質モニタリングプログラムがあり、EPT指標キーが含まれています。[41]

二枚貝は、淡水および海洋環境の両方において、水生環境の健全性を監視するための生物指標として広く利用されています。二枚貝の個体群状態や構造、生理、行動、あるいは元素や化合物による汚染レベルは、生態系の汚染状況を示す指標となり得ます。二枚貝は固着性であるため、採取または設置された場所の環境を反映するため、特に有用です。代表的なプロジェクトとしては米国のムール貝監視プログラム[42]がありますが、現在では世界中で利用されています。

南部アフリカスコアリングシステム（SASS）法は、底生大型無脊椎動物（EPT）の存在に基づく生物学的水質モニタリングシステムです。SA​​SS水生生物モニタリングツールは過去30年間にわたり改良され、現在は第5版（SASS5）となっており、国際規格であるISO/IEC 17025プロトコルに準拠して特に改良されています。[43] SASS5法は、南アフリカ水資源省によって河川健全性評価の標準手法として採用されており、国家河川健全性プログラムと国家河川データベースに情報を提供しています。

気候変動の影響

気象およびそれに関連するショックは、水質に様々な形で影響を与える可能性があります。これらの影響は、地域の気候や状況によって異なります。[44]気象に関連するショックには、水不足、大雨、極端な気温上昇などがあります。これらは、大雨や洪水による浸食によって水道インフラに損害を与え、干ばつによる水源の喪失を引き起こし、水質の悪化につながる可能性があります。[44]

気候変動はいくつかの方法で水質を低下させる可能性がある：[45] : 582 

標準とレポート

基準の設定において、政府機関は水がどのように使用されるかに基づいて政治的および技術的/科学的な決定を下します。[54]自然の水体の場合、政府機関は手つかずの状態についてもある程度合理的な推定を行います。自然水体は地域の環境条件に応じて変化し、水の組成は周囲の地質学的特徴、堆積物、岩石の種類、地形、水文学、気候の影響を受けます。[55] 環境科学者と水質地球化学者は、地域の水質に影響を与えるパラメータと環境条件の解釈に取り組んでおり、これは汚染物質の発生源と運命の特定に役立ちます。環境弁護士と政策立案者は、特定された用途に対して水が適切な水質に維持されるように 法律を制定するために取り組んでいます。

水質に関するもう一つの一般的な認識は、水が汚染されているかどうかを示す単純な特性であるというものです。しかし実際には、水質は複雑な問題です。その理由の一つは、水が地域の生態系、地質、そして人間活動と本質的に結びついた複雑な媒体であるためです。工業活動や商業活動（製造業、鉱業、建設業、輸送業など）は、農業地域からの流出水、都市からの流出水、処理済み・未処理の下水の排出と同様に、水質汚染の主な原因となっています。[要出典]

国際的

  • 世界保健機関（WHO）は2017年に飲料水の水質に関するガイドライン（GDWQ）の最新版を発表しました。[3]
  • 国際標準化機構（ISO）は、 ICS 13.060のセクション[56]において、水質に関する規制を[いつ? ]発行しました。この規制は、水のサンプリング、飲料水、工業用水、下水、そして化学的、物理的、生物学的特性に関する水の検査を網羅しています。ICS 91.140.60は、給水システムの基準をカバーしています。[57]

環境水および飲料水に関する国家規格

欧州連合

欧州連合の水政策は、主に3つの指令に成文化されています。

インド

南アフリカ

南アフリカの水質ガイドラインは、1996年水質ガイドラインにおいて、潜在的な利用者の種類（例：家庭用、工業用）ごとに分類されています。[58]飲料水の水質は、南アフリカ国家規格（SANS）241飲料水規格に準拠しています。[59]

イギリス

イングランドとウェールズでは、飲料水供給の許容レベルは「2000年水道（水質）規制」に記載されている。[60]

アメリカ合衆国

アメリカ合衆国では、水質基準は、水域の用途（例：魚類の生息地、飲料水供給、レクリエーション利用）に基づき、州政府機関によって様々な水域ごとに定められています。[61]水質浄化法（CWA）は、各管轄区域（州、準州、および対象となる部族団体）に対し、管轄区域内の水質に関する2年ごとの報告書を提出することを義務付けています。これらの報告書は、それぞれのCWA条項にちなんで303(d)報告書および305(b)報告書と呼ばれ、EPAに提出され、承認されます。[62]これらの報告書は、管轄区域（通常は州環境機関）によって作成されます。EPAは、各州に対し、汚染された水域のリストと州内のすべての水域の状況を記載した単一の「統合報告書」を提出することを推奨しています。[63]議会に提出される国家水質目録報告書は、水質に関する一般的な報告書であり、河川や小川の長さ（マイル）とその全体的な状態に関する総合的な情報を提供します。[64] CWA（環境水質法）は、各州に対し、水域に指定する可能性のある指定用途ごとに基準を策定することを義務付けています。河川、河川、または湖沼が、指定用途の1つ以上における水質基準を満たしていないことが示唆または記録されている場合、当該水域は汚染水域リストに掲載されます。州が水域をこのリストに掲載した場合、当該水域の利用を阻害する汚染物質について、一日当たり最大負荷量（TMDL）を定める管理計画を策定する必要があります。これらのTMDLは、指定用途を完全に支援するために必要な削減量を規定します。[65]

公共水道に適用される飲料水基準は、安全飲料水法に基づいてEPAによって発行されます。[7]

参照

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  • 米国環境保護庁 – USEPAの水データとツール
  • 米国地質調査所 – USGSの国立水質評価プログラム

2018年3月24日アーカイブ-専門家協会