生物リガンドモデル

生物リガンドモデル（BLM）は、水生毒性学で使用されるツールであり、水生環境における金属の生物学的利用能と、これらの金属が生物の鰓表面に蓄積する親和性を調べます。BLMは、pH、硬度、溶存有機炭素などのパラメーターを含む、サイト固有の水質に依存します。このモデルでは、致死蓄積値（魚の場合、鰓表面への金属の蓄積で、個体群の50％が死亡する）を使用して、水生毒性学と基準の開発にとってより普遍的な致死濃度値を予測します。^[1] 特定のサイトの水化学パラメーターの収集、データのBLMコンピューターモデルへの組み込み、および出力データの分析を使用して、BLM分析が実行されます。^[2]モデルから得られたこれらの値の比較は、急性毒性試験による致死組織濃度の結果と繰り返し比較できることがわかっています。^[3] BLMは、鰓表面相互作用モデル（GSIM）と自由イオン活性モデル（FIAM）から開発されました。^[2] これらのモデルは両方とも、金属が生物や水生環境とどのように相互作用するかについても扱っています。^[4] 現在、米国環境保護庁（EPA）は、表層水の環境水質基準（AWQC）の概要を説明するツールとしてBLMを使用しています。^{[5] [6] BLMは表層水中の金属の調査に非常に有用であるため、海洋および}河口環境 での使用のためにBLMを拡張する開発計画があります。

特定の水質パラメータが水生生物に対する金属の毒性をどのように変化させるかについての現在の知識はまだ増え続けています。 ^[2]

1973年、ジトコらは、遊離金属イオンが金属全体の濃度よりも毒性を決定する上でより強い役割を果たしているという証拠を示しました。 [ ^2] その後まもなく、1976年にジトコらは、 Ca ²⁺とMg ²⁺（硬度陽イオン）が金属の結合部位で金属イオンと競合していることを明らかにしました。^[2]

この結合部位での競合により、金属が含まれる水の硬度が増加するにつれて、金属の毒性は低下しました。Pagenkopfらは化学平衡モデルを使用して、水の化学組成によって金属の形態がどのように制御され、それが金属の毒性とどのように関連しているかを説明しました。^{[2] [4]これらの発見は両方とも、}金属の毒性と利用可能性が金属の自由イオン活性に直接関連していること を確立するのに役立ちました。^[2]

これにより、現在では自由イオン活性モデル（FIAM）と呼ばれるモデルが開発されました。^{[7] [2]} FIAMは、金属の種別とそれに続く生物との相互作用に基づいて金属の影響を説明します。^[2] 自由イオン活性モデルは、水生生物における金属の挙動に関する独自の観察を説明し、「陽イオン微量金属の吸収、栄養、毒性を決定する上での自由金属イオン活性の普遍的な重要性」を調べるために作成されました。^[8]

現在では、金属の水溶液濃度は、特定の金属の生物学的利用能を予測する上であまり役に立たないことがわかっています。 ^[9]さらに、生物リガンドモデルが示すように、微量金属の部位への結合は、問題の金属の濃度だけに依存するわけではありません。^[8]

パレントらは、 FIAMに従って細胞表面相互作用を説明し、誘発される生物学的反応は、金属または金属リガンドのいずれかの細胞表面錯体の濃度の結果であると述べています。^[9] 元のFIAMでは、金属と錯体を形成する以外にリガンドが果たす他の役割や、これらの他の役割が生物の生物学的反応にどのように影響するかについては触れられていませんでした。^[9]

自由イオン活性モデルが提案されたのとほぼ同時期に、1983年にPagenkopfによって鰓表面相互作用モデル（GSIM）が導入されました。^[2] このモデルは、金属単体および混合物中の金属の毒性試験結果を評価するために使用されるようになりました。^[2]

パゲンコップフは、金属に関するこれまでの研究をまとめると、魚類に対する金属の毒性がpH 、硬度、錯形成能に応じてどのように変化するかについてのさらなる調査が必要であると概説した。 ^[4]

鰓表面相互作用モデルには、金属の硬度と錯体形成の両方が含まれています。Pag​​enkopfは、GSIMの基礎となるいくつかの主要な概念を示しています。^[4]

1. 微量金属は魚のえらの機能を（急性に）変化させ、呼吸不全により魚は死にます。
2. 微量金属の種類によっては、他の種類よりも毒性が著しく強いものがあります。
3. 鰓表面は、水中に存在する金属種や水素イオンと錯体を形成することがあります。
4. 鰓と試験水との間の金属交換は、生物学的検定を行うのに必要な時間と比較すると速いです。
5. 鰓表面は単位重量あたり一定の相互作用容量を持っています。
6. カルシウムとマグネシウムと微量金属や水素イオンなどの毒物との間で競合阻害が起こります。

Pagenkopf はこれら 6 つの概念を使用して、銅、亜鉛、カドミウム、鉛、金属の組み合わせ、および有効毒物濃度を使用した水素イオン濃度を調べました。その結果に基づいて、Pagenkopf はモデルの適用性を評価し、GSIM を使用するためのいくつかの手順を考え出しました。必要なデータは、水サンプルのpH、アルカリ度、硬度、および微量金属の総含有量です。これらのパラメーターを取得したら、次のステップは水サンプル内の金属のスペシエーションを計算することです。次に、金属の競合相互作用係数 (CIF) と有効毒物濃度 (ETC) を調べ、有効毒物濃度を実験室の観察と比較します。FIAM と GSIM の制限は BLM の起源において重要であり、FIAM と GSIM の両方が生物リガンド モデルの開発につながりました。^[2]

BLM は、曝露した個体の 50% が死亡することになる、鰓表面への金属の致死的蓄積 (LA50) を予測するために使用されます。^{[3] [10]} 鰓表面への金属の蓄積は、特定地域の水質に依存します。これは、金属がリガンドと結合する生物学的利用能が、魚の鰓表面のリガンド以外の水中の何と錯体を形成しそうかによって決まるためです。^[3] EPA は、地域の水質を推定するために、生物リガンド モデルに入力することを推奨する 10 の主要な水質入力があります。場合によっては、さらに 2 つの入力 (フミン酸と硫化物の割合) も使用できますが、EPA は、その影響が最小限で、科学文書での報告に一貫性がないため、これらの入力を多用しないよう警告しています。^[5] 水温は BLM で考慮すべき要素の 1 つですが、他のパラメーターよりも影響が少ないことがわかっています。 BLM に関しては、pH は金属が生物リガンドに結合する能力に大きな影響を与える可能性があります。pH が高いほど金属の毒性は低下します。これは、金属 (銅の場合)が水に溶解している炭酸塩やその他の有機物とより容易に錯体を形成するためです。 ^[3] pH が上昇すると、生物リガンド上のスポットを争うプロトンが少なくなるため、この要因だけを見ると、結合部位を争う競合が少なくなり、pH が上昇すると金属の毒性が増加するように見えます。ただし、pH の上昇による金属の錯体形成効果により、生物リガンドに結合する際の生体利用性が低下します。^[10] 溶存有機炭素(DOC) は、BLM 入力のもう 1 つの重要な要因です。溶存有機炭素が増加すると、金属が溶存有機炭素と結合し、生物リガンドによる吸収における生体利用性が低下するため、金属の毒性が低下します。^[10] BLMに大きな影響を与えることがわかっている 主な陽イオンは、Ca ²⁺、Mg ²⁺、Na ⁺、K ^+です。SO ₄ ⁻やCl ⁻などの主要な陰イオンも、金属の生物リガンドに対する結合親和性を変化させる原因となる可能性があります。アルカリ度は、 DOCやpHよりもBLM分配係数にあまり影響しません。分配係数は、金属の生物リガンドに対する結合親和性を決定するために使用されます。これらの係数は、上記のパラメータからの入力に従って BLM によって生成されます。

生物リガンドモデルにはいくつかの制限と不確実性があります。これらの不確実性は、水資源管理にBLMを利用する際に対処することが重要です。水質基準は、総金属濃度または溶解金属濃度に基づいています。水質基準^[11]は、多くの場合、実験室でのテストとデータからの外挿を使用して導き出されます。データは、標準化された実験室方法を使用した実験室テストから得られたもので、通常、現場で広範囲の種にわたって経験される動的な環境条件を代表するものではありません。

水質浄化法（CWA）第304条（a）（1）項は、「管理者」または米国環境保護庁長官が、最新の科学的情報と判断、データ、汚染物質の濃度、および人間の健康と環境の保護に基づいた水質基準を策定することを義務付けています。^{[12] [11]} 水質基準は、CWAに基づくEPAの水質基準（WQS）の目標の1つです。WQSは各州によって設定され、指定された用途、WQC、および劣化防止ポリシーに基づいて特定の水域の水質を決定します。^[13] 2007年現在、EPAは銅のサイト固有の淡水WQC値を作成するためにBLMの使用を認めています。^[14] このモデルの入力値は、温度、水生陽イオン（Ca ²⁺、Mg ²⁺、Na ⁺、K ⁺）、水生陰イオン（Cl ⁻、SO ₄ ²⁻）、硫化物、pH、アルカリ度、DOCです。EPAはBLMの実用バージョンをウェブサイトで公開しています。

BLMはもともとHydroQual社の研究者によって開発されました。^{[10] [15]} BLMソフトウェア（バージョン2.2.3まで）は、水生淡水システム用の亜鉛、銅、鉛、銀、カドミウムについてのみHydroQualのウェブサイトで入手できましたが、海洋モデルも開発中でした。^[16] HydroQualチームは、米国EPAが配布するBLMソフトウェアも開発しました。HydroQualは1980年に設立された民間の科学、研究、エンジニアリング会社です。2010年にHydroQualはHDR社に買収され^{[17] 、BLMページを含むHydroQualのウェブサイトは廃止されました。BLMに取り組んでいたHydroQualの研究チームは、新しいBLMウェブサイトが管理されているWindward Environmental [18]}に移動しました。^[19]

現在、EPAは銅の識別と浄化におけるBLMの使用を認めています。これは、さまざまな環境条件（pH、DOC、温度など）での金属暴露による毒性結果を予測するために銅を使用して実施された広範な特性評価とテストによるものです。BLMの別のバージョンは、土壌への金属の影響を予測するための銅とニッケルのTBLMを開発しているHydroQualによって進行中です。^{[16] BLM用の}Ag、Zn、Pb、Al、Ni 、Cd などの金属の将来的な水生システムおよび生物に対する特性評価は、潜在的な影響を確実に予測および評価できるより広範囲の金属に対するBLMの開発に役立ちます。BLMは予測ツールにすぎないため制限がありますが、水生毒性学で有用な用途があります。

• 銅の生物リガンドモデル、米国環境保護庁