バイオインジケーター

生物指標とは、その機能、個体数、または状態から環境の質的状態を明らかにすることができる種（指標種）または種のグループです。最も一般的な指標種は動物です。 ^[2]たとえば、多くの水域に生息するコペポーダ類やその他の小型水生甲殻類は、生態系内の問題を示唆する変化（生化学的、生理学的、または行動的）がないか監視することができます。生物指標は、物理化学試験ではわからない、生態系におけるさまざまな汚染物質の累積的な影響や、問題が存在していた期間について教えてくれます。^[3]

生物モニターまたはバイオモニターは、周囲の環境の質に関する定量的な情報を提供する生物です。 ^[4]したがって、優れたバイオモニターは汚染物質の存在を示し、曝露の量と強度に関する追加情報を提供するためにも使用できます。

生物学的指標は、耐性微生物株（バチルスやジオバチルスなど）を使用して環境の無菌性を評価するプロセスにも付けられた名前です。 ^{[5]生物学的指標は、}殺菌前に特定の環境に非常に耐性のある微生物を導入することと説明でき、殺菌プロセスの有効性を測定するためにテストが行​​われます。生物学的指標は耐性の高い微生物を使用するため、それらを不活性にする殺菌プロセスは、より一般的で弱い病原体も死滅させることになります。

生物指標とは、典型的な症状や測定可能な反応の発生によって汚染物質の存在を明らかにする生物または生物学的反応であり、したがってより定性的です。これらの生物（または生物群）は、生理学的、化学的、または行動的のいずれかの方法で変化することにより、環境の変化や環境汚染物質の量に関する情報を提供するために使用できます。この情報は、以下の研究を通じて推測できます。

1. 特定の元素または化合物の含有量
2. 形態学的または細胞構造
3. 代謝 生化学的プロセス
4. 行動
5. 人口構造。

生物モニターが人工の装置よりも重要で適切である理由は、種やシステムの状態を示す最良の指標はそれ自体であるという観察によって正当化される。^[6]生物指標は、多くの物理的または化学的測定では明らかにできない汚染物質の間接的な生物学的影響を明らかにすることができる。生物指標を通じて、科学者は環境をチェックするために、コミュニティ全体を監視するのではなく、単一の指標種のみを観察する必要がある。^[7]指標種の小さなセットは、複数の分類群の種の豊富さを予測するためにも使用できる。^[8]

バイオモニターの使用は生物学的モニタリングと呼ばれ、生物の特性を利用して生物圏の特定の側面に関する情報を取得します。大気汚染物質のバイオモニタリングは受動的または能動的に行うことができます。専門家は受動的方法を使用して、対象地域内で自然に生育する植物を観察します。能動的方法は、反応と遺伝子型がわかっている試験植物を研究地域に配置することで大気汚染物質の存在を検出するために使用されます。^{[引用が必要]}

バイオモニターの使用は生物学的モニタリングと呼ばれます。これは、生物の特定の特性を測定して、周囲の物理的および化学的環境に関する情報を取得することを指します。^[9]

生物蓄積性指標はバイオモニターとしてよく知られています。選択された生物とその用途に応じて、いくつかの種類の生物指標があります。^{[10] [11]}

ほとんどの場合、事前に決められた参照サイト内の生物条件のベースラインデータが収集されます。参照サイトは、外部からの撹乱（人為的撹乱、土地利用の変化、侵入種など）がほとんどないかまったくないという特徴を持つ必要があります。特定の指標種の生物条件は、参照サイトと研究地域の両方で時間の経過とともに測定されます。研究地域から収集されたデータは、参照サイトから収集された同様のデータと比較され、研究地域の相対的な環境の健全性または完全性を推測します。^[12]

一般的に生物指標の重要な限界は、地理的および環境的に多様な地域に適用した場合、不正確であると報告されていることです。^[13]そのため、生物指標を使用する研究者は、各指標セットが監視する予定の環境条件に関連していることを常に確認する必要があります。^[14]

生態系における特定の植物や他の植物の存在の有無は、環境の健全性、すなわち環境保全に関する重要な手がかりとなる。植物バイオモニターには、コケ類、地衣類、樹皮、樹皮ポケット、年輪、葉など、いくつかの種類がある。例えば、環境汚染物質は樹皮に吸収されて取り込まれ、それを分析することで周囲の環境における汚染物質の存在と濃度を知ることができる。^[15]特定の維管束植物の葉は、オゾンの存在下では特に組織損傷などの有害な影響を受けるため、汚染物質の検出に有用である。^{[16] [17]}これらの植物は、北半球の大西洋岸の島々、地中海沿岸、赤道アフリカ、エチオピア、インド洋沿岸、ヒマラヤ地域、南アジア、日本で豊富に観察されている。^[18]固有種が豊富なこれらの地域は特にオゾン汚染に対して脆弱であり、陸上生態系における環境の健全性の貴重な指標として特定の維管束植物種の重要性を強調しています。自然保護活動家は、このような植物の生物指標をツールとして使用し、環境への潜在的な変化や損害を確認することができます。

例えば、ロバリア・プルモナリアは、ブリティッシュコロンビア州東中央部の内陸部のスギ・ツガ林における林齢と大型地衣類の多様性を評価するための指標種として特定されており、生物指標としての生態学的重要性が強調されています。^[19]ロバリア・プルモナリアの豊度はこの多様性の増加と強く相関しており、無形文化遺産における林齢の指標となる可能性があることを示唆しています。^[19]別の地衣類種であるキサントリア・パリエティナは、重金属や有機化合物などの汚染物質を効果的に蓄積し、空気の質の信頼できる指標として機能します。研究によると、工業地域から収集されたキサントリア・パリエティナのサンプルは、緑が多く都市化の進んでいない環境のものと比較して、これらの汚染物質の濃度が著しく高いことが示されています。^[20]これは、環境の健全性を評価し、汚染レベルが高い地域を特定し、対象を絞った緩和活動や環境管理戦略を支援する上での地衣類の貴重な役割を強調しています。

菌類は世界中に存在し、環境によって顕著な変化を起こすため、生物指標としても有用である。^[21]

地衣類は菌類と藻類の両方を含む生物です。岩や木の幹に生息し、森林構造の変化（保全生物学）、空気の質、気候など、森林の環境変化に反応します。森林の地衣類の消失は、高濃度の二酸化硫黄、硫黄系汚染物質、窒素酸化物などの環境ストレスを示している可能性があります。水生システムにおける藻類種の構成と総バイオマスは、有機水質汚染や窒素やリンなどの栄養負荷の重要な指標となります。環境の毒性レベルに反応できる遺伝子組み換え生物も存在します。たとえば、土壌に毒素があると異なる色に成長する遺伝子組み換え草の一種です。^[22]

動物の個体数の増加または減少は、汚染の兆候となることがあります。^[23]たとえば、汚染によって植物が枯渇すると、その植物に依存する動物種の個体数は減少します。逆に、過剰個体数は、生態系内の他の種の喪失に反応して、種が日和見的に増加している可能性があります。一方、ストレスによって引き起こされる亜致死的影響は、個体群レベルで反応が発現して観察されるずっと前に、動物の生理、形態、および個体の行動に現れることがあります。 ^[24]このような亜致死的反応は、個体群が今後どのように反応するかを予測するための「早期警告信号」として非常に役立ちます。

汚染やその他のストレス要因は、動物の組織中の毒素の濃度、動物の個体群における奇形の発生率、野外または実験室での行動など、動物のいくつかの変数を測定することによって監視することができます。^[25]また、個々の生理機能の変化を評価することによっても監視できます。^[26]

両生類、特に無尾類（カエルやヒキガエル）は、汚染研究において汚染物質蓄積の生物指標としてますます利用されている。^[27]無尾類は皮膚や幼生鰓膜を通して毒性化学物質を吸収し、環境の変化に敏感である。^[28]汚染された食物を食べることで吸収、吸入、または摂取された農薬を解毒する能力が低い。^[28]このため、残留物、特に有機塩素系農薬が体内に蓄積する。^[28]また、毒性化学物質を容易に吸収できる透過性の皮膚を持っているため、両生類の個体数の減少を引き起こす可能性のある環境要因の影響を評価するためのモデル生物となっている。^[28]これらの要因により、無尾類は生息地の変化を追跡するための生物指標生物として、また人間の環境に対する需要増加による生態毒性研究に利用されている。^[29]

環境因子に関する知識と制御は、生態系の健全性を維持するために不可欠です。無尾類は、農薬の環境への影響の研究など、汚染研究における生物指標生物としてますます利用されています。^[要出典] 無尾類が生息する環境を研究するための環境評価は、その地域での個体数の分析、運動能力、異常な形態学的変化（奇形や発達異常）の評価によって行われます。^[要出典] 無尾類の減少と奇形は、紫外線や寄生虫への曝露の増加を示唆している可能性もあります。^[29]グリホサートなどの農薬の広範な使用は、これらの種が生息する水系への農薬の流出と人間の開発地への近さにより、カエルの個体群にライフサイクルを通じて有害な影響を与えることが示されている。^[30]

池で繁殖する無尾類は、陸上生活と水中生活の両方を含む複雑なライフサイクルを持つため、汚染に対して特に敏感である。^[27]胎児期における形態的および行動的変化は、化学物質への曝露に関連して最も頻繁に挙げられる影響である。^[31]曝露の影響により、体長が短くなり、体重が減少し、四肢や他の器官に奇形が生じる可能性がある。^[27]発達が遅く、形態変化が遅く、変態サイズが小さいため、死亡リスクが高まり、捕食にさらされるリスクが高まる。^[27]

ザリガニは、適切な条件下では適切な生物指標となるという仮説も立てられている。^[32]一例としては、アカザリガニ（Procambarus clarkii）の消化管におけるマイクロプラスチックの蓄積を調べることが、より広範なマイクロプラスチック汚染の生物指標として使用されている。^[33]

微生物は、水生または陸生 生態系の健全性の指標として使用できます。微生物は大量に見つかるため、他の生物よりもサンプルを採取しやすいです。一部の微生物は、カドミウムやベンゼンなどの汚染物質にさらされると、ストレスタンパク質と呼ばれる新しいタンパク質を生成します。これらのストレスタンパク質は、汚染レベルの変化を検出する早期警告システムとして使用できます。^{[引用が必要]}

石油とガスの微生物探査（MPOG）は、石油とガスの発生が見込まれる地域を特定するために使用できます。^[要出典]多くの場合、石油とガスは地表に向かって浸透することが知られています。これは、炭化水素貯留層が通常、浮力によって密閉圧力を克服して地表に向かって漏れているか、漏れているためです。これらの炭化水素は、地表近くの土壌で見つかった化学物質や微生物の発生を変えたり、直接拾ったりすることができます。MPOGに使用される技術には、DNA分析、炭化水素ベースの培地で土壌サンプルを培養した後の単純なバグカウント、または培養細胞での炭化水素ガスの消費を見ることが含まれます。^[34]

微細藻類は、他の多くの生物よりも汚染物質に対する感受性が高いことなど、いくつかの理由から近年注目を集めています。さらに、微細藻類は自然界に豊富に存在し、非常に多くの食物連鎖の不可欠な要素であり、培養や分析での使用が容易で、使用に際して倫理的問題がほとんどないという利点もあります。

ミドリムシは運動性があり、淡水に生息する光合成性鞭毛藻です。ミドリムシは酸性に比較的耐性がありますが、重金属や無機・有機化合物などの環境ストレスには迅速かつ敏感に反応します。典型的な反応は、運動の抑制と配向パラメータの変化です。さらに、この生物は取り扱いや栽培が非常に簡単なので、生態毒性評価に非常に有用なツールとなっています。この生物の非常に有用な特徴の 1 つは、汚染物質に非常に敏感な重力配向です。重力受容器は、重金属や有機・無機化合物などの汚染物質によって損傷を受けます。したがって、そのような物質の存在は、水柱内の細胞のランダムな動きと関連しています。短期試験では、 E. gracilisの重力配向は非常に敏感です。 ^{[35] [36]} Paramecium biaurelia ( Paramecium aureliaを参照) などの他の種も重力配向を使用します。 ^[37]

自動バイオアッセイは、汚染されている可能性のある水サンプルのさまざまな希釈度で鞭毛藻類の運動性を測定する装置でEuglena gracilisを使用して、 EC50 （生物の₅₀％に影響を与えるサンプル濃度）とG値（有意な毒性効果が測定されない最小希釈係数）を決定することが可能である。^{[38] [39]}

大型無脊椎動物は、水域^[40]および陸上生態系^{[41] [42]の}生態学的健康状態を示す有用かつ便利な指標である。大型無脊椎動物はほとんど常に存在し、採取や同定が容易である。これは主に、ほとんどの大型無脊椎動物が肉眼で確認でき、通常ライフサイクルが短く（多くの場合、1シーズンの長さ）、一般的に定着性であるという事実による。^[43]河川の種類や流れなどの既存の河川条件は大型無脊椎動物の集団に影響を与えるため、特定の河川の種類や特定の生態地域では、さまざまな方法と指標が適切となる。 [ ^43]底生大型無脊椎動物の中には、さまざまな種類の水質汚染に非常に耐性があるものもありますが、そうでないものもあります。特定の研究地域における個体群サイズと種の種類の変化は、河川の物理的および化学的状態を示しています。^[9]許容値は、水質汚染^[44]や熱帯林における人間の活動（選択伐採や山火事など）などの環境劣化を評価するために一般的に使用されています。^{[45] [46]}

底生大型無脊椎動物は、小川や川の底生帯に生息する。これらは、川の植生や川底に生息する水生昆虫、甲殻類、蠕虫、軟体動物で構成される。 ^[9]大型無脊椎動物は、世界で最も過酷な環境の一部を除いて、ほぼすべての小川や川で見られる。また、ほとんどあらゆる規模の小川や川で見られるが、短期間で干上がってしまうものだけは生息できない。^[47]川底が浅すぎて魚などの大型種が生息できない地域でも見られるため、多くの研究に有益である。^{[9]底生指標は、}淡水小川や川の生物学的成分を測定するためによく使用される。一般に、小川の生物学的機能が良好であると考えられる場合、小川の化学的および物理的成分も良好な状態にあると想定される。^[9]底生指標は、米国内で最も頻繁に使用される水質検査である。^[9]底生生物指標は河川や小川のストレス要因の起源を追跡するために使用すべきではないが、観測されたストレス要因に関連することが多い発生源の種類についての背景情報を提供することができる。^[48]

ヨーロッパでは、水枠組み指令（WFD）が2000年10月23日に発効しました。^[49]この指令では、すべてのEU加盟国に、すべての表層水と地下水が良好な状態であることを示すよう求めています。WFDは、加盟国に、特定の地下水カテゴリーについて、生物学的河川成分の健全性を推定するための監視システムの実装を求めています。この要件により、ヨーロッパでは河川の健康状態を確認するためにバイオメトリクスが適用されるケースが増えました。[ ^13]遠隔オンラインバイオモニタリングシステムは2006年に設計されました。これは二枚貝と、現場の遠隔インテリジェントデバイス（現場での人間の介入なしに1年以上動作可能）と、データから得られたウェブ情報を取得、処理、配信するように設計されたデータセンター間のリアルタイムデータ交換に基づいています。この技術は、二枚貝の行動、特に殻を開く活動を水質の変化に関連付けます。この技術は、フランス、スペイン、ノルウェー、ロシア、スヴァールバル諸島（ニーオーレスン）、ニューカレドニアなど、さまざまな国で沿岸水質の評価に効果的に使用されています。 ^[25]

米国では、環境保護庁（EPA）が1999年に水質評価のための大型無脊椎動物、付着生物、魚類の測定に基づいた迅速生物評価プロトコルを発表しました。^{[1] [50] [51]}

南アフリカでは、南アフリカスコアリングシステム（SASS）法が底生大型無脊椎動物に基づいており、南アフリカの河川の水質評価に使用されています。SASS水生生物モニタリングツールは過去30年間にわたって改良され、現在はISO/IEC 17025プロトコルに準拠した第5版（SASS5）になっています。^[43] SASS5法は南アフリカ水資源省によって河川健康評価の標準方法として使用されており、国の河川健康プログラムと国の河川データベースに情報を提供しています。^[要出典]

イヌホシガイのインポセックス現象は、メスのペニスの異常な発達を引き起こすが、不妊症を引き起こすことはない。このため、この種はマレーシアの港湾における有機人工スズ化合物による汚染の良い指標であると示唆されている。^[52]

Herek, JS, Vargas, L., Trindade, SAR, Rutkoski, CF, Macagnan, N., Hartmann, PA, & Hartmann, MT (2020)。グリホサートの環境濃度は両生類の生存率に影響を及ぼし、奇形を引き起こすか？グリホサート系除草剤によるPhysalaemus cuvieriおよびP. gracilis（無尾目：Leptodactylidae）への影響。環境科学および汚染研究、27(18)、22619–22630。https://doi.org/10.1007/s11356-020-08869-z

• カロ、ティム（2010）。代理による保全：指標種、アンブレラ種、キーストーン種、フラッグシップ種、その他の代理種。ワシントンDC：アイランドプレス。ISBN 9781597261920。

ウィキメディア・コモンズには、バイオインジケーターに関連するメディアがあります。

• パシフィック・ノースウェスト国立研究所（米国エネルギー省、ワシントン州リッチランド）の環境バイオマーカー・イニシアチブ
• ボランティア監視プログラム – 米国 EPA
• 国立河川健康プログラム – 南アフリカ
• Pyxine cocoes Nyl. – フィリピンの大気汚染の潜在的な生物指標/生物モニターとしての葉状地衣類: Isidro AT Savillo による最新情報
• 滅菌のための生物学的指標 2019-02-07ウェイバックマシンにアーカイブ– Protak Scientific