2018 Fiscal Year Annual Research Report
気候・地理的要因による水環境特性に基づく閉鎖性水域の水質改善技術のハイブリット化
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18H02300
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
原田 昌佳 九州大学, 農学研究院, 准教授 (80325000)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
平松 和昭 九州大学, 農学研究院, 教授 (10199094)
濱上 邦彦 岩手大学, 農学部, 准教授 (20571699)
尾崎 彰則 九州大学, 熱帯農学研究センター, 助教 (40535944)
田畑 俊範 九州大学, 農学研究院, 助教 (80764985)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 無酸素化解消 / 藻類制御 / 水環境修復 / 閉鎖性水域 / 水温成層 / 栄養塩 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，サブユニット①（水質改善技術の開発に資する現地観測），サブユニット②（水環境問題解決のための基礎的技術の開発），サブユニット③（数理モデルによる水質改善効果の解析），サブユニット④（水環境問題解決のための発展的な技術開発）を通じて有機汚濁・富栄養化に対する水環境のリスクヘッジを提案する．研究初年度の２０１８年度ではサブユニット①，②に基づいた研究を進め，下記の成果を得た．
まず，サブユニット①として，４つの水域を対象に水質劣化の発生要因を定量的に評価した．まず，亜寒帯地域の富栄養化が進行した親水公園を対象に，水理学的要因や栄養塩分布に着目して，短期的な藍藻類の挙動特性を定量化した．また，温帯地域の有機汚濁化が顕在化した貯水池を対象に，嫌気条件下にある水質の動態特性の定量化を目指した．また，同地域の過栄養状態にある貯水池を対象とした栄養塩や藻類の季節変化の特徴抽出を行った．さらに，熱帯地域の汽水性養殖池を対象に，熱塩対流による底層水高温化について，その発生，発達および解消に関わる気象条件と水環境条件を検討した．
また，サブユニット②として，水中ＬＥＤを利用した水質改善技術の確立に向けて，光スペクトル特性が水質改善効果に及ぼす影響を検討した．その結果，光合成に有効な赤色・青色波長光に黄色波長光を含むＬＥＤ光を照射することで，酸素生産速度が向上し，無酸素化解消のタイミングが早められるとともに良好なＤＯ環境を維持することが可能であった．とくに，光合成有効光量子量が小さい場合に黄色波長光の効果はより顕著に確認された．さらに，銅イオンの殺菌効果による藻類抑制技術に関する基礎的知見を得るために室内水質実験レベルで検討した．その結果，藻類量が中～富栄養レベルにある場合，約０．０２ｍｇ／Ｌの銅イオン濃度により高水温条件に対しても植物プランクトン増加の抑制が可能なことを示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
サブユニット①（水質改善技術の開発に資する現地観測）について，亜寒帯地域（岩手）の親水公園を対象に，水温成層の形成・消失が日サイクルで変動するような水域における藍藻類の挙動特性について，水理・水質的要因と関連付けた知見を得た．また，温帯地域（福岡）の強固な水温二成層が形成される有機汚濁水域での長期的な無酸素条件下にある水環境の動態特性および過栄養状態にある貯水池での藻類の増殖特性を定量的に評価した．さらに，熱帯地域（タイ）の汽水性養殖池を対象に，熱塩対流による底層水高温化の発生メカニズムに関する水環境学的知見を得た．以上のように，気候・地理的要因による閉鎖性水域の水環境特を把握することができた点でサブユニット①の達成度は極めて高いと判断できる．
サブユニット②（水環境問題解決のための基礎的技術の開発）で，次の３つの水環境修復技術の確立に向けた重要な成果を得た．１）水中ＬＥＤを利用した無酸素化の解消技術では，ＬＥＤ光の光スペクトル特性と関連づけてＤＯ環境の改善効果を定量的に評価できたで点で，２）銅イオンのもつ殺菌効果を利用した藻類抑制技術では，環境要因の影響を踏まえて，銅イオン濃度と藻類の増殖抑制効果の関係を経時的かつ定量的に評価できた点で，３）水面冷却を利用した貧酸素化と藻類増殖の制御技術の開発では，実験水槽を用いた可視化実験によりその効果を確認するとともに，水理・水質学的に解析可能なシミュレーションモデルを構築できた点で，サブユニット②の達成度は極めて高いと判断できる．
以上から，２０１８年度の研究成果によってサブユニット①，②の主要部分を達成できたといえる．この成果は，次年度以降のサブユニット③，④にフィードバックすることで，「気候・地理的要因による水環境特性に基づく閉鎖性水域の水質改善技術のハイブリット化」という本研究の目的を着実に達成できると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，「水質改善技術の開発に資する現地観測」については，２０１８年度で実施した気候・地理的な環境要因の異なる４つの貯水池を対象とした現地観測を継続し，次の水環境解析に資するデータの蓄積に努める．すなわち，亜寒帯地域の富栄養化水域における水温成層の形成・消滅の日サイクルと関連付けた藍藻類の挙動特性，温帯地域の有機汚濁水域における長期的な無酸素条化が水環境動態に及ぼす影響，および同地域の過栄養化水域の藻類増加に関わる水質・気象的要因の特徴抽出，さらに熱帯地域の汽水性養殖池を対象とした熱塩対流の影響下にある水質動態特性の定量化を目指す．
つぎに，「水環境問題解決のための基礎的技術の開発」については次の通りである．まず，富栄養化水域を対象とした銅イオンの殺菌効果を用いた藻類制御については，実水域への適用に向けた水環境修復技術の開発を目指した研究を進める．具体的には，植物プランクトンの増殖に対する環境要因の影響を踏まえて，銅イオンの添加濃度と藻類の増殖抑制効果の関係を経時的かつ定量的に評価することを目的とした水質実験を実施する．２０１９年度では，特に過栄養レベルで藻類が増殖しうる場合の改善効果に着目した実験を行う．
また，有機汚濁水域を対象に，水面冷却を利用した無酸素化解消と藻類増殖抑制を目指した水環境修復技術の有効性を検討する．２０１９年度では，強固な水温二成層が長期化するような水深の深い貯水池を想定し，水温躍層下の冷水を利用して人為的に水面を冷却することを提案する．とくに，水面冷却に伴う熱対流の促進による無酸素化の早期解消と表層の水温低下による藻類増殖の抑制の二つの効果について，水質実験と数値実験より定量的に評価する．さらに，２０１９年度以降では，「数理モデルによる水質改善効果の解析」として，水面冷却対流による物質輸送の移流効果を加味した鉛直一次元水理-水質モデルを構築する．
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