「化学教育ジャーナル(CEJ)」第5巻第1号（通巻8号）発行2001年7月28日／採録番号5-15／2001年5月9日受理
URL = http://www.juen.ac.jp/scien/cssj/cejrnl.html

　水間武彦　東京都立小平南高等学校
tmf-take@mail.hinocatv.ne.jp

（１）はじめに

　私たちの住む地球は、その表面の約70％が水でおおわれている。広い宇宙空間の中で地球のみが表面に満々たる水や海水を保持している。地球上に水という物質は多くあるが、河川水はそのうちの0.0001％に過ぎないといわれている。この河川水は生物体が存在していく上で必要不可欠なものであり、今日のわれわれの生活そのものは河川水の恩恵の上に成り立つものである。水道の蛇口をひねるとあたりまえのように水が出てくるが、多くはこの河川の水を浄水場へ引き各家庭に分配したものである。もともと自然界の水は自浄作用を受けている。例えば、河川に汚染として少量の分解可能な有機物が混入したとしても、河川に生息する微生物の働きにより分解され、もとのきれいな状態に回復する。しかし、河川流域の都市開発により住宅や工場が建ち並び浄化されないままの汚水が河川の自浄能力を上回る量で投棄されるようになると、河川の汚染が目につくようになった。身近な河川を観察したときにほぼ間違いなく「汚染」という現実がそこに存在し、最近では世間でも頻繁に取り上げられるようになった。｢人間活動｣と「環境」という観点に立てば、「人間活動」の代償として「環境」の汚染があり両者のバランスが崩れている状態である。河川にどのような汚染があるかを把握し汚染源が何であるかを考察することは環境学習への取り組みの第一歩であると考えられる。 一般的に河川の汚染物質を定量する方法として、汚染の度合いを示す指標の一つであるＣＯＤについては、測定方法が簡便なパックテストという市販キットが用意されており比較的取り組みやすい。これはアルカリ水溶液中における過マンガン酸カリウムの酸化力を利用した測定法である。その他にパックテストによる水質調査ができる項目としては硝酸や亜硝酸、リン酸等の濃度を定量することも可能である。
　生徒は具体的な体験活動・実験として身近な河川の水を採取し前記の手法により水質検査を行うことができる。その結果を通して学習展開ができ、問題解決への見通しを持つことが可能である。これらの水質検査を実施することにより、汚染を実感し汚染をなくす方法を学ぶことができるものと思われる。

（２）指導計画　　（指導計画.PDF 28 KB）

　本研究は、現行学習指導要領での化学�氓`における単元「（１）自然界の物質とその変化」を指導することを目的として行った。下記の指導計画は、2単位で実践する場合の一例であり、3週(6時間)にわたり展開したものである。

		指導項目・内容	学習活動	留意点
１ 　 時 　 限	導入 15分	「環境問題における水質検査」 ・地球上の水の分布を認識さ 　せ人間の生活にかかわる水 　の割合を説明する。	・地球上の水の分布や人間の利用する水について理解し、汚染の実態について考える。	・具体的な数字を出し理解を深める。
	展開 30分	・試料の提供場所である「川 　口川」に関して紹介する。 ・パックテスト法を利用した 　操作方法の概略に関しての 　説明を行う。	・測定場所の雰囲気をつか 　む。 ・パックテスト法によりど 　のような汚染物質が調べ 　られるか学ぶ。	・パックテストを用意し実物を見せる。
	まとめ ５分	・次回実験｢河川の水の採取｣について予告する。	・採取方法を学び汚染源になりうるものについても考える。
２ 　 ・ 　 ３ 　 時 　 限	導入 10分	「実験：河川の水の採取」 ・川口川の流域環境に関して 　説明する。 ・安全管理を徹底する。	・川口川を試料提供地点として選んだ理由を理解し、試料採取する上での注意点を学ぶ。	・緊急時の連絡方法の確認
	展開 80分	・各班と連絡をとりながら、一つの班に付き添い、試料採取の方法や測定地点の印象を確認し適切なアドバイスを行う。	・各班ごとに測定地点へ向かい、河川水を採取しｐＨ・ＣＯＤ・亜硝酸・水温･流速等を測定し試料を持ち帰る。
	まとめ 10分	・五感を使った汚染状況や生き物の有無を確認しながらどの測定地点の汚染が大きいかを把握させる。	・採取後、実験室へ集合し黒板へ測定結果を班毎に板書し、水温や流速･五感を使った汚染度の確認結果について情報交換する。	・後で結果をプリントにまとめる。
４ 　 時 　 限	導入 10分	「実験：採取した河川水の水質検査」 ・試料の測定項目（ｐＨ・ア 　ンモニア・亜硝酸・ＣＯＤ 　・リン酸）毎に操作方法を 　解説し、注意点を確認す 　る。	・パックテストによる水質検査の概略を学び、メリットやデメリットを把握する。	・判定するまでの時間を項目毎にそろえる。
	展開 30分	・８地点の試料についてｐＨ・アンモニア・亜硝酸・ＣＯＤ・リン酸をパックテスト法により水質検査する。	・採水地点ごとに測定項目にしたがって試料の測定を行う。	・判定時間がそろうよう机間巡回を行う。
	まとめ 10分	・水が源流から下流部分へ流 　れる中で汚染がひどい部分 　を確認する。 ・水をきれいにする為に何が 　必要なことを考える。	・採水地点ごとに、各測定項目データを黒板に列記し、汚染の実態を認識した上で汚染源に関してディスカッションを行う。	・後で結果をプリントにまとめる。
５ 　 時 　 限	導入 10分	「実験：河川の自浄作用に関して」 ・前回の実験結果の取り扱い 　方ついて指導する。 ・河川の自浄作用とはどのよ 　うなものか、微生物による 　有機物の分解を通して解説 　する。	・前回実験結果をもう一度見直し、汚染の進行の度合いと汚染源となる人間活動について考え、相関関係を探る。	・測定データを用意する。
	展開 30分	・河川に存在する活性汚泥について実物を観察させて、どのような環境の時に有効に働くかを考える。	・活性汚泥はどのようにし 　てできるかを考える。 ・富栄養化とはどんなもの 　かを学ぶ。
	まとめ 10分	・窒素に着目したサイクルについて解説する。	・酸化還元反応が関わっていることを説明する。
６ 　 時 　 限	導入 10分	「河川の水質を汚染させるものは何か」 ・ヒトにおける水の役割をデ 　ータを示しながら解説す 　る。	・ヒトに関わる水のデータをまとめる。	・資料を用意する。
	展開 25分	・資料を参考に河川の水質が汚染されてしまったらどのようにして回復させることができるのかを考える。	・与えられた資料をもとに 　河川が汚染される具体的 　なケースを用紙に書き出 　す。 ・汚染を浄化するようなモ 　デルプラントを考え設計 　図を書いてみる。	・自由な発想を引き出す。
	まとめ 15分	・河川を汚染させない為に守 　らなければならないことは 　何かを教える。 ・身の回りの環境と調和する 　人類の活動に関して考えさ 　せる。	・今すぐできることについ 　てイメージし考えてみ 　る。 ・水質検査の継続性につい 　て学ぶ。

（３）授業実践と教材

1. 水質の検査
   
   　試料の採取した川口川は東京都八王子市とあきる野市の境に位置する今熊山のふもとを源流とし、主に川口地区を南下し八王子市中央部にて浅川と合流する河川である。浅川と合流するまでは他の河川の水が入ることなく、もしも汚染物の混入が自浄作用を下回る場合は合流部でもきれいな水が確認されるはずである。しかしながら、この川は八王子市北部の都市開発が進むとともに水質の状態も悪化の一途をたどってきた。どれくらいの水質汚染の実態があるのかを確かめさせるため、都立Ａ高等学校３年生に自分たちの学校の脇を流れる川をよく観察させ、川の水を採取し簡単な水質検査（水温や流速・ｐＨ・ＣＯＤ・亜硝酸）を実施した後、その試料を都立Ｂ高等学校へ送りさらに分析してもらうことにした。ここでは、採取した川口川の水の他に金魚を飼育している水槽の水や水道水の水質検査（ｐＨ・ＣＯＤ・亜硝酸性窒素・アンモニア性窒素・リン酸）を行った。水質の測定に関しては、市販のパックテストによる各種キットが手ごろで迅速に検査を行えることからこの方法により検査を行った。パックテストの操作方法に関しては以下の手順（図１参照）に従い測定した。
   
   測定地点の写真
   
   
2. 測定項目について
   
   （ア） ＢＯＤとＣＯＤ
   
   　湖沼や河川における有機物による水質汚濁の尺度となるものがＢＯＤ（生物化学的酸素要求量）やＣＯＤ（化学的酸素要求量）である。人間生活における様々な排出物は汚水処理をしない限り河川や湖沼に流れ込む現実がある。その排出物はそこに生活するプランクトン等にとっては栄養源となることもあり、こうした生物は水に溶けている酸素を消費しながら生存することができる。有機物の多さはプランクトン等の多さに相関し、これらが多い分、本来あるべき溶存酸素が不足していることになる。この不足している溶存酸素の量が汚染の度合いである。これを測定する方法がＣＯＤ並びにＢＯＤの測定である。
   　ＢＯＤを一口に言えば河川水または湖沼水に含まれる有機物（汚れ）をバクテリアが分解するために消費した酸素の量である。このＢＯＤは河川のような流水における汚染の度合いを測定するときに用いる。自治体などの環境調査の部署が行う河川水の調査においてはＢＯＤを用い汚染の度合いを調査するケースが多い。しかしながら、生徒実験によるＢＯＤを測定する簡便な方法がないのが現状である。
   　これに対しＣＯＤの場合、河川水中の有機物が酸化されるのに必要な試薬（過マンガン酸カリウム）の量を酸素の量に換算して表すものでありＢＯＤに比較して簡単に測定することができ、海域や湖沼水域で利用される単位である。ＣＯＤの値と水質の関係は以下のとおりである。
   COD値(mgO/l) 0:汚染のないきれいな水，　1以下:ヤマメやイワナのすむ渓流
   1〜2:雨水，　3以下:鮭や鮎がすめる，　5以下:鯉や鮒がすめる
   2〜10:河川の海に近い水質，　10以上:下水である
   
   （イ）窒素化合物
   
   　また、水質汚染の原因を考えたとき、それは人間を中心とした「生物体の活動」結果として排出された窒素化合物の比重が大きいといえる。
   　窒素は、「窒素・リン酸・カリ」といわれるように、植物の三大栄養素の１つである。水の中に窒素分が過剰になると富栄養化といわれる状態になり、植物プランクトンの異常発生を引き起こす。生物の死骸（タンパク質、アミノ酸、尿素などの窒素分）・人間や家畜などのし尿・生活排水・農薬・肥料などに含まれる窒素が水の中に排出されることで、窒素分は増加する。水の中に排出された窒素の化合物は、腐敗菌によって分解されてアンモニアになり、さらにアンモニアが酸化されて亜硝酸性窒素、さらに酸化されて硝酸性窒素になる。そこでこれらを総称して、窒素化合物とよんでいる。
   　水中での窒素の形の違いは、水中の酸素の量により変化する。酸素が多くとけ込んでいる水の中では、酸素と結びついて硝酸性イオンになっている割合が多く、酸素の少ない汚れた水では、還元によって有機態窒素やアンモニウムイオンの形になっている。従って、アンモニウムイオンや亜硝酸イオンを定量していくことにより汚染の推移を知ることができる。
   　水の中のアンモニアが酸化されたり、硝酸性窒素が還元されたりすると、亜硝酸になる。亜硝酸は、有機物の多い汚水に多く含まれている。この亜硝酸は酸化されて硝酸に、還元されてアンモニアに変化する大変不安定な状態の物質である。従って、湖沼や水槽において亜硝酸が硝酸に変化するときに水中の酸素が大量に消費され、水は酸欠状態になり、魚などは窒息死してしまうことになる。
   
   （ウ）リン化合物
   
   　リンは窒素と同様、水の富栄養化する植物の栄養素として知られているが、水の中ではリン酸イオン、あるいは水の中の有機物と結合して有機リンの形で存在する。リンの供給源は、自然界では動物や植物の死骸が分解してできるもの、人工的なものではリンが含まれている合成洗剤やボディーシャンプーなどの洗浄剤、台所などの生活排水、化学肥料や農薬によるもの、人間や家畜のし尿などがある。
   

（４）結果と考察　　（実験結果.PDF 16 KB）

　以上の見地から、今回の水質調査における測定項目をｐＨ・亜硝酸・アンモニア・ＣＯＤ・リン酸に絞り都立Ａ高等学校並びに都立Ｂ高等学校において水質検査を行った。測定結果は以下のようになった。なお、都立Ａ高等学校では実験時間の関係でアンモニアとリン酸の測定項目は実施しなかった。

　実験結果１　採水日2000.10.30(月)都立Ａ高校３年生/検査日2000.10.31(火)都立Ｂ高校１年生

1. 自浄作用について
   
   　本研究では、河川の汚れがどのようにして浄化されるかを探るため、下水処理にも用いられる活性汚泥に注目した。活性汚泥は擬似排水に空気を送ることにより羽毛状の固まり（フロック）が形成された。この活性汚泥を採取して、金魚を飼育する水槽に入れて水質の変化を観察したところ、富栄養化の進んでいる透明度の低い水は透明度がかなり高くなったことが観察された。
   
   
2. 考察
   
   　ＣＯＤやアンモニア・亜硝酸の値等の水質検査結果をみれば下流部へ向かうにつれて水質が劣化していることが分かった。特に「明治橋」付近の水質検査結果は悪く、採水にあたった生徒の意見においても「見た目に汚れている｡家庭排水がそのまま川に流れれば当然汚れる」ということであった。河川の自浄作用に関する再現実験では、河川の底などにある微生物が水中の有機物を分解して水質がきれいになることを観察することができた。
   

（５）　簡易ＣＯＤ測定法の取り組み

　市販されているパックテストのキットを毎回使用するにはかなりコストがかかることから、材料も入手しやすくさらに精度も十分対応できるものを検討した。
　ここでは、すでに実践されている実験方法があったのでそれを参考にして、都立Ｃ高校で実験を行った。
　実験に必要な試薬等は以下の通りである。

薬品
　ブドウ糖標準溶液（0,10,20,50,100,200mg/l）比色用に使用する。写真を撮る。
　1.6g/l　過マンガン酸カリウム水溶液
　6mol/l　水酸化ナトリウム水溶液
　計測する試料

器具
　試験管、試験管立て、三角フラスコ、点眼びん

操作

1. 三角フラスコ内で試料をあらかじめ希釈しておく。
   　 このとき、色やにおい等を観察しておく。
   
2. 試験管に５ｍｌ程度うつしとる。
   
3. 試験管に点眼びんに入った水酸化ナトリウム水溶液を５滴素早く加える。
   こぼさないようによく振っておく。
   
4. さらに点眼びんに入っている過マンガン酸カリウム水溶液を２滴加える。
   よく振り混ぜた後、５分間静かに放置する。
   
5. ５分後、ブドウ糖標準溶液の比色用の写真（図２）と比較する。
   あまり放置時間が長いと色の変化が進んでしまい、ＣＯＤの値がずれてしまう。
   

（６）おわりに

　本研究において、生徒は授業・実験を通して、身近に流れる河川水の水質を検査することにより水質汚濁の実態を知り周囲の自然環境にも興味・関心を持つことができた。人類を含めた生物が活動をすれば必ず汚染物質が発生し周囲の環境を汚染してしまうという現実も知らせることができた。本稿の「（１）はじめに」でも触れた河川や湖沼が本来持つ汚染に対する自浄作用は、実験室においても再現することができ浄化作用を目の当たりに見たので生徒のほうも満足できたようである。
　しかしながら、実際に流れる河川に実験で検証した浄化システムをフィードバックするまでには至らなかった。この点に関しては、この研究が学習指導要領「理科総合Ｂ」の「（４）人間の活動と地球環境の変化」の部分で取扱うこともできるので、さらに研究を継続していきたい。そして、定期的なサンプリングと水質検査を実施していくとともに河川水を浄化するシステム作りを模索していくことも必要である。
　おわりに、人類がこの地球上で生きていくために自分自身の回りの環境と協調・共存していく必要があり、その方法や具体的な方策にかかわる問題解決能力を育てるような授業を実践していきたい。

（７）　参考文献

1. 教育研究員研究報告書　平成１２年度　理科　　　　　　東京都教育委員会
   
2. だれでもできるやさしい水のしらべかた　　　河辺昌子　　　　　合同出版
   
3. おいしい水　安全な水　　　　　　　　　　　左巻健男　　　日本実業出版
   
4. 世界大百科事典
   

ＨＰ

1. 日本下水道施設業協会　活性汚泥動物園
   http://www.ias.biglobe.ne.jp/jsca/doubutu/menu.htm
   
2. 東京都水道局
   http://www.waterworks.metro.tokyo.jp/
   http://www.waterworks.metro.tokyo.jp/water-news/2000/n07-01.htm#setu
   
3. 東京都下水道局
   http://www.gesui.metro.tokyo.jp/
   
4. 東京都環境局
   http://www.kankyo.metro.tokyo.jp/
   

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