Determination of the metal uptake and sorption mechanisms in the tissues of Faxonius limosus (Rafinesque, 1817) (Decapoda: Cambaridae) found in Danube river basin of Serbia

技術要約：セルビアのドナウ川流域におけるFaxonius limosusの組織内における金属取り込みおよび吸着メカニズムの決定

問題提起
セルビアのドナウ川流域は、農業活動、工業排水、未処理の下水、および船舶輸送による著しい人為的圧力に直面しており、これらは水圏生態系における重金属の蓄積を招いている。堆積物はこれらの汚染物質の主要な貯蔵庫として機能するが、それらの生物学的利用能（バイオアベイラビリティ）および食物連鎖を通じた移行を監視する必要がある。1980年代からドナウ川に定着した外来種のテッポウエビの一種であるFaxonius limosus (Rafinesque, 1817) は、その定着性、長い寿命、および汚染された堆積物との直接的な接触により、潜在的なバイオインジケーター（生物指標）として機能する。本研究は、選択された毒性および潜在的毒性金属（カドミウム [Cd]、ヒ素 [As]、鉛 [Pb]、および水銀 [Hg]）のF. limosusの特定組織における生物蓄積を扱い、また、外骨格におけるこれらの金属の吸着メカニズムを調査するものである。

方法論

• サンプリング: 検体は2022年5月および2023年1月にスランカメン地点（セルビア、ドナウ川）から採取された。研究には48個体（オス45、メス3）を用いた。
• 生物学的測定: 検体の全体長、頭胸部の長さ、および総重量を測定した。すべての検体は性成熟していることが確認された（約2〜3歳）。
• 組織の調製: 検体を安楽死させ、凍結および解凍を行った。組織を腹部筋肉、肝膵臓、および外骨格（背甲）に解剖した。サンプルを105°Cで乾燥させ、300°Cで灰化させた後、硝酸（HNO₃）と硫酸（H₂SO₄）を用いたマイクロ波アシストシステムを用いて分解した。
• 化学分析: 組織および堆積物中の金属濃度は、マイクロ波プラズマ発光分光分析法（MP-AES）を用いて定量化した。
• 吸着メカニズム解析: 外骨格上の金属結合部位を調査するため、雌雄両方の背甲をフーリエ変換赤外分光法（FTIR-ATR）およびラマン分光法を用いて分析した。これらの手法は、官能基の振動および潜在的な化学吸着部位を特定するために、硬組織に特化して適用された。
• 統計解析: データは、一元配置分散分析（One-way ANOVA）、テューキーの検定、ダンカンの検定、クラスカル・ウォリス検定、およびマン・ホイットニーのU検定を用いて分析された。生物濃縮係数（BAF）は、堆積物中の金属濃度とザリガニ組織中の金属濃度の比として算出した。

主な結果

• 堆積物中の金属濃度: 堆積物分析の結果、金属濃度の順序は Pb > As > Cd > Hg であった。
• 組織への蓄積:
  • カドミウム (Cd): オスの個体の腹部筋肉において最も高い濃度（0.140 ppm）が認められた。
  • 鉛 (Pb): メスの外骨格（0.140 ppm）およびオスの筋肉において高いレベルが観察された。
  • ヒ素 (As): ヒ素濃度は一般に、メスと比較してすべてのオスの組織において高かった。
  • 水銀 (Hg): すべての組織および堆積物において最も低い濃度（0.001 ppm）であった。
• 統計的有意性: ANOVAの結果、PbおよびAsについては組織/堆積物グループ間で有意な差が示されたが（p < 0.05）、CdおよびHgについては有意ではなかった。クラスカル・ウォリス検定は、Asのグループ間における有意な分布の違いを確認した。
• 生物濃縮係数 (BAF):
  • PbおよびAsは、生物濃縮を示すBAF値を示した。
  • オスはメスと比較して、有意に高いPbのBAFを示した。
  • メスはオスと比較して、より高いAsのBAFを示した。
• 吸着メカニズム (FTIR/Raman):
  • 背甲の分光分析により、標準的なキチン文献と比較してスペクトルピークのシフトが明らかになった。
  • FTIRは、典型的な3400 cm⁻¹のピーク（N-H/OH）の欠如と、それが~3270 cm⁻¹付近のシフトしたピークに置き換わっていることを示した。これは、金属吸着に関連する可能性のあるN-H結合の異常を示唆している。
  • 腹側のサンプルのラマン分光スペクトルは、1083 cm⁻¹における優位で強いピーク（典型的な1108 cm⁻¹の糖鎖環のピークと重なる）を示し、著者らはこれを、糖鎖環と金属イオンとの間の化学吸着（電荷移動）の潜在的な部位であると考えている。

主な貢献

1. 生物蓄積データ: 本研究は、セルビアのドナウ川におけるF. limosusの腹部筋肉、肝膵臓、および外骨格におけるPb、Cd、As、Hgの蓄積に関する具体的なデータを提供し、性別による蓄積パターンの違いを明らかにしている。
2. 吸着メカニズムの解明: 外骨格に対するFTIRおよびRマン分光法を組み合わせることで、金属イオンが化学吸着する潜在的な分子部位（特に糖鎖環およびN-H結合）を特定し、背甲における金属保持のメカニズム的な説明を提示した。
3. バイオインジケーターの検証: 本研究は、特にAsおよびPbに関して、F. limosusが堆積物汚染のバイオインジケーターとして使用されることを支持しており、本種が水と食物源の両方からこれらの金属を蓄積することを指摘している。

意義および主張
著者らは、このザリガニ種の消費に関連する、特に筋肉組織へのCd、Pb、およびAsの蓄積に関する潜在的な食物連鎖のリスクに注意を喚起している。外骨格（金属が化学吸着している部位）は通常、人間の消費前に取り除かれるが、著者らは、背甲を摂取する他の動物（鳥類など）が、酸性の消化過程を経て、その後組織への蓄積を通じて、これらの金属を食物連鎖に再導入する可能性があると警告している。

本論文は、F. limosusが調査地域における河川堆積物の汚染状態を示す簡便なバイオインジケーターとして機能すると結論付けている。著者らは、金属蓄積の違いは、組織の種類、性別、生理学的条件、および繁殖行動（オスはより移動性が高く、より多くの金属を蓄積する可能性がある）に影響されることを強調している。研究は、バイオモニタリングの信頼性を向上させ、人間の消費連鎖における新たなリスクを評価するために、これらの要因に関するさらなる調査を提唱している。