RIVER FRONT Vol.84

環境 DNA を用いた河川生物モニタリングの現状と今後の展開
山口大学大学院創成科学研究科

赤松良久

１．はじめに国土交通省では平成 2 年より一級河川を対象として，「多自然型川づくり」や「河川水辺の国勢調査」を開始している．さらに，平成 9 年の河川法の改正によって，「河川環境の整備と保全」が内部目的とされ，治水・利水・環境の調和した河川管理が求められてきた．しかし，治水や利水に関しては明確な管理目標がある一方で，河川環境に関してその管理目標に設定が難しい．水質が劇的に改善している多くの一級河川では，河川の生物生息場の回復が河川環境改善のための管理目標とされることが多い．したがって，全国の一級河川を対象として 5 年に一回の頻度で行われている水辺の国勢調査から得られる生物相や個体数のデータは極めて重要なデータであるといえる．近年ではこのビックデータを活用して，全国の一級河川の河川環境を俯瞰的に把握・評価しようとする試みも進められている．しかし，水辺の国勢調査において，河川内の魚類，底生動物の調査は多大な労力をかけて実施されている．特に魚類に関しては基本的にはたも網・投網を中心に行い，必要に応じてはえなわや潜水目視などを用いることとなっており，実施者の経験値や能力次第ではあるもののかなりの努力量が必要である．これに対して，近年，水中に浮遊する DNA の分析によって，生物の在・不在やバイオマスを推定する生物モニタリング手法

図1

環境 DNA 研究に関する論文発表の経年推移（高原ら 1) にデータを追加）ており，環境 DNA 研究が極めて注目度が高いことがわかる．環境 DNA に関する研究は主に生物の在・不在に関するものが多く，特に採捕などが困難である希少種を対象とした研究が盛んにおこなわれている．日本国内ではオオサンショウウオやカワバタモロコを対象として，その実用化が検討されている 2),3)．また，この手法は外来種の侵入をいち早く検出するのにも有効である．さらに，環境 DNA 分析は魚類に限らず，軟体動物，甲殻類，爬虫類，水生植物などの様々な分類群に適用可能であり，今後さらに多くの生物種に対して，環境DNA を用いた在・不在の調査が可能になると考えられる．
近年，生物の在・不在に加えて，採水した水サの開発が急速に進んでいる．この手法は環境 DNA（environmental DNA: eDNA） 分 析 と 呼 ば れ て おり，採水したサンプル中の対象となる生物に由来する DNA 断片を分析する．環境 DNA 分析では水ンプル中に含まれる環境 DNA 濃度を用いて，生物のバイオマス・密度を推定する研究も進められている．その多くは魚類を対象としたものであり，水槽や湖沼などの閉鎖性の高い水域のコイやザリガニを対象とした研究がおこなわれている 4),5)．また，Doi et al.6) によって，河川内のアユを対象とし（数ミリリットルから数リットルほど）を採取して，その中の DNA 情報を調べるだけで，これまで多大な労力をかけていた水域の生物調査を行える可能性がある．ここでは，河川内の魚類量を推定する方法を中心に，環境 DNA を用いた河川生物モニタリング手法に関する研究の現状と今後の展開に関たバイオマスや密度の推定に関する研究も進められており，この結果に関しては 3 章において詳細して概説する．

を紹介する．

２．環境 DNA 研究の動向

３．環境 DNA を用いた魚類量推定
実験水路および実河川において，環境 DNA 濃度

図 1 に近年の環境 DNA 分析を用いた生物モニタリングに関する論文発表数の推移を示す 1)．環境 DNA に関わる研究は 2014 年以降急激に増加しを用いた流水中での魚類量推定の可能性について検証を行った結果を紹介する．

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図２

実験に用いた水路（Akamatsu et al. 未発表）

(1) 水路実験による検証
水路実験では河川性遊泳魚の中で，採集および飼育が容易であるカワムツを対象とした．最新の河川水辺の国勢調査の結果，カワムツは西日本全ての一級河川において生息していることが明らかとなっており，西日本において代表的な純淡水遊泳魚であると言える．
実験水路の概略図を図 2 に示す．実験水路は上
流端水槽，水路部，下流端水槽で構成されている．
上流端水槽と水路部は連結されており，水路部は長さ 600cm，幅 15cm，高さ 20cm のアクリル製の直線水路となっている．また，実験魚が上流端水槽，下流端水槽へ入り込まないよう，水路部の上流端，上流端から 50cm 地点にアクリル製の多孔質の仕切り板を設置し，実験中のカワムツの遊泳区間とした．実際にカワムツが遊泳している様子を写真 1に示す．なお，本実験で使用した水はカワムツのDNA を含む分泌物や排泄物を含んでいるため，再写真 1

遊泳するカワムツの様子

図3

環境 DNA 分析の手順利用が不可能である．そのため，下流端水槽に排水用の配管を取り付け，実験で使用した水は常時排水を行えるようにした．
実験は下流の仕切り板から 15㎝下流の位置で流速が約 0.2(m/s) となる流れの条件で行った．この条件で，カワムツを流水中に投入してから 15 分後以降は，流水に流されたり逆らったりする遊泳行動はとらなくなり，写真 1 のようなほぼ静止した遊泳行動をとることが確認された．したがって，カワムツが十分に水路に馴致した流水開始から 30分後に，下流の仕切り板から 15㎝下流の位置で，採水を行った．採水したサンプルに対する環境DNA 分析の大まかな流れを図 3 に示す．採取した
1L のサンプル水を粒子保持径 0.7 μ m(GF/F) のガラスフィルターでろ過することによって，DNA を濃縮する．次に，ろ紙表面に吸着されたろ過残留物を用いて DNA を精製し，リアルタイム PCR に

図45

環境 DNA 濃度と総重量の関係（Akamatsu et al. 未発表）

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図 5 佐波川におけるアユの環境 DNA 濃度の空間分布 6)（図中の石の上の白線はアユのはみ跡，白丸はアユの卵，黒丸は堰・ダムを示す）よる計測を行うという流れとなる．環境 DNA の分
析法についての詳細は高原ら 1) を参考にされたい．
実験はカワムツの尾数を 8，10，16，24 と変化させて 4 ケース行った．環境 DNA 分析から得られたサンプルの環境 DNA 濃度と各ケースで用いたカワムツの総重量の関係を図 4 に示す．これらの結果から，環境 DNA 濃度とカワムツの総重量には高い正の相関があることがわかる．この結果は流水
中でも環境 DNA 濃度が魚類のバイオマスや密度を高精度に反映する指標であることを示唆している．
(2) 実河川での検証

図6

実河川を対象とした検討では全国の一級河川に広く分布し，水産有用種でもあるアユを対象とした．山口県の一級河川である佐波川の 7 地点を対象に，2015 年 5 月，7 月，10 月の 3 回調査を行っ

アユの環境 DNA 濃度とバイオマスの関係 6)

う直前に，調査範囲に含まれる瀬の下流側で表層水の採水 (1L) を行った．
図 5 に佐波川でのアユの環境 DNA 濃度の空間分布を示す 6)．Site.4, 5, 6 では潜水目視によるアた．各地点ともに，瀬を含む縦断方向約 80m の調査範囲を定め，約 15m 間隔で横断方向に 6 ライン

ユの存在は確認できなかったが，アユのはみ跡が確認できた地点であり，環境 DNA 濃度では低濃度ではあるがアユの存在が確認できる．また，アユを設定し，潜水目視調査を行った．また，密度 (n/m2) とアユの平均体重 (g/n) を乗ずることで現存量(g/m2) を算出した．さらに，潜水目視調査をおこなが産卵のため降下を始める 10 月には下流域の環境

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参考文献1) ‌高原輝彦 , 山中裕樹 , 源利文 , 土居秀幸 , 内井 喜

DNA 濃度が高くなっている．
図 6 に Site.1~7 におけるアユの環境 DNA 濃度

美子：環境 DNA 分析の手法開発の現状 〜淡水と各地点の採水地点直上の 3 ラインの平均のバイオマスの関係を示す 6)．図中の青い線は最適な回帰線をグレーで囲んだ部分は 95％信頼区間を示して域の研究事例を中心にして〜，日本生態学会誌，Vol. 66, No. 3, pp.583-599, 2016.
2) ‌S. Fukumoto, A. Ushimaru and T. Minamoto :Abasin-scale application of environmental DNA
assessment for rare endemic species and closely

いる．10 月の結果に関しては，最適な回帰線に加えて，対数回帰曲線を水色の線で示しており，その 95％信頼区間は薄紫で囲んだ部分である．最適な回帰線の R2 値は 5 月では 0.915，7 月では 0.824，
10 月では 0.961 となり，すべての月で高い値を示

related exotic species in rivers: a case study ofgiant salamanders in Japan, Journal of Applied
Ecology, Vol.52, pp.358-365, 2015.
3) ‌福岡有紗 , 高原輝彦 , 松本宗弘 , 兵庫県立農業高校生物部 , 丑丸敦史 , 源利文：在来希少種カワバ
タモロコの環境 DNA による検出系の確立，日本している．このことから，アユの環境 DNA 濃度とバイオマスには高い相関があることが明らかとなっている．
４．環境 DNA を用いた生物モニタリングの展望
河川における環境 DNA を用いた生物量の推定は生態学会誌 , Vol. 66, No.3, pp.613-620, 2016.
4) ‌T. Takahara, T. Minamoto, H. Yamanaka, H. Doi

可能であることが明らかにされつつある．しかし，河川内のある地点で採水を行った際に，その地点の環境 DNA 濃度がどのぐらい上流の範囲の影響を受けているかについては明確にされていない．海域では採水地点から半径 200m 程度の範囲の影響を受けているとの報告もあるが 7)，河川では DNA のソースである細胞片，糞，粘液等の物質の動きは流れの影響を強く受けるため，反映する範囲は流量や水温によって大きく変化することが予想される．環境 DNA は 1km 以上上流の生物の影響を反映しているとは考えにくいが，正確な河川内の生物量の定量化には DNA のソースとなる物質の動態に関する検討が必要不可欠である．
また，採水した水サンプルに含まれる DNA 情
報から，その場にいる魚類を網羅的にする方法がMiya et al.8) によって開発されている．この手法を沖縄の美ら海水族館から得た水試料に適用したと
ころ，DNA 情報から 180 種の魚種のうち 168 種もの魚種（59 科 123 属）を特定可能であることが報H and Z. Kawabata :Estimation of fish biomass
using environmental DNA. PLoS ONE, 7,e35868, 2012.
5) ‌H. Doi, K. Uchii, T. Takahara, S. Matsuhashi,
H. Yamanaka and T. Minamoto :Use of droplet
digital PCR for estimation of fish abundance andbiomass in environmental DNA surveys. PLoSONE, 10, e0122763, 2015.
6) ‌H. Doi, R. Inui, Y. Akamatsu, K. Kanno,
H. Yamanaka, T. Takahara, T. Minamoto :Environmental DNA analysis for estimating
the abundance and biomass of stream fish,
Freshwater Biology, Vol.62, pp.30-39, 2017.
7) ‌S. Yamamoto, K. Minami, K. Fukaya, K.
Takahashi, H. Sawada, H. Murakami, et al.

告されている．環境 DNA を用いた生物量の推定と同様に，この水槽で確認された手法が河川でも適8) ‌M. Miya, Y. Sato, T. Fukunaga, T. Sado, J. Y.
Poulsen, K. Sato, T. Minamoto, S. Yamamoto, H.

用できる可能性は高い．
環境 DNA を用いた生物モニタリングは，完成された手法との言えないものの，その有用性は十分に示されており，今後は水辺の国勢調査にも取り

Yamanaka, H. Araki, M. Kondoh and W. Iwasaki: MiFish, a set of universal PCR primers formetabarcoding environmental DNA from fishes:detection of more than 230 subtropical marine

入れられていくことが期待される．

species, Royal Society Open Science, DOI:
10.1098/rsos.150088, 2015.

:Environmental DNA as a ‘Snapshot’ of FishDistribution: A Case Study of Japanese Jack
Mackerel in Maizuru Bay, Sea of Japan, PLoS
ONE11(3):e0149786, 2016.

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