水質汚染物質：種類、発生源、および実験室への影響

有機物

水中の有機分子の起源

水道水中に存在する溶解性有機分子は、主に生物由来である。例えばフミン酸、タンニン、リグナンは植物の分解過程で生じる副産物である。人工的な有機汚染物質も微量ながら水道水中に存在しうる。例えば農薬、PFAS、医薬品・化粧品成分の痕跡が飲用水で増加傾向にある。別の例として、水道管に使用されるPVCパイプからの可塑剤溶出が挙げられる。

実験室における有機イオンの影響

水は溶液や試薬の調製、標準液の希釈、多くのサンプル前処理法におけるブランクなどとして使用される。溶解性有機物は、ベースライン不安定化、感度・分解能の低下、ゴーストピークの発生、最終的にはカラム寿命の短縮を引き起こすことで、HPLC、UHPLC、LC-MSなどの技術に影響を与える可能性がある。細胞培養や分子生物学実験も、特定の有機分子によって影響を受けることがあり、これらはハイブリダイゼーション過程を妨害したり、内分泌かく乱物質として作用したりする可能性がある。

水からの有機物除去

逆浸透（RO）、活性炭、紫外線（UV）照射による光酸化など、いくつかの浄化技術で水から有機分子を除去できる。

水中の有機不純物は、総酸化性炭素（TOC、または全有機炭素）を測定することで監視されます。微量有機分析には、TOCが非常に低い（5 ppb以下）水が推奨されます。

水道水に一般的に存在する無機イオンは、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄などの陽イオンと、重炭酸塩、塩化物、硫酸塩などの陰イオンである。 

水中のイオンの起源

水道水に含まれるミネラル成分の多くは自然由来であり、水が接触した土壌や岩石に由来します。水源によって、水道水のミネラル塩組成は異なります。例えば、一部の地域では水が硬水とみなされ、これは主にカルシウムやマグネシウムなどの溶解ミネラルを多く含むことを意味します。硬水は配管や家電製品にスケール（水垢）を蓄積させ、ガラス製品に水垢の跡を残すことがあります。

実験室における無機イオンの影響

イオンの存在は、微量であっても、元素分析や無機分析に影響を与え、結果の不正確さや実験感度の低下を引き起こす可能性があります。イオンクロマトグラフィー、原子吸光分光法（AAS）、ICP-MSなどの技術では、イオン汚染のない水が必要です。さらに、イオンは触媒や酵素の補因子として作用することで、生化学的または有機的反応に影響を与える可能性があります（例：PCRにおけるマグネシウム）。

水からのイオン除去

逆浸透（RO）、イオン交換樹脂、電気脱イオン（EDI）など、複数の浄化技術で水からイオンを除去できます。

水中のイオン不純物は電気伝導度または比抵抗を測定することで監視される。比抵抗が18.2 MΩ・cmの場合、水はほぼイオンを含まない状態を示す。

細菌とその副産物

細菌は自然水、特に地表水に存在します。水系疾患の原因となる病原体は、通常、塩素消毒、オゾン処理、または紫外線消毒によって公共水道から除去されますが、水道水には依然として生きた微生物が含まれています。 

実験室における細菌とその代謝産物の影響

細菌は、エンドトキシン、ヌクレアーゼ、プロテアーゼ、アルカリホスファターゼなどの代謝産物を介して、あるいは直接的に実験室実験に様々な問題を引き起こす可能性があります。主に細胞培養、分子生物学、免疫検出実験への干渉が知られていますが、細菌の増殖はほぼ全ての実験器具に影響を及ぼします。

水からの除去

精製水中の細菌レベルを制御するには複数の技術が利用可能です。まず、0.22 µmスクリーンフィルターまたは限外ろ過による濾過で細菌を効率的に捕捉できます。さらに、紫外線照射による細菌の不活化も可能です。細菌の副産物（エンドトキシン、ヌクレアーゼ、プロテアーゼ、アルカリホスファターゼ）は細菌よりもはるかに微小なため、限外ろ過によってのみ除去できます。

粒子状物質およびコロイド

水中の粒子の起源

自然水には通常、軟質粒子（植物残渣など）や硬質粒子（砂、塵）に加え、コロイド（ケイ酸塩、コロイド状鉄またはアルミニウム酸化物、粘土）が含まれる。これらはまた、水が酸素に曝露された際に沈殿する鉱物（例：炭酸カルシウムや炭酸マグネシウム）に由来する場合もある。

実験室における粒子とコロイドの影響

浮遊粒子やコロイドは濁りを引き起こし、光線を利用するあらゆる手法（分光光度法など）に影響を及ぼす可能性があります。また、フィルターを詰まらせたり、機器の配管、カラム、容器内に堆積したりするため、頻繁な洗浄やメンテナンスが必要になる場合があります。 

粒子状物質やコロイドは装置の動作を妨げる可能性がある。例えば、粒子状物質はHPLCポンプやインジェクターを損傷させ、システムの背圧を上昇させる。また、微粒子・ナノ粒子、マイクロプラスチックなどの測定・分析を妨げることもある。

水からの除去

ほとんどの用途では、精製水から粒子を除去するには0.22 µmのろ過で十分です。特定の状況（ICP-MS分析の実施時や微粒子・ナノ粒子の分析時）では、追加ろ過が必要となる場合があります。このような状況では、特定のフィルター（0.1 µmまたは限外ろ過フィルター）の使用が推奨されることがあります。

溶解ガス

自然水に溶解している気体の大部分は周囲の空気から吸収される。温度や気圧の変化は気体の溶解に影響を与える。海面レベルの水はより高い圧力下にあるため、高地の水よりも多くの気体を含んでいる。

水道水には窒素、酸素、二酸化炭素などの溶解ガスが含まれる。例えば酸素は大気から吸収されるか、水生植物によって生成される。二酸化炭素は水生生物や有機物の微生物発酵によって生成される。アルゴン、窒素、メタン、硫化水素などの他のガスも存在するが、通常は微量レベルである。一部のガスは人間活動（農業や工業）によっても生成される。 

実験室における溶解ガスの影響

水中の酸素濃度は特定の生化学反応に影響を与える可能性があります。溶解ガスは気泡を形成し、粒子計数や分光光度測定などのプロセスに悪影響を及ぼすことがあります。また、細いチューブを詰まらせることもあります。 

水からの除去

卓上型水浄化システムに脱気装置が組み込まれることは稀であり、脱気が必要な場合、通常は使用直前に別途実施される。 

脱気装置がなくても、抵抗率18.2 MΩ・cmの新規精製超純水にはごく微量のCO₂しか含まれません。これはCO₂が水中で炭酸、炭酸塩、重炭酸塩と平衡状態にあるためであり（図1）、これらは脱イオン技術によって効率的に除去されるからです。ただし、超純水は放置すると空気中のCO_2を急速に吸収します。