JAMSTEC|海洋研究開発機構|ジャムステック

トップページ > プレスリリース > 詳細

プレスリリース

2022年 10月 26日
国立研究開発法人海洋研究開発機構

二枚貝類が鰓(エラ)からマイクロプラスチックを取り込むことを確認
~貪食作用により細胞へ取り込む新たな汚染経路~

1. 発表のポイント

共生細菌に栄養依存する限定的摂食性(※1)の深海性二枚貝シンカイヒバリガイの鰓にマイクロプラスチック(以下MP)(※2)を曝露する実験を行い、貪食作用(※3)によって細胞内に取り込まれることを明らかにした。
浅海性のミドリイガイでも同様に鰓細胞の貪食によるMP取り込みの現象が観察された。
二枚貝イガイ類が経口摂取だけでなく体表面からもプラスチックを取り込んでしまう事実を提供し、海洋生物におけるプラスチックの汚染経路はより複雑であることを示した。

【用語解説】

※1
限定的摂食性:深海熱水域や湧水域に棲むシンカイヒバリガイ類は、鰓に共生する細菌に栄養を依存するため、食物を摂ることは無いもしくはとても限定的と考えられています。
※2
マイクロプラスチック:一般に、直径5ミリメートル以下のプラスチック粒子をマイクロプラスチックと呼びます。
※3
貪食:細胞が、微生物や異物など直径0.5マイクロメートル(1マイクロメートルは1/1000ミリメートル)以上の微粒子を、食胞といわれる生体膜からなる細胞内の小胞に包み込む現象。

2. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構(理事長 大和裕幸、以下「JAMSTEC」という。)地球環境部門 海洋生物環境影響研究センター 海洋プラスチック動態研究グループの生田哲朗副主任研究員らは、相模湾初島沖深海域(水深約900m)で採取したシンカイヒバリガイ(Bathymodiolus japonicus)および相模湾油壺沿岸で採取した浅海性ミドリイガイ(Perna viridis)(いずれも二枚貝イガイ類)の鰓細胞が、貪食作用によってMP粒子を細胞内に取り込むことを明らかにし、海洋生物の新たなプラスチック汚染経路を示しました。

世界中の海でプラスチック粒子濃度が増加していることが明らかになりつつあり、海洋生態系への影響が懸念されています。プラスチック粒子は、海洋生物に対して様々な化学的、物理的、生理的影響を与えることが危惧されています1。大型プラスチックの劣化などで生じる微細なプラスチック粒子ですが、近年、二枚貝類は経口摂取だけでなく、体表からも体内に入ることが示唆されていたものの2、研究例は少なく、その仕組みはよくわかっていませんでした。

本研究では、シンカイヒバリガイの鰓に蛍光標識したMPを曝露する実験を行い、優先的に取り込む鰓の細胞の種類を特定するとともに、貪食阻害剤による抑制効果の検証と詳細な組織観察から、取り込みが貪食作用によることを明らかにしました。また、浅海性のイガイ類においても同じ観察結果が得られ、深海性二枚貝に特有では無いことも明らかにしました。

本成果は、海洋生物におけるプラスチックの汚染経路が複雑であり、シンカイヒバリガイのような、限定的摂食性生物においてもMP汚染が無視できない問題であることを提示しました。また、二枚貝だけでなく多くの海洋生物で体表から汚染することを踏まえる必要性も示唆しており、海洋生物への影響評価に貢献するものと期待されます。今後は、取り込まれたMPによる生体への影響や、異なる材質やサイズの粒子による評価、他器官から取り込む可能性などを更に調べていく予定です。

本成果は、「Frontiers in Marine Science(オープンアクセス)」に10月26日付け(日本時間)で掲載される予定です。

タイトル:
Microplastic particles are phagocytosed in gill cells of deep-sea and coastal mussels
DOI:
10.3389/fmars.2022.1034950
著者:
生田哲朗1、多米晃裕2、髙橋朋子1、野牧秀隆1、中嶋亮太1
所属:
1.国立研究開発法人海洋研究開発機構、2.マリンワーク・ジャパン

なお、この事業の成果の一部は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託業務の結果得られたものです。

3. 背景

プラスチックは、便利で耐久性があり、安価に製造できるため、現在、人間生活のあらゆる場面で使用されています。しかし、使用後に適切に処理されず、環境中に流出してしまうことも少なくありません。環境中に流出したプラスチックの多くは、最終的には海に流れ着きます。環境中に出たプラスチック廃棄物は、海岸の波や紫外線など様々な影響を受けて微細化し、マイクロプラスチックとなっていきます。また、一部のスクラブ剤は非常に小さなプラスチック粒子で製造されており、そのほとんどが排水を通じて海に流れ出ています。プラスチック粒子は環境からの回収が難しく、また自然分解しにくいため、環境中に長期間にわたって残留すると考えられています。このようなプラスチック粒子の量は世界中の海で増加しており、海洋生態系や人間の健康への影響が懸念されています3。JAMSTECでは、「地球環境変動と人間活動が生物多様性に与える影響評価」を現中長期計画に掲げ、海洋プラスチック汚染の現状や影響に関する研究を進めています。

プラスチック粒子は、生物の体内に摂取されると、プラスチックに含まれる添加剤や付着した汚染物質による化学的影響や、異物としての物理的影響をもたらす可能性があるとされています1。こうした知見の多くは、海洋生物が誤食によって口から摂取したプラスチックを対象とした研究から得られたものです。誤食されたプラスチック粒子が、消化管から循環系やその他の器官に移行する現象も見つかっており、それには消化管の細胞による貪食作用という仕組みが働くとされています4。一方、二枚貝では、プラスチック粒子が体表を介して体内に入ることを示唆する報告があります2。しかし、どのように体表からプラスチック粒子が取り込まれるのか、その仕組みはよく分かっていませんでした。

一般に濾過摂食者である二枚貝は、鰓を用いて大量の海水を濾過するため、食物だけでなくMPを含む大量の海水中の粒子が鰓の表面を通り、鰓細胞の運動によって消化器官に運ばれます。一方、シンカイヒバリガイ類などの深海性二枚貝類は、呼吸のために鰓による海水の濾過は行う一方で、生存に必要な栄養は鰓に共生する細菌に依存しているため、摂食は行わないあるいは非常に限定的とされています。しかし、海洋プラスチック粒子の多くは最終的には深海に行き着くとされており、摂食が限定的であっても、こうした固有性が高く脆弱な生態系に棲む生物がプラスチックの汚染の影響を受ける可能性があるかどうか検証することは非常に重要です。

図1

図1 シンカイヒバリガイの深海での生息状況と鰓。(A)相模湾初島沖のシンカイヒバリガイコロニー。深度約900メートル。シンカイヒバリガイ(B. japonicus)とヘイトウシンカイヒバリガイ(B. platifrons)の2種が混在している。(B)採取したシンカイヒバリガイ。(C)殻を開いたところ。褐色に見えるのが鰓。

そこで研究グループは、摂食が限定的な深海性二枚貝でも、鰓の細胞が貪食作用によってMPを取り込むという仮説を立てました。これを確かめ、海洋生態系におけるプラスチック汚染の広がりを理解するために、シンカイヒバリガイ類を用いて、鰓の細胞が細胞表面からMPを取り込むのか、そして取り込むならその仕組みについて、生理学的および組織学的な解析を行いました。また比較のために、海洋プラスチック汚染の指標生物として広く用いられている浅海性のイガイ類でも同様の観察を行いました。

4. 成果

実験に使用したシンカイヒバリガイは有人潜水調査船「しんかい6500」(母船「よこすか」)および無人探査機「ハイパードルフィン」(母船「新青丸」)を用いて、相模湾初島沖深海域(水深約900m)で採取しました。曝露実験は、MPの取り込みの現象を確実に捉えるため、自然環境で想定されるプラスチック粒子濃度よりはるかに高い1×108粒子/mLという濃度で行いました。シンカイヒバリガイの鰓を切り出し、MPとして緑色の蛍光標識をした直径1マイクロメートル(=1/1000ミリメートル)のポリスチレンビーズとともに24時間培養し、固定後樹脂切片を作成して顕微鏡下で観察しました。

本研究では鰓の細胞を7種類に分類して観察しましたが、曝露したMPはその中で前面鰓細胞(frontal cell)と言われる、鰓の表面側に位置する細胞に多く取り込まれていることがわかりました。過去に行われた、細菌をシンカイヒバリガイの鰓に曝露する実験では、曝露した細菌は、細菌の種類や生死に関係なく、共生細菌を保有する細胞やその間を埋める介在細胞に多く取り込まれ、前面鰓細胞では少なかったことが報告されています5。この違いは、シンカイヒバリガイでは体外にある粒子に対して、プラスチックと細菌で認識の違いがあることを示唆しており、プラスチック粒子あるいは共生細菌取り込みの仕組みの理解を深めるためには、今後さらなる研究が必要です。

図2

図2 シンカイヒバリガイ鰓の7種の細胞種におけるMPの取り込み。(A)鰓の横断面の模式図。緑色の四角はB、E、H、K、Nに示した領域を示す。(B-P)細胞内へのMPの取り込みを示す蛍光顕微鏡と明視野顕微鏡画像。蛍光画像では、ヨウ化プロピジウムで染色した赤色シグナル(核と共生細菌の強い染色と細胞質の弱い染色)とMPの緑色シグナルを重ねてある。緑と白の矢印は、それぞれMPと共生細菌を示す。B、E、H、K、Nの白い四角は、その下に示した拡大蛍光像および明視野像の位置に対応する。スケールバーはB、E、H、K、Nでは10マイクロメートル、その下の拡大図では5マイクロメートル。(Q)各細胞種における、取り込まれたMPの総数に対する割合の平均値を示す。前:前面鰓細胞、介:介在細胞、菌:共生細菌保細胞、繊:繊毛接合部細胞、血:血球、泌:分泌細胞、後:後面鰓細胞。*は細胞種間の有意差(p<0.05)を示し、エラーバーは標準偏差を表す(n=3)。

次に、観察されたMPの取り込みが貪食作用によるものかどうかを確かめるために、2種類の貪食作用の阻害試薬(ワートマニンとラトランクリンA)を鰓とMPに混ぜて24時間培養する実験を行いました。固定後切片を作成して顕微鏡下で取り込まれたMPの数を各実験条件で数えたところ、2種の試薬が共に、MPの取り込みに対して抑制効果があることが示されました。続いて、蛍光観察でMPの取り込みが観察された細胞について、走査型電子顕微鏡で詳細な組織観察を行ったところ、MPは生体膜からなる小胞に包まれていることがわかりました。これらの細胞生理学的実験および微細な組織観察の結果は、MPが鰓表面から貪食作用によって細胞内へ取り込まれたことを示しています。

さらに、同様の曝露実験を浅海性のミドリイガイの鰓で行い、蛍光顕微鏡と電子顕微鏡の連続観察を行ったところ、シンカイヒバリガイと同じように、細胞内に取り込まれたMPが小胞に包まれていることが確認されました。これらから、深海性および浅海性二枚貝類は貪食作用で体表からMPを細胞内に取り込むことが示されました。本研究は、二枚貝の鰓細胞でMP粒子が貪食されることを生理学的、組織学的に細胞レベルで証明した初めての研究となります。

図3

図3 鰓の細胞によるMPの貪食の細胞生理学的および組織学的検証。(A,B)鰓の細胞によるMP取り込みに対する貪食作用阻害剤:ワートマニンおよびラトランクリンAの効果。MPを24時間曝露し、2つの濃度の阻害剤で同時に処理した後、細胞内に取り込まれたMPの数を対照群(阻害剤なし)と比較した。*は対照群に対する有意差を示し(<0.05)、エラーバーは標準偏差を表す(n=3)。(C-E)蛍光顕微鏡と走査型電子顕微鏡(SEM)による、鰓細胞内に取り込まれたMPの連続観察。緑の矢頭は取り込まれたMPを示す。(C,D)シンカイヒバリガイ、(E)ミドリイガイ。(C)蛍光顕微鏡像とSEM像を重ねた画像。挿入図は、同じ領域のMPの拡大画像。(D)SEMによるMPの高倍率画像。MPは膜小胞(赤矢頭)に包まれている。(E)ミドリイガイ鰓組織の赤蛍光とMPの緑色蛍光および、同じ領域のSEM像を重ねた画像。挿入図は、SEMによるMPの拡大画像。MPは膜小胞(赤矢頭)に包まれている。スケールバーは、CとEでは10マイクロメートル、Cの挿入図では5マイクロメートル、DとEの挿入図では0.5マイクロメートル。

5. 今後の展望

今回の曝露実験では、自然界で想定されるよりもかなり高濃度のMPを用いており、実際の汚染がどの程度の量になると、今回見られた貪食作用が二枚貝類に悪影響を及ぼすのかはまだわかっていません。これについては、今後継続して調べていく予定です。

日本近海以外にも、比較的人口密度の高い地域の近くに熱水噴出域や湧水域は分布しており、今回の結果は、それらに棲む固有性が高く脆弱な生態系の生物が、たとえ非摂食性であっても汚染を受ける可能性に警鐘を鳴らすものです。

昨年、同研究グループでは、本研究と同じ相模湾初島沖で採集されたシンカイヒバリガイにおいて残留性有機汚染物質が検出されたことを報告しており(2021年11月22日既報6、体表経由のプラスチック汚染との関係を調べることも重要と考えています。

また、細胞による外部粒子の取り込みは、貪食作用の他にも、対象粒子の材質や表面の化学的・物理的状態、サイズなどによって様々な過程があることが知られており、海洋生物の体表からプラスチック粒子を取り込む仕組みをより深く理解するためには、今後は様々な粒子材料とサイズを用いた研究が必要と考えています。

さらに、今回は鰓表面からMPを取り込む仕組みについて調べましたが、体外と接する他の器官(外套膜や足など)でも取り込みがあるかどうかはまだわかっておらず、これについても今後の課題と考えています。

一方、今回の研究成果は、プラスチック汚染を軽減するための新規生分解性素材開発などにおいても、分解過程でMP粒子が生じないような素材づくりを目指すことの重要性も示しており、こうした研究も今後JAMSTECで進めていきたいと考えています。

引用文献

1
Amelia, T. S. M. et al. Prog. Earth Planet. Sci. 8, (2021).
2
Al-Sid-Cheikh, M. et al. Environ. Sci. Technol. 52, 14480–14486(2018).
3
Wayman, C. et al. Environ. Sci.: Process. Impacts 23, 198–212(2021).
4
Triebskorn, R. et al. TrAC - Trends Anal. Chem. 110, 375–392(2019).
5
Tame, A. et al. R. Soc. Open. Sci. 9, 211384(2022).
6
Ikuta, T. et al. Front. Mar. Sci. 8, 1735(2021).
国立研究開発法人海洋研究開発機構
(本研究について)
地球環境部門 海洋生物環境影響研究センター 海洋プラスチック動態研究グループ
副主任研究員 生田 哲朗
(報道担当)
海洋科学技術戦略部 報道室
お問い合わせフォーム