劣化マイクロプラスチック由来吸着化学物質の体内動態モデルの構築と影響評価

2020年8月21日
九州大学農学研究院
大嶋雄治

目的
現在、世界中の水環境や水生生物からマイクロプラスチックプラスチック粒子(5 mm以下; MP) が検出されその影響が危惧される。
加えてMPに吸着した有害化学物質の蓄積を介在するベクター効果が懸念され、その生態影響の解明が急がれる。
現在行われている研究の殆どはVirgin MPであり、劣化 MPでは化学物質の吸着特性と生物への蓄積と影響は大きく異なる可能性が高い。
本研究では、劣化MP吸着化学物質の体内動態モデルの構築と影響評価を目的とする。

方法
1. 劣化粉砕ポリエチレン (PE)、劣化粉砕ポリスチレン (PS) MP の作成 (紫外線照射)
2. 化学物質 (PaHs および TBT) の劣化 MPs への吸着及び脱着速度試験
VirginPEM
P

劣化MPs200 µm
粉砕PEMP

吸着速度定数？ 脱着速度定数、人工消化液中での脱着速度（新規提案）

粉砕PS
M
P

紫外線照射

劣
化
Virgin
P
E
M
P

劣
化
粉
砕
P
E
M
P

劣
化
粉
砕
PS
M
P+劣
化
Virgin
P
E
M
PPaHs

劣
化
粉
砕
P
E
M
P

劣
化
粉
砕
PS
MP

3. 吸着化学物質の劣化
MP を介した体内蓄積濃度をメダカとSPMDで構築・モデル化
劣
劣
化
粉
砕
P
S
M
P

劣
化
粉
砕
P
E
M
P

体内蓄積濃度

取込

00.00

3.50

鰓換水量

飲水量

飲水率

BCF
10

リスク評価

pg 1p/L

100k

mRNA-seq

Flow 100.00

3.50

7.00

10.50

14.00

10.75

14.00

day

取込量

Body

排泄速度定数

飲水量

20
BCF
10

水中濃度11300 p/L
鰓換水量 1 mL/min/kg =0.001x60x24 L /day/kg（コイ、山元日水誌1991)として計算
k1 = 20k2 = 1.2
サイズ効果を考慮10として補正

01.00

4.25

7.50

day
BCF

モデルによる
体内濃度予測

14.00

10.75

14.00

体内動態モデル

01.00

4.25

7.50

day
BCF

https://www.cerc.usgs.gov/pubs/center/pdfDocs/SPMD.pdf

Body

水中濃度

10.50

Body

20
サイズ効果

水中濃度11300 p/L
鰓換水量 1 mL/min/kg =0.001x60x24 L /day/kg（コイ、山元日水誌1991)として計算
k1 = 20k2 = 1.2
サイズ効果を考慮10として補正

200k

7.00

day

排泄速度定数

取込

サイズ効果

Flow 1

取込量

メダカ 200µm MP 鰓換水量+飲水から取込モデ
ル

飲水率100k

水中濃度No problem!

鰓換水量

pg 1

200k

Body

4.モデルを用いて影響を評価
環境中MPsと化学物質の濃度を入力

メダカ 200µm MP 鰓換水量+飲水から取込モデ
ルp/L

化
VirginPEMPDanger! Danger!

影響評価

毒性機構解明5. 網羅的遺伝子発現解析(mRNA-seq)
により毒性機構を解明

研究結果
約200 µm粒状ポリエチレン（PE）、粉砕PE, PSのマイクロプラスチックを作製し、実環境中の1.5および5年に相当する紫外線を照射して劣化させた粒状及び粉砕PEを作製した結果、PEの劣化度は低かったが、PSは劣化が確認された。
PE、PS ペレット

破砕PEMP (平均粒径 211 µm)

破砕PSMP (粒径 140-200 µm)

劣化MPの作製

破砕

紫外線照射
ふるい分け

粉砕劣化PE紫外線照射(1.5年、5年分）

粒状劣化PE紫外線照射(1.5年、5年分）

粉砕劣化PS紫外線照射(0.5年、1.5年分）

劣化粒状PEにアントラセンを吸着させ、脱着/吸着速度を測定した結果、劣化粒状PEは劣化による吸着能は若干変化したが、水には脱着しなかった。
表 劣化粒状PEMPにおける吸着係数(Kd)および脱着係数(Kdes)

吸着剤

Kd（cm3/g）

Kdes（cm3/g）

MP未劣化

1111

<2072

MP劣化1
MP劣化21349
1328<3011<2636

参考試験法OECD Guidelines for Tes3ng of Chemicals, No .106, January 21, 2000, "Adsorp3on-Desorp3on Using a Batch
Equilibrium Method"
試験条件
試験濃度
20.0 μg/L
試験温度
25±1℃
試 験 水 劣化マイクロプラスチック：人工海水
土壌：0.01 mol/L塩化カルシウム溶液（OECD TG 106推奨）
試験容器
劣化マイクロプラスチック：10 mL容共栓付ガラス製遠心管
土壌：37 mL容共栓付ガラス製遠心管
吸着剤/溶液比1/100（g/mL）
振とう条件
回転振とう（回転数：20回/分）
振とう時間
吸着速度試験：2、4、6、8、24及び48時間
脱着速度試験：2、4、6、8、24、48及び72時間
試験連数
試験試料：2（各試験時間において）対照区及び吸着剤ブランク：2（振とう時間：48時間）
光条件 遮光条件下（試験容器をアルミホイルで覆った。）
化学物質分析
高速液体クロマトグラフィー（HPLC）による分析

劣化粒状PEとアントラセンをメダカに共暴露して、その体内動態を調べた。その結果劣化度によるメダカ体内濃度の差はなかった。

図 アントラセン(0.1 mg/L )、アントラセン(0.1 mg/L ) ＋未劣化MP(180-212 μ m PE-MP;
41.9 mg/L;1×10⁴個/L） 、アントラセン＋劣化MPに暴露したメダカ体内のアントラセン濃度

劣化粒状PEとアントラセンをメダカに共暴露し吸収および排泄を調べたが、大きな差はなかった。
表 アントラセン(0.1 mg/L )、アントラセン(0.1 mg/L ) ＋未劣化MP(180-212 μ m PE-MP; 41.9 mg/L;1×10⁴個/L） 、アントラセン＋劣化MPに暴露したメダカにおけるアントラセンのBCF、排泄速度係数、吸収速度係数

アントラセン

アントラセン+未劣化MP アントラセン+劣化MP

BCF

574807676

吸収速度係数 (ku, L/kg/day)

816

1476

926

排泄速度係数(ke, /day)

1.49

1.83

1.37

Bioconcentration factor (BCF) was calculated using following formula (1).

ANT accumulation in ANTANT fromwaterku (water)

bodyuptakeke (water)

elimina'on!!

(1)

𝐵𝐶𝐹 = !

"

Where Cf and Cw are the ANT concentration in the fish (mg kg−1) andwater (mg L−1) samples collected on the 14th d.
The uptake rate constant (ku; L kg−1 day−1) and depuration rate constant(ke; day−1) of ANT and MPs can be calculated based on the following
formula (2):"𝐵𝐶𝐹 = "#(2)$ANT accumulation in ANT+MPs
ANT from
waterku (water)

ANT from
MPs
Contributions fromwater and MPs

ke (ANT+MP)
body

Where the ke can be estimated graphically, i.e., the natural logarithm
transformed concentration of ANT was plotted versus the depuration
time, and the slope was defined as ke. Thus, the uptake rate constant canbe calculated as ku = BCF * ke.
Using one compartment with first-order elimination model,concentration of ANT in body (Ct) was estimated as the following
formula:#%#&ku (ANT+MP)

elimina'on= 𝑘$ 𝐶% − 𝑘& 𝐶'(3)Where the C0 and Cf is the concentration of ANT in water (mg L−1) and infish (mg kg−1), respectively. The concentration in fish at any time (t) canbe predicted based on the following formula:𝐶( = 𝐶'"#"$1 − 𝑒 )"$ ((4)

PE-MPのベクター効果が推定された単独および複合暴露でANT濃度に差は無い

MPs経由ANT(推定）=MPのベクター効果

水経由のANT

図 メダカにANTと未劣化-PE-MPsを複合暴露した場合における水経由およびMP経由のANT単独および複合暴露でANT濃度に差は無い

MPs経由ANT(推定=MPのベクター効果

水経由のANT

図 メダカにANTと劣化PE-MPsを複合暴露した場合における水経由およびMP経由のANT

第8期（2020.3-2021.2）の計画と進行状況
1. 劣化粉砕PSMPの作製（終了）
2. 劣化粉砕PEMP, 劣化粉砕PSMPに対するANTの吸収・脱着速度を求める。
（予備実験終了、実験開始）

3. ANTを吸着した劣化粉砕PEMPをメダカに14日間暴露、7日間排泄させ、ANT-MP体内動態モデルを構築する。（8月より実験開始）

4. ANTを吸着した劣化粉砕PSMPをメダカに14日間暴露、7日間排泄させ、ANT-MP体内動態モデルを構築する。（10月より実験開始）
5. SPMDを用い劣化粉砕PEMP, 劣化粉砕PSMPに対するANT-SPMDの蓄積性を調べる。
(予備実験終了）
表 SPMDを用いたANTの吸収・排泄試験
AN区SPMDBCF

AN+未劣化MP区 AN+劣化MP区
110000130000130000ku (L/kg/day)

16000

27000

16000

0.15

0.21

0.13

ke (/day)

6. 毒性機構を肝臓mRNA-seqによる網羅的遺伝子発現解析により解明する。（暴露実験終了後、実施予定）＋（行動影響）
7. 以上をまとめANTにおける劣化MPsベクター効果を解明する。