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ISSN : 1226-9999(Print)
ISSN : 2287-7851(Online)
Korean J. Environ. Biol. Vol.32 No.1 pp.49-57
DOI : https://doi.org/10.11626/KJEB.2014.32.1.049

Microstructure of Spider Booklung as Bio-indicator for Monitoring Environmental Asbestos Exposure

Chang-Mo Kim2, Myung-Jin Moon2*
1Seoul Metropolitan Government Research Institute of Public Health and Environment
2Department of Biological Sciences, Dankook University, Cheonan 330-714, Korea
Corresponding author : Myung-Jin Moon, Tel. 041-550-3445, Fax. 041-550-3409, E-mail.moonmj@dankook.ac.kr
January 3, 2014 February 27, 2014 February 28, 2014

Abstract

Orb-web spiders can be considered as an effective bio-indicative animal to monitor the ecological air pollution of certain habitat since they have limited shifting ability during their life spans. In this study we revealed the fine structural characteristics of booklung in the orb-web spider Nephila clavata, and its bio-indicative significance in the monitoring environmental asbestos exposure. The high resolution scanning electron microscopy results suggest that the cuticular spikes near the atrium could be act as an effective filtering structure for dust materials. Furthermore, inner cuticular spikes which protruded across the air sacs, have the functions not only sustaining appropriate respiratory volume of each air sac but also help to enhance respiratory capacity by maximizing the gross surface area for gas exchange. Interestingly, in spite of short exposure, the asbestose fibrils were effectively captured on the surface of the atrial cuticular spikes. Furthermore, histologic damages were observed due to penetration of asbestos fibrils through air sacs and fixed on the hemolymph space. In addition, although accumulated mass of hemocytes were observed near the fibrils, there were no asbestos bodies or coagulated hemocytes were found on the surface of the fibrils, This could be mainly due to the short exposure period towards asbestos. Briefly, these results indicate the spider’s booklung could be valuable tool in the detection ecological air pollutants.


거미 서폐의 미세구조와 석면노출 환경의 모니터링을 위한 생물지표적 유용성 평가에 관한 연구

김 창모2, 문 명진2*
11서울특별시 보건환경연구원
2단국대학교 자연과학대학 생명과학과

초록


    서 론

    거미류의 호흡기는 한 쌍의 서폐(책허파, booklung)와 기관계(tracheal system)로 이루어져 있는데(Foelix 2011), 서폐는 고등한 척추동물의 호흡방식과 상당히 유사한 호흡체계를 가지고 있는 것으로 알려져 있다(Anderson and Prestwich 1982). 거미류의 서폐에 대한 연구는 주로 서폐의 호흡율에 관한 생리학적인 측면(Humphreys 1977; Mcqueen 1980; Herreid et al. 1981; Anderson and Prestwich 1982)이나 호흡기전(Moore 1976; Hill 1977), 그리고 형 태계측학적인 연구를 통하여 체중과 크기에 따른 서폐 의 호흡 효율을 분석한 연구 (Anderson and Prestwich 1980; Strazny and Perry 1984; Reisinger et al. 1990) 등이 있으며, 국내에서는 유일하게 Lim and Moon (1994)에 의 해 별늑대거미(Pardosa astrigera)의 서폐 구조에 대한 연구가 수행된 바 있다.

    석면 섬유(asbestos fiber)는 인간의 폐에 중피종(mesotheliomas) 과 같은 유해한 암을 일으키는 물질로 널리 알 려져 있기 때문에(Manning et al. 2002; Abratt et al. 2004), 석면에 노출되었을 때 이에 대한 건강 위해성 평가나 공중보건적인 관점에서 주목을 받고 있는 연구 분야이 다. 일반적으로 석면 등과 같은 미세섬유 노출에 대한 평가는 노출된 인간의 폐를 직접적으로 조사하는 임상 적 방법이 확립되어 있으며, 개, 양 및 소와 같은 감시자 동물(sentinel animal)을 이용한 간접적인 생물학적 평가 법도 활용되고 있다 (Backer et al. 2001; DeNardo et al. 2004; Fornero et al. 2009).

    인간의 건강에 영향을 미칠 수 있는 여러 환경적 요 인을 모니터링하는 평가방법의 하나로 오래전부터 여러 종류의 환경감시 생물들이 널리 사용되어 왔다. 대표적 인 예가 석탄을 채굴하는 광산에서 일산화탄소의 농도 를 감지하기 위하여 조류인 카나리아를 사용한 것이다 (van der Schalie et al. 1999). 이러한 생물학적 평가 방법 은 인간과 감시자 동물의 독성학적 메커니즘에 대한 깊 은 인식이 부족하다는 지적에도 불구하고, 인간의 건강 이나 생명을 위협하는 환경 독성물질을 감시하는 방법 으로 널리 사용되어 왔다. 현재도 환경오염이 발생한 지 역에 서식하는 야생동물의 치사율이나 특정 동물의 종양 발생율 등에 대한 모니터링 데이터를 평가 도구로 널리 활용하고 있는 실정이다(Backer et al. 2001; DeNardo et al. 2004).

    일반적으로 인간이나 동물의 생체 조직에 함유된 석 면 섬유와 같은 미세한 무기 섬유를 확인하고 평가하는 방법으로는 고해상도의 주사전자현미경(SEM)이나 투과 전자현미경(TEM)이 활용되고 있다. 특히 주사전자현미 경을 이용한 환경유해성 평가법(SEM-EDS)이 보다 광 범위한 영역을 관찰할 수 있다는 장점으로 인해 투과전 자현미경을 이용한 평가법(TEM-EDS)에 비해 통계적인 신뢰도가 높은 것으로 평가되고 있다. 실제로, 방목하는 소나 야생동물의 폐 조직을 검사하여 백석면이나 트레몰 라이트와 같은 석면의 노출을 확인한 연구(Belluso et al. 2006)도 SEM-EDS 방법을 이용한 사례 중의 하나이다.

    거미는 곤충과 함께 현재 지구상에서 가장 번성한 절 지동물로 서식지의 범위가 매우 다양하고(Foelix 2011), 생활사가 짧으며 채집이 용이하기 때문에 중금속으로 오염된 지역에서 지표생물로 활용한 연구 사례가 이미 보고된 바 있다(Wilczek et al. 2004). 특히 정주성 거미 류의 경우 타 서식지로의 이동이 거의 없는 특성으로 인해, 특정 유해환경에 노출된 서식지의 환경을 감시할 수 있는 지표생물로서의 역할이 매우 기대된다. 국내에 서도 석면 노출에 의한 환경오염의 심각성이 널리 알려 져 있기 때문에, 특정 환경에서 석면 섬유의 노출을 모 니터링할 수 있는 정확하고도 효율적인 평가방법의 확 립이 절실한 실정이다. 그러나 거미의 서폐를 생물 지표 적 관점에서 활용하려는 연구는 현재까지 전혀 시도된 바 없는 실정이다.

    따라서 본 연구는 특정 환경에 지속적으로 노출된 정 주성 거미류가 그 서식환경의 유해성을 대변하는 생물 지표종으로서의 기능을 수행할 수 있을 것이라는 가설 을 토대로, 우선 호흡기를 통해 유입되는 환경 유해물질 에 대한 감시자의 역할에 주목하였다. 그 결과, 서폐라는 효율적인 호흡기를 지닌 거미류의 해부학적 체계가 척 추동물과 매우 유사하여 공기와 함께 서폐로 유입된 미 세 석면 섬유의 존재를 좀더 정밀하고 효율적으로 식별 할 수 있다는 장점을 가지고 있음이 본 연구를 통해 확 인되었다.

    또한, 거미류의 서식환경이 인간이 활동하는 생태환경 과 공유되고 있고, 서식 범위가 넓어 매우 광범위한 지 역에서 서식한다는 측면에서(Foelix 2011), 거미류는 환 경지표생물로 활용될 수 있는 가능성을 지닌 매우 매력 적인 생명체인 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 석면 섬유에 노출된 거미의 서폐 미세구조를 관찰하고, 그 결과를 토대로 석면 섬유와 같은 환경 유해물질의 모니터링에 활용할 수 있는 생물지표로서의 가능성에 대해 논의하였다.

    재료 및 방법

    본 실험에 사용된 거미는 충남 천안시 안서동 소재 단 국대학교 천안캠퍼스 주변에서 채집한 무당거미(Nephila clavata L. Koch)의 암컷을 실험재료로 사용하였다. 포획 된 무당거미는 목재로 제작한 1m3 크기의 밀폐된 사육 조 속으로 옮겨 안정화시키고, 둥근 그물을 칠 때까지 기다린 후, 일부는 미세구조 관찰을 위한 시료로 선별하 였으며, 일부는 석면 섬유에 대한 노출 실험을 진행하였 다. 정상적인 호흡과정에서 거미가 석면 섬유에 노출될 수 있도록 평균 입자 크기가 3~20 μm인 청석면(crocidolite) 분말 500 mg을 밀폐된 사육조 속에 위치시키고, 내부에 설치한 가정용 소형 선풍기를 이용하여 저속에 서 15분간 3회에 걸쳐 내부공기를 강제 순환시켜 인위 적인 석면노출을 시도하였다.

    미세구조 관찰을 위한 시료와 석면에 노출된 시료는 이 산화탄소로 마취시켜 희생시킨 다음, 해부현미경 하에서 거미 생리식염용액(spider Ringer’s solution: 160 mM NaCl, 7.5 mM KCl, 4 mM CaCl2, 1 mM MgCl2, 4 mM NaHCO3, 20 mM glucose, pH 7.4) (Groome et al. 1991)을 사용하여 해부를 실시하였다. 적출된 한 쌍의 서폐는 주사전자현 미경적 관찰을 위해 0.1 M phosphate buffer (4°C, pH 7.4) 로 완충시킨 2.5% paraformaldehyde-glutaraldehyde 혼합 용액(Karnovsky 1965)으로 전고정(prefixation)한 후, 동 일 완충용액으로 3회 수세하였다. 이어서 수세된 시료는 1% osmium tetroxide 용액으로 후고정 (postfixation)한 후, 동일 완충용액을 사용하여 충분히 세척하였다.

    고정이 끝난 시료는 ethanol 농도 상승(30%, 50%, 70%, 90%, 95%, 100%) 순서로 처리하여 탈수하였으며, 탈수 된 시료는 hexamethyldisilazane (HMDS) 용액으로 처리 한 다음, 실온에서 자연 건조 처리하였다. 건조가 끝난 서폐는 전하의 하전을 방지하기 위하여 카본 테이프 위 에 고정시키고, Hitachi E-1030 sputter coater (Hitachi Co., Japan)를 사용하여 약 20 nm 두께의 platinum-palladium 합금으로 도금하였다.

    처리가 완료된 시료는 Hitachi S-2500 (Hitachi Co., Japan) 주사전자현미경으로 5kV의 가속전압과 16~17mm 의 작동거리(working distance, WD) 및 이차전자(secondary electrons) 수신 방식으로 검출 신호를 설정하여 관찰 하였으며, 촬영된 이미지들은 디지털 파일의 형태로 화 상 처리하여 분석에 사용하였다. 한편, 청석면의 일반적 인 형태는 투과전자현미경의 STEM(scanning transmission electron microscope) 모드를 이용하여 카본 코팅된 그리 드(grid) 표면에서 관찰하였다.

    결 과

    무당거미의 서폐는 한 쌍으로 복부마디의 측면에 위 치하고 있으며, 해부현미경하에서 적출한 서폐는 백색을 띠고 있었다. 서폐는 마치 낱장들이 포개져 만들어진 책 처럼 판상의 층상구조(lamellar structure)를 이루고 있었 다(Fig. 1A). 표피와 연결된 최외곽부는 얇은 큐티클성 차폐막(shield-like cover)에 의해 덮여 있었고, 가장자리 를 따라서 형성된 좁은 폐문(lung slit)을 통해 체외로 개구되어 있었다(Fig. 1B). 외기와 접하는 서폐의 표면에 는 공기가 유입되는 기공(atrium)이 길게 중첩되어 있었 고, 그 기공 속으로는 기낭(air sac)이 형성되어 있었는데, 혈림프 유동공간에 의해 포위된 기낭의 벽을 통해 기체 의 교환이 일어남을 확인할 수 있었다(Fig. 1C).

    한편, 복강 속으로 연결되어 체내의 혈림프와 접하고 있는 서폐의 표면에는 기낭의 벽면을 경계로 형성된 혈 림프 공간(hemolymph space)이 조밀하게 중첩된 형태로 관찰되었다. 혈림프가 유입되는 개구부에는 다양한 종류 의 혈구(hemocytes)가 분포되어 이곳이 혈림프의 유동 공간임을 확인할 수 있었으며, 공기의 통로가 되는 반대 쪽의 기공 표면과 명확히 구분되었다(Fig. 1D). 혈림프 유동 공간에서는 상하의 벽면을 수직으로 연결한 피하 연접(hypodermal bridge) 구조가 약 100 μm의 간격으로 형성되어 있음이 확인되었다(Fig. 1E, F).

    층상구조를 이룬 판상의 기낭들은 중첩 배열되어 서 폐의 전역에 결쳐 약 10 μm 두께로 분포되어 있었으나, 혈림프 공간은 관찰 시료의 건조 상태에 따라 다양한 편 차가 존재하였다(Fig. 1G). 혈림프 공간을 통해 관찰한 기낭의 외벽은 비후된 큐티클 물질로 이루어져 있었고, 표면에는 미세한 요철구조가 조밀하게 분포되어 있었다 (Fig. 1H).

    반면, 외부의 공기가 서폐로 유입되는 기낭의 개구부 에서는 조밀하게 배열된 혈림프 유동공간의 표면구조가 관찰되는데, 층상으로 배열된 약 20 μm 두께의 관상 구 조체 사이로 기낭의 기공이 개구되어 있었다(Fig. 2A, B). 고해상도의 주사전자현미경으로 이 부위를 확대 관 찰한 결과, 평균 5 μm 두께로 돌출된 수지상의 큐티클 지주(spike) 구조가 관찰되었다. 공기의 유입 통로가 되 는 기공은 이들 구조체의 밀착에 의해 매우 미세한 망 상의 통로를 가지게 되며, 궁극적으로 기낭으로 유입되 는 공기에 포함된 먼지나 오염물이 일차적으로 걸러지 는 필터 구조와 유사함이 확인되었다(Fig. 2C, D).

    한편, 서폐의 일부 영역을 동결 파쇄하여 관찰한 시료 에서는 기낭 내부에서도 수직 방향으로 돌출된 무수한 큐티클 지주 구조가 관찰되었다(Fig. 2E). 이 구조체는 공기가 반복적으로 유입되고 유출되는 기낭의 내부 공 간을 확보하기 위한 구조적 특성을 지니고 있었다. 또한, 지주의 내부 공간을 통해 혈림프의 유동이 가능한 것으 로 미루어 호흡 표면적을 확대하는 구조의 특성도 확인 되었다(Fig. 2F). 기낭속의 큐티클 지주 구조는 약 3~5 μm의 간격으로 규칙적인 배열을 형성하고 있었고(Fig. 2G), 기낭의 막과 분리된 부분에서는 둥글고 납작한 머 리 (spike head) 구조를 이루고 있음이 관찰되었다 (Fig. 2H).

    석면 섬유 노출 실험을 위해 사용한 청석면(crocidolite) 분말의 미세섬유 구조를 투과전자현미경으로 관찰한 결 과, 청석면은 파쇄된 조건에 따라 매우 다양한 크기와 형태의 미세구조를 가지고 있음이 확인되었다(Fig. 3A, B). 석면에 노출된 거미에서는 서폐 속으로 공기가 최초 로 유입되는 부위에서 청석면의 미세섬유가 집중적으로 관찰되었는데, 20~30 μm 크기의 미세섬유들이 기공의 개구부에 형성된 큐티클 지주에 의해 걸러진 형태로 확 인되었다. 비교적 짧은 기간에 걸쳐 노출시킨 실험이었 음에도 불구하고, 청석면의 미세섬유는 서폐의 기공 개 구부의 전영역에 걸쳐 높은 빈도로 관찰되어 서폐의 효 율적인 공기 여과기능을 확인할 수 있었다(Fig. 3C, D).

    한편, 일부의 석면 미세섬유들은 기낭으로 유입된 후 혈림프 공간을 관통하여 서폐 속에서 고착된 구조를 이 룬 형태도 관찰되었다(Fig. 3E, F). 석면 섬유의 날카로 운 말단부는 기낭의 벽면을 관통하여 혈림프 공간으로 유입되었고, 혈림프 공간의 미세섬유 주변으로 혈구가 조밀하게 집적된 구조도 확인되었다(Fig. 3G). 혈림프 공 간 속으로 유입된 석면 섬유의 표면은 석면 섬유 원래 의 매끈한 표면 상태를 유지하고 있었으며, 표면에 부착 된 혈구의 존재나 혈구에 의해 형성되는 피낭(capsule) 그리고 석면소체(asbestos body) 등의 구조는 관찰되지 않았다(Fig. 3H). 또한, 서폐의 기낭 속으로 유입된 청석 면의 미세섬유 구조는 이차적으로 파쇄되어 좀더 미세 한 섬유로 분리될 수 있는 구조상의 특징을 지닌 것으 로 확인되었다(Fig. 3J).

    고 찰

    거미의 호흡기관계는 서폐와 기관계로 이루어진 이중 의 호흡체계로 이루어져 있음이 알려져 있으며(Strazny and Perry 1987; Foelix 2011), 본 실험에 사용된 무당거미 의 경우도 한 쌍의 서폐와 기관계를 동시에 지니고 있 었다. 일반적으로 다른 동물들에 비해 거미의 호흡 대사 율이 낮음에도 불구하고, 호흡 효율이 뛰어난 서폐와 함 께 기관계까지 부수적으로 지니고 있는 본질적인 이유 는 주로 탈피시 호흡 연계성을 유지하기 위한 것으로 추 정되고 있다(Strazny and Perry 1987). 또한, 거미의 호흡 체계에서 유기호흡에 비해 무기호흡의 비율이 높은 이 유는 식사 간의 간격이 상대적으로 길고, 먹이를 포식할 때까지 긴 기다림의 시간을 갖기 때문인 것으로 알려진 바 있다(Anderson and Prestwich 1982).

    본 실험에서 관찰된 정주성거미류의 무당거미 서폐의 외부는 차폐막 구조에 의해 덮여 있었고, 서폐 가장자리 의 틈을 통해 유입된 외기가 판상의 층판구조로 이루어 진 기낭 속을 통과하는 것으로 관찰되었다. 이러한 서폐 의 구조는 두 쌍의 서폐를 가지는 것으로 알려진 접시 거미과(Anderson and Prestwitch 1982)나 한 쌍의 서폐를 지닌 가게거미과(Strazny and Perry 1984)와 늑대거미과 (Lim and Moon 1994), 그리고 왕거미과 (Anderson and Prestwitch 1980) 등에서도 유사한 구조적 체제가 보고된 바 있다.

    기낭의 개구부를 형성한 기공에서는 분지된 큐티클 지주들에 의해 형성된 망상의 돌기 구조가 기공 주변을 폐쇄하고 있음이 관찰되었다. 이는 서폐의 기낭으로 유 입되는 공기를 정화하여 먼지나 오염물을 걸러주는 효 율적인 필터로서의 역할을 수행할 것으로 추정되었고, 생체 상태에서 이들 구조의 표면이 체액으로 도포되어 있다는 점으로 미루어 걸러진 먼지를 흡착한 후 외부로 방출하는 능동적인 기전도 존재할 것으로 추정된다.

    또한 기낭 내부에서는 무수한 큐티클 지주들이 일정 간격으로 수직 돌출되어 상하 벽면을 연결하고 있음이 관찰되는데, Strazny and Perry (1984), Reisinger et al. (1990)은 큐티클 지주의 내부가 비어 있음을 확인하고 이 빈 공간에 세포질이나 혈림프가 들어 있을 것으로 추측하였으며, Lim and Moon (1994)은 투과전자현미경 관찰을 통해 미세사의 다발과 상피세포의 원형질 잔여 체를 확인하고 이들이 상피세포로부터의 형성되는 구조 임을 밝힌 바 있다. 따라서 이런 큐티클 지주는 기낭의 상판과 하판을 연결하는 경화된 구조를 형성하여 공기 가 반복적으로 유입되고 유출되는 기낭의 내부 공간을 안정적으로 확보해 주는 구조적인 역할과 함께 기체교 환이 일어나는 호흡 표면적을 극대화하는 기능적인 구 조체의 역할도 동시에 지닌 것으로 추정된다.

    기낭을 포위하고 혈림프가 유동하는 공간에는 기낭에 서 관찰된 큐티클 지주 구조가 결여되어 상대적으로 유 동적인 공간이 형성되어 있었는데, 혈림프 공간을 가로 질러 인접한 기낭의 벽을 수직으로 연결하는 피하연접 구조가 확인되었다. 이런 구조는 왕거미과(Anderson and Prestwitch 1980)와 가게거미과(Strazny and Perry 1984), 그리고 늑대거미과(Lim and Moon 1994)의 서폐에서도 보고된 바 있으며, 기낭 사이의 혈림프 공간에서 다면형 의 상피세포로 이루어진 기둥을 형성하고 혈림프의 유 동과 서폐의 호흡과정에서 발생하는 기낭의 수축력 분 산에 중요한 역할을 할 것으로 추정된 바 있다(Herreid et al. 1981; Reisinger et al. 1990).

    한편, 석면 섬유 노출을 위해 본 실험에 사용된 청석 면은 서폐의 공기 유입부에서 기공의 큐티클 지주에 걸 러진 형태로 다량 검출되었으며, 매우 다양한 크기와 형 태로 관찰되었다. 비교적 짧은 기간에 걸쳐 노출시킨 실 험이었음에도 불구하고, 청석면의 미세섬유는 서폐의 기 공 개구부의 전 영역에 걸쳐 높은 빈도로 관찰되어 거 미의 서폐가 석면이나 미세먼지와 같은 환경 오염원을 효과적으로 검출할 수 있는 지표생물로 활용될 수 있음 을 시사하였다.

    일반적으로 석면 섬유는 길이가 5 μm 이상, 두께가 5 μm 이하, 길이와 두께의 비(aspect ratio)가 8 : 1 이상을 유지 하며, 6종의 석면 섬유가 알려져 있다(Bernstein and Hoskins 2006). 본 실험에 사용된 청석면은 각섬석(amphibole) 계통의 석면으로 화학식이(Na2Fe32+Fe23+)Si8O22(OH)2이 며, 이중 사슬을 갖는 규산염 광물(silicates)의 일종이다. 이중사슬 구조의 규산염 광물은 마그네슘이나 칼슘 이온 에 의해 개별 섬유들이 결합되어 있기 때문에 쉽게 섬유 상 형태로 부스러지는 것으로 알려지고 있다(Bernstein and Hoskins 2006), 본 실험에서도 이차적으로 파쇄되어 좀더 미세한 섬유구조로 분리될 수 있는 청석면의 미세 구조가 고해상도의 투과전자현미경 관찰에서 명확히 관 찰되었다.

    병리학적인 측면에서, 폐와 같은 생체 내부로 석면이 유입될 경우, 이를 탐식하는 대식세포(macrophage)나 상 피세포에 특정 유전자의 발현이 유도되어 발암작용(carcinogenesis) 을 일으키거나 세포의 융해(cell lysis)와 세 포사멸 (apoptosis)을 유발하는 것으로 알려지고 있다 (Carbone et al. 2007). 특히 대식세포가 석면 섬유를 탐식 하는 과정(phagocytosis)에서 나타나는 석면소체는 석면 노출의 판단 지표로 이용된다(Churg and Warnock 1981; Paris et al. 2002). 폐 속의 대식세포는 pH 4 이하의 산성 환경을 조성하여 폐조직에 침착된 석면 섬유를 녹이고 불활성화시키는 기능을 수행한다. 그러나 생체 내에 유 입된 청석면은 섬유간 결합은 쉽게 용해되지만 섬유 자 체는 중성 혹은 산성 환경에서 불용성을 띠게 되어 폐 조직 속에 계속 잔류하게 되는 것으로 보고되고 있다 (Carbone et al. 2007).

    청석면에 노출시킨 거미의 서폐에서 관찰한 결과, 기 낭으로 유입된 일부의 미세 석면 섬유들이 혈림프 공간 을 관통하여 조직 손상을 일으키고 있음을 확인되었다. 그러나 미세섬유 주변으로 조밀하게 집적된 혈구의 존 재는 관찰되었으나 섬유의 표면에서는 혈구의 부착으로 유도된 피낭이나 석면소체 등의 구조는 전혀 관찰되지 않았다. 척추동물의 경우 생체 내에 유입된 석면 섬유는 대식세포에 의해 탐식이 가능한 부분부터 탐식되고 철 분 등의 광물질이 침착되어 아령 모양의 석면소체를 형 성하는 것으로 알려지고 있지만 (Churg and Warnock 1981), 석면 섬유가 너무 굵거나 길 경우 대식세포의 탐 식이 원활하지 못해 석면소체의 발생이 억제됨이 보고 된 바 있다(Carbone et al. 2007).

    따라서 거미의 서폐를 대상으로 석면 노출을 시도한 본 실험에서 혈구에 의한 석면 섬유의 탐식이나 석면소 체 등의 형성이 관찰되지 않은 주된 원인은 본질적으로 척추동물과 절지동물의 세포성 면역체계의 차이에서 기 인한 것으로 추정된다. 그러나 석면노출 기간이 너무 짧 아 충분한 석면소체 형성이 일어나지 않았을 가능성도 배제할 수 없을 것으로 생각되며, 이에 대해서는 향후 심도 깊은 연구를 통해 고찰하여야 할 것으로 사료된다.

    적 요

    인간의 생태계와 서식환경을 공유하고 있는 정주성 거미류의 경우 제한된 서식지 이동 특성으로 인해, 특정 유해환경을 효과적으로 감시할 수 있는 환경 지표생물 로서의 활용가치가 매우 높은 생명체로 판단된다. 따라 서 본 연구는 석면 섬유에 노출시킨 거미의 서폐 미세 구조를 관찰하고, 그 결과를 토대로 유해환경을 모니터 링할 수 있는 생물지표로서의 활용 가능성에 대해 논의 하였다. 고해상도의 주사전자현미경으로 서폐의 미세구 조를 관찰한 결과, 기공 주위에 분지된 수지상의 큐티클 지주(spike)는 기낭으로 유입되는 공기를 정화하는 필터 구조로 작동하였고, 기낭 내부에 수직돌출된 큐티클 지 주는 기낭 공간을 안정적으로 확보하고 호흡 표면적을 극대화하는 구조체임이 확인되었다. 짧은 노출 기간에도 불구하고, 기공 개구부의 전 영역에서 청석면의 미세섬 유가 검출되어 석면과 같은 환경 오염원에 대한 효과적 인 생물지표로서의 가능성을 거미의 서폐에서 확인하였 다. 또한, 기낭으로 유입되어 혈림프 공간을 관통한 미세 섬유는 고착구조를 형성하고 조직손상을 유발함이 관찰 되었는데, 섬유 주위에 밀집된 혈구는 흔히 관찰되었으 나, 섬유 표면에 부착된 혈구나 석면소체 등은 관찰되지 않았다. 이는 상대적으로 짧은 석면노출기간에서 기인하 는 것으로 해석되었다.

    Figure

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    A: Photomicrograph of a pair of booklung in Nephila clavata. B~H: Scanning electron micrographs of the booklung (BL) which composed of air sacs (AS) and hemolymph spaces (HS). Arrows indicate hypodermal bridges between hemolymph spaces. CU: cuticle layer, HE: hemocytes. Scale bars indicate 500 μm(A, B), 100 μm(C, D), 50 μm(E), 20 μm(F), and 5 μm(G, H), respectively.

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    Scanning electron micrographs of the air sacs (AS) and atrium (AT) in N. clavata. A~D: The cuticular spikes (SP) near the atrium are protruded toward atrium. E~H: At the surface of fractured air sacs, inner cuticular spikes which have the function of maintaining respiratory volume of each air sac can be seen. Arrows indicate the spike heads. HS: hemolymph space. Scale bars indicate 50 μm(A), 20 μm(B, C, E), 10 μm(F), and 5 μm(D, G, H), respectively.

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    A, B: Transmission electron micrographs of crocidolite (CR) microfibers. C, D: The cuticular spikes (SP) near the atrium (AT) can be act as a effective filtering structure for crocidolite microfibers. E~J: Scanning electron micrographs of hemolymph spaces which contain artificially exposured crocidolite microfibers. HE: hemocytes. Scale bars indicate 10 μm (C~G), 2 μm (A, H, J), and 0.5 μm (B), respectively.

    Table

    Reference

    1. Abratt RP , Vorobiof DA , White N (2004) Asbestos and meso- thelioma in South Africa , Lung Cancer, Vol.45S; pp.3-6
    2. Anderson JF , Prestwich KN (1980) Scaling of subunit structures in book lungs of spiders (Araneae) , J. Morphol, Vol.165; pp.167-174
    3. Anderson JF , Prestwich KN (1982) Respiratory gas exchange in spiders , Physiol. Zool, Vol.55; pp.72-90
    4. Backer LC , Grindem CB , Corbett WT , Cullins L , Hunter JL (2001) Pet dogs as sentinels for environmental contamination , Sci. Total Environ, Vol.274; pp.161-169
    5. Belluso E , Bellis D , Fornero E , Capella S , Ferraris G , Coverlizza S (2006) Assessment of inorganic fibre burden in biological samples by scanning electron microscopy-energy dispersive spectroscopy , Microchim. Acta, Vol.155; pp.95-100
    6. Bernstein DM , Hoskins JA (2006) The health effects of chrysotile:Current perspective based upon recent data , Regul. Toxicol. Phamacol, Vol.45; pp.252-264
    7. Carbone M , Emri S , Dogan AU , Steele I , Tuncer M , Pass HI , Baris YI (2007) A mesothelioma epidemic in Cappadocia: scientific developments and unexpected social outcomes , Nat. Rev. Cancer, Vol.7; pp.147-154
    8. Churg A , Warnock ML (1981) Asbestos and other ferruginous bodies , Am. J. Pathol, Vol.102; pp.447-456
    9. DeNardo P , Bruni B , Paoletti L , Pasetto R , Sirianni B (2004) Pulmonary fibre burden in sheep living in the Biancavilla area (Sicily): preliminary results , Sci. Total Environ, Vol.325; pp.51-58
    10. Foelix RF (2011) Biology of Spiders, Oxford University Press, pp.1-419
    11. Fornero E , Belluso E , Capella S , Bellis D (2009) Environmental exposure to asbestos and other inorganic fibres using animal lung model , Sci. Total Environ, Vol.407; pp.1010-1018
    12. Groome JR , Townley MA , de Tschaschell M , Tillinghast EK (1991) Detection and isolation of proctolin-like immunoreactivity in Arachnids: Possible cardioregulatory role for proctolin in the orb-weaving spiders Argiope and Araneus , J. Insect Physiol, Vol.37; pp.9-19
    13. Herreid CF , Lee LW , Spampata R (1981) How do spiders breathe , Am. Zool. Abst, Vol.21; pp.-917
    14. Hill DE (1977) Some observations on the physiology of living Lyssomanes viridis which should apply to the Araneae in general , Peckhamia, Vol.1; pp.41-44
    15. Humphreys WF (1977) Respiration studies on Geolycosa godeffroyi (Araneae: Lycosidae) and their relationship to field estimates of metabolic heat loss , Comp. Biochem. Physiol, Vol.57A; pp.255-263
    16. Karnovsky MJ (1965) A formaldehyde-glutaraldehyde fixative of high osmolality for use in electron microscopy , J. Cell Biol, Vol.27; pp.-137A
    17. Lim HS , Moon MJ (1994) Fine structure of book lungs in the spider, Pardosa astrigera , Kor. J. Electr. Microsc, Vol.24; pp.1-11
    18. Manning CB , Vallyathan V , Mossman BT (2002) Diseases caused by asbestos: mechanisms of injury and disease development , Int. Immunopharmacol, Vol.2; pp.191-200
    19. Mcqueen DJ (1980) Active respiration rates for the burrowing spider Geolycosa domifex (Hancock) , Can. J. Zool, Vol.58; pp.1066-1074
    20. Moore SJ (1976) Some spider organs as seen by the scanning electron microscope, with special reference to the booklung , Bull. Br. Arachnol. Soc, Vol.3; pp.177-187
    21. Paris C , Galateau-Salle F , Creveuil C , Morello R , Raffaelli C , Gillon JC , Billon-Galland MA , Pairon JC , Chevreau L , Letourneux M (2002) Asbestos bodies in the sputum of asbestos workers: correlation with occupational exposure , Eur. Respir. J, Vol.20; pp.1167-1173
    22. Reisinger PWH , Focke P , Linzen B (1990) Lung morphology of the tarantula, Eurypelma californicum Ausserer, 1871 (Araneae: Theraphosidae) , Bull. Br. Arachnol. Soc, Vol.8; pp.165-170
    23. Strazny F , Perry SF (1984) Morphometric diffusing capacity and functional anatomy of the book lungs in the spider Tegenaria spp. (Agelenidae) , J. Morphol, Vol.182; pp.339-354
    24. Nentwig W (1987) Ecophysiology of Spiders, Verlag, pp.78-94
    25. van der Schalie WH , Gardner Jr HS , Bantle JA , De Rosa CT , Finch RA , Reif JS , Reuter RH , Backer LC , Burger J , Folmar LC , Stokes WS (1999) Animals as sentinels of human health hazards of environmental chemicals , Environ. Health Perspect, Vol.107; pp.309-315
    26. Wilczek G , Babczy´nska A , Augustyniak M , Migula P (2004) Relations between metals (Zn, Pb, Cd and Cu) and glutathione-dependent detoxifying enzymes in spiders from a heavy metal pollution gradient , Environ. Pollut, Vol.132; pp.453-461

    Vol. 40 No. 4 (2022.12)

    Journal Abbreviation 'Korean J. Environ. Biol.'
    Frequency quarterly
    Doi Prefix 10.11626/KJEB.
    Year of Launching 1983
    Publisher Korean Society of Environmental Biology
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