生物指標

ほとんどの場合、あらかじめ定められた基準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。基準サイトは、外部からの撹乱（人為的撹乱、土地利用の変化、外来種など）がほとんどないか全くない場所である必要があります。特定の指標種の生物条件は、基準サイトと調査地域の両方で経時的に測定されます。調査地域から収集されたデータは、基準サイトから収集された同様のデータと比較され、調査地域の相対的な環境の健全性または完全性が推測されます。^{[ 12 ]}

生物指標全般の重要な限界は、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しようとしている環境条件内で適切であることを一貫して確認する必要があります。^{[ 14 ]}

ペニシリウム属、アスペルギルス・ニガー、カンジダ・アルビカンスは、医薬品業界で微生物限度試験、バイオバーデン評価、方法バリデーション、抗菌剤チャレンジテスト、品質管理試験に使用されています。 ^{[ 24 ]}このような用途で使用される場合、ペニシリウムとA.ニガーは公定書に記載されているカビ指標生物です。 ^{[ 24 ]}

トリコデルマ、エクソフィアラ、スタキボトリス、アスペルギルス・フミガタス、アスペルギルス・ベルシコロール、フィアロフォラ、フザリウム、ウロクラディウムなどのカビや特定の酵母は、室内空気質の指標として使用されます。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

メタゲノム技術では、微生物集団全体の配列を一度の操作で決定できます。メタゲノムシーケンスでは、特定の地域の土壌や水中の真菌群集全体、つまり菌類群集を、都市部からの下水溢流や農業地域からの肥料や農薬の流出といった人為的活動の生物学的指標^{[ 28 ]}として利用することが可能です。

菌類群集の構成は、pH、標高、水温などの環境特性の良い指標であることがわかっています。ショーヴェ^{[ 29 ]}はこのアプローチを用いて、フランス南西部の27の河川に設置されたモニタリングステーションのネットワークを使用して、これらの変数の生態系全体の測定を行いました。

Cudowskiら^{[ 30 ]}は、ポーランド東部の Augustow 運河の水から真菌を採取した。彼らは、水質の標準的な測定値（温度、酸素飽和度、pH、溶存窒素、有機炭素、硫黄濃度）を多数測定した。顕微鏡法と RFLP 分析により種を同定した。その結果、12 種の不完全菌類と、皮膚糸状菌またはC. albicansの近縁種に属する 13 種の潜在的な病原体を含む 38 種の真菌が見つかった。Cudowskiらは、水サンプルが運河の自然部分（湖のような部分）から採取されたものか、人工部分から採取されたものかを判別できることを発見した。また、彼らが発見した 3 つの主要な真菌群、不完全菌類、皮膚糸状菌、および Candida 近縁種は、冗長性分析で 2 つのクラスターを形成する水質測定値の多くを予測できることも発見した。

Bouffandら^{[ 31 ]}は、植物の根系と共生関係を形成する無性生殖菌類であるアーバスキュラー菌根菌 (AMF) を指標として、ヨーロッパ各地の多くの場所で土壌機能と生物多様性を評価した。彼らはさまざまな気候帯 (大西洋、大陸性、地中海、高山) と 3 つの土地利用形態 (耕作地、草地、森林) で土壌サンプルを採取し、土壌に含まれる菌類の DNA をシーケンスした。土壌 pHの指標種として 8 種が見つかり、そのうち 4 種は pH が 5 未満の場合にのみ存在し、3 種は pH > 5、1 種は pH > 7 であった。土地利用の指標として 8 種が見つかり、森林用が 2 種、農地と草地用が 5 種、両方用が 1 種であった。また、土壌有機炭素が高いときに存在する指標菌類が 1 種、低いときに存在する指標菌類が 1 種見つかった。

両生類、特に無尾類（カエルとヒキガエル）は、汚染研究において汚染物質蓄積のバイオインジケーターとしてますます利用されています。^{[ 36 ]}無尾類は皮膚や幼生の鰓膜を通して有毒化学物質を吸収し、環境の変化に敏感です。^{[ 37 ]}吸収、吸入、または汚染された食物を食べることによって摂取される農薬を解毒する能力が低いです。^{[ 37 ]}このため、残留物、特に有機塩素系農薬が体内に蓄積されます。^{[ 37 ]}また、有毒化学物質を容易に吸収できる透過性の高い皮膚を持っているため、両生類の個体数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ます。^{[ 37 ]}これらの要因により、人間による環境への要求の増加に伴う生息地の変化や生態毒性学的研究を追跡するためのバイオインジケーター生物として利用できます。^{[ 38 ]}

生態系の健全性を維持するためには、環境因子の知識と制御が不可欠です。無尾両生類は、農薬が環境に及ぼす影響の研究など、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。無尾両生類 が生息する環境を調査するための環境評価は、その地域での個体数の分析、運動能力の評価、および奇形や発達異常などの異常な形態変化の評価によって行われます。 無尾両生類の減少や奇形は、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。^{[ 38 ]}グリホサートなどの農薬の広範な使用は、これらの農薬がこれらの種が生息する水系に流れ込み、人間の開発地に近いことから、カエルのライフサイクル全体にわたってカエルの個体群に有害な影響を与えることが示されています。^{[ 39 ]}

池で繁殖する無尾両生類は、陸上生活と水生生活の両方を含む複雑な生活環を持つため、汚染に対して特に敏感である。^{[ 36 ]}胚発生中、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。^{[ 40 ]}曝露の影響により、体長が短くなり、体重が減少し、四肢やその他の臓器の奇形が生じる可能性がある。^{[ 36 ]}発育が遅く、形態変化が遅く、変態後のサイズが小さいため、死亡リスクと捕食されるリスクが増加する。^{[ 36 ]}

ザリガニは、適切な条件下では生物指標として適しているという仮説も立てられています。^{[ 41 ]}使用例の1つは、より広範囲の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アメリカザリガニ（Procambarus clarkii）の消化管におけるマイクロプラスチックの蓄積の調査です。^{[ 42 ]}

コウモリは環境の変化に顕著に反応するため、潜在的に価値のある生物指標として提案されている。^{[ 43 ]}研究の数はまだ比較的少ないものの、既存の証拠は、コウモリが河川、森林、都市部などの環境で優れた指標となる可能性が高いことを示唆している。^{[ 44 ]}それにもかかわらず、広範な地理的地域にわたるさらなる研究が必要であり、これを実現するには研究ネットワークの構築が不可欠である。コウモリを生物指標として使用することには、隠蔽種の識別や鳴き声による飛行コウモリの識別の難しさなど、いくつかの課題もある。さらに、コウモリの分布と行動を形成する環境要因を特定することはしばしば困難である。^{[ 44 ]}

蠕虫（寄生虫）の卵は、衛生設備や廃水再利用システム（このような計画は人間の排泄物の再利用とも呼ばれる）の安全性を評価するための指標生物としてよく用いられます。^{[ 45 ] : 55}これは、蠕虫があらゆる種類の病原体（病原体にはウイルス、細菌、原虫、蠕虫が含まれる）の中で最も耐性のある病原体であるためです。 [ 46 ^{]つまり、}従来の処理方法では比較的破壊しにくいということです。熱帯気候では10～12か月生存することができます。^{[ 46 ]}これらの卵は文献では卵子とも呼ばれます。 ^{[ 47 ]}

廃水や汚泥中に見られる蠕虫卵は、回虫（ Ascaris lumbricoides）、十二指腸鉤虫（Anclostoma duodenale）、アメリカ鉤虫（Necator americanus）、鞭虫（ Trichuris trichiura）などの土壌媒介性蠕虫（STH）に由来する。^{[ 48 ]}再利用可能な廃水システムで確認された回虫と鞭虫は、人間や豚が摂取すると特定の病気や合併症を引き起こす可能性がある。^{[ 49 ]}鉤虫は土壌に幼虫を産み付け、そこで幼虫は成熟するまで成長する。鉤虫の卵が完全に発達すると、生物の皮膚を這って生物に感染する。^{[ 50 ]}

乾燥した糞便、堆肥、または糞便汚泥の サンプル中に生存可能な蠕虫卵（「生存可能」とは、卵から幼虫が孵化できることを意味する）が存在するか否かは、病原体除去の観点からさまざまな廃水および汚泥処理プロセスの効率を評価するためによく使用されます。^{[ 45 ]： 55}特に、生存可能な回虫卵の数は、世界の多くの地域で非常に一般的であり、顕微鏡下で比較的簡単に識別できるため、処理プロセスにおけるすべての蠕虫卵​​の指標としてよく使用されます。ただし、正確な不活化特性は、異なる種類の蠕虫卵によって異なる場合があります。^{[ 51 ]}

検査に使用される技術は、サンプルの種類によって異なります。^{[ 47 ]}蠕虫卵が汚泥中に存在する場合、大量の蠕虫卵が存在する地域では、アルカリ後安定化、酸処理、嫌気性消化などのプロセスを使用して蠕虫卵の量を減らします。これらの方法により、蠕虫卵を1リットルあたり1個以下の健康要件内に収めることが可能になります。脱水は、糞便汚泥中の蠕虫卵を不活化するために使用されます。このタイプの不活化は、糞便が1～2年間保存され、総固形分含有量が高く（>50～60%）、葉、石灰、土などの物品が添加され、温度が30℃以上である場合に発生します。^{[ 50 ]}

特定の細菌は、水域に存在する場合など、特定の状況で指標生物として使用できます。指標細菌自体は病原性を持たないかもしれませんが、廃棄物中に存在することは、他の病原体の存在を示す可能性があります。^{[ 52 ]}指標生物にさまざまな種類があるのと同様に、指標細菌にもさまざまな種類があります。最も一般的な指標は、総大腸菌群、糞便性大腸菌群、大腸菌、腸球菌です。^{[ 53 ]}人間の糞便によく見られる細菌である大腸菌群（例：大腸菌）が地表水に存在することは、糞便汚染の一般的な指標です。糞便中の病原体がレクリエーション用水域に流入する経路には、下水、浄化槽、都市流出水、沿岸レクリエーション廃棄物、家畜廃棄物などがありますが、これらに限定されません。^{[ 53 ]}

このため、衛生プログラムでは、飲料水システムが糞便で汚染されていないことを確認するために、これらの微生物の存在について水を検査することがよくあります。この検査は、一般的に水のサンプルを採取するか、大量の水をフィルターに通して細菌を採取し、その水から細菌がマッコンキー寒天などの選択培地で増殖するかどうかを検査するなど、いくつかの方法で行うことができます。マッコンキー寒天はグラム陰性細菌の増殖のみを可能にし、細菌は乳糖の代謝方法または代謝能力の欠如に応じて異なる増殖を示します。^{[ 54 ]}あるいは、サンプルが大腸菌群に特徴的な方法でさまざまな栄養素を利用するかどうかを検査することもできます。^{[ 55 ]}

糞便汚染の指標として選択される大腸菌群は、腸からの排出後、環境中に長期間残存してはならず、その存在は他の糞便微生物による汚染と密接に相関していなければならない。指標微生物は病原性である必要はない。^{[ 56 ]}

大腸菌群以外の細菌、例えばStreptococcus bovisや特定のクロストリジウムなども、糞便汚染の指標として使用できる。^{[ 57 ]}

指標細菌の存在は、さまざまな生態系で測定され、他の測定と併せて行われることもあります。五大湖では、糞便指標細菌（FIB）濃度と病原体遺伝子マーカーの両方を検査する研究が行われました。^{[ 58 ]}この研究で測定されたFIBには、糞便性大腸菌群、大腸菌、腸球菌が含まれていました。^{[ 58 ]} FIBは、膜ろ過と連続希釈法によって収集され、培養してPCRを実行し、問題の病原性遺伝子を増幅するために使用できるサンプルが作成されました。^{[ 58 ]} 22のサンプリング地点のうち、165のサンプルが分析され、大腸菌濃度は2未満から26,000 CFU/100mL、腸球菌は2未満から31,000 CFU/100mL、糞便性大腸菌群は2未満から950 CFU/100mLの範囲であることがわかりました。^{[ 58 ]}

安全目的で指標細菌が測定されているもう 1 つの例は、カリフォルニア州マリブです。カリフォルニア州では、年間 5 万人以上の訪問者があるビーチで FIB を監視することが義務付けられています。^{[ 59 ]} EPA が許容すると考えられるレベルを超える高濃度の FIB が、マリブ ラグーンや他のマリブのビーチで観測されました。^{[ 59 ]}高濃度の FIB の測定は、発生源を特定するための調査につながります。マリブ地域の FIB の潜在的な発生源には、下水処理システムからの廃棄物、地域の開発からの流出水、野生動物の排泄物などがあります。^{[ 59 ]}一般的な FIB が測定され、その中には、オンサイトの廃水処理システム内で 242,000 MPN/100mL という高濃度で検出された腸球菌も含まれています。^{[ 59 ]} FIB の測定は広く行われており、安全な水を提供するために使用されています。

テキサス州では、ダラス・フォートワース国際空港とその周辺地域からの排水が流入する河川で、FIB、特に糞便性大腸菌群と大腸菌の発生と分布が測定されました。 ^{[ 60 ]}これらの廃棄物が流入する河川は、水生生物の生息地であり、レクリエーション目的で使用され、釣り場としても利用されています。^{[ 60 ]}人間を含む生態系に存在するすべての生物の安全を確保するために、さまざまな基準が存在します。大腸菌は、テキサス州でのレクリエーション利用において、安全でない、または基準以下の水質の指標として使用されています。^{[ 61 ]}接触型レクリエーションが安全でないと宣言する大腸菌レベルの基準は、幾何平均が126 cfu/100mLを超えるか、またはサンプルの4分の1以上が394 cfu/100mLを超えるレベルを測定したことです。^{[ 61 ]}さまざまな場所が検査され、一部の場所では大腸菌の許容レベルを超えていることが判明し、レクリエーション利用には適さないと判断されました。^{[ 60 ]}これは、指標細菌の検査が、水域がさまざまな用途、特にレクリエーション用途に安全かどうかを判断するためにどのように使用されるかを示すもう1つの例です。

微生物は、水生または陸生生態系の健全性を示す指標として利用できます。微生物は大量に存在するため、他の生物よりも採取が容易です。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早期に検知する警報システムとして利用できます。

微生物による石油・ガス探査（MPOG）は、石油・ガスが存在する可能性のある地域を特定するために使用できます。多くの場合、石油・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、シール圧力に打ち勝つ浮力によ​​って地表に向かって漏出するか、漏出していたためです。これらの炭化水素は、地表付近の土壌で見られる化学的および微生物的存在を変化させたり、直接取り込まれたりする可能性があります。MPOGで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微生物数カウント、または培養セルでの炭化水素ガスの消費を調べることなどがあります。^{[ 62 ]}

微細藻類は、近年、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注目を集めている。加えて、自然界に豊富に存在し、多くの食物連鎖において不可欠な構成要素であり、培養や分析への利用が容易であり、その利用に伴う倫理的な問題はほとんど、あるいは全くない。

ミドリムシは、運動性のある淡水性の光合成鞭毛虫です。ミドリムシは酸性に対して比較的耐性がありますが、重金属や無機化合物、有機化合物などの環境ストレスに対しては迅速かつ敏感に反応します。典型的な反応は、運動の阻害と方向パラメータの変化です。さらに、この生物は扱いやすく培養しやすいため、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走性です。重力受容体は、重金属や有機化合物、無機化合物などの汚染物質によって損なわれます。したがって、これらの物質の存在は、水中での細胞のランダムな運動と関連しています。短期試験では、 E. gracilisの重力走性は非常に敏感です。 ^{[ 63 ] [ 64 ]} Paramecium biaurelia ( Paramecium aureliaを参照) などの他の種も重力走性を利用します。 ^{[ 65 ]}

自動バイオアッセイは、汚染された可能性のある水サンプルのさまざまな希釈度での運動性を測定する装置で鞭毛虫Euglena gracilisを使用することで可能であり、 EC ₅₀ (生物の 50 パーセントに影響を与えるサンプルの濃度) と G 値 (有意な毒性影響が測定されない最低希釈係数) を決定することができます。^{[ 66 ] [ 67 ]}

底生大型無脊椎動物は、小川や川の底生帯に生息しています。これらは、川の植生や川床に生息する水生昆虫、甲殻類、蠕虫、軟体動物で構成されています。 ^{[ 9 ]}大型無脊椎動物種は、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つけることができます。また、短期間で干上がってしまうものを除いて、ほとんどあらゆるサイズの小川や川で見つけることができます。^{[ 76 ]}このため、川床が浅すぎて魚などの大型種が生息できない地域でも見つけることができるため、多くの研究にとって有益です。^{[ 9 ]}底生指標は、淡水小川や川の生物学的構成要素を測定するためによく使用されます。一般的に、小川の生物学的機能が良好な状態にあるとみなされる場合、小川の化学的および物理的構成要素も良好な状態にあると想定されます。^{[ 9 ]}底生生物指標は、米国で最も頻繁に使用される水質検査です。^{[ 9 ]}底生生物指標は、河川や渓流におけるストレス要因の発生源を追跡するために使用すべきではありませんが、観察されたストレス要因とよく関連付けられる発生源の種類に関する背景情報を提供することができます。^{[ 77 ]}

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。^{[ 78 ]}この指令は、すべてのEU加盟国に対し、すべての地表水と地下水が良好な状態にあることを示すよう求めています。WFDは、加盟国に対し、特定の地下水カテゴリーの生物学的河川構成要素の健全性を推定するための監視システムを実装するよう求めています。この要件により、ヨーロッパで河川の健全性を確認するために適用されるバイオメトリクスの発生率が増加しました。^{[ 13 ]} 2006年に遠隔オンラインバイオモニタリングシステムが設計されました。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との間のリアルタイムデータの交換に基づいています。この技術は、二枚貝の行動、特に殻の開き活動と水質の変化を関連付けています。この技術は、さまざまな国（フランス、スペイン、ノルウェー、ロシア、スバールバル諸島（ニーオーレスン）、ニューカレドニア）の沿岸水質の評価に成功裏に使用されてきました。^{[ 34 ]}

米国では、環境保護庁（EPA）が1999年に、大型無脊椎動物、付着藻類、魚類の測定に基づく水質評価のための迅速生物評価プロトコルを発表した。^{[ 1 ] [ 79 ] [ 80 ]}

南アフリカでは、南部アフリカスコアリングシステム（SASS）法は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年間改良され、現在はISO/IEC 17025プロトコルに準拠した第5版（SASS5）となっています。^{[ 71 ]} SASS5法は、南アフリカ水資源省によって河川健全性評価の標準法として使用され、国の河川健全性プログラムと国の河川データベースにデータを提供しています。

イヌホラガイ科の巻貝に見られるインポセックス現象は、雌に陰茎の異常な発達をもたらしますが、不妊症を引き起こすことはありません。このため、この種はマレーシアの港における有機合成スズ化合物による汚染の良い指標として提案されています。^{[ 81 ]}