Development of new photochemical reaction model for predicting water quality transformation efficiency

本研究では水中における各種ラジカルの生成およびそれらと有機化合物・病原微生物の反応を記述するモデルを開発することを目的としている。2022年度は昨年度に構築した反応装置を活用して、1)水中におけるラジカル生成反応の定量、2)各種ラジカルの量子収率のモデル化、3)病原微生物不活化モデリング、4)光化学反応を再現するための湖沼水質モデルの開発を実施した。全国57の湖沼やダム貯水池から表層水を対象として基礎的水質および光学特性を測定し、その上で、一重項酸素と三重項溶存有機物の量子収率の定量を完了した。たとえば、ダム貯水池の一重項酸素の量子収率は平均で2.55×10-2、励起三重項溶存有機物の量子収率は平均で61.2 M-1であった。これらと水質特性との関係を定式化したところ、一重項酸素の量子収率は吸光特性や蛍光特性を示す指標と高い相関を示し、重回帰式やランダムフォレストモデルにより精度良く推測できることが示された。また、水中における病原微生物不活化モデリングとして、対象ウイルスをロタウイルスとして、水質パラメータを説明変数とした回帰モデルを構築した。その結果、正則化回帰モデルの適用により予測精度が向上することが見出された。さらに、光化学反応を明示的に計算する湖沼水質モデル（MyLake-Photo、鉛直一次元）を世界で始めて開発した。本モデルを用いた応答分析の結果、水温躍層と有機化学物質の分解速度や濃度の関係、また植物プランクトンの増殖と有機汚染物質の光分解プロセスの関係を定量的に示すことを可能とした。

本研究では水中における各種ラジカルの生成およびそれらと有機化合物・病原微生物の反応を記述するモデルを開発することを目的としている。2022年度は昨年度に構築した反応装置を活用して、1)水中におけるラジカル生成反応の定量、2)各種ラジカルの量子収率のモデル化、3)病原微生物不活化モデリング、4)光化学反応を再現するための湖沼水質モデルの開発を実施した。全国57の湖沼やダム貯水池から表層水を対象として基礎的水質および光学特性を測定し、その上で、一重項酸素と三重項溶存有機物の量子収率の定量を完了した。たとえば、ダム貯水池の一重項酸素の量子収率は平均で2.55×10-2、励起三重項溶存有機物の量子収率は平均で61.2 M-1であった。これらと水質特性との関係を定式化したところ、一重項酸素の量子収率は吸光特性や蛍光特性を示す指標と高い相関を示し、重回帰式やランダムフォレストモデルにより精度良く推測できることが示された。また、水中における病原微生物不活化モデリングとして、対象ウイルスをロタウイルスとして、水質パラメータを説明変数とした回帰モデルを構築した。その結果、正則化回帰モデルの適用により予測精度が向上することが見出された。さらに、光化学反応を明示的に計算する湖沼水質モデル（MyLake-Photo、鉛直一次元）を世界で始めて開発した。本モデルを用いた応答分析の結果、水温躍層と有機化学物質の分解速度や濃度の関係、また植物プランクトンの増殖と有機汚染物質の光分解プロセスの関係を定量的に示すことを可能とした。