水生毒性学

水生毒性学は、細胞内から個々の生物、そして群集や生態系に至るまで、様々な組織レベルでの水生生物に対する、製造された化学物質やその他の人為的および天然の物質や活動の影響を研究する学問です。^{[1]水生毒性学は、}毒物学、水生生態学、水生化学を統合した学際的な分野です。^[1]

この研究分野には、淡水、海水、堆積物の環境が含まれます。一般的な試験には、24〜96時間（急性試験）から7日間以上（慢性試験）続く標準化された急性および慢性毒性試験が含まれます。これらの試験では、対照試験とともに、勾配内の各濃度で測定される生存、成長、生殖などのエンドポイントを測定します。^[2]通常、毒物に対する生態学的に関連する感受性と確立された文献の背景を持つ選択された生物を使用します。これらの生物は簡単に入手または研究室で培養することができ、取り扱いが簡単です。^[3]

毒物学の基礎研究は1800年代に複数の国で始まりましたが、急性毒性試験、特に魚類に対する毒性試験が確立されたのは1930年代頃になってからでした^{[4] 。有機塩素系殺虫剤}DDT [l,l,l-トリクロロ-2,2-ビス(p-クロロフェニル)エタン]が広く使用され、魚類の死につながることから、水生毒性学の分野が成長しました。当初は、有毒な環境から逃れられないカキやムール貝が主な研究対象でした。これらの研究の結果、最終的に、米国海洋大気庁(NOAA)のムール貝ウォッチプログラムなど、カキやムール貝の水生汚染物質の濃度を監視するプログラムが実施されるようになりました。^[5]その後20年間で、化学物質や廃棄物の非ヒト種への影響がより大きな問題となり、毒性試験技術の標準化に向けた取り組みが強化され、ピクルス瓶バイオアッセイの時代が始まりました。^[1]

米国では、1947年の連邦水質汚染防止法の成立が水質汚染防止に関する初の包括的法律^[6]となり、 1956年には連邦水質汚染防止法が制定されました^{[7]。 1962年には、}レイチェル・カーソンの『沈黙の春』の出版をきっかけに国民と政府の関心が再燃し、3年後の1965年には水質法が可決され、各州に水質基準の策定を指示しました^[1] 。国民の意識、科学界、政府の関心は1970年代を通じて高まり続け、70年代の終わりまでには研究が拡大し、危険性評価やリスク分析も含まれるようになりました^[1]。その後の数十年間で、水生毒性学は拡大と国際化を続け、現在では環境保護のための毒性試験が広く応用されています。

水生毒性学は、リスク評価が現場でより実践されるようになるにつれて、進化し続けています。汚染物質が海洋動物に与える影響と、魚やその他の海洋生物を食べる人間との関係が明らかになり、この分野は人気が高まっています。

水生毒性試験（アッセイ）：毒性試験は、毒物による水生生物への悪影響（有害）に関する定性的および定量的データを提供するために使用されます。毒性試験は、水生環境への損傷の可能性を評価するために使用でき、特定の毒物に関する状況に関連するリスクを評価するために使用できるデータベースを提供します。水生毒性試験は、フィールドまたは実験室で実行できます。フィールド実験は一般に複数の種の曝露を指しますが、単一の種を一定期間ケージに入れることもできます。実験室実験は一般に単一の種の曝露を指します。用量反応関係は、選択されたエンドポイントまたは影響の基準（つまり、生物に対する死亡またはその他の悪影響）での毒性効果を定量化するために、シグモイド曲線で最も一般的に使用されます。濃度はx軸、パーセント阻害または反応はy軸です。^[1]

効果の基準、または検査されるエンドポイントには、致死的および亜致死的効果が含まれる場合があります（毒性効果を参照）。^[1]

さまざまな試験種に対して実行できる毒性試験にはさまざまな種類があります。種によって化学物質に対する感受性は異なりますが、これは生物のアクセスしやすさ、代謝率、排泄率、遺伝的要因、食事要因、年齢、性別、健康、ストレス レベルの違いによるものと考えられます。一般的な標準試験種は、ファットヘッドミノー（Pimephales promelas）、ミジンコ類（Daphnia magna、D. pulex、D. pulicaria、Ceriodaphnia dubia）、ユスリカ（Chironomus tentans、C. riparius）、ニジマス（Oncorhynchus mykiss）、シープスヘッドミノー（Cyprinodon variegatu）^{[8] 、} ゼブラフィッシュ（Danio rerio）^{[9] 、} アミ類（Mysidopsis）、カキ（Crassotreas）、スカッド（Hyalalla Azteca）、グラスシュリンプ（Palaemonetes pugio）、ムール貝（Mytilus galloprovincialis）^{[10]である}。ASTMインターナショナルの定義によると、これらの種は、入手可能性、商業的、レクリエーション的、生態学的重要性、過去の成功した使用、規制上の使用に基づいて定期的に選択されます。^[1]

さまざまな標準化された試験方法が発表されています。方法を発表する最も広く受け入れられている機関には、アメリカ公衆衛生協会、米国環境保護庁（EPA）、ASTMインターナショナル、国際標準化機構、カナダ環境気候変動省、経済協力開発機構などがあります。標準化されたテストにより、研究室間で結果を比較することができます。^[1]

科学文献や規制当局で広く受け入れられている毒性試験には多くの種類があります。使用される試験の種類は多くの要因に依存します。試験を実施する特定の規制当局、利用可能なリソース、環境の物理的および化学的特性、毒物の種類、利用可能な試験種、実験室試験と現場試験、エンドポイントの選択、アッセイを実施するために利用できる時間とリソースは、試験設計に最も一般的に影響する要因の一部です。^[1]

暴露システムは、対照群と試験生物群を、処理済みおよび希釈された水または試験溶液にさらす 4 つの一般的な手法です。

• 静的。静的テストでは、生物を静水中にさらします。テストする正しい濃度を得るために、毒物が水に加えられます。コントロール生物とテスト生物はテスト溶液に入れられ、テスト中は水は交換されません。
• 再循環。再循環テストでは、静的テストと同様の方法で生物を毒物にさらしますが、テスト溶液は装置 (フィルターなど) にポンプで送られ、水質が維持されますが、水中の毒物濃度は低下しません。水は、通気された魚の水槽と同様に、テストチャンバー内を継続的に循環します。このタイプのテストは費用がかかり、フィルターやエアレーターが毒物に効果があるかどうかは不明です。
• 更新。更新テストも、静水中で行われるため、静的テストと同様に生物を毒物にさらします。ただし、更新テストでは、同じ毒物濃度の新しいテストチャンバーに生物を移すことによって、テスト溶液が定期的に（一定の間隔で）更新されます。
• フロースルー。フロースルー試験では、試験室に流入した毒素を試験室から排出することで、生物を毒素にさらします。^[11]フロースルーは、断続的または連続的に行うことができます。汚染物質の正しい濃度のストック溶液を事前に準備する必要があります。計量ポンプまたは希釈器が試験溶液の流量と量を制御し、水と汚染物質の適切な割合が混合されます。^[1]

急性試験は短期暴露試験（14日以下）^[12]であり、一般的には致死率をエンドポイントとして用いる。急性暴露では、生物は1回のイベントまたは短期間の複数回のイベントで高用量の毒物に接触し、毒物の吸収時間に応じて通常は即時効果を発揮する。これらの試験は一般的に生物のライフサイクルの特定の期間に生物に対して実施され、部分的ライフサイクル試験とみなされる。急性試験は、対照サンプルの死亡率が10%を超える場合有効ではない。ただし、この対照許容基準は種と試験期間に依存する。結果はEC50、つまりサンプルサイズの50%に影響を与える濃度で報告される。^[1]

慢性試験は、試験生物の寿命^[13] (寿命の 10% 以上)に相対する長期試験 (数週間、数か月、数年) であり、一般的には致死率以下のエンドポイントを使用します。慢性曝露では、生物は低用量の毒物に継続的に接触します。慢性曝露は急性曝露と同様の影響を誘発する可能性がありますが、ゆっくりと発現する影響をもたらすこともあります。慢性試験は、一般的に全ライフサイクル試験と見なされ、世代時間または生殖ライフサイクル (「卵から卵」) 全体をカバーします。慢性試験は、対照サンプルの死亡率が 20% を超える場合、有効とは見なされません。これらの結果は、一般的に NOEC (無影響レベル) および LOEC (最低影響レベル) で報告されています。ただし、エンドポイントは試験用に選択された濃度シリーズに依存するため、NOEC および LOEC は一般的ではなくなってきています。これらのレポートは、試験結果を変える可能性があるため、この分野で議論の対象になり始めています。たとえば、NOEC の濃度率が 100、50、25、11.25、6.25 で、毒性が 2% と報告されている場合、NOEC では濃度が 6.25 として報告されます。

初期ライフステージテストは、完全な生殖ライフサイクルよりも短い亜慢性曝露とみなされ、生物の初期の敏感なライフステージでの曝露が含まれます。これらの曝露は、臨界ライフステージ、胚幼生、または卵稚魚テストとも呼ばれます。初期ライフステージテストは、コントロールサンプルの死亡率が30％を超える場合、有効とはみなされません。^[1]

短期亜致死試験は、排水の水生生物に対する毒性を評価するために使用されます。これらの方法は EPA によって開発され、最も敏感なライフステージのみに焦点を当てています。これらの試験のエンドポイントには、成長、繁殖、生存の変化が含まれます。これらの試験では、NOEC、LOEC、EC50 が報告されます。

生物蓄積試験は、水生生物の脂肪組織に蓄積される可能性のある疎水性化学物質に使用できる毒性試験です。水への溶解度が低い毒性物質は、通常、脂肪組織に脂質含有量が多いため、脂肪組織に蓄積されます。生物体内にこれらの毒性物質が蓄積されると、毒性が蓄積される可能性があります。生物蓄積試験では、生物濃縮係数 (BCF) を使用して、生物体内の疎水性汚染物質の濃度を予測します。BCF は、試験生物の組織に蓄積された試験化学物質の平均濃度 (定常状態下) と水中で測定された平均濃度の比率です。

淡水試験と海水試験には、特に規制当局によって定められた異なる標準方法があります。しかし、これらの試験には通常、対照（陰性および/または陽性）、幾何希釈系列またはその他の適切な対数希釈系列、試験チャンバー、同数の反復、および試験生物が含まれます。正確な暴露時間と試験期間は、試験の種類（急性または慢性）と生物の種類によって異なります。温度、水質パラメータ、および光は、規制当局の要件と生物の種類によって異なります。^[1]

米国では、多くの廃水排出者（工場、発電所、製油所、鉱山、都市下水処理場など）は、水質浄化法に基づく国家汚染物質排出削減システム（NPDES）許可プログラムの下で、定期的な全排水毒性（WET）試験を実施することが義務付けられています。淡水に排出する施設の場合、排水を使用して、Ceriodaphnia dubia（ミジンコ）やPimephales promelas（ファットヘッドミノー）などを使用した静的急性多濃度毒性試験を実施します。試験生物は、静的条件下で、排水の5つの濃度に48時間さらされます。短期慢性排水毒性試験と急性排水毒性試験の主な違いは、短期慢性試験が7日間続き、急性試験が48時間続くことです。海水および河口域への排出の場合、試験対象種はシープスヘッドミノー（Cyprinodon variegatus）、インランドシルバーサイド（Menidia beryllina）、アメリカミシスバヒア、およびムラサキウニ（Strongylocentrotus purpuratus）である。^{[14] [15]}

ある時点で、人為的および自然的発生源から発生する化学物質のほとんどは堆積物に蓄積します。このため、堆積物の毒性は、水生生物、特に底生生物に見られる有害な生物学的影響において大きな役割を果たす可能性があります。堆積物の試験に推奨されるアプローチは、堆積物品質トライアド(SQT) を適用することです。これは、実験室または現場で使用できる堆積物の化学、毒性、現場の変化、生物蓄積、および生物学的利用能の評価を同時に調べるものです。SQT の拡張により、現在では「堆積物評価フレームワーク」と呼ばれることが多くなっています。堆積物の収集、取り扱い、および保管は生物学的利用能に影響を与える可能性があるため、この目的に適した標準的な方法が開発されています。^[1]

毒性は、直接毒性と間接毒性の 2 つの大きなカテゴリに分類できます。直接毒性は、毒性物質が生物の内部または表面の作用部位に作用することによって発生します。間接毒性は、物理的、化学的、または生物学的環境の変化によって発生します。

致死性は毒物学で最も一般的に使用される効果であり、急性毒性試験のエンドポイントとして使用されます。慢性毒性試験を実施する際には、亜致死性効果がエンドポイントとして検討されます。これらのエンドポイントには、行動、生理、生化学、組織学の変化が含まれます。^[1]

生物が 2 つ以上の毒物に同時にさらされると、さまざまな影響が生じます。これらの影響には、相加的影響、相乗的影響、増強的影響、拮抗的影響が含まれます。相加的影響は、複合効果が個々の影響の組み合わせまたは合計に等しい場合に発生します。相乗的影響は、複合効果が 2 つの個々の影響を合計したよりもはるかに大きい場合に発生します。増強は、個々の化学物質が毒物に追加されても影響がなく、組み合わせが毒物単独よりも大きな影響を与える場合に発生する影響です。最後に、拮抗的影響は、化学物質の組み合わせが個々の影響の合計よりも小さい影響をもたらす場合に発生します。^[1]

• ASTMインターナショナル（旧称：アメリカ材料試験協会）。140か国以上が参加するコンセンサスに基づく組織で、水生毒性試験の国際自主標準方法を開発し提供しています。^[16]
• 水と廃水の検査のための標準方法。アメリカ公衆衛生協会（APHA）、アメリカ水道協会（AWWA）、水環境連盟が共同で発行した水質分析技術の集大成。^[17]
• 「エコトックス」はEPAが管理するデータベースで、水生および陸生の両方の目的における単一化学物質の毒性情報を提供します。^[18]
• 環境毒性化学協会（SETAC）。環境ストレス要因、環境教育、環境政策における科学の活用についての理解を深めるための科学的研究を推進する非営利の世界的団体。^[19]
• EPAは水生毒性試験手順を概説したガイダンスマニュアルを発行している。^{[14] [15]}
• 経済協力開発機構（OECD）。世界中の人々の社会的、経済的福祉を向上させるための政策を推進するために政府が協力するフォーラム。これを達成する方法の1つは、水生毒性試験ガイドラインの開発です。^[20]
• カナダ環境・気候変動省。カナダの環境保護を主導する連邦機関。^[21]

• 半数致死濃度 ( LC50 ) – 生物群の 50% を殺すと予測される化学物質の濃度。
• 中間有効濃度 ( EC50 ) – 生物群の 50% に 1 つ以上の特定の効果があると予想される化学物質の濃度。
• 重要体内残留物(CBR) – 有害な生物学的反応に関連する暴露された生物の全身の化学物質濃度を定期的に検査するアプローチ。
• ベースライン毒性 –生物体内に毒素が存在することで生物活動が低下する麻酔状態を指します。
• 生物濃縮– 食物連鎖のいくつかの段階を通過するにつれて、生物の組織内の化学物質の濃度が増加するプロセス。
• 最低影響濃度 (LOEC) – 指定された暴露時間にわたって統計的に有意な影響を与える最低の試験濃度。
• 無影響濃度 (NOEC) – 指定された暴露時間にわたって対照と比較して影響が観察されない最高の試験濃度。
• 最大許容毒性濃度(MATC) – NOEC および LOEC を含む範囲内で特定の物質の最高の「無影響」濃度を表す推定値。
• 適用係数（AF）^[22] – 化学物質の経験的に導き出された「安全な」濃度。
• バイオモニタリング– 生物を継続的に使用して、時間の経過に伴う環境の変化を分析します。
• 排水– 通常はさまざまな化学毒性物質を含む液体の産業排出物。
• 定量的構造活性相関(QSAR) – 生物学的活性と有機化学物質の構造との関係をモデル化する方法。
• 作用機序– ある種の有害反応を表す一連の一般的な行動的または生理学的兆候。
• 作用機序 – 有害な生物学的反応の際に分子レベルで起こる詳細な事象。
• K _OW –オクタノール-水分配係数。水中の化学物質の濃度に対するオクタノールの濃度の比を表します。
• 生物濃縮係数(BCF) – 定常状態における生物の組織内の平均化学濃度と、生物がさらされる水中で測定された平均化学濃度の比。

すべての用語はRandから派生したものです。^[1]

米国では、水生毒性学はNPDES排水許可プログラムにおいて重要な役割を果たしている。ほとんどの排水排出者は既知の汚染物質の分析化学検査を実施しているが、排水全体の毒性検査は標準化されており、排出許可で特に規制されていない他の汚染物質の潜在的な有害影響を評価するためのツールとして日常的に行われている。^[14]

EPAの水質プログラムは、水生毒性試験から導き出された水質基準（個々の汚染物質について）と水質基準（水域について）を公表している。^{[23] [24]}

堆積物の品質ガイドラインは規制を目的としたものではないが、アメリカ海洋大気庁（NOAA）が開発した堆積物の品質をランク付けし比較する方法を提供している。 ^[25]これらの堆積物の品質ガイドラインは、NOAAのスクリーニングクイックリファレンステーブル（SQuiRT）にさまざまな化学物質についてまとめられている。^[26]