2022年大学入試共通テスト「生物基礎」第3問「生態系」問題・解答・解説（配点15点）
asakura
解説
A問１
現在は標高500mは「照葉樹林と夏緑樹林の境界」、標高1500ｍは「夏緑樹林と針葉樹林の境界」である。温暖化の影響で気温があがると、それぞれの境界の標高も高くなるため、標高500mは照葉樹林、標高1500ｍは夏緑樹林になる。よって
（3点）
（高山帯になる標高も高くなり、消滅する可能性もある。）
【参考】
問２
陰葉と陽葉の平均CO2吸収速度は以下である。
食害がなければ（食われた葉の面積が０ならば）、最も多くのCO2を吸収でき（CO2吸収速度が大きく）、食害が増えるとCO2吸収速度が減少していくはずなので、グラフは、
のいずれかである。
下線部（ｂ）「この幼虫は、日当たりの良い林冠につくられる陽葉よりも、日当たりの悪い下層につくられる陰葉から食い始める。」とある。
つまり、食害の初期では、CO2吸収速度が小さい陰葉を食べるので、CO2吸収全量の減少はゆるやかで、食害の後期にCO2吸収速度が大きい陽葉を食べ始めると減少が急になると考えられる。よって（3点）。
問３
食物連鎖は
・ブナ（生産者）→ブナアオ（一次消費者）（幼虫）→クロカタビロオサムシ（二次消費者）
・ブナ（生産者）→ブナアオ（一次消費者）（蛹）→サナギタケ（二次消費者（分解者））
となり、クロカタビロオサムシとサナギタケはともに二次消費者である。
なお、生物の遺体・排出物などの有機物が無機物に分解されていくことに関与する生物を分解者とも呼ぶので、サナギタケは「分解者」としても捉えられる。ただ、一次消費者を摂食すれば「二次消費者」なのか、一次消費者の遺体・排出物を無機物に分解することに関わる「分解者」なのかは、生態系全体をどうとらえるかで解釈が分かれるので、文脈によって「二次消費者」か「分解者」を柔軟に使い分けてよいと考えられている。従来、分解者に位置づけられてきた菌類は文脈によっては二次消費者と考えてもよい。本設問では「分解者」という選択肢はないので、サナギタケは「二次消費者」である。よって、
（3点）。
B問４
末尾の参考資料で船橋市を例に実例を詳しく紹介している。
基本点は、生活排水の中のアンモニウム塩（NH４＋）やリン酸を海に流れこむ前に除去するしくみが今の下水処理の基本で、原生動物などの働きで有機物だけを除去する活性汚泥法に加えて確立されてきた技術で「高度処理」という。
その基本は「硝化・脱窒方式」である。
酸素を送り込む好気槽で、アンモニウム塩（NH４＋）を硝化細菌（亜硝酸菌・硝酸菌）の働きで硝酸イオン（NO3－）に変化させる。本設問の解答選択肢における「無機窒素化合物の生成」である。（生物体から排出し、有機物にするわけではないので「同化」は不適切）
次に無酸素槽で、脱窒菌により硝酸イオン（NO3－）から窒素ガス（N2）を生成させ、下水処理場から空中に放出する。このN2は空気中のN2の一部となっていき、海に流れこまず富栄養化を防ぐことができる。本設問の解答選択肢における「脱窒」である。よって答は
（3点）
問5
森林土壌や植物体の有機物に含まれていた窒素化合物が分解されたものが雨水によって流出し河川水に流れ込み窒素濃度は増加する。植生が回復すると植生内の土壌や植物体に保持されるようになり、流れ込み量は減少してもとに戻る。よって答は
（3点）
【問４（下水処理場での微生物の働き） 関連資料】
下水処理場での微生物の働きの大切さを船橋市議会で質疑した内容です。あわせてご覧ください。
参考 2021年6月2日 朝倉幹晴、船橋市議会質疑（下水道）議事録
［朝倉幹晴議員登壇］
◆朝倉幹晴 議員 高等学校における三角関数の授業時数等の内容についてです。
三角関数を高校教育から削減するという発言をした日本維新の会の藤巻健太衆議院議員に対して、5月25日に衆議院議員事務所を訪れ、高校数学教育における三角関数削減発言の撤回、もしくは発言の具体的な説明、公開討論を求める要望書を提出いたしました。本日6月2日時点で回答は来ておりません。誠実な回答を求めるとともに、回答があったら文部科学省に見解を聞いた上で、船橋市に悪影響がないように船橋市教育委員会に見解をお伺いする予定でしたが、本日までに回答が来てませんので、回答が来次第、私の質問内容と併せて朝倉幹晴公式サイトに掲載いたしますので、ぜひ注視していただき、また来たら質問いたしますので、教育委員会としても注視していただければと思います。
● 日本維新の会、藤巻健太衆議院議員事務所に「高校数学教育における三角関数削減」発言の撤回、もしくは発言の具体的な説明、公開討論を求める要望書を提出次に、私たちの生活の暮らしと環境を支える下水処理場での生物学、化学技術について質問いたします。
私たちは、台所、風呂、トイレからの排水が一瞬にしてそれぞれの排水口に吸い込まれ、下水道に流れ、知らぬ間に処理されてる現代の生活を当たり前と思いがちです。本質疑を通じて、その当たり前に見えることの背景を時間が許す限りで明らかにできればと思います。
下水処理は、つい200年前は当たり前のことではありませんでした。多くの市民の苦闘と先駆者の政治的議論、技術開発によって積み上げられて、現在の姿があります。
特にイギリスの首都ロンドンでの苦闘が下水処理を切り開いてきました。その苦闘は、「不潔都市ロンドン ヴィクトリア朝の都市浄化大作戦」という本に克明に記されております。
ロンドンは、1801年～1901年の100年間で人口が100万人から600万人にと6倍に増えました。産業革命の中心で、世界の工場と呼ばれ、大英帝国の首都として発展する一方で、人口過密、貧富の格差、未処理の排泄物、テムズ川の汚染、コレラなど感染症の発生に苦しみました。
最初はし尿を下水道に流すことは禁止し、汚物だめにためていました。やがて水洗トイレが使われ出し、この汚物だめに接続する形で使われ出し、汚物だめがあふれる事態が発生すると、次に下水道に接続する。すると、テムズ川が汚れ、下水の排水溝と水道水の取水口が近かったことが問題となり、次に遮集管渠を造り出し、下流に流す。すると、今度は下流住民から苦情が出る中で、化学的浄化法を採用する。これらの改革に取り組んだのがチャドウィック、バザルジェットなどの先駆者たちであり、同じ衛生改革の流れで同時代のロンドンにいたのが、病院の衛生改革をしたのがフローレンス・ナイチンゲールです。
ご紹介した「不潔都市ロンドン」を読むと、衛生改革、健康福祉、下水道などの建設、貧困、経済格差への問題の取組、そしてその政策をどう取るかについての論争や社会的合意の経緯が記されており、現在の地方自治の議論につながる貴重な教訓が多々含まれています。
19世紀後半に微生物が汚泥を分解する働きをすることが分かり始め、1914年、ファウラー、そしてアーダンとロケットが返送汚泥を活用した活性汚泥法の下水処理を稼働させました。1922年、三河島で日本初の散水ろ床法による下水処理場が完成し、その後、日本の下水処理は活性汚泥法が主流となってきました。その後の技術改良も含めて、現在の船橋市の下水処理場もあります。
これから高瀬処理場のフローを基に質疑をさせていただきます。
その前に、船橋市内は5処理区に分けられ、下水処理がなされてます。市民の方の中には、自らの台所、風呂、トイレなどの排水がどのように処理してるかを知らない方もおられると思います。5処理区の状況と、今後目指す方向についてお示しください。
また、下水処理場は水質浄化のみならず、豪雨などのとき、都市水害をできるだけ減らす役目も持っています。豪雨時の対応についてお聞かせください。
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
本市の下水道全体計画では、市域の83％、7,110ヘクタールを計画区域とし、河川流域の地形形状により高瀬・西浦・津田沼・印旛・江戸川左岸の5処理区に分割し、下水を処理しています。
下水道の汚水整備につきましては、令和6年度末、市街化区域の概成を目指しています。
また、下水処理場における豪雨時の対応については、処理場の水処理施設で汚水を処理できる水量が決まっており、雨天時に処理能力を超える水量が流入した場合には、降雨初期の汚れた下水を降雨後に処理できるよう、雨天時汚水沈殿池という施設に流入させて一時貯留し、公共水域に下水がそのまま流れ出ない仕組みとなっております。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 これから高瀬処理区のフロー図を基に質問いたしますが、難しいと感じられる方もおられると思います。ただ、実は非常に分かりやすい動画が出ておりまして、「まるわかり 下水処理」と検索していただくと若者向けに下水処理場の働きを面白く解説した16分の動画が出てきます。
【16分動画】まるわかり 下水処理場の仕事（撮影、船橋市高瀬下水処理場）
市としても、これをもっと活用していただきたいと思いますが、それを見返した上で再び考えていただくと分かりやすいかと思います。
それで、まず第一にですが、100年前に最初に開発された活性汚泥法はゾウリムシやツリガネムシなど原生動物に有機物を分解させていく方法です。有機物の炭素骨格は分解できるわけですが、たんぱく質拡散濃度から遊離した窒素（N）やリン（P）は除去されません。海で窒素とリンが増加するとプランクトンの異常増殖による赤潮などを引き起こす可能性があることから、1980年代より窒素、リンの除去を試みられ、窒素、リンの除去を目的とした処理を高度処理といいます。高度処理には様々な方法がありますが、高瀬下水処理場では嫌気槽、無酸素槽、好気槽の3槽が順に並ぶA2O式と言われる嫌気無酸素好気法が使われてます。
まず、リンの除去は、真ん中の図ですが、第1槽の嫌気槽でポリリン酸蓄積細菌にリン酸を吐き出させ、第3槽の好気槽で放出したリン酸以上のリン酸を吸収させ、細菌の細胞内に蓄積・沈殿させることで行います。
次に、窒素の除去ですが、第1槽・第2槽を通過して第3槽に流れ込んだ排水中のアンモニウムイオンが第3槽にいる硝化細菌と総称される化学合成細菌──亜硝酸菌と硝酸菌によって硝酸に変化し、この硝酸を含む水を第2槽の無酸素槽に戻します。そうすると、この硝酸イオンが脱窒菌の働きで窒素ガスになり、空気中に放出され除去されます。
高度処理には様々な方法がありますが、高瀬でA2O方式を使ったのはなぜでしょうか。
そして、西浦では担体という細菌を休止化させる物体を槽の中に入れ込んだ担体法を使用したのはなぜでしょうか。
高瀬では3槽を経た処理水は汚泥が浮遊する形で最終沈殿池に流れ、汚泥の一部は沈殿します。しかし、その汚泥の中にはポリリン酸蓄積細菌や硝化細菌、脱窒菌たちが含まれており、このまま全て汚泥として処理するのはもったいないので、返送汚泥として反応槽に戻します。
返送比は幾つでしょうか。微生物の目安となるMLSS値はどのように調整し、これは雨水時あるいは季節などで調整・管理されてると考えてよろしいのでしょうか。
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
高瀬下水処理場での高度処理方法は、嫌気無酸素好気法、いわゆるA2O法を採用しており、微生物を活用した処理により経済的なことから採用したものです。
また、西浦では既存の小さい反応槽での処理量を大きく減らさずに窒素、リンが除去する必要があるため、担体法を採用し、高度処理化したものです。
また、汚泥の返送につきましては、反応槽のMLSS、これは活性汚泥浮遊物質と呼ばれるものを一定の濃度に保つために必要なことから行うものです。その返送比は水処理の方式や水量により変化させており、高瀬では現在30～40％に設定しています。
MLSS量の調整については、季節によって数値を変えており、高瀬ではおおむね夏場は1,800、冬場は2,200ミリグラムパーリットルで管理しています。雨水増加時につきましては、反応槽に入れる量を調整し、反応槽に影響がないよう管理しています。
管理方法は、汚泥の返送比率や余剰汚泥の引き抜き量を増減させ、MLSS濃度が一定になるよう管理しています。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 先ほど言った3槽の反応槽から最終沈殿池への流れの途中に凝集剤PACを添加する理由と、そのPACというのはポリ塩化アルミニウムですか、それを添加する理由と、その管理方法をお示しください。
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
下水に含まれているリンは、処理場の水処理の過程で汚泥として沈み、汚泥搬出とともに除去されます。微生物によりリンは除去されますが、ポリ塩化アルミニウムを使用することでリンをより沈殿しやすくさせ、除去効率を上げています。
管理としては、タンクに保管し、放流水に含まれるリンの数値に合わせて注入量を変更させています。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 最終沈殿池の上澄み浄水の一部は砂ろ過をされるわけです。砂ろ過の水の流れが図にあるように、実は下から上に向かう上向流を使っております。下向流という形式もあるんですけど、その上向流にしてる理由と、ろ過水の利用目的は何でしょうか。
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
砂ろ過装置について、上向きの流れのものを採用した理由は、空気により砂を下から上へと強制攪拌する機能により汚れが取れるとともに、砂を自動的に洗浄することができ、定期的に装置を止めて砂を洗う必要がないことから採用しています。
ろ過水は、処理場内で再生水として下水を処理する大型機械の自動洗浄、トイレの洗浄水、また植栽帯への散水にも使用しています。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 今回、4月から稼働した消化ガス発電は、図の左下にある生汚泥の中の有機物からメタンガスなどを発生させ、その燃焼による発電を東京電力に売電し、有機物を有効利用するとともに下水道維持に係る経費を少しでも回収しようとするものです。
配管や発電過程を阻害しないために、その前後でポリ硫酸第二鉄や高分子凝集剤の添加、そしてシロキサンの除去、硫化水素を除去する脱硫などが必要です。まず、ポリ硫酸第二鉄を添加する理由をお示しください。
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
ポリ硫酸第二鉄は配管に付着しやすく、配管閉塞の原因となるリン酸マグネシウムアンモニウム抑止を目的に使用しており、その他脱臭及び脱水性能の向上も期待されます。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 実は、議員の方も見学されたと思うんですけど、多くの方がタンクそのもの──消化ガス、消化槽そのものに注目されたと思うんですが、私はその脇にあった生物脱硫というものに非常に注目させていただきました。
この発電過程に悪影響を与える硫化水素を除去するための脱硫過程ですが、これまで実は主流は乾式脱硫という方法だったんですね。その脱硫過程に硫黄酸化細菌を使った生物脱硫過程が設けられました。
同時に、酸化鉄と硫化水素から硫化鉄などを作る乾式脱硫も併設されてます。この稼働比率はどうなってるでしょうか。
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
消化槽内で発生したメタンガスは、発電機のエンジンに悪影響を与える硫化水素を含んでいることから、脱硫装置という設備にて除去しています。通常は生物脱硫装置として運用しており、点検や故障時のバックアップに乾式脱硫装置を運用します。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 大きい丸い消化槽での消化ガス生成過程には、糖、アミノ酸からプロピオン酸、酪酸、乳酸などを作る酸生成過程と、それからメタンガスとCO2を作るメタン生成相があり、メタン生成古細菌群が働いております。ここで、メタンの燃焼で発電を行います。このCO2は発電の過程を阻害しないと考えてよろしいんでしょうか。確認です。（予定時間終了2分前の合図）
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
消化ガス発電の発電機は、メタンガスを燃料としてエンジンを動かし、その回転により発電機を動かしています。
高瀬の消化ガス発電では、下水汚泥は消化槽という槽内でメタン生成古細菌群によりメタンや二酸化炭素を発生させます。発電機のエンジンは、高瀬で生成されるメタンガスに合わせた調整をして動かしています。
また、二酸化炭素はエンジン内では何も作用がなく排出されるため、発電過程を阻害いたしません。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 農業肥料のように使うリンは、今その9割を中国などからの輸入に頼っております。
国土交通省は、2010年の3月に下水道におけるリン資源化の手引きを出し、少しでも自給率を高める方向を呼びかけております。高瀬、西浦などでも、船橋の処理場でもリン回収と活用を考えるべきと思いますが、いかがでしょうか。
その他、改良するべき技術等がありましたら、お答えください。
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
リンの回収につきましては、現在国内での取組事例が少なく、事業の実施等全国的な動向を注視してるところです。
技術改良といたしましては、老朽化した機器の更新時には、トップランナー機器があればそれを採用いたします。
今後につきましては、より一層の環境への配慮を含めた技術の動向について、国や他自治体の取組を研究してまいります。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 消化過程が加わった以上、この図は改訂すべきです。それに合わせて改訂すべきだと私が考える点を7点指摘させていただきます。
1つは、まず最初の沈砂池と最初沈殿池にばい菌のイメージの細菌が書いてあり、そして反応槽の中にも同様なものが書いてあるんですが、実は、細菌たちは、ほとんど下水処理場では私たちの生活に資する働きをしてるわけですね。もっと感謝すべき、もっと愛らしい細菌の姿にすべきです。
そして、次に有機物が含まれてることを明記すべき。
そして、水害対策の役割の機能強化。
そして、無酸素槽と好気槽の順序がおかしいという点。
そして、それから右のほうに行きますと、上向流のろ過であることを示すこと。
そして、全体的に生物の流れをもっと強化して書いてほしいと思います。
これらも含めて、改訂をどのように考えてるでしょうか。
［下水道部長登壇］◎下水道部長（植田昭二） お答えいたします。
高瀬下水処理場のパンフレットにつきましては、年内に消化ガス発電施設を加え、更新する予定です。
また、更新に当たりましては、議員からの提案を参考にさせていただき、検討してまいります。
以上です。
［朝倉幹晴議員登壇］◆朝倉幹晴 議員 細菌ということに対して、多くの人がばい菌的なイメージを持ってるんですが、私たちの腸内で働いて、私たちの健康を支えてる腸内細菌を含めて、下水処理場での細菌たちは私たちの生活を豊かにしてくれてます。もっと細菌たちに感謝すべきですし、それに合わせたイメージにすべきだと思います。
実は、最近、科学漫画でドクターストーンっていうのがあるんですが、ドクターストーンの中でストーンワールドという石、石化した社会の中でいかに科学技術で再び復活させていくのかというテーマがあって、これが結構人気になってるんですね。そういうことでありますから、この下水処理の中に様々な登場する生物たちや科学の流れを（予定時間終了の合図）子供たちに説明していただければと思います。
