水質

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、一般的に水の}処理を通じて達成されるコンプライアンスを評価するための一連の基準を参照して最も頻繁に使用されます。水質を監視および評価するために使用される最も一般的な基準は、生態系の健全性、人間との接触の安全性、水質汚染の程度、飲料水の状態を伝えます。水質は水の供給に大きな影響を与え、多くの場合、供給オプションを決定します。^[3]

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ついての認識が高まり、水質の保護と管理が強化されるようになりました。^[4]

水質と健康の関係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が増えていることまで、さまざま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]

水質のパラメータは、使用目的によって決まります。水質の分野での研究は、飲料水、工業用/家庭用、または（一般的には人間/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]

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、塩や金属などの無機汚染物質、工業プロセスや石油使用によ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、地元の地質や生態系、下水拡散、産業汚染、水域のヒートシンクとしての使用、過剰使用（水位を下げる可能性があります）などの人間の使用によって異なります。 ^[要出典]

米国環境保護庁^[6] （EPA）は、米国の公共水道システムによって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2種類の基準を発行する権限を与えられています。

• 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。^{[7] [8]}
• 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。^[9]

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制限が定められています。^[10]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予想されます。これらの汚染物質が存在するからといって、必ずしもその水が健康上のリスクをもたらすわけではありません。

世界中の都市化された地域では、水源（表層水または地下水）が家庭、企業、学校、その他の受給者に配給される前に、水質浄化技術が自治体の水道システムで使用されています。川、湖、帯水層から直接汲み上げられ、処理されていない水は、飲用適性の点で品質が不確かです。^[3]

汚染された飲料水の負担は、代表性の低い脆弱な人々に不釣り合いなほど影響を及ぼします。^{[11]こうした清潔な飲料水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。 ^[12]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。

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。これらのうち最もよく知られているのは、おそらくカルシウム(Ca ²⁺ ) とマグネシウム(Mg ^{2+ ) の存在です。これらは}石鹸の洗浄作用を妨げ、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ります。^[13]硬水を軟水化してこれらのイオンを除去する場合があります。軟水化プロセスでは、多くの場合、ナトリウム陽イオンが置き換えられます。^[14]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していることから、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。 ^[15]一般に、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、問題となっている集団によって異なります。^{[3] : 99、115、377}

環境水質は周囲水質とも呼ばれ、湖、川、海などの水域に関係します。^[16]表層水の水質基準は、環境条件、生態系、人間の用途によって大きく異なります。毒性物質や特定の微生物の大量発生は、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、健康被害を引き起こす可能性があります。 ^[17]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ります。EPAによると、水質法は一般的に漁業やレクリエーション用途の保護を規定しており、最低限、現在の水質基準を維持することを義務付けています。^[18]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、高透明度などがあります。^[19]

一般の人々の中には、水域を原始的、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。^[20]現在の環境法のほとんどは、水域の特定用途の指定に焦点を当てている。一部の国では、これらの指定では、特定の種類の汚染が指定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の変化（土地開発、都市化、森林地帯の皆伐など）を考えると、原始的な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を達成することに焦点を当て、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。

水質というテーマの複雑さは、水質指標の測定方法の多さに反映されています。水質の測定は、水が周囲と平衡状態にあるため、現場で行うのが最も正確です。現場で、問題の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、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、適応型クラスターサンプリング、グラブサンプル、半連続モニタリングおよび連続、パッシブサンプリング、リモート監視、リモートセンシング、および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を使用すると、サンプリング場所のコストとインフラストラクチャの必要性が大幅に削減されます。

多くの汚染事象は時間的に厳しく制限されており、最も一般的には雨天と関連しています。このため、「つかみ取り」サンプル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いです。^[21]この種のデータを収集する科学者は、時間間隔または排出間隔で水を増分して汲み出す自動サンプラー装置を使用することがよくあります。

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。

水の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、関心のある水源を代表するかということです。水源は時間と場所によって変わります。関心のある測定値は、季節によって、昼から夜、または人間の活動や水生植物や動物の自然個体群に応じて変化する可能性があります。^[22]関心のある測定値は、水境界から上空の大気や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。サンプラーは、単一の時間と場所で調査のニーズを満たすかどうか、または関心のある水の使用が時間と場所にわたるサンプルの平均値によって十分に評価できるかどうか、または重要な最大値と最小値には、さまざまな時間、場所、またはイベントにわたる個別の測定が必要かどうかを判断する必要があります。サンプル収集手順では、平均化が適切な場合は、個々のサンプル時間と場所の重み付けが正しく行われるようにする必要があります。^{[23] : 39–40}重要な最大値または最小値が存在する場合、統計的手法を観測された変動に適用して、それらの重要な値を超える可能性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。 ^[24]
• 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の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容器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、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。^{[23] : 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収集された水は通常、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。水より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サンプル容器の底に沈む場合や、生物の増殖や化学沈殿によって固相が形成される場合がある。水サンプル内の微生物は、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る。二酸化炭素濃度が変化すると、 pHが変化し、対象化学物質の溶解度が変化する可能性がある。これらの問題は、非常に低濃度でも影響があると考えられる化学物質を測定する際に特に懸念される。^[22]

サンプルの保存は、2 番目の問題を部分的に解決するかもしれません。一般的な手順は、サンプルを冷たく保って化学反応と相変化の速度を遅くし、できるだけ早くサンプルを分析することですが、これは変化を防ぐのではなく、変化を最小限に抑えるだけです。^{[23] : 43–45 サンプル}収集と分析の間の遅延中にサンプル容器の影響を判断するための便利な手順は、サンプリング イベントの前に 2 つの人工サンプルを準備することです。1 つのサンプル容器には、以前の分析で対象化学物質が検出されないことがわかっている水が入っています。このサンプルは「ブランク」と呼ばれ、対象サンプルが収集されたときに大気にさらされるように開かれ、その後再密封されてサンプルとともに研究室に運ばれ、サンプル収集または保持手順によって測定可能な量の対象化学物質が導入され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ともに収集されますが、収集時に測定された対象化学物質の追加量を「スパイク」します。ブランク（陰性対照）と添加サンプル（陽性対照）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判断します。^[25]

地震や津波などの災害が発生すると、援助機関は直ちに対応し、救援活動を開始して基本的なインフラを復旧し、生存とその後の復興に必要な基本的な物資を提供する。^{[26]多くの人々が密集して生活し、劣悪な環境下で適切な衛生設備もないことから、}病気の脅威は大幅に増大する。^[27]

自然災害後の水質検査に関しては、最善の行動方針について幅広い見解があり、さまざまな方法を採用することができます。緊急時に対処する必要がある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、遊離塩素残留、pH、濁度、および場合によっては導電率/総溶解固形物です。多くの除染方法があります。^{[28] [29]}

大規模な自然災害の後、水質が災害前のレベルに戻るまでには、かなり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レベルに回復したと結論付けました。^[30] IWMIは塩水で汚染された井戸を洗浄するためのプロトコルを開発し、これはその後、世界保健機関の緊急ガイドラインシリーズの一部として正式に承認されました。^[31]

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、水サンプルの濃度が 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がある元素の水質基準が得られています。重金属の水質分析では、水サンプルに浮遊する土壌粒子を考慮する必要があります。これらの浮遊する土壌粒子には、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追加すると、浮遊する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、酸を追加す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。^{[32]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す。

こうした複雑な測定には費用がかかる場合があります。水質を直接測定するには費用がかかるため、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開されます。ただし、一般的な評価には地元のボランティアプログラムやリソースが利用できます。^{[33]一般の人が利用できるツールには、家庭用の}水槽でよく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。

バイオセンサーは「高感度、選択性、信頼性、シンプルさ、低コスト、リアルタイム応答」の可能性を秘めている。^[34]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の開発を報告した。^{[35] [36]}

水質は通常、研究室でサンプルを採取して分析されますが、20世紀後半から、自治体の水道システムによって供給される飲料水の品質に対する一般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のデータを収集するシステムを開発しました。21世紀初頭には、水のpH、濁度、溶存酸素などのパラメータを測定するために、さまざまなセンサーと遠隔監視システムが導入されました。^[37]また、河川、河口、沿岸水域の周囲の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。^{[38] [39]}

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。

• アルカリ度
• 水の色
• pH
• 味と匂い（ジェオスミン、2-メチルイソボルネオール（MIB）など）
• 溶解した金属および塩（ナトリウム、塩化物、カリウム、カルシウム、マンガン、マグネシウム）
• 糞便性大腸菌（大腸菌）、クリプトスポリジウム、ジアルジア・ランブリアなどの微生物。細菌学的水質分析を参照。
• 溶解した金属および半金属（鉛、水銀、ヒ素など）
• 溶存有機物：有色溶存有機物（CDOM）、溶存有機炭素（DOC）
• ラドン
• 重金属
• 医薬品
• ホルモン類似体

生物学的モニタリングの測定基準は多くの場所で開発されており、淡水で広く使用されている測定基準の 1 つは、カゲロウ目、カワゲラ目、トビケラ目(EPT) の昆虫種の存在と存在量です (底生大型無 脊椎動物で、一般名はそれぞれカゲロウ、カワゲラ、トビケラです)。EPT 指標は当然地域によって異なりますが、一般的に、地域内ではこれらの目の分類群の数が多いほど、水質は良好です。EPA などの米国の組織は、モニタリング プログラムの開発と、これらの目や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ます。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) 検査を実施することが義務付けられています。^{[40] [41]}

水質のモニタリングに興味があるが、実験室規模の分析を行う余裕や管理ができない個人は、生物学的指標を使用して水質の一般的な測定値を取得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。^[42]

二枚貝は淡水と海洋の両方の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使用されています。二枚貝の個体群状態や構造、生理、行動、または元素や化合物による汚染レベルは、生態系の汚染状態を示すことができます。二枚貝は固着性であるため、サンプルを採取したり配置したりする環境を代表しているため、特に有用です。典型的なプロジェクトは米国のムール貝監視プログラムですが、^[43]今日では世界中で使用されています。

南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年間にわたって改良され、現在は国際基準、すなわちISO/IEC 17025プロトコルに従って特別に修正された第5版（SASS5）になっています。^[44] 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法として使用され、国の河川健全性プログラムと国の河川データベースに情報を提供しています。

基準の設定では、水がどのように使用されるかに基づいて、政府機関が政治的および技術的/科学的決定を行います。^{[55]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。 ^[56] 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を解釈するために取り組んでおり、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ことを目的として、 法律を定義するために取り組んでいます。

水質に関するもう 1 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。実際、水質は複雑な問題です。その理由の 1 つは、水が地域の生態系、地質、および人間活動に本質的に結びついた複雑な媒体であるためです。工業および商業活動 (製造、採鉱、建設、輸送など) は、農業地域からの流出、都市の流出、処理済みおよび未処理の下水の排出と同様に、水質汚染の主な原因です。^[要出典]

• 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）を更新しました。^[3]
• 国際標準化機構（ISO）は、水質に関する規制をICS 13.060のセクション^{[57]で[いつ? ]}発行しました。その規制は、水のサンプリング、飲料水、工業用水、下水、化学的、物理的、生物学的特性に関する水の検査にまで及びます。ICS 91.140.60は、給水システムの基準をカバーしています。^[58]

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。

• 1991年5月21日の都市廃水処理指令（91/271/EEC）（都市廃水および一部の産業廃水の排出に関するもの）
• 1998年11月3日の飲料水の水質に関する飲料水指令（98/83/EC）
• 水資源管理に関する2000年10月23日の「水枠組み指令（2000/60/EC）」 。

• インド医学研究評議会(ICMR) の飲料水基準。

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で潜在的な利用者タイプ（家庭用、工業用など）ごとに分類されています。^[59]飲料水の水質は、南アフリカ国家規格（SANS）241飲料水仕様に準拠しています。^[60]

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。^[61]

米国では、水質基準は、水域の望ましい用途（魚類の生息地、飲料水の供給、レクリエーション利用など）に基づいて、州政府機関によって様々な水域に対して定義されています。^[62]水質浄化法（CWA）では、各管轄区域（州、準州、対象部族団体）に対し、その地域の水質に関する2年ごとの報告書を提出するよう義務付けています。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。^[63]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、各州が、汚染された水域のリストと州内のすべての水域の状態を含む単一の「統合報告書」を提出することを推奨しています。^[64]議会への全国水質目録報告書は、水質に関する一般的な報告書であり、小川や川の長さとそれらの全体的な状態に関する全体的な情報を提供します。^[65] CWAは、州が水域に割り当てる可能性のある指定用途ごとに基準を採用することを義務付けています。小川、川、湖が指定用途の1つ以上で水質基準を満たしていないことを示す証拠や文書がある場合、その水域は汚染水域のリストに掲載されます。州が水域をこのリストに掲載すると、水域の使用を阻害する汚染物質の1日当たり最大総負荷量（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、指定用途を完全にサポートするために必要な削減量を定めます。^[66]

公共水道システム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。^[8]

• 世界淡水質データベース (GEMStat) – 国連環境計画
• 欧州連合における水政策
• 米国疾病予防管理センター (CDC) – 飲料水の水質と検査 (米国)
• 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 の国家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