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科学／技術の総合化
小泉 健
【第5章】2. 水の科学／技術
わが国は山岳や渓谷に恵まれており、国土の67 ％を占める森林は豊かな水を湛え、 人々を潤してきました。しかし、水に豊かなわが国でも美味しい水の入手が困難になって きており、ミネラル・ウォーターの購入や輸入が増加しています。水が安全でただ同然で 手にはいる時代ではなくなってきているのです。 日本人にとって、水はあまりにも身近にあり、改めて科学の対象とすることは、時代遅 れと思われがちです。ところが、地球物理分野の地球システムモデリングにおける未知数 あるいは不確実量と考えられている諸項目の中で、水フラックスの予測は最も遅れている 事項の一つであると指摘されています。（The Unknown and the Uncertain in Earth System Modeling, C.L.Quere,EOS Vol.87, No.45, 2006）。この論文によれば、カーボンフラ ックスの予測モデルや気象予測モデルのほうが一歩も二歩も進んでいるといいます。 一方、私たちに身近な例で言えば、アルカリイオン水、マイナスイオン、などといった 「健康増進に寄与する」かのような概念が社会に撒き散らされていますが、これらの学術 的定義は何も明らかでないことは、すでに多くの指摘を受けているとおりです。さらに日 本国内における社会的事例をあげますと、洪水や水不足、異常気象に伴う集中豪雨、不法 投棄物による地下水汚染など、水と環境に関する実態を知れば知るほど問題が増加する傾 向にあると言わざるを得ません。ここで必要とされるのは、水と環境に関わる基礎科学で す。 農業や食糧生産の問題でも、水問題は未解決です。灌漑するとか、排水する技術は、農 業において最も発達した技術体系のひとつですが、その副産物である塩類集積、ウォータ ロギングなどの否定的影響の解決は、今なお世界の難問として立ちはだかっています。乾 燥地、半乾燥地において、塩類集積やウォーターロギングを起こさないような灌漑排水技 術を、一刻も早く確立すべき課題です。すでにこれらの問題を起こしている土地（オース トラリア、カザフスタン、中国、インドなどに見られる）の修復技術の研究も、必要に迫 られています。周知のように、科学技術基本計画の重点推進4 分野の1 つに環境問題が 挙げられています。この環境問題の研究を推進するに当り、生物多様性の保全や地球温暖 化対策を重視すべきことは明らかですが、上記で示したような水循環の科学、水の物性科 学、あるいは水と土の科学のように、水の基礎科学とでも呼ぶべき分野についても十分な 光を当て、これを推進する必要があると思います。 さらに、水は食糧と同様に生命維持には必要不可欠であることから、重要な研究分野で すが、今まではその分析手法が化学的な分析、ミネラルなどの成分分析、官能検査に限ら れており、身近な存在でありながら知見の少ない分野でした。これまで水質基準といった 衛生面、水質管理面や、水分活性と食品に関する知識の習得を求めるものが中心であった ことに加えて、研究者の実験条件が異なり研究者間で統一性を欠き、実験データに再現性 がなかったことがあげられます。コンクリートをつくるのに水が必須ですが、そのことは 誰でも知っています。そしてわれら生物の命を支えるのも水です。そうでありながら私た ちは、水について深く知っているかと問われれば、答えに窮するのではないでしょうか。 水土の知の総合化を図るには、もう一度原点に帰り、水の機能の研究を自然環境との関 わりの中で見つけていく必要があると思います。 ■まだまだわからない水の構造とメカニズム 水に機能性をもたせる処理法としては、①ある種のエネルギー場で水を処理する方法、 ②ミネラルを添加して水の構造を変化させる方法、③物理的な処理で物質を除去する方法 などが知られています。エネルギーの種類には、電場、磁場、遠赤外線、音波、圧力など があり、電場処理による食品加工原料の品質改善、磁気処理によるボイラー用水の赤水防 止、音波によるワイン発酵の促進などがあります。岩元睦夫氏は、各種のエネルギー場に 置かれた植物など生体の生長がその温度が変化しない程度の低いエネルギーレベルにもか かわらず影響を受けると考え、このエネルギーの働きを「微弱エネルギーが対象物に含ま れる水に作用し、そのことによって水の物性が変化し機能が生まれ、結果として生体反応 などが影響される1」という考え方を提案しています。 そもそも水分子は10-7 ～ 10-13/sec という速さで動いており、瞬間の姿を捕捉すること が難しいこと、水は常に体内で他の成分（タンパク質、核酸、脂質、ミネラルなど）と相 互に関わりあっているため、生体という複雑系中での水の動向と機能発現のメカニズムを 解明することは難しいことです。近年、わが国においても機能水について政府が関心を示 し研究が行われるようになってきていますが、水については不明な点が多く、作用につい ても未解明の部分がほとんどです。電解水に関しては、1997 年以降、強酸性電解水が手 指や内視鏡の洗浄消毒について認可されており、また、2002 年6 月から強酸性電解水が 微酸性電解水とともに食品添加物として認可されるなど利用が比較的進んでいるものの、 説明されている効果が十分解明されているとはいえません。 ①高温・高圧下における水の構造と物性 水の構造と物性の中で高温・高圧状態における水の構造と物性についてが十分解明され ていません。「複数種類の分子モデル」や「分極モデル」の開発が必要です。 ②水の平均的構造と動的構造 分子動力学法にもとづく水のモデルが必要であり、モデルにもとづくシミュレーション によって水の熱力学量と輸送係数の異常がどのように再現されるかを解明する必要があり ます。 ③交流電場を利用した新しい水溶液分析 様々な溶液における測定方法がありますが、電解質溶液の濃度の増大により水分子とイ オンの作る水和圏が拡がり、陰・陽イオンを骨格とした三次元高次構造が発生することが わかりつつあります。新たな水の構造変化の研究手段としての可能性があります。 ④水溶液に対する磁場効果 コロイド分散系、原子間力顕微鏡、蛍光プローブを用い、単純かつ精密に制御された実 験系において水溶液系への磁場効果、変動磁場と静磁場での水溶液への効果の違い、多孔 質粒子へのイオン吸着速度や多孔質膜中のイオン透過速度への磁場の影響に関して解明す る必要があります。 ⑤磁気処理水の物性変化のメカニズム 磁気処理水の基礎的研究から、攪拌磁気処理、静水磁気処理と蒸発速度の関係、蒸発速 度に対する磁場の強さの影響、溶存酸素の影響について解明を進め、磁気処理水の物性変 化のメカニズム、蒸発速度からみた磁気処理水の物理的特性などを解明する必要がありま す。 ⑥水の分析方法 X 線・中性子線回折測定、熱力学的測定、NMR スペクトル測定、中性子散乱測定、振 動分光測定、分子動力学法、分光法および表面張力測定法など様々な測定・シミュレーシ ョン手法によって得られる情報のタイムスケールと水の構造について整理し、水の分析方 法を確立する必要があります。 ⑦水とタンパク質の相互作用のメカニズム 疎水相互作用によって生成される疎水クラスターがタンパク質内にどのように形成され ているか、タンパク質の構造や機能がどのように疎水クラスターによって調節されるかに ついて解明が必要です。 ⑧エージング指標による水の評価 クラスターの大小および分布による水の評価方法について解明し、不安定水溶液が時間 にともない安定水溶液に変化するエージング（老化）現象からORP-pH を基に定量的に エージングを評価する指標［AI］を水の新たな評価方法として開発する必要性がありま す。 ⑨ファジィ理論とバイオセンサーによる水の評価 あいまいで微妙なものの評価においては、従来の重回帰分析よりもファジィ理論を適用 した評価方法の方がすぐれています。また水のミネラル分の量に対応して起こるアルコー ル醗酵を検出するバイオセンサーを活用し、これまでの表現しきれない水の微妙な差異を 識別できる手法を開発する必要があります。その場合、17O-NMR 化学シフト法による水 の液体構造の遷移を解明し、分子集合体である液体として水の構造設計の手法を開発する 必要があります。 ■わが国の水の利用研究に関する動向 農業や食品の分野においても古くから取り組みがあり、電解還元水は1960 年代には種 子の発芽・生育に応用した報告があります。電解水以外に磁化水、脱気水、遠赤外線処理 水、ミネラル水などが利用されてきています。1994 年には政府系の生物系特定産業技術 研究機構と民間8 社の協同出資によって(株)機能水研究所が設立され、また、1996 年に は民間企業グループにより電解機能水農業研究会が発足しています。 農林水産省でも機能水への関心が高まり、1994 年から3 年間、食品総合研究所を中心 として機能・特性の評価法の開発プロジェクト研究が実施されました。また、1996 年度 には構造改善局資源課が「水資源再評価研究会」を開催し、農業分野における機能水の活 用について報告書をまとめています。さらに、農産園芸局野菜振興課は施設園芸における 機能水の利用促進を図るため、1997 年度から5 年間、「新素材利用園芸栽培実用化技術の 開発」を(社)日本施設園芸協会に委託し、報告書がまとめられています。 なお、科学技術会議政策委員会が推進したナノテクノロジーの研究のなかでも、水の研 究が取り上げられており、「ナノテクノロジーの戦略的推進に関する懇談会報告書」 （2000 年12 月）の中の「ナノテクノロジー重要研究領域マップおよび課題例」に「水分 子ナノクラスターの化学反応」が示されています。また、農林水産省においても「生物機 能の革新的利用のためのナノテクノロジー・材料技術の開発」が2000 年度から開始され ており、水分子クラスターの動態評価と利用の研究が実施されています2。 ■機能に着目した水研究の現状 このような背景から食品や資材関係以外の研究側の機能水に対する関心も薄く、資材を 利用している農業現場と研究側や普及側との隔たりは大きいといえます。また、資材メー カー側も往々にして根拠のないセールストークをしてしまい、それを信用した農家が失敗 して2 度と手をださないという事例をよく耳にすることがあります。このような状況が 生じた一因には、例えば、電解水についていえば、①強酸性電解水を農作物のどの生育段 階でどう使用すればよいか、②どのような特性をもった電解水が農業分野に適しているか という点について研究がなされなかったことが原因であると考えられます。 近年、津野和宣助教授（宮崎大学農学部）のように植物病理の見地から強酸性電解水に ついて研究に取り組まれる方が現れたことは好ましいことです。津野助教授は強酸性電解 水が残留性に乏しく、人畜に被害が少ないことから、有効な資材であるとの認識に立った 上で、植物組織中への浸透性がないことから、殺菌剤の代用でなく植物体の表面を正常に 保つために予防的に利用することが原則であると説明されています。 機能水についてしばしば問題になるのは、宣伝される効果について対照実験が行われて いないことです。機能水の客観的な効果判定には殺菌力、植物の生長速度、鮮度保持とい った条件設定が比較的容易なものが考えられますが、鈴木教授はバイオアッセイ（生物検 定）として単細胞を評価に使えないかと考え、機能水素材の機能性評価にユーグレナ細胞 を用いた実験を行っています。 ■機能に着目した水研究の展望 自然降雨、灌漑用水など作物が生育するために必要な水についての研究と利用技術は、 これまでの量の管理から質の管理に移行すべき時期に来ていると考えられます。基本はあ くまでも自然の観察から生まれる循環、適応機能の解明から生まれる水の利用技術です。 具体的には、次のような展開が考えられます。 ①農業における電気分解水を用いた病虫害防除 強酸性電解水および強アルカリ性電解水などを用いた様々な農作物栽培における病虫害 防除技術の開発が望まれます。 ②電解水の青枯病菌に対する殺菌効果 NFT 水耕栽培における電解水使用の際、時間経過にともない循環される電解水に生じ る性質の変化に着目した電解水の持つ青枯病菌に対する高い殺菌効果を利用する技術の開 発が望まれます。 ③各種処理水の植物生育効果 音波、磁場、セラミックスなどが生み出す微弱エネルギーが水の質に変化をもたらすメ カニズムを解明し、各種処理水の活用し、作物の持つ水分を近赤外分光分析法で解析する ことでその生産地の判別も可能となる技術を開発することが望まれます。 ④稲作の収穫量に強電解水がもたらす効果による環境保全型農業への転換 強酸化水と強還元水の持つ特性と実用面での効果を解明し、強電解水の稲作における散 布方法、漢方薬との併用方法について開発する必要があります。強電解水の稲の育成、収 穫労力、収穫量における効果を考察し、強酸化水と強還元水の交互散布の活用が環境保全 型農業に最も近い農業技術であることを推進する必要があります。 ⑤生産からオゾン水の科学と食品産業への応用 灌漑用水という生産段階からの水質管理にとどまらず、オゾン水の瞬時殺菌効果、安全 性、利便性、脱臭・鮮度保持効果など食品加工分野まで活用できる一連の水活用技術の開 発が望まれます。また、鉄酸化物が磁気処理により凝集・沈殿し、赤水も防止されること から酸化還元反応によって除錆効果も期待できることを活用することが望まれます。 ⑥高周波還元水の科学と産業への展開 高周波還元水の持つ赤錆の除去と防止効果のメカニズムを活用する方法があります。さ らに原子力発電ボイラーにおけるスケール除去、灰のダイオキシン除去、レジオネラ菌抑 制、湖沼浄化などへの応用展開が期待できます。 ⑦新しい水の機能と可能性
―超臨界水による有機汚染物質分解への応用―
わが国における水の機能性への関心は医療や農業、食品産業での現場での利用に向けら れていました。しかしながら、欧米のように基礎的な研究をすすめなければ、飛躍は望め ません。分子科学の権威である長倉三郎博士3は低磁場の光化学反応に及ぼす影響を理論 的に明らかにされていますが、磁場と化学反応との関係について将来の興味あるテーマと して磁化水をあげており10、今後の研究が待たれるところです。 21 世紀のキーワードは環境と持続性である。資源消費型社会から循環型社会への転換 のためには、生物機能を高度に利用する産業（とくに自然循環型農業）への転換が重要で あると考え、そのための基幹技術として水の新たな機能に着目した活用方策の開発が重要 であると考えています。光合成の機能は「無機」と「有機」の世界を非熱的プロセスの下 で結合させることであり、水が太陽エネルギーの受容体として働き（水自体があたかも触 媒のように機能して）、「無機」と「有機」の結合に当たって結節点としての役割を果た していると考えています12。 今後、タンパク質、核酸、脂質、ミネラルなどの生体関連物質と水との関係が明らかに なり、さらに、水のクラスター構造と微弱エネルギーの作用機作が解明されれば、循環型 社会に大きな貢献がなされると期待され、それが総合化の大きな前進になると考えられま す。
小泉 健 H22.1.25
*1 岩元睦夫「機能水の過去・現在・未来」2003 年3 月18 日、「新しい水」についての講演会講演要旨 集、2 頁。 *2 山本和貴「農林水産省における「水の科学」への取り組み」農林水産技術ジャーナル25（8） 2002、7 頁。 *3 神奈川県科学技術アカデミー理事長、文化勲章受章者（1990 年）、電荷移動理論の新しい基礎概念 を提唱し、分子科学の新たな研究分野を開拓した。 |
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