Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
図16 高温及び化学物質が及ぼすストレス作用

hsp70-Venus / olvas-DsRed Tgメダカの孵化仔魚を用いて、高温(a)、DDVP(b)、ビスフェノールA(c)またはビスフェノールS処理(d)を行い、体全体のVenus蛍光を観察した。

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

課題代表者らは、高温ストレスによる雄化にはコルチゾルというステロイドホルモンが深く関与していることを初めて証明し、この基礎的研究での発見を足がかりとして、DNAマイクロアレイ解析等を駆使してコルチゾル誘導因子(HSP70等)や雄化誘導因子(GSDF等)を見出した。また、これら因子を使ってストレス応答性のin vivo評価系であるhsp70-Venus Tgメダカ系統の確立に成功した。このオリジナルなメダカ系統は、今まで調べられなかった環境水のストレス作用を総合的に評価するための大変優れた生物センサーであると考えられる。さらに課題代表者らは、基礎的研究として、すでに単離したコルチゾル誘導因子や雄化誘導因子の機能解析にも着手し、新規な生理的機能を解明することができた。これらの成果は、生物が普遍的に保持している新たな仕組みの発見にも繋がる可能性を十分秘めているため、さらなる研究の発展が期待されるところである。このように、課題代表者らは基礎から応用まで幅広く研究成果を挙げることができた。
## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

本研究の進展により、化学物質の新たなストレス作用を発見することができた。今後は、この確立したストレス応答性Tgメダカ系統を用いて、より多くの化学物質を調査する必要があろう。さらに、この生物センサーは、実際の環境水に存在する複数の化学物質の複合ストレス作用を簡便に高感度で評価できる可能性を秘めており、今後の環境ストレス調査に利用できるのではないかと考えられる。

## 6 ．国際共同研究等の状況

特に記載すべき事項はない

### 7. 研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) Y. Hayashi, H. Kobira, T. Yamaguchi, E. Shiraishi, T. Yazawa, T. Hirai, Y. Kamei and T. Kitano: Molecular Reproduction and Development, 77, 679-686 (2010)

“High temperature causes masculinization of genetically female medaka by elevation of cortisol”

2) T. Yamaguchi and T. Kitano: Biochemical and Biophysical Research Communications, 419, 287–292 (2012) “High temperature induces cyp26b1 mRNA expression and delays meiotic initiation of germ cells by increasing cortisol levels during gonadal sex differentiation in Japanese flounder”

3) T. Kitano, Y. Hayashi, E. Shiraishi and Y. Kamei: Molecular Reproduction and Development, 79, 719–726 (2012) “Estrogen rescues masculinization of genetically female medaka by exposure to cortisol or high temperature”

＜查読付論文に準ずる成果発表＞（「持続可能な社会・政策研究分野」の課題のみ記載可。）特に記載すべき事項はない

くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1) T. Uchikawa, H. Kobira, T. Hirai and T. Kitano: 第43回日本発生生物学会大会(2010) “Regulatory mechanism of follicle-stimulating hormone receptor expression in medaka (Oryzias latipes)”

2) T. Uchimura, Y. Hayashi, E. Shiraishi and T. Kitano: 第43回日本発生生物学会大会(2010)
“Gene expression profiling induced by high temperature treatment in medaka (Oryzias latipes)”

3) E. Shiraishi, D.K. Kang, T. Kitano, S. Nakamitsu, H. Hosseini and H. Akiyama: 7th International Bioelectrics Symposium, USA, 2010

“Effects of pulsed powers on the embryonic development in medaka (Oryzias latipes)”

4) T. Kitano: The $ 4^{th} $ Bilateral Seminar Japan-Italy: Physical and Chemical Impacts on Marine Organisms, Nagoya, Japan, 2010（招待講演）

“Molecular mechanism of environmental sex determination in fish”

5）隼井保博、浦和博子、木村英二、出口友則、伊藤真理子、北野健、尾田正二等：第33回日本分子生物学会年会(2010)

「赤外レーザーによる遺伝子発現システム（IR-LEGO）の様々なモデル生物への応用」

6）小幡晋平、関大亮、北野健、斉藤寿仁．：第33回日本分子生物学会年会(2010)

「メダカSenp1酵素活性部位のHeLa細胞における過剰発現系の解析」

8）内村友哉、林裕輝、田代真也、白石絵吏、北野健：平成23年度日本水産学会大会(2011)「メダカにおいて高水温により発現変動する遺伝子の解析」

9) T. Kitano, Y. Hayashi, T. Yamaguchi and E. Shiraishi: $ 9^{th} $ International Symposium on Reproductive Physiology of Fish, India, 2011

“High temperature causes masculinization of genetically female medaka by elevation of cortisol level”

“Analysis of regulatory mechanism of follicle-stimulating hormone receptor (fshr) expression using fshr-GFP transgenic medaka”

11) T. Uchimura, Y. Hayashi, S. Tashiro, E. Shiraishi and T. Kitano: $ 9^{th} $ International Symposium on Reproductive Physiology of Fish, India, 2011

“Analysis of genes regulated by high temperature in medaka”

12）北野健：平成23年度温熱生理研究会(2011）「温度依存性性決定の分子メカニズム」

13）北野健、林裕輝、白石絵吏：第36回日本比較内分泌学会大会(2011)「コルチゾルは高温によるメダカの雄化に関与する」

14）木寺智則、白石絵吏、松田勝、井尻成保、北野健：第36回日本比較内分泌学会大会(2011)「メダカにおけるGonadal Soma-Derived Factor(GSDF)の機能解析」

15）亀井保博、浦和博子、山本和彦、金子拓也、木村英二、出口友則、弓場俊輔、北野健、尾田正二等：第34回日本分子生物学会年会(2011)

「赤外レーザーによる遺伝子発現システム(IR-LEGO)の様々なモデル生物への応用」

16) S. Ansai, Y. Gou, T. Kitano, H. Ochiai, Y. Kamei, T. Yamamoto and M. Kinoshita: 第34回日本分子生物学会年会(2011)

“Targeted gene disruption in medaka using zinc-finger nucleases-knockout of GFP gene”

17）内川拓、小平博史、平井俊朗、北野健：平成24年度日本水産学会大会(2012)「メダカ濾胞刺激ホルモン受容体の発現制御機構の解析」

18）木寺智則、内川拓、松田勝、井尻成保、北野健：平成24年度日本水産学会大会(2012)「GSDF(gonadal soma-derived growth factor)はメダカ遺伝的雌の雄化を引き起こす」

19）山口寿哉、平井俊朗、北野健：平成24年度日本水産学会大会(2012)「高水温によるcsf-1受容体の発現誘導とコルチゾルとの関係」

20) E. Shiraishi, H. Hosseini, D.K. Kang, T. Kitano and H. Akiyama: Bioelectrics 2012,

Kumamoto, Japan, 2012

“Effects of nanosecond pulsed power on gene expression in medaka”

21）北野健：第37回日本比較内分泌学会大会シンポジウム(2012)

「魚類における温度依存性性決定の分子機構」

22）内村友哉、田代真也、矢澤隆志、北野健：第37回日本比較内分泌学会大会(2012)
「メダカにおける副腎皮質ホルモン放出ホルモンの発現制御機構の解析」

23）室積典和、中島良、平井敏朗、亀井保博、石川智子、藤堂剛、北野健：第37回日本比較内分泌学会大会(2012）「濾胞刺激ホルモン受容体の機能欠損メダカの表現型解析」

24) T. Kawabe and T. Kitano: 3rd GelK International Symposium, Kumamoto, Japan, 2013 "Developments of in vitro culture of primordial germ cells and cryopreservation of early embryos in medaka"

25) T. Uchikawa, H. Kobira and T. Kitano: 3rd GelK International Symposium, Kumamoto, Japan, 2013

“Analysis of follicle-stimulating hormone receptor (fshr)-GFP transgenic medaka”

26) T. Uchimura, Y. Hayashi, S. Tashiro, E. Shiraishi and T. Kitano: 3rd GelK International Symposium, Kumamoto, Japan, 2013

27）内村友哉、田代真也、白石絵吏、矢澤隆志、北野健：平成25年度日本水産学会大会(2013)「メダカ副腎皮質刺激ホルモン放出ホルモンの発現制御におけるHSPの関与」

28）室積典和、中島良、平井敏朗、亀井保博、石川智子、藤堂剛、北野健：平成25年度日本水産学会大会(2013)

「濾胞刺激ホルモン受容体の機能欠損はメダカ雌の性成熟を阻害する」

29）乙木百合香、太田陽子、北野健、伊藤直樹、高橋計介、尾定誠：平成25年度日本水産学会大会(2013）「ホタテガイにおけるエストロゲン受容体の発現様式と機能」

30）川辺敏晃、江祐紀、白石絵吏、宮崎誠生、柳美穂、井上聖也、北野健：平成25年度日本水産学会大会(2013）「メダカ始原生殖細胞の体外培養法の検討」

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）シンポジウム、セミナー等の開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない

## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない

## （6） その他

特に記載すべき事項はない

### 8 \. 引用文献

1) Crain D.A., Erilsen M., Iguchi T., Jobling S., Laufer H., LeBlanc G.A. and Guillette L.J.: An ecological assessment of bisphenol-A: Evidence from comparative biology. Reproductive Toxycology, 24, 225-239 (2007).

2) Horiguchi T., Shiraishi H., Shimizu M. and Morita M.: Effects of triphenyltin chloride and five other organotin compounds on the development of imiposex in the rock shell, Thais clavigera. Environmental Pollution, 95, 85-91 (1997).

3) Shimasaki Y., Kitano T., Oshima Y., Inoue S., Imada N. and Honjo T.: Tributyltin causes masculinization in fish. Environmental Toxicology and Chemistry 22, 141-144 (2003).

4) Kitano T., Takamune K., Kobayashi T., Nagahama Y. and Abe S.:

Suppression of P450 aromatase gene expression in sex-reversed males produced by rearing
genetically female larvae at a high water temperature during a period of sex differentiation in the Japanese flounder ( $ Paralichthys\ olivaceus $ ). Journal of Molecular Endocrinology, 23, 167–176 (1999).

5) Kitano T., Takamune K., Nagahama Y. and Abe S.: Aromatase inhibitor and 17α-methyltestosterone cause sex-reversal from genetical females to phenotypic males and suppression of P450 aromatase gene expression in Japanese flounder (Paralichthys olivaceus). Molecular Reproduction and Development, 56, 1-5 (2000).

6) Kitano T., Takamune K., Nagahama Y. and Abe S.:

Role of P450 aromatase in gonadal sex differentiation in Japanese flounder (Paralichthys olivaceus). Environmental Sciences, 8, 1-11 (2001).

7) Kitano T., Yoshinaga N., Shiraishi E., Koyanagi T. and Abe S.:

Tamoxifen induces masculinization of genetic females and regulates P450 aromatase and Müllerian inhibiting substance mRNA expression in Japanese flounder (Paralichthys olivaceus). Molecular Reproduction and Development, 74, 1171-1177 (2007).

8) Yamaguchi T., Yoshinaga N., Yazawa T., Gen K. and Kitano T.:

Cortisol is involved in temperature-dependent sex determination in the Japanese flounder.

Endocrinology, 151, 3900-3908 (2010).

9) Funahashi N., Iwasaki I. and Ide G.: Effects of bis(tri-n-butyltin) oxide on endocrine and lymphoid organs of male rats. Acta Pathologica Japonica, 30, 955-966 (1980).

10) Oda S., Mikami S., Urushihara Y., Murata Y., Kamei Y., Deguchi T., Kitano T., Fujimori K., Yuba S., Todo T. and Mitani H.: Identification of a functional medaka heat shock promoter and characterization of its ability to induce in vitro and in vivo exogenous gene expression in medaka. Zoological Science, 27, 410-415 (2010).

11) Hayashi Y., Kobira H., Yamaguchi T., Shiraishi E., Yazawa T., Hirai T., Kamei Y. and Kitano T.: High temperature causes masculinization of genetically female medaka by elevation of cortisol. Molecular Reproduction and Development, 77, 679-686 (2010).

12) Shiraishi E., Yoshinaga N., Miura T., Yokoi H., Wakamatsu Y., Abe S. and Kitano T.: Mullerian inhibiting substance is required for germ cell proliferation during early gonadal differentiation in medaka (Oryzias latipes). Endocrinology, 149, 1813-1819 (2008).
# Development of Monitoring System for Effects of Environmental Stress on Animals

Principal Investigator: Takeshi KITANO

Institution: Graduate School of Science and Technology, Kumamoto University

2-39-1 Kurokami, Kumamoto 860-8555, Japan

TEL: +81-96-342-3031, FAX: +81-96-342-3431

E-mail: tkitano@kumamoto-u.ac.jp

[Abstract]

Key Words: Stress, High temperature, Cortisol, Monitoring, Medaka

High temperature stress induces masculinization of the genetically female medaka through elevation of cortisol produced by the interrenal cells. Cortisol secretion is induced through elevation of adrenocorticotropic hormone (ACTH) levels by corticotrophin-releasing hormone (CRH), which is secreted from hypothalamus. However, the molecular mechanism which regulates CRH secretion in hypothalamus remains unclear. In this study, to elucidate the regulating mechanism of CRH expression in medaka, we analyzed the expression profiling of genes regulated by high temperature in the hypothalamus of neurogenin3-GFP transgenic medaka, which expresses specifically green fluorescent protein (GFP) in the hypothalamus, using DNA microarray analysis. As a result, the expression of 65 genes containing heat shock protein 70-kDa (hsp70) in medaka 44,000 genes was increased more than ten-fold by high temperature treatment, and crh had about five-fold increase in their expressions. The expression patterns of these genes were similar to the results obtained by quantitative real-time PCR analysis. These results suggest that their genes isolated here might regulate CRH expression in the hypothalamus under the high temperature stress.

Next, we investigated the expression patterns of green fluorescent protein (Venus) in hsp70-Venus transgenic medaka to establish a monitoring system for environmental stress in vivo. We observed the Venus fluorescence in the medaka embryos reared at $ 26^{\circ} $ C or $ 33^{\circ} $ C from 0 days post-fertilization under the fluorescent microscope. As results, in $ 26^{\circ} $ C-reared embryos Venus fluorescence was observed only in the lens but not in the whole bodies. On the other hand, in $ 33^{\circ} $ C-reared embryos the fluorescence was strongly detected not only in the lens but also in the whole bodies. Moreover, also in embryos treated with acid, cortisol or tributyltin oxide the fluorescence was observed in the whole bodies. Thus, this transgenic medaka appears to possess strong responsiveness to environmental stress. Therefore, the original medaka strain can be an excellent biosensor for monitoring comprehensively stress levels in environmental water.
RF-1003 環境ストレスが及ぼす生物影響の

評価手法の開発(熊本大学)

環境ストレスにより発現量が激増する因子として、ヒートショックプロテインを同定

ヒートショックプロテインの発現を緑色蛍光でモニターできる遺伝子導入メダカ系統の確立

遺伝子導入メダカ(生物センサー)を用いた化学物質等が及ぼすストレス

作用の評価手法の確立
課題名 B-0908 降雨に伴う流量増大時の栄養塩多量流入に対する内湾生態系の応答に関する研究

課題代表者名 井上隆信 （豊橋技術科学大学大学院工学研究科建築・都市システム学系教授

研究实施期间 平成21～23年度

累計予算額 30,800千円（うち23年度 9,900千円）

予算額は、間接経費を含む。

研究体制

(1) 流域からの流入負荷機構の解明に関する研究 (豊橋技術科学大学、愛知県環境調査センター)

(2)栄養塩循環及び赤潮・貧酸素水塊発生機構の解明に関する研究（豊橋技術科学大学、愛知県水産試験場）

(3) アマモ場・アサリ漁場の水質浄化機能の解明に関する研究 ((独) 水産総合研究センター)

(4) 赤潮、貧酸素水塊の発生抑制手法の提案に関する研究 (豊橋技術科学大学)

## 研究概要

### 1. はじめに(研究背景等)

陸域からの汚濁負荷は、特定汚染源と非特定汚染源に分けられるが、各種規制により非特定汚染源からの負荷の比率が高くなってきている。非特定汚染源からの負荷の特徴としては、降雨に伴う流量增大時に負荷が増大すること、特にリンで懸濁態の比率が高くなることがわかってきている。しかし、中小河川等での流出負荷に関する研究事例は少ない。

一方、典型的な閉鎖性水域である伊勢湾は、東京湾、瀬戸内海とともに総量規制が実施されているが、環境基準の達成率は東京湾、瀬戸内海にくらべて低くなっている。伊勢湾の一部である三河湾では、赤潮や貧酸素水塊はむしろ悪化する傾向にあり、特に貧酸素水塊が元となって発生する苦潮（青潮）は、豊川河口域でアサリの大量死を引き起こしている。このため、このような大量死を防止し、内湾の生態系を保全することが、緊急の課題となっている。

閉鎖性水域においては、降雨後に水環境が大きく変化すると考えられるが、降雨前後の水質変化については明確にはなっていない。伊勢湾では、伊勢湾再生に向けた取り組みが実施されているが、栄養塩流入負荷や、流入後の内湾での挙動に関して調査研究事例が少ないことが指摘されている。このため、内湾の環境保全のためには、流域からの栄養塩の詳細かつ正確な流入負荷機構及び海域内での応答に関して、明確に示すことが求められている。

### 2. 研究開発目的

本研究では、赤潮、貧酸素水塊の発生を抑制し、三河湾に健全な生態系を回復するための科学的な根拠に基づく具体的な手法を提案することを最終目的とする。具体的には、降雨に伴う流量増大時の栄養塩の流入が赤潮、貧酸素水塊の発生に寄与していることを実測調査とモデルによって明らかにすること、生態系において重要なアマモ場、アサリ漁場への影響及び役割を明らかにするための研究を実施する。

まず、三河湾東奥部への栄養塩の流出負荷が多い河川を選定して、降雨時観測を実施し、降雨時の水質変化を明らかにする。これらの調査結果をもとにして、三河湾東奥部に流入する栄養塩の年間流出負荷量を算定することと、降雨時も含めた栄養塩の濃度変化を再現可能なシミュレーションモデルを構築することを行う。

次に、三河湾東奥部において、降雨直後の集中観測としての河川水拡散調査、豊川河口部浅海域から三河港内の河川影響域の水質変動、特に降雨や風による変動特性を把握することを目的とした定点観測および連続観測を実施し、降雨に伴う急激な汚濁負荷があった時の湾奥への淡水・栄養塩流入と海域での拡散、赤潮の発生、および底層の貧酸素化を明らかにする。

さらに、三河湾東奥部海域に形成されているアマモ場およびアサリ漁場の現時点における分布特性を把握することで、栄養塩浄化機能への寄与を明らかにするとともに、貧酸素水塊発生予測手法の精度向上を計るとともに、形成阻害要因を把握し、場の拡大・造成の可能性を示す。

これらの研究成果に基づいて、栄養塩挙動と赤潮、貧酸素水塊発生の時間的な変化を再現可能なシミュレーションモデルを構築する。このシミュレーションモデルを用いて、種々の対策を実施した場合の効果を検証し、
効果的な抑制手法の提案を行うことを目的とした。

### 3. 研究開発の方法

## (1) 流域からの流入負荷機構の解明に関する研究

三河湾東奥部に流入するすべての38河川で定期調査を実施し、流出負荷量の多い河川を抽出する。抽出した河川を対象として、降雨時調査を含む詳細調査を実施し、年間の流出負荷量を算定する。これらの調査結果を基にして、気象データ、土地利用、高度、点源からの排出負荷量を入力データとして、コンパートメントモデルにより、1時間単位の栄養塩の流出負荷量を溶存態と懸濁態別に算定可能なモデルを構築する。

## (2) 栄養塩循環及び赤潮・貧酸素水塊発生機構の解明に関する研究

三河湾東奥部において、降雨前と降雨後数日間隔で3-4回の調査、夏季には一週間間隔での水質調査を実施し、定点での栄養塩濃度、クロロフィルa(Chl-a)濃度等の測定を行う。これらの調査に加えて、三河湾内の流動、生態系ミュレーションの検証用基礎データとするために三河湾全体の水質調査も実施する。また、夏季には、豊川および港内からの物質輸送を捕えるために、クロロフィル蛍光値、塩分、水温、溶存酸素(DO)、水圧、流速を測定可能な連続観測用の機器を設置し、観測を実施する。これらの観測結果をもとに降雨時および降雨後の栄養塩等の濃度変化を明らかにする。

## （3） アマモ場・アサリ漁場の水質浄化機能の解明に関する研究

三河湾におけるアマモおよびアサリの生活史、現存量、及び、アマモ場およびアサリ漁場の形成阻害要因に関する調査研究資料を収集し、既往知見の整理を行う。明確にならなかった情報に関しては、潜水観察調査、物理環境観測機器による連続観測調査、船上から機器を投入して広範囲に情報を取得する移動観測調査を実施して明らかにする。三河湾におけるアマモ場およびアサリ漁場の水質净化機能およびこれを拡大・強化する造成技術と事例について整理を行い、GIS（地理情報システム）に既往知見を載せ、地形情報と現状の利用状況を可視的に比較対比する。また、既往造成技術の適用範囲および経済正当を考慮し、現状でも比較的実現可能な造成範囲を明らかにし、三河湾東奥部におけるアマモ場およびアサリ漁場の拡大の可能性について検討する。

## (4) 赤潮、貧酸素水塊の発生抑制手法の提案に関する研究

流動シミュレーションの数値モデルとしては、沿岸域に適用される一般的な3次元非定常傾圧流動モデル（マルチレベルモデル）を用いて流速、潮位、水温・塩分の時空間分布を予測する。水質生態系シミュレーションモデルは、既存の生態系モデルを基本として、干渦域やアマモ場における浄化機能を組み込んだモデルを構築する。このモデルの陸域からの栄養塩と淡水の流入に関しては、河川からの栄養塩流入負荷モデルを組み込む。このモデルの再現性を確認した後に、赤潮、貧酸素水塊の発生を抑制するための現実で実現可能な手法を提案し、その抑制効果を予測する。

### 4. 結果及び考察

## (1) 流域からの流入負荷機構の解明に関する研究

三河湾東奥部に流入する河川の定期調査結果を基に、河川別の栄養塩流出負荷量を算定した。流域面積は、豊川が70％と大部分を占めており、次に大きい梅田川でも4％である。豊川は、豊川用水によって取水され、主に流域の農地で利用されている。この利用された水は、再び豊川に戻るのではなく、流域の中小河川を通じて三河湾に流入しているため、豊川の流量比率が51％になり、流域面積の比率より小さくなった。T-N負荷量では、豊川の比率は流量比率より小さく31%、T-Pではさらに小さく8%であった。これに対して、梅田川はT-N負荷量で11%、T-P負荷量で12%となり、T-Pでは豊川より大きくなっている。汐川も同様に、T-Nで9%、T-Pでは23%になっている。これらは、豊川の栄養塩濃度が低いのに対して、梅田川や汐川を含む中小河川の栄養塩濃度が高いためである。三河湾東奥部に流入する一級河川は豊川だけであり、流量や水質の観測が実施されていることから、今まで、三河湾のモデルの入力には一級河川のみが使用されていた。しかし、一級河川だけの流入負荷では、過小評価であり、中小河川からの栄養塩流入負荷を正確に算定する必要があることがわかった。

梅田川水系の浜田川における降雨時調査の結果の一例を示すと、初期流量は0.64m³/s、流量のピークは30.5m³/sであり、約48倍の流量となった。これに対して、SSの初期濃度、ピーク濃度は、4.0mg/L、880mg/Lで約220倍の濃度で流出していた。T-Nはそれぞれ9.6mg/L、16mg/Lで約1.7倍の濃度、T-Pはそれぞれ0.76mg/L、5.7mg/Lで約7.5倍の濃度となっていた。他の観測でも同様の傾向が得られ、流量と濃度の積である負荷量では、さらに降雨時の流出負荷が大きいことがわかった。
これらの調査結果より求めた流出負荷量について環境省の平成16年度発生負荷量等算定調査報告書から求めた各河川の発生負荷量の算定値と比較すると、梅田川、豊川等では降雨時を考慮した流出負荷量は発生負荷量よりも大きくなり、特に梅田川は窒素で約3.8倍、リンでは約4.0倍となり、現在の原単位による発生負荷量は過小評価の可能性があることがわかった。

栄養塩流出負荷シミュレーションモデルはコンパートメントモデルを用い、水分流出モデルにより計算した各層からの水分流出量に栄養塩濃度を推定する式を加えて、溶存態、懸濁態別に算定可能な構造とした。SSの流出量は土地利用に応じて算出方法を使い分け、土地利用が建設用地の場合は路面堆積モデル、それ以外の土地利用の場合はLQ式を用いて算出した。P-N、P-Pの流出量はそれぞれSSの中に一定の割合で存在していると仮定し、SSの流出量に一定の比率を乗じて算出した。また、これらの土壤層から流出した栄養塩は水分流出モデルと同様に落水方向のメッシュの河川層に流入し運搬されることとした。点源からの窒素、リン流出は環境省による発生負荷量等算定調査報告書の値を用いた。このデータは市町村、流入する河川（支流）ごとに発生源別の負荷量が記載されているので点源からの窒素、リン流出量を当該メッシュの河川層に加えた。観測結果に適合するようにパラメータフィッティングをし、その値を用いて他の観測結果で検証を行い、一部適応できない降雨形態があるが、概ね精度よくT-N、T-P負荷量を算定できる流出負荷モデルを構築した。

この流出負荷モデルを用いて、年間流出負荷量に占める各土地利用からの負荷量割合を算出した結果、T-N、T-Pとも畑地等からの流出割合が高い結果となった。

## (2) 栄養塩循環及び赤潮・貧酸素水塊発生機構の解明に関する研究

調査結果から、降雨2日後には表層塩分が低下し、塩分低下域では栄養塩、Chl-aの増加がみられた。降雨5日後には塩分分布、栄養塩分布、Chl-a分布は降雨前とほぼ同じ状態へと戻っていた。また、降雨2日後に減少し、5日後にはまだ増加していなかった底層の栄養塩が降雨9日後には増加していた。特に、降雨2日後に植物プランクトンが増加した豊川河口沖を中心としてDIN、DIPともに増加していた。このことから降雨後わずか2日前後でプランクトンが急増し、赤潮となり5日後には枯死し、9日目には無機化に至ったことが示唆された。以上のように、本調査により、降雨に伴う出水による栄養塩の供給、プランクトンの増殖、底層の貧酸素化現象をとらえることができた。

また、降雨2日後に貧酸素水塊が縮小したが、その後再び拡大した。降雨後の貧酸素水塊の縮小については水塊の動きや鉛直混合の影響が考えられる。塩分鉛直分布によると降雨2日後の塩分は2m以浅に極小がみられたが、底層でも低下していた。2010年は降雨後の9月13日から14日にかけてと17日に渥美湾北部で苦潮発生が報告されている。したがって、降雨前調査から降雨後調査が実施されるまでの期間に、前線がもたらす北西風によって北部海域において苦潮が発生し、底層での塩分低下および貧酸素水塊の縮小が生じたと考えられた。拡大については表層でのChl-aの増減や底層でのDIN、DIPの増加からみて有機物の分解による底層での酸素消費がより強く反映されたとみられる。夏季の渥美湾の底層では、水温の高さと有機物供給の多さにより酸素消費速度が大きく、貧酸素水塊形成がすみやかに進むことが示唆された。本研究海域は1970年代の大規模な埋め立てにより1200haの干渦・浅場が消失した海域であり、干渦・浅場の底生生物群集による懸濁物除去機能の喪失が底層への有機物供給増大と急激な貧酸素化に大きく影響していると考えられる。

河口および港内での定点観測において、DO濃度は無酸素状態から過飽和状態まで急激な変化をしており、夏季の浅海域の水質変化は東西方向の水塊移動の影響を大きく受けていることが示唆された。また、未解明な部分はあるが、港湾内に形成された大規模な貧酸素水塊が周辺海域に影響を及ぼしていることは否定できないことが明らかとなった。

## (3) アマモ場・アサリ漁場の水質浄化機能の解明に関する研究

2009年度、2010年度の冬季、2012年度の夏季から冬季までの観測結果と、当該海域を漁場とする漁業者からの聞き取り等も情報も加えると、三河湾のアマモ場は、基本的には多年生の生活史を呈すると考えられた。冬季において栄養株が消失した場合でも、2011年度夏季に観察されたように、実生株から地下茎を伸長させ、その結果として濃密なアマモ場が急速に回復し、夏季においても場所によっては維持され、冬季には栄養株として残存した。夏季に維持される条件としては、海水の濁りによる光合成阻害が生じないことであると推察された。したがって、このような場所においてアマモ場は夏季においても維持され、栄養塩を吸収し、貧酸素水塊発生抑制に寄与するものと考えられた。

三谷アマモ場における形成阻害要因として、最大シールズ数0.23を観測し、アマモ場の形成には厳しい環境条件で、波浪が形成阻害要因のひとつであった。それが消波堤により軽減され、その背後にアマモ場が維持されていると考えられた。アマモの残存機構は、シールズ数値より、地下茎を何らかのアンカー材に絡ませているものと考えられ、おそらく、アンカー材としては三河湾の主要水産物であるアサリ等の埋在性二枚貝類が寄与している
ものと予想された。海水の濁りに関しては、2011年夏季に消波堤背後海域で急激な衰退が認められたこと、同時期に同地点で海水の濁りによりアマモの光合成を行うに十分な光量が到達しなかったと考えられる期間が比較的長期に続いたことから、夏季における形成阻害要因となっていたと考えられる。しかしながら、近隣の開放域ではアマモ場は維持されていたことから、この海水の濁りよる光合成阻害を要因としたアマモ場の急激な衰退は、局所的な現象であったと推察される。開放性の高い海域であれば形成されたアマモ場は夏季においても維持され、栄養塩を吸収し、貧酸素水塊発生抑制に寄与するものと考えられる。なお、冬季においても比較的低い状況が観察されたことから、光合成阻害がこの時期の形成阻害要因として否定できない。

三河湾におけるアマモの生息適正水深は、本調査の結果、おおむね3m以浅であった。そこで、三河湾全体の海底地形から水深3m以浅の海域の分布を求めた結果、総面積55km²、うち東部9km²、西部46km²であった。三河湾における干潟面積は15.49km²、藻場面積は6.38km²となっている。アマモ場分布予想域の総面積は概算で全藻場面積の約8割、5km²と推定された。3m以浅で、アマモ場が形成されていないところが、人為的アマモ場造成手法適用可能な地点となる。一方、3m以浅海域分布図に、三河湾内に設定されているアサリ区画漁業権の範囲、および漁港の位置を重ね合わせ、さらに各漁港データにアサリ陸揚げ量を加えて検討した結果、三河湾内に分布する3m以浅海域はほとんど全てがアサリ漁場として利用されていることが推察された。

## (4) 赤潮、貧酸素水塊の発生抑制手法の提案に関する研究

再現性について、検討した結果、水温については、計算値と観測値は概ね整合した結果となり、7-8月の成層した水塊の状況から9月に混合していく様子が再現された。塩分については、表層は一部不一致も認められるものの、概ね河川流量に応じた変化を示しており、地点ごとの特徴が合理的に再現されていた。底層塩分については計算値が観測値よりも低い値で推移しているなど一部の不一致もみられたが、全体的に計算値は観測値と比較して概ね整合した結果となった。出水時においても、河川からの淡水が湾口に向かい拡散している様子が再現できた。

水質項目については、表層Chl-aや底層DOの再現性に一部不一致がみられたが、激しく変動する観測値に対して概ね季節傾向を捉えており、底層DOが低い時期にDINやPO_{4}-Pなどの栄養塩濃度が高く、また強風時に貧酸素水塊が解消されるなど、生態系要素の動態や地点ごとの特徴が合理的に再現された。

赤潮、貧酸素水塊抑制手法の一つとして、河川からの負荷量が半減することを仮定し、河川における栄養塩（DIN、PO_{4}-P）と有機物（POC、DOC）の負荷量を1/2に設定した。この条件変更以外は、再現シミュレーションと全く同様の計算条件として、2009年7月～9月までの計算を行った。計算結果では、出水時にDINの減少がみられ、その時期にChl-aやDOも減少している結果となった。また、出水時の変化分布によると、豊川河口においてChl-aは最大10 μg/L程度、梅田・柳生川河口において最大4 μg/L程度減少していた。また、アマモ場を含む干渦を、造成可能な場所で造成したシナリオで、同様のシミュレーションした結果、造成干渦域における懸濁物食者による有機懸濁物の除去および栄養塩排泄により、全体的にChl-aが減少し栄養塩が増加する結果となった。それらに伴い、底泥への有機物の沈降が減少するものと予測され、特に豊川河口付近でDOが増加する結果となった。また、出水時の変化分布によると、豊川河口においてChl-aは最大6 μg/L程度、梅田・柳生川河口において最大2 μg/L程度減少していた。これらの結果から、流域からの栄養塩流入負荷の削減と、アマモ場を含む干渦再生が、赤潮、貧酸素水塊の発生には有効であることがわかった。

### 5. 本研究により得られた主な成果

## (1) 科学的意義

降雨時の流出負荷を含めた年間の流出負荷量を精度高く算定する手法を確立し、梅田川に適用して算出することができた。また、これまで観測がなされていなかった、降雨時前後の水質変化について、降雨に伴う出水による栄養塩の供給、プランクトンの増殖、底層の貧酸素化現象を時系列的にとらえることができ、河川が流入する港湾域の貧酸素水塊と栄養塩濃度の状態を明らかにできた。アマモ場に関しては、これまでに単年生であるとされてきた三河湾東奥部のアマモ場が多年生の生活史を呈し、夏季の栄養塩浄化に寄与する可能性が高いことを明らかにできた。

コンパートメントモデルを用いて、水分流出モデルの各流出水の栄養塩濃度を推定する手法で、溶存態と懸濁態に分けた栄養塩流出モデルを構築することができた。この流出負荷モデルを三河湾の生態系モデルに組み込むことで、これまで困難であったChl-a濃度の再現が可能になった。開発した生態系モデルを用いて、負荷量の削減とアマモ場を含む干渦の造成効果を検討した結果、赤潮、貧酸素水塊の発生抑制に有効であることがわかった。

## (2) 環境政策への貢献
国土交通省中部地方整備局が事務局をしている伊勢湾再生会議において、本研究結果を受けて降雨時の流出負荷が重要との認識になり、伊勢湾流域陸域モニタリング計画の策定に本研究成果が貢献し、実際に伊勢湾に流入する一級河川での降雨時流出負荷調査が実施されている。

三河湾内の豊川河口域は、干潟の保全、アサリ漁場の確保、水質浄化機能の維持、港湾開発との両立など、近年の内湾環境問題を代表するいくつかの課題を有しており、伊勢湾再生会議でも重要な場所であると認識されている。三河湾東奥部のアマモ場の形成阻害要因が波浪であることを明らかにし、安価で容易なアマモ群落形成手法が適用できる可能性を示したこと、生態系シミュレーションモデルを用いて、負荷量の削減とアマモ場を含む干潟の造成が赤潮、貧酸素水塊の発生抑制に有効であることを示すことができ、伊勢湾再生推進会議において、「健全な伊勢湾」、「活力のある伊勢湾」を再生するための科学的裏付け根拠として利用する予定である。

### 6. 研究成果の主な発表状況

## (1) 主な誌上発表

## く査読付き論文>

1）陸 真姬、青木伸一、井上隆信、杉山佳幸：土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 66，No. 1，361-365（2010）

「エスチュアリー循環による河口浅海域への栄養塩輸送に関する研究」

2）青木伸一、矢部泰貴、Syamsidik、陸真姬、井上隆信：土木学会論文集B2（海岸工学），Vol. 67，No. 2，

## I \_356\-I\_360(2011)

「内湾河口部浅海域の夏期の水塊構造と流れの特性」

3) Yuk J.H. and S. Aoki: Proc. of the 34th IAHR World Congress, 1165 – 1171 (2011)

“Estuarine circulation and associated material transport in shallow waters around a river mouth”

4)田中康平、青木伸一、Ernawaty Rasul、井上隆信:土木学会論文集B2(海岸工学), Vol. 68, No. 2（採択済）(2012)

「河湾奥での貧酸素水塊の発達特性と港湾域の影響について」

## (2) 主な口頭発表 (学会等)

1）井上隆信、長屋圭治、横田久里子、氷見啓樹：第44回日本水環境学会年会（2010）

「栄養塩流出モデルを用いた豊川における発生源別年間流出負荷量の算定」

2) 横田久里子、井上隆信、堀之内陽子、対馬孝治、堀雅彦: 土木学会第65回年次学術講演会(2010)

「三河湾湾奥への河川からの栄養塩流出負荷の評価」

3) 堀雅彦、井上隆信、横田久里子、対馬孝治、堀之内陽子: 平成22年度土木学会中部支部研究発表会(2011)

「三河湾湾奥への河川からの栄養塩流出負荷」

4）近藤紘司、井上隆信、横田久里子:平成22年度土木学会中部支部研究発表会(2011)「三河湾における流入河川の懸濁態炭素と窒素の流出特性」

5）矢部泰貴、青木伸一:平成22年度土木学会中部支部研究発表会(2011)「豊川河口沖の水塊構造に関する研究」

6）森中悠真、横田久里子、井上隆信：第45回日本水環境学会年会(2011)

「梅田川流域における畑地からの栄養塩流出特性の解明」

「梅田川における栄養塩年間流出負荷量の算出」

8）東倉弘晃、井上隆信、横田久里子、長屋圭治：平成23年度土木学会中部支部研究発表会（2012）「梅田川における栄養塩流出モデルの開発」

9）田中康平、青木伸一、Ernawaty Rasul: 平成22年度土木学会中部支部研究発表会（2012）「三河湾湾奥部での貧酸素水塊の挙動に関する研究」

10）助川由宇、横田久里子、井上隆信、大久保陽子：第46回日本水環境学会年会（2012）

「愛知県豊橋市西ノ川への畑地からの栄養塩の流出」

12）大曾根佑弥、井上隆信、横田久里子、第46回日本水環境学会年会（2012）

「三河湾湾奥流域の栄養塩流出モデルによる汚濁負荷量の算定」

13) Ernawaty RASUL, Takanobu INOUE, Shinichi AOKI, Kuriko YOKOTA, The 46th annual Conference of
Japan Society on Water Environment (2012)

“Spatial distribution of nutrient in the eastern part of Mikawa Bay”

### 7. 研究者略壓

## 課題代表者:井上隆信

北海道大学大学院工学研究科修士課程修了、博士（工学）、現在、豊橋技術科学大学大学院工学研究科教授

## 研究参画者

## (1) :井上隆信（同上）

## (2) 1):青木 伸一

1957年生まれ、大阪大学大学院工学研究科博士前期課程修了、工学博士、大阪大学工学部助手、現在、豊橋技術科学大学大学院工学研究科教授

## 2 ): 森口 朗彦

1961年生まれ、北海道大学大学院工学研究科修士課程修了、博士（工学）、現在、（独）水産総合研究センター 水産工学研究所水産土木工学部主幹研究員

## 3 ): 奥田 仁志

1952年生まれ、名古屋大学工学部合成化学科卒業、愛知県職員、現在、愛知県環境調査センター東三河支所長

## 4 ): 柘植朝太郎

1984年生まれ、三重大学大学院生物資源学研究科博士前期課程修了、生物資源学修士、現在、愛知県水産試験場
（１）流域からの流入負荷機構の解明に関する研究

豊橋技術科学大學大學院工学研究科 井上隆信

愛知県環境調査センター東三河支所 奥田仁志

平成21～23年度累計予算額：12，030千円（うち、平成23年度予算額：3，801千円）予算額は、間接経費を含む。

[要旨] 降雨時には、平常時と比べて流量が増加するだけではなく栄養塩濃度も高くなることから、降雨時の栄養塩負荷量は多くなることがわかってきている。しかし、十分に流出負荷機構が解明されているわけではなく、内湾の生態系に与える影響を考えた場合、流入負荷量を正確に評価することは重要である。三河湾東奥部（渥美湾）に流入する河川では、一級河川の豊川の流量が多いが、栄養塩流入負荷では、梅田川、汐川、浜田川の比率が高いことを明らかにした。また、梅田川と浜田川を対象として、降雨時を含めた調査を実施し、年間の流出負荷量の算定を行い、流量の連続データが得られていない中小河川においても、降雨時の調査結果を用いて、降雨時を考慮した年間流出負荷量を算定した。伊勢湾の総量規制で用いられている点源のデータと面源の原単位から各河川の発生負荷量を算出し、流出負荷量と比較した。LQ式を用いて精度高く推計できた梅田川では、流出負荷量は、発生負荷量の窒素で3.8倍、リンで4.0倍となり、発生負荷量を大幅に上回った。また、発生負荷量は平水時の観測値から算定した流出負荷量とほぼ同程度の値となり、発生負荷量には降雨時の流出負荷が考慮されていないことがわかった。栄養塩流出負荷モデルに関しては、コンパートモデルを用いて、気象データ、土地利用データ、高度データを入力データとして、水分流出モデルを決定し、水分流出モデルの各流出水に栄養塩濃度を推定する式を付加することで、溶存態と懸濁態別に推計するモデルを構築した。このモデルを用いて、土地利用別の流出負荷量を算定したところ、梅田川流域では畑地等からの流出負荷の比率が高く、降雨量や降雨強度などによって異なるが、窒素で50%程度、リンでは70〜80%程度と見積もられた。

[キーワード] 流入负荷、降雨時、非特定汚染源、窒素、リン

### 1. はじめに

河川から内湾への栄養塩の流出負荷量は、降雨時に流量とともに濃度も高くなることから平水時と比べて大きくなる $ ^{1} $ 。内湾への流入負荷量の算定には、降雨時の流出負荷を精度よく求める必要があるが、降雨時の水質変化に関する研究例は少ない。また、非特定汚染源からの流出負荷が多いことも指摘されている $ ^{2} $ 。このため、降雨時も含めた観測事例を増やすとともに、降雨時の観測には多大な労力が必要なことから、降雨時の流出負荷も含めたシミュレーションモデルの開発も重要になる。また、降雨時に増大する栄養塩の排出源についても明らかにする必要がある。
## 2 ．研究開発目的

渥美湾への栄養塩の流出負荷が多い梅田川水系において、降雨時観測を実施し、降雨時の水質変化を明らかにする。これらの調査結果をもとにして、渥美湾に流入する栄養塩の年間流出負荷量を算定することと、降雨時も含めた栄養塩の濃度変化を再現可能なシミュレーションモデルの構築を行うことも目的とした。

## 3 ．研究開発方法

## (1) 河川からの栄養塩流出負荷調査

まず、渥美湾に流入するすべての38河川で定期調査を実施した。調査河川の流域を図(1)-1に示した。定期調査では、平水時に月1回の観測を行った。

定期調査の結果、流入負荷量が多かった梅田川（流域12）及びその支川である浜田川（流域11）を対象として、2010年と2011年に詳細調査を実施した。梅田川での降雨時調査は、2010年4月～10月の期間中に実施した。豊橋の日降雨量が10mmを越えるものをターゲットにし、降雨開始から降雨の影響がなくなるまでを1時間間隔で採水を行った。調査日に関しては表(1)-1に豊橋の降水量と共に示す。浜田川では、定期採水時調査を2009年5月～2011年7月の間、月1回の頻度で実施し、降雨時調査を2009年9月15日～16日（イベント1）、9月29日～30日（イベント2）、10月7日～8日（イベント3、台風時）、12月10日～12日（イベント4）、2010年10月29日～31日（イベント5、台風時）、12月13日～14日（イベント6）、2011年5月10日～13日（イベント7）、5月26日～30日（イベント8、台風時）、6月16日～17日（イベント9）および7月19日～21日（イベント10、台風時）の計10回実施した。

図(1)-1 定期調査対象河川の流域と流域番号

表(1)-1 梅田川降雨時調査の調査日 (2010年)

調査日	総降雨量(mm)
4/12～13	11.0
4/20～21	16.5
4/22～23	39.0
4/27～28	47.0
5/11～12	5.5
6/15～16	52.0
6/18～19	71.0
6/23～24	26.0
7/3～4	29.5
7/11～12	11.0
7/29	42.0
8/11～12	49.5
9/16～17	61.0
9/28～29	81.0
9/30～31	19.0
10/9～10	81.5
10/28～29	39.0
10/30～31	114.0