重金属は自然由来のほか、多種多様な産業、製品に使用されており、様々なルートで水系に流入します。流入した金属は水生生物にとって必須元素になる部分もありますが、多すぎれば毒性を発現し、水圏の生態系に影響を与えます。そのため金属の生態リスクの評価は重要な課題となります。
天然水中では金属は多種多様な形態で存在します。存在形態を分別することを「スペシエーション」といいます。または「存在形態」のことをスペシエーションと呼んだりもします。
フリーイオン以外にも、Cl–、OH–、CO32-、SO42-などと結合した無機錯体、水中の溶存有機物の一種であるフミン物質（フミン酸やフルボ酸）と結合した有機錯体、懸濁物質の表面に吸着した状態、藻類の体内に取り込まれている状態など、様々な状態で存在しています。
なぜ金属スペシエーションが重要かというと、水生生物による金属の生物利用性はその存在形態に依存するからです。フリーイオンや無機錯体など、無機態の金属はそのまま藻類が取り込むことができますが、水中の溶存有機物と錯形成したものはそのまま取り込むことができません。よって生物への影響の程度はトータルの濃度ではなく、無機態の金属濃度に依存します。このような考え方をFree Ion Activity Modelといいます。
次に、金属の毒性メカニズム（動物）を以下に挙げます。魚、甲殻類に対する急性毒性のメカニズムは、まずえらの表面または内部に重金属イオン（Me2+）が吸着し、えらからのCa2+の取込みが阻害され、血液中のCaが致死レベルまで減少することによる、と考えられています。つまり、えら表面に吸着する重金属の量が重要になり、その吸着量はえら表面の金属結合サイト（Biotic Ligand）における、金属イオンと水素イオンやカルシウムイオンの競合によって決まる、という考え方がBiotic Ligand Modelです。
このようなスペシエーションを考慮した生態リスク評価法の開発を行っています。
解説：
永井孝志 (2011)
環境水中重金属のスペシエーションと生物利用性
日本環境毒性学会誌, 14(1), 13-23
論文：
Nagai T, De Schamphelaere KAC (2016)
The effect of binary mixtures of zinc, copper, cadmium, and nickel on the growth of the freshwater diatom Navicula pelliculosa and comparison with mixture toxicity model predictions
Environmental Toxicology and Chemistry, 35(11), 2765-2773
永井孝志、加茂将史 (2014)
藻類に対する金属複合毒性のモデリング：Biotic Ligand Model, 濃度加算, 独立作用の比較
環境毒性学会誌, 17(2), 57-68
Kamo M, Nagai T (2008)
An application of biotic ligand model to predict the toxic effects of metal mixtures
Environmental Toxicology and Chemistry, 27(7), 1479-1487
論文：
永井孝志, 恒見清孝, 川本朱美 (2007)
河川水中における重金属類のスペシエーション：Diffusive Gradients in Thin-films法による分析と化学平衡モデルによる推定
陸水学雑誌, 68(3), 391-401
これまでに霞ヶ浦における鉄の存在形態を明らかにしました。結果、藻類が直接利用可能な無機態の鉄の濃度を定量することに湖水において始めて成功し、その濃度が外洋と同程度に低いことを発見しました。
論文：
Nagai T, Imai A, Matsushige K, Yokoi K, Fukushima T (2008)
Short-term temporal variations in iron concentration and speciation in a canal during a summer algal bloom
Aquatic Sciences, 70(4), 388-396
Nagai T, Imai A, Matsushige K, Yokoi K, Fukushima T (2007)
Dissolved iron and its speciation in a shallow eutrophic lake and its inflowing rivers
Water Research, 41(4), 775-784
Nagai T, Imai A, Matsushige K, Yokoi K, Fukushima T (2004)
Voltammetric determination of dissolved iron and its speciation in freshwater
Limnology 5(2), 87-94
天然水中では金属は多種多様な形態で存在します。存在形態を分別することを「スペシエーション」といいます。または「存在形態」のことをスペシエーションと呼んだりもします。
フリーイオン以外にも、Cl–、OH–、CO32-、SO42-などと結合した無機錯体、水中の溶存有機物の一種であるフミン物質（フミン酸やフルボ酸）と結合した有機錯体、懸濁物質の表面に吸着した状態、藻類の体内に取り込まれている状態など、様々な状態で存在しています。
なぜ金属スペシエーションが重要かというと、水生生物による金属の生物利用性はその存在形態に依存するからです。フリーイオンや無機錯体など、無機態の金属はそのまま藻類が取り込むことができますが、水中の溶存有機物と錯形成したものはそのまま取り込むことができません。よって生物への影響の程度はトータルの濃度ではなく、無機態の金属濃度に依存します。このような考え方をFree Ion Activity Modelといいます。
次に、金属の毒性メカニズム（動物）を以下に挙げます。魚、甲殻類に対する急性毒性のメカニズムは、まずえらの表面または内部に重金属イオン（Me2+）が吸着し、えらからのCa2+の取込みが阻害され、血液中のCaが致死レベルまで減少することによる、と考えられています。つまり、えら表面に吸着する重金属の量が重要になり、その吸着量はえら表面の金属結合サイト（Biotic Ligand）における、金属イオンと水素イオンやカルシウムイオンの競合によって決まる、という考え方がBiotic Ligand Modelです。
このようなスペシエーションを考慮した生態リスク評価法の開発を行っています。
解説：
永井孝志 (2011)
環境水中重金属のスペシエーションと生物利用性
日本環境毒性学会誌, 14(1), 13-23
複合影響
Biotic Ligand Modelを応用した金属の複合影響の評価法を開発しました。論文：
Nagai T, De Schamphelaere KAC (2016)
The effect of binary mixtures of zinc, copper, cadmium, and nickel on the growth of the freshwater diatom Navicula pelliculosa and comparison with mixture toxicity model predictions
Environmental Toxicology and Chemistry, 35(11), 2765-2773
永井孝志、加茂将史 (2014)
藻類に対する金属複合毒性のモデリング：Biotic Ligand Model, 濃度加算, 独立作用の比較
環境毒性学会誌, 17(2), 57-68
Kamo M, Nagai T (2008)
An application of biotic ligand model to predict the toxic effects of metal mixtures
Environmental Toxicology and Chemistry, 27(7), 1479-1487
重金属のスペシエーション
水中の金属スペシエーションを分析したりモデルで推定したりしました。論文：
永井孝志, 恒見清孝, 川本朱美 (2007)
河川水中における重金属類のスペシエーション：Diffusive Gradients in Thin-films法による分析と化学平衡モデルによる推定
陸水学雑誌, 68(3), 391-401
溶存鉄のスペシエーション
霞ヶ浦ではかつてのようなアオコ（Microcystisという藻類の異常増殖）が見られなくなりました。その原因の一つとして鉄仮説に注目しました。人間も鉄不足になりますが、藻類もまた鉄不足で増殖できなくなっているのではないか、というものです。鉄はすべての植物プランクトンにとって必須元素であり、外洋などでは枯渇しやすいことが知られています。鉄は水にとても溶けにくいものです。通常鉄（三価）は純水には0.00000001g/Lしか溶けられません。非常に少ない鉄を争って藻類の種の間で競争が起きているのではないかと考えられました。実際に湖水に鉄を加えるとMicrocystisの増殖が大きくなるという実験結果が得られました。また霞ヶ浦の溶存鉄濃度は減る傾向を示しています。これまでに霞ヶ浦における鉄の存在形態を明らかにしました。結果、藻類が直接利用可能な無機態の鉄の濃度を定量することに湖水において始めて成功し、その濃度が外洋と同程度に低いことを発見しました。
論文：
Nagai T, Imai A, Matsushige K, Yokoi K, Fukushima T (2008)
Short-term temporal variations in iron concentration and speciation in a canal during a summer algal bloom
Aquatic Sciences, 70(4), 388-396
Nagai T, Imai A, Matsushige K, Yokoi K, Fukushima T (2007)
Dissolved iron and its speciation in a shallow eutrophic lake and its inflowing rivers
Water Research, 41(4), 775-784
Nagai T, Imai A, Matsushige K, Yokoi K, Fukushima T (2004)
Voltammetric determination of dissolved iron and its speciation in freshwater
Limnology 5(2), 87-94