分担研究報告書４
高分解能質量分析計を用いた 臭気原因物質の探索
研究代表者 秋葉 道宏
研究分担者 高梨 啓和
研究分担者 下ヶ橋雅樹
研究協力者 小倉 明生
研究協力者 北村 壽朗
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厚生労働科学研究費補助金 (健康安全・危機管理対策総合研究事業) 分担研究報告書
「大規模災害および気候変動に伴う利水障害に対応した環境調和型 水道システムの構築に関する研究」
研究課題：高分解能質量分析計を用いた臭気原因物質の探索
研究代表者 秋葉道宏 国立保健医療科学院 統括研究官
研究分担者 高梨啓和 鹿児島大学学術研究院理工学域工学系 准教授
研究分担者 下ヶ橋雅樹 国立保健医療科学院生活環境研究部 上席主任研究官 研究協力者 小倉明生 京都市上下水道局水質管理センター 担当課長補佐 研究協力者 北村壽朗 神奈川県企業庁水道水質センター 所長
研究要旨
水道水の異臭味障害の中で2番目の発生頻度となっている生ぐさ臭については、その臭気原 因物質が十分に明らかとなっているとは言い難い。このため、浄水場では、機器分析ではなく 官能試験によって水質管理が行われている。そこで本研究では、水道水生ぐさ臭の臭気原因物 質を同定することにより、現在の官能試験による水質管理に代えて、機器分析による水質管理 に道を開くことを目的とした。
臭気原因物質は、予想される物理化学的性質からGC/MSによる分析が適していると考えられ る。このため本年度は、昨年度までのLC/MSによる検討に代えて、におい嗅ぎシステムを装備 したGCに高分解能質量分析を接続したGC/MSによる検討を実施した。生ぐさ臭の原因生物で あるウログレナが発生した際に採取した水道原水と、ウログレナの培養液を分析した。両者は、
水源が異なる浄水場関連施設から採取した試料だが、共通する臭気成分が3成分発見された。
A. 研究目的
水道水の異臭味障害の中で2番目の発生頻度と なっている生ぐさ臭 1)については、原因物質とし て 1-heptanal 、 (2E,4E)-heptadienal 、 (2E,4Z)-heptadienal 、 (2E,4Z)-decadienal 、 (2E,4E,7Z)-decatrienal2)が指摘されている。しかし、
浄水場では、これらの物質からは生ぐさ臭とは異 なる臭気を感じるとの意見があり、他に原因物質 が存在する可能性がある。このように、十分な知 見が集積されていないことなどから、生ぐさ臭に ついては、水道法において、物質の濃度ではなく 臭気強度で項目化されている。生ぐさ臭の臭気原 因物質（以下、原因物質）が明らかになれば、詳 細な実態調査、物性値に基づいた効率的な浄水処 理技術の開発などに繋がる可能性があり、有益で ある。
以上のように、原因物質の同定は意義深いが、
環境中の微量有機物の同定には困難を伴う。未知 有機物の同定は、一般的に、フーリエ変換赤外分 光光度計（FTIR）による官能基推定、核磁気共鳴 装置（NMR）による構造解析、質量分析（MS）
による分子量測定などにより行われる。しかし、
FTIRやNMRでの測定を行うためには、夾雑物を 除去したサンプルが数百 µg 程度必要になる。揮 発性物質と考えられる原因物質を、精製した上で 数百µg程度得ることは困難と予想される。
そこで本研究では、近年の質量分析の進歩を活 用し、原因物質の構造を推定することとした。合 成などにより、推定された構造の物質を入手でき れば、原因物質の同定が可能である。
原因物質は、予想される物理化学的性質から、
GC/MSによる分析が適していると考えられる。し
かし、未知物質の構造推定には分子量関連イオン の 検 出 確 率 が 高 い ソ フ ト な イ オ ン 化 で あ る electrospray ionization (ESI)を備え、構造推定に有 効なlinear ion trapを備えた高分解能LC/MSが適 している。このため、LC/MSで被検物質（分析種）
を測定するに必要な誘導体化処理方法を一昨年 度検討し、これを確立した。さらに、昨年度は、
確立した方法を用いて、生ぐさ臭の原因生物であ る黄色鞭毛藻綱Uroglena americana（ウログレナ）
が発生した際に採取した水道原水を対象に分析
を行った。
関連施設か レナを培養 を行った。そ 臭気強度お 認められる 定した。
しかし、
響を受けて い。適度な ルを採取で 異なるアプ そこで本 い嗅ぎシス 析を接続し
B. 研究方法 １．試料水
京都市上 12 月 6 日か 水道原水試 の口いっぱ また、神奈 ログレナを に示す条件 の細胞数は 培養試料液 種していな て用いた。
２．試料水 水道原水 するために ナトリウム 拌した。そ ている原因 閉した容器 料液は、約 を添加して 60℃に加熱 リプロピレ 製マイクロ Merck Mill 行った。
また、これ から、生ぐさ 養した培養液 その結果、こ およびウログ 物質を1物
その相関関 ており、十分 な強度の生ぐ できない限り プローチが必 本年度は、そ ステムを装備 した GC/MS に
法 水
上下水道局蹴 から 12 月 25 試料水として ぱいまで行い 奈川県宮ヶ瀬 を、表 1 に示す 件で培養した は 14,000 個/
液として用い ない培地をコ
水の濃縮 水試料水中に に、試料水 3.
ム水溶液を 1 その後、ウロ 因物質を細胞 器内で 30 分間 約 1.75 M に て攪拌した後 熱した。室温 レン製ハウジ
ファイバー lipore, Germ
らとは水源が 臭の原因生物 液の提供を受
これらのサン グレナ細胞数
質発見し、そ
関係は外れ値 な信頼性を担 さ臭が発生
解決できな 要と考えた。
のアプローチ した GC に高 よる検討を行
蹴上浄水場取水 日までに採水 用いた。採水 い、速やかに
ダム放流水か す Ur-1 培地
。培養の結果 /mL となった
た。また、
コントロール
に存在する溶 7L に対して mL 添加し、
グレナの細胞 胞外に放出させ 間 60℃に加熱 なるよう亜硫
、密閉した容 温になるまで放 ジングのホウ
フィルター many）を用い
が異なる浄水 物であるウロ け、同様の分 ンプルに共通
数と相関関係 その分子式を
値（outlier）の 担保できてい した際のサン ない問題なの
。
チとして、に 高分解能質量 行った。
水池で、201 水した 3 検体 水は、ガロン に試験に供し
から採取した 地を用いて、表
果、ウログレ た。その培養液 ウログレナを ルサンプルと
溶存酸素を除 て 1.75 M 亜硫
、ゆっくりと 胞内に蓄積さ せるために、
熱した。培養 硫酸ナトリウ 容器内 30 分 放冷した後、
ウケイ酸ガラ
（Millex-AP いて加圧ろ過
60 項 温度 光強 明暗 培養 水場
ログ 分析 通し、
係が を推
の影 いな ンプ ので、
にお 量分
7 年 体を ン瓶 した。
たウ 表 2 レナ 液を を植 とし
除去 硫酸 と攪 され
、密 養試 ウム 分間
、ポ ラス P50、
過を
ろ の固 AC- 通水 料水 ー 純水 た。
ルを フラ 脱離 た、
一連 した 養液
３．
に 質量
（A にス ンス
（W ムの に示 れた に必 目 度 [℃]
強度 [µmol/(
暗条件 養期間
表２ Ur
ろ過された試 固相吸着カー -2、日本ウォ 水され（20 m 水中の原因物 トリッジは、
水を用いて洗 原因物質を を用いて原因 ラッシュで行 離の途中で、
コントロー 連の操作を実 た。水道原水 液は 222 倍と
GC-O-APCI におい嗅ぎシ 量分析を接続 Agilent Tec スニッフィン ス、東京）、 Waters, MA, の模式図を図 示す。図 1 に た臭気物質が 必要な時間と
条件 15 (m2 s)] 39
12時 201 表 1 Ur-1 培
Uroglena ame
試料水は、直 ートリッジ ォーターズ、
mL/min）、疎 物質を吸着し 使用前に、
洗浄・コンデ を吸着した後 因物質を脱離 行い、流速を 3 min の s ールサンプル
実施したブ 水試料水の濃 とした。
-TOFMS システムを装
続した GC/M hnology, CA ングポート O
APCI-TOFMS USA）をそ 図 1 に、APCI に示したよう がにおい嗅 と MS に到達
件
時間明/12時 16/7/1～201 培地の組成
ericanaの培
直列に連結さ
（Sep-Pak P 東京）にイ 疎水性相互作 した。なお、
アセトニト ディショニン 後、4 mL のア 離した。脱離 を 0.5 mL/mi oak time を ルに加え、純 ランクサン 濃縮倍率は 1
装備した GC MS は、GC A, USA）、に OP275L（ジー に Synapt それぞれ用い I のイオン化 うに、GC カラ
ぎポートに 達するのに必
時間暗 16/7/29 培養条件
された 2 種類 PS-2 および インラインで 作用により試 固相吸着カ トリおよび超 ングを実施し アセトニトリ 離は、バック in とした。
を設けた。ま 純水を用いて プルを調製 ,333 倍、培
に高分解能 部に 7890B におい嗅ぎ部 ーエルサイエ G2 Si HDMS いた。システ 化反応を図 2 ラムで分離さ 到達するの 必要な時間が 類 び で 試
超 し
て 製 培
能 B 部 エ S
2
の が
異なるため 2 に示した 介したイオ 試みた。
GC カラム ス、15 m×
いた。昇温
℃/min to 2 とした。そ
図 1
め、予め標準 たように、水 オン化を行え
ムには、Iner 0.53 mm）、
温プログラム 260℃ (1-23 その他の測定
GC-O-APCI-
図 2 APCI
表 3 GC/
物質を用いて 分子を介さな るので、両方
rtcap 5（ジー キャリアガ は、40 ℃ 3 min), 260 定条件を表 3
-TOFMS のシス
のイオン化
/MS の測定条
て補正した。
ないイオン化 方のイオン化
ーエルサイエ スには He を (0-1 min),
℃ (23-30 m に示す。
ステム模式図
化機構
条件
61
。図 化と 化を
エン を用
10 min)
図
C.
１．
水 ログ 析し
表 4
RT
水 感じ 臭気 着目 養液 類を び とが 現で なる てさ がす たに らは C F A I M P C S S S C A
7 8 1 1 1 1 1 1 1 RT
結果及び考 GC-O を用い 水道原水濃縮 グレナ培養液 した結果、表
4 におい嗅
：カラム保持
水道原水は、
じ取った臭気 気強度が最も 目した。水道 液の測定結果 を抽出すると
「牛乳」と表 が分かる。こ であるが、臭 ることがある さらに検討す する水道原水 においがする は検出されな
Carrier Gas flow Front Inlet Tem Aux. Temp.
Injection Volum MS Mode Polarity Corona Sampling Cone Source Offset Source Temp.
Cone Gas Flow Aux. Gas Flow
ウログレ 培養液
7.2 米
8.7 昆布だ 10.4
11.2
12.1 ベニヤ 13.7 植物葉 14.3
15.3
17.2 牛乳 (min)
察
いた臭気物質 縮サンプル（
液濃縮サンプ 表 4 に示す結
嗅ぎシステム
持時間
臭気強度が 気物質の数が も強かった水 道原水 1 の測 果を比較し、
と、測定者が 表現する臭気 これらの表現 臭気成分は濃 るため、これ することとし 水は、条件に るとの意見が なかったが
w 8.0 m
mp. 230
270
me 2 μL
Reso Posi 1.0 μ 40 80 150
w 230
200
レナ 液
水道原水 (TON 43
米 だし
アンモニア カレールー ヤ板
葉 植物葉
牛革 果物
乳 牛乳
臭 気
質の分離
（3 サンプル）
プル（1 サン 結果が得られ
ム付き GC での
が強くなるほ が多くなった 水道原水 1 の 測定結果とウ 両者で共通 が「米」、「植 気物質が共通 現は生ぐさ臭 濃度によって れらの臭気物 した。さらに によっては昆 があるため、
ウログレナ mL/min, (60.6
L
olution Mode itive Ion Mode μA
L/h L/h
水1 3)
水道原水2 (TON 23)
米
ア アンモニア ー カレールー ベニヤ板
牛革 牛乳 気 種 類
）、およびウ ンプル）を分 れた。
の分析結果
ほど測定者が た。このため の測定結果に ウログレナ培 通する臭気種 植物葉」およ 通しているこ 臭と異なる表 て感じ方が異 物質に着目し に、生ぐさ臭 昆布だしに似 水道原水か 培養液から cm/sec)
水道原水3 (TON 18)
米
ベニヤ板
果物
分
が め、
に 培 種
表 異 し 臭 似 か
検出された と表現され した。
２．GC-O-A
水道原水濃 ログレナ培 析した。得 の測定結果 質が検出さ できる明確
図3
（a：TON
図4 GC
（a：コ
た RT=8.7 min れる物質にも
APCI-TOFMS に
濃縮サンプル 培養液濃縮サ 得られた結果 果において、G
れた RT（補 確なピークが GC-O-APC N=43のサン
C-O-APCI-TO ントロールサ
n の臭気物質 も着目して検
による臭気成
ル（3 サンプ ンプル（1 サ 果を図 3、4 に GC-O を用いた 補正後の RT）
が認められな CI-TOFMS で ンプル、b：T
OFMS で分析 サンプル、b
質で、「昆布だ 検討すること
成分の検討
プル）、および サンプル）を に示す。すべ た検討で臭気
）に目視で確 ないことが分 分析した水道 TON=23のサ
気成分
したウログ b：培養液サ
62 だし」
とに
びウ を分 べて 気物 確認 分か
る。
した そ
（P を活
たブ 実施 158 葉」
の 146 道原水に含ま サンプル、c 分が検出され
レナ培養液に サンプル、矢
このため、
たが、明確な こ で 次 に 、 Progenesis Q 活用して、サ
ブランクサン 施した。その 8 個検出され と表現する RT）に一致 6.962 であっ まれる物質の c：TON=18
たRT）
に含まれる物 印は、GC-O
APCI のイオ なピークの検
LC/MS デ ー QI v2.2, Non サンプルの測
ンプルの測定 の結果、サン れた。その中 る臭気物質が 致する物質が
った。一方、
の基準ピーク のサンプル
物質の基準ピ Oで臭気成分
オン化の条件 検出には至ら
ー タ 統 合 解 nlinear Dyn 測定に先だっ
定結果との ンプルに特有 中には、測定 が検出された が存在し、そ
測定者が「
ククロマトグ ル、矢印は、G
ピーククロマ 分が検出され
件を再度検討 らなかった。
解 析 ソ フ ト amics, UK）
って測定され
差異解析を 有のピークが 定者が「植物 た RT（補正後 その m/z は
「昆布だし」、
グラム GC-Oで臭
マトグラム れたRT）
討
れ
を が 物 後 は
63
「米」および「牛乳」と表現する臭気物質が検出 された RT（補正後の RT）に一致する物質は検出 されなかった。
臭気物質の中でイオン化できなかった可能性 が高い物質が多く存在したため、それらの物質が どのような物質なのかを考察した。考察は、同技 術を用いてイオン化可能な物質を調べることに より行った。これは、どのような物質がイオン化 できないかの情報がほとんど得られないためで ある。すなわち、イオン化されやすい物質の部分 構造を推定することによって、本研究でイオン化 できなかった物質がそれらの構造を有していな い可能性があると考察した。
同技術で測定可能とされている 338 物質3)につ いて、部分構造を検討した。その際、1 物質につ いて、最大 5 個の部分構造が抽出された。検討の 結果、合計 1,033 個の部分構造が抽出された。そ の 1,033 個の主な部分構造を見ると、クロロベン ゼン、有機リン、アミドなどであり、酸素以外の ヘテロ元素を含む部分構造が大多数を占めた。ヘ テロ元素を含まないか、炭素と水素および酸素か ら成る部分構造は、シクロセキセン、エステル、
エーテル、ケトン、三級アルコールなどであった。
昨年度発見した、臭気強度およびウログレナ細胞 数と相関関係が認められる物質は、炭素と水素お よび酸素から成る物質であり、アルデヒド類と推 定された。検討されている338物質の中のアルデ ヒド類を探したところ1物質発見された。しかし、
その物質は、ホルミル基の他に、APCI でイオン 化されやすい三級アミン構造を有していた。この ため、同物質は三級アミン構造によりイオン化さ れると考えられる。すなわち、イオン化されやす い他の官能基を有さないアルデヒド類は、本研究 で用いたAPCIではイオン化されにくいと考えら れる。これらのことから、本研究で検出された臭 気物質の中でイオン化できなかった物質は、酸素 以外のヘテロ元素を有する可能性や、シクロセキ セン、エステル、エーテル、ケトン、三級アルコ ールなどの構造を有する可能性が低い物質と考
察される。
E. 結論
水道原水とウログレナ培養液に共通する臭気 成分を3成分発見した。しかし、本研究で用いた イオン化法では、それらのうちの2成分をイオン 化できなかった。イオン化できた1成分のm/zは 146.962 であった。
F. 健康危険情報 該当なし
G. 研究発表 1) 論文発表
該当なし
2) 学会発表
新福優太、高梨啓和、中島常憲、大木 章、下ヶ 橋雅樹、秋葉道宏、NPH 誘導体化アルデヒドを
LC/MS で測定する際の妨害物質の除去、第52回
日本水環境学会年会、1-J-11-4.
新福優太、高梨啓和、中島常憲、大木 章、下ヶ 橋雅樹、秋葉道宏、DNPH誘導体化における測定 妨害物質の除去を目的とした固相抽出の適用 、 第20回日本水環境学会シンポジウム、p.123.
新福優太、高梨啓和、中島常憲、大木 章、下ヶ 橋雅樹、秋葉道宏、高分解能質量分析計と多変量 解析による水道水生ぐさ臭原因物質の探索 、環 境科学会2017年会、1C-0930/P-18.
Yuta Shinfuku，Hirokazu TAKANASHI，Tsunenori Nakajima，Akira Ohki，Masaki Sagehashi and Michihiro Akiba, Exploring a Fishy-Smelling Substance in Raw Waters for Water Supply with High Resolution Mass Spectrometry and Multivariate Analysis，the Water and Environment Technology Conference 2017, Hokkaido, Hokkaido University, 3A-17.
Yuta Shinfuku，Hirokazu Takanashi，Tsunenori Nakajima，Akira Ohki，Masaki Sagehashi and Michihiro Akiba, Exploring a fishy-smelling
64 compound in raw waters with high resolution mass spectrometry and multivariate analysis, 26th Symposium on Environmental Chemistry, Shizuoka, 3E-06.
H. 知的財産権の出願・登録状況 (予定も含む。) 1) 特許取得
該当なし
2) 実用新案登録 該当なし
3) その他 該当なし
I. 謝辞
本研究を実施するにあたり、京都市上下水道局 水質管理センター水質第１課の職員より、試料水 採取などで協力を受けた。また、神奈川県企業庁 水道水質センターの職員より、Uroglena americana 培養液の提供およびその前処理への協力を受け た。ここに記して謝意を表す。
J. 参考文献
1) 秋葉道宏、岸田直裕、下ヶ橋雅樹（2014）厚 生労働科学研究費補助金 (健康安全・危機管 理対策総合研究事業)水道システムにおける 生物障害の実態把握とその低減対策に関す る研究 平成25年度総括・分担研究報告書.
2) Watson S.B., Satchwill T., Dixon E., McCauley E.
(2001) Under-ice blooms and source-water odour in a nutrient-poor reservoir: biological, ecological and applied perspectives, Freshwater Biology, 46, 1553-1567.
3) Laura Cherta, Tania Portolés, Joaquim Beltran, Elena Pitarch, Johannes G.J. Mol, Félix Hernández (2013) Application of gas chromatography – (triple quadrupole) mass spectrometry with atmospheric pressure chemical ionization for the determination of multiclass pesticides in fruits and vegetables, Journal of Chromatography A, 1314, 224-240.
