서 론
다양한 생물로 인하여, 선박이나 양식 시설물을 포함 한 해양구조물에 생기는 경제적 손실을 막기 위하여 사 용되던 트리부틸주석이나 트리페닐주석과 같은 유기주 석 화합물 (Tributyltin; TBT)은, 1960년대 이후 급격한 사 용으로 해양생물에게 다양한 영향을 미치는 것으로 알 려져 있다 (Kim and Park 2001;Dubey and Roy 2003;Cho 2011;Dafforn et al. 2011;Han 2012). 국제해사기구 (IMO; International Maritime Organization)에서는 2003년부터는 사용금지, 2008년에는 선체 잔존금지 등의 사용 규제로 인 해 유럽을 중심으로 Copper (I) salt, Copper oxide (Cu2O) 와 Thiocyanate (CuCHNS), Zinc pyrithione (ZnPT)와 같 은 유기금속 방오도료 물질들이 개발되어 사용되어 왔으 나, 생물위해성이 지적되면서 (Karlsson et al. 2010;OSPAR 2010;Ytreberg et al. 2010;Cima and Ballarin 2012), 현재는 Diuron, Irgarol, Chlorothalonil, Dichlofluanid, Sea-nine 211 과 같은 비금속 유기방오도료 물질들이 개발되어 사용되 고 있다 (Voulvoulis et al. 2000;Cresswell et al. 2006;Yamada 2007;Chapman et al. 2014;Amara et al. 2018).
신방오도료물질 중 Diuron과 Irgarol은 북서 유럽과 지 중해 연안에서 가장 높은 농도로 분포하는 물질이며 (Price and Readman 2013), 국내의 경우도 Diuron과 Irgarol은 선 박 이동량이 많은 연안 지역에서 가장 높은 농도 (Diuron: 35~1,360 ng L-1, Irgarol: 14 ng L-1)로 검출되고 있다 (Kim et al. 2014;Kim et al. 2015). Diuron과 Iragrol은 식물 광합성 계의 Photosystem II의 QB가 담당하는 플라스토퀴논의 결 합부위와 경쟁함으로써 광합성 과정 내 전자전달을 차단 하여, 식물성 플랑크톤을 포함한 일차 생산자에게 유해한 것으로 알려져 있다 ( Jones et al. 2003; Maccinnis-NG et al. 2003; Lambert et al. 2006;Bao et al. 2011). 이외에도 다수의 연구결과가 US-EPA에 보고되어 있으나, 연안 정착성 생물 에 대한 영향을 파악한 연구는 매우 부족한 실정이다.
말똥성게 (Hemicentrotus pulcherrimus)는 한국, 중국 및 일 본 등과 같은 동북아 지역의 조간대 암반에서 주로 서식하 는 생물 (Agatsuma 2001;Hwang et al. 2014)로, 생식소를 식 용으로 이용하고 있어 수산학적으로도 매우 중요할 뿐만 아니라, 생식세포의 획득과 인공수정을 통한 배아획득이 쉬우며, 독성에 대한 민감성이 뛰어나 해양환경공정 시험 기준의 해양생물 공정시험법으로 등록된 유용 수산생물이 다 (Hwang et al. 2020).
본 연구에서는 해양생태계 내 1차 소비자를 대표하 는 H. pulcherrimus를 이용하여 비금속 유기 방오도료 물 질인 Diuron과 Irgarol의 독성영향을 평가하고자 하였으 며, 이 결과를 바탕으로 무영향농도 (NOEC; Non-effective concentration), 최소영향농도 (LOEC; Low-effective concentration), 반수영향농도 (EC50; 50% effective concentration) 및 10% 영향농도 (EC10; 10% effective concentration) 등을 산출하여, 이 물질들의 해양환경 기준농도 설 정을 위한 자료로 활용하고, 더불어 이 물질들이 초기배아 발생 단계별로 미치는 영향을 확인하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 시험생물 및 생식세포 획득
말똥성게 (Hemicentrotus pulcherrimus)는 2020년 2월 전 라북도 부안군 격포리 연안 (35°38ʹ04ʺN, 126°27ʹ41ʺE) 암 반지대에서, 직경 3.5 cm 이상으로 충분히 성장한 개체를 선별하여 채집하였다. 채집된 H. pulcherrimus는 아이스박 스 내에서 저온상태로 실험실로 이송되어, 1 t 규모의 유수 식 수조에서 15±1°C로 순치한 뒤, 시험에 사용하기 전 개 체의 표면을 해수로 깨끗이 세척하여 사용되었다.
생식세포는 체강 내에 0.5 M KCl 용액 1 mL를 주사하여 방란·방정을 유도하였으며, 필터해수가 담긴 비커에 H. pulcherrimus의 생식공을 노출시켜 생식세포의 자연배출을 유도하여 포집하였다. 포집된 생식세포는 멸균된 1회용 스 포이드를 사용하여 이물질을 제거한 뒤, 3회 이상 충분히 세정한 후에 시험에 사용하였다. 모든 시험 간 사용된 해수 는 자연해수를 membrane filter (pore size 0.45 μm)로 여과 하여 사용하였다.
2. 시험용액 조성
시험에 사용된 신방오도료 Diuron (C11H19N5S, Cas No. 28159-98-0)과 Irgarol (C9H10Cl2N2O, Cas No. 28159-98- 0)은 DMSO (Dimethylsulfoxide, Sigma-aldrich, USA)를 carrier solvent로 사용하여 고농도 (10,000 mg L-1)의 stock solution을 제작한 뒤, 여과해수로 희석하여 사용하였다. 이 때 시험생물에게 노출되는 DMSO의 농도는 DMSO의 최 종 농도는 NOEC 값인 0.1% 이하로 노출되도록 조성하였 다 (Manzo et al. 2006). 시험농도 범위는 예비실험을 통하여 0, 1.25, 2.5, 5, 10, 20, 40 mg L-1으로 설정되었으며, 모든 시 험간 대조구는 0.45 μm membrane filter로 여과된 자연해수 를 사용하였다.
3. 수정률, 정상 배아발생률 시험 및 초기발달과정 확인
수정률 시험의 경우, 6 well plate에 시험용액을 농도별로 10 mL씩 3반복으로 분주한 뒤, 시험용액당 1 μL의 정자를 분주하여 Diuron과 Irgarol에 30 min 동안 노출시켰다. 정자 가 시험물질에 30 min간 노출된 이후, well당 100~150개의 난자를 넣고, 10 min 뒤 수정막의 형성 유무로 수정률을 판 단하였다.
정상 배아발생률의 경우, 방란·방정을 유도하여 얻은 난자에 정자를 넣어 10 min간 인공수정을 유도하였다. 10 min 이후 수정난을 현미경으로 관찰하여 90% 이상의 수 정률을 확인한 뒤 시험에 사용하였다. 시험용액은 6 well plate에 농도별로 10 mL씩 3반복으로 분주되었으며, 시험 용액당 수정란 100~150개씩 분주하여 온도 16±0.5°C, 광 량 100±10 μmol photons·m2·s-1, 광주기 8 Light : 16 Dark 하에서 배양하였다. 측정시기는 H. pulcherrimus가 인공수 정 후 pluteus 유생으로 발달되는 시기인 64 h에 각각 측정 하여 정상 배아발생률을 측정하였다 (Hwang et al. 2014). 정상 배아발생은 4-armed pluteus stage 유생의 4개의 arm 이 정상으로 발달하였는지의 유무로서 판단하였다. 본 시 험방법은, 해양환경공정시험기준의 해양생물공정시험기 준 제 25항, 성게를 이용한 해양생태독성 시험방법에 의 거하여 수행되었다 (Table 1). 또한, Diuron과 Irgarol이 H. pulcherrimus의 초기 배아발달과정에 미치는 영향을 확인하 기 위하여, 시험물질에 대한 64 h-정상 배아발생률의 반수 영향농도 (EC50)에 정상 수정란을 100~150개씩 분주하여 노출시키고, 1 h, 1.5 h, 2 h, 2.5 h, 6 h, 12 h, 18 h, 24 h, 42 h, 50 h, 64 h에 각각 현미경 하에서 수정란의 발달상태를 확인하 였다. 발달상태 확인방법의 경우, 관측시기별 무작위로 100 개의 수정란을 선정하여 관찰하였고, 해당하는 발달단계를 비율로 나타냈다 (Fig. 3).
4. 통계분석
실험 간 유의성 검정은 SigmaPlot 12.0 version (Systat Software, Inc., San Jose, California, USA)의 Student’s t-test 로 비교하였으며 p가 0.05 혹은 0.01 이하인 것을 유의한 것으로 판단하였다. 정상 유생발생률에 대한 EC50와 95% 신뢰구간 (95% Confidence Interval; 95% Cl)은 Toxicalc 프 로그램 (Toxicalc 5.0, Tidepool scientific software, USA)의 probit 통계법을 이용하여 분석하였다. NOEC 및 LOEC도 Toxicalc 프로그램의 Dunnett’s test를 이용하여 분석하였 다.
결 과
정상 수정률은 H. pulcherrimus의 정자와 난자, 수정 후에 수정막의 형성 유무로 판단되며 (Fig. 1a), 수정 후에 정상적 인 배아발생은 pluteus 유생으로의 형태 변이로 판단하나 (Fig. 1b), 비정상적으로 배아가 발생할 경우에는 Fig. 1c, d 에서 나타나듯이 anterior arm과 posterior arm가 나타나지 않는다.
수정률의 경우는 Diuron과 Irgarol의 최고농도인 40 mg L-1에서도 수정률의 저해가 나타나지 않았으나 (Fig. 2a), 배아발생률은 농도의존적으로 감소하는 경향을 나타냈다 (Fig. 2b). Diuron에 노출된 H. pulcherrimus의 정상 배아발 생률은 5 mg L-1까지는 유의한 차이가 나타나지 않았으나, 10 mg L-1에서 정상 유생발생률이 83.00%로 유의하게 감 소하여, 최고농도인 40 mg L-1에서는 정상 배아발생률을 관 찰할 수 없었다 (p<0.01). Irgarol의 경우는 실험 최소농도 인 1.25 mg L-1에서 정상 배아발생률이 84.00%로 유의적으 로 감소하기 시작하여 (p<0.01), 농도가 증가할수록 감소 하는 농도의존성을 나타내었다 (Fig. 2b).
H. pulcherrimus에 대한 신방오도료의 독성값을 살펴보 면, 정상 배아발생률의 EC10 값은 Diuron과 Irgarol에 대하 여 4.11±0.30 mg L-1, 1.30±0.01 mg L-1을 나타냈고, EC50 값은 7.12±0.04 mg L-1, 2.31±0.07 mg L-1로 나타났다. NOEC와 LOEC 값은 Diuron에서 1.25 mg L-1, 2.5 mg L-1, Irgarol에서 0.625 mg L-1, 1.25 mg L-1로 나타났다 (Table 2). EC50 값을 기준으로 Diuron과 Irgarol의 독성민감성을 비교 해 보면, Irgarol이 약 2배가량 독성이 강한 것으로 나타났 다.
또한, 64 h-정상 배아발생률의 반수영향농도 (EC50)에 정 상 수정란을 노출시켜 Pluteus 유생으로 발달하는 과정을 총 10단계 (Zygote, 2-cells, 4-cells, 8-cells, Morular, Blastula, Early gastrula, Gastrula, Early pluteus, Pluteus)로 나누어 발 달에 미치는 영향을 관찰하였다 (Fig. 3). 0~12 h까지 유의 미한 차이를 보이지 않았으나, 18 h에 early gastular stage 로의 발달이 지연되기 시작하여, 24 h부터는 유의한 차이 를 나타냈다. 24 h 관측결과 대조구에서 Early pluteus stage 가 77.7%를 차지하는 것으로 나타났으나, Diuron과 Irgarol 노출군에서는 Early gastular가 71.7%, 81.0%를 차지하여 gastular stage로의 발달이 지연되는 것으로 나타났다. 이 후 노출 24~50 h 동안 대조군에서는 Early pluteus에서 pluteus로 정상적으로 발달이 이루어져 50 h이면 대부분의 수정란이 pluteus 유생으로 발달하는 것에 비하여, Diuron 과 Irgarol에 노출군에서는 Early pluteus에서 Pluteus로 발 달하는 과정에서도 지연이 나타났다 (Fig. 4). 결과적으로 H. pulcherrimus의 초기 배아 발달과정에서 신방오도료물 질 Diuron과 Irgarol은 Early gastular-gastular-Early pluteus- Pluteus로 이어지는 과정에서 배아 발단을 지연하여, 64 h 에 정상 배아발생률에 차이를 나타낸 것으로 판단된다.
고 찰
우리나라는 해운 및 수산업의 발달로 인해 방오물질의 사용량이 많으며, TBT의 사용금지 조치 이후에 사용되기 시작한 신방오물질인 Diuron과 Irgarol은 한국 연안해역에 서 매우 높은 농도로 존재하며 가장 흔하게 검출되는 물질 이다. Kim et al. (2014)에 의하면, 전국 11개 주요항구 (인천, 군산, 목포, 여수, 광양, 통영, 부산, 울산, 포항, 울진, 속초) 중 42%, 진해만 내 13개 어항 중 73%, 마산만, 행암만, 고현 만 내 18개 지점 중 64%에서의 Diuron 농도는 영국의 환경 표준농도 (EQS; Environmental Quality Standard) 값인 100 ng L-1을 초과한 바 있다. 위에서 언급한 환경 내 Diuron 농 도 및 각국의 수질기준과, 본 연구에서 도출한 Diuron의 독성값을 비교해 보면, 정상 배아발생률의 반수영향농도 (EC50)와 최소영향농도 (LOEC)는 7.12 mg L-1, 2.5 mg L-1 로, 우리나라 전국 연안의 해수 내 Diuron의 분포범위인 5~1,360 ng L-1, 영국의 EQS 값인 100 ng L-1, EU의 예측무 영향농도 (PNEC; Predicted No Effect Concentration) 200 ng L-1, 네덜란드의 최대허용농도 (MPC; Maximum permissible concentration) 430 ng L-1보다 높은 것으로 나타났다. Irgarol 의 경우, EC50와 LOEC는 2.31 mg L-1, 1.25 mg L-1로 나타났 으며, 우리나라 전국연안의 해수 내 Irgarol의 분포범위인 0~14 ng L-1, 네덜란드와 영국의 EQS 값인 24 ng L-1, 영국의 PNEC 값인 43.9 ng L-1 보다는 상회하는 것으로 나타났다 (Table 2).
이와 같이, 1차 소비자인 성게의 독성값이 환경 내의 농 도 및 각국의 수질기준과 가이드라인을 상회하며, 해양환 경 내의 신방오도료의 농도는 독성 영향을 일으킬 만큼 충 분히 높지 않다고 나타났다. 하지만, Diuron과 Irgarol 및 그 분해산물인 M1은 광합성작용 중 Photosystem II의 억제를 통한 식물독성으로 해양생태계와 생산자에게 잠재적으로 유해할 수 있다고 알려져 있을 뿐만 아니라 (Okamura et al. 2000;Zhang et al. 2008;Sjollema et al. 2014;Jung et al. 2017;Kottuparambil et al. 2017), 먹이연쇄를 통해 전이되어 생물 체 내에서 Cytochrome p450 산화반응과 Mitochondria의 전자전달 방해를 통해 활성산소 (ROS)를 발생시켜 세포 구 조 성분을 변화시키고 세포사멸을 일으키는 것으로 보고된 바 있다 (Michael et al. 2013;Tanja et al. 2018). 또한, Irgarol 은 해양환경 내에서 분해되어, M1 (2-methylthio-4-tert-butylamino- 6-amino-s-triazine), M2 (3-[4-tert-butylamino- 6-methylthiol-s-triazine-2-ylamino]propionaldehyde)와 같 은 형태로 존재하며 (Lam et al. 2004), 동일 지점에서 Irgarol 농도보다 14.38~30.81배 높게 분포하는 것으로 알려져 있 다 (Zhang et al. 2019). 또한, M2는 구조적으로 aldehyde 치 환기가 존재하기 때문에 생물군에 미치는 위해성이 Irgarol 보다 높은 것으로 알려져 있다 (Lam et al. 2006). 결과적으 로 Diuron과 Irgarol은 환경 내 농도에 비하여 해양생물에 미칠 수 있는 잠재적 독성영향이 과소평가된 경향이 있다.
또한, 말똥성게 외에도 5종의 성게 (Mesocentrotus nudus, Lytechinus variegatus, Paracentrutus lividus, Anthocidaris crassispina, Glyptocidaris crenularis)의 독성값 중 EC50 값 을 기준으로 비교해 보면, H. pulcherrimus의 독성값은 M. nudus보다는 민감하고, L. variegatus, P. livividus, A. crassipina, G. crenularis보다는 둔감한 것으로 나타났다. 이는, 일반적 으로 동일 생물종에서도 환경 및 생태적 특이성에 의하여 독성 민감성에 차이를 나타낼 수 있기에, 구체적인 이유를 확인하기는 어렵다. 또한, 성게종마다 초기배아단계에서 의 생육 적정 수온이 상이하며, 발생시간에도 차이가 존재 하므로, 성게종 간의 민감도 차이는 이러한 생리·생태학적 특징에 기인하는 것으로 사료된다 (Choi et al. 2020).
현재까지, Diuron과 Irgarol이 해양 무척추동물에게 미 치는 영향의 메커니즘은 알려져 있지 않다. 하지만, 무척 추동물의 초기 배아발생과정 중에 Diuron에 노출될 경우 발달에 방해가 일어난다고 알려져 있으며, Irgarol에 노출 된 경우, 주로 칼슘 항상성에 영향을 미쳐 골격 변형에 영 향을 받아 기형 유생이 관찰된다고 알려져 있다 (Manzo et al. 2006). 또한, Moon et al. (2019)에 의하면 신방오도 료는 수생생물의 신경계 및 근육세포 발달에 결함을 일으 키며, 면역계에 교란을 일으키고, 넙치의 배아형성에 결 함을 나타낸다고 한다. 본 연구의 결과에서도 Diuron과 Irgarol은 성게의 배아 발달을 지연시키는 것으로 나타났 으며, 2-cell, 4-cell, 8-cell, 상실기 이전까지는 저해가 나타 나지 않지만, 상실기부터 영향을 받기 시작해, 초기낭배기 (Early gastular)와 낭배기를 거쳐 초기 pluteus 유생에서 정 상 pluteus 유생으로 발달하는 과정에 지연 및 기형이 발생 하는 것으로 나타났다. 향후 골격형성, 단백질합성, 신경계 영향 등과 같이 초기발생에 관련된 유전독성 시험을 수행 하는 것은 Diuron과 Irgarol이 성게류의 초기발생의 지연에 작용하는 원리를 확인할 수 있을 것으로 보인다.
Omae (2003)와 Moncada (2004)에 의하면, 해양환경 내 에서 잔류성이 높은 Diuron은 43~2,180일의 반감기를 가 지며, Irgarol의 반감기는 100~350일로 잔류성이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 또한, Diuron과 Irgarol은 제초제로 사 용되는 물질로서, 농업에 사용되고 강이나 하천을 따라 배 출되어 해양환경으로 지속적으로 유입된다. 이와 같은 신 방오도료물질의 특성은 결국 해양환경 내에서 농도를 지 속적으로 증가시킬 것으로 판단된다.
연안유역의 대표적인 오염물질인 신방오도료물질은 시 험생물 및 노출 시간 등과 같은 차이로 인하여 생물체 내에 미치는 영향이 다양하게 나타날 수 있기에, 유용 시험생물 종을 이용한 시험방법의 표준화는 매우 중요하다. 본 연구 에서는 조간대 암반에 서식하는 H. pulcherrimus의 초기 배 아발생 단계를 이용해 신규방오도료에 대한 다양한 독성 값을 도출하였으며, 이들 독성값은 Diuron과 Irgarol과 같 은 해양환경의 오염물질에 대한 환경보호 전략 수립을 위 한 기초자료로 활용될 것이다.
적 요
본 연구에서는 신방오도료 Diuron과 Irgarol이 해양 무 척추동물인 말똥성게 (Hemicentrotus pulcherrimus)에게 미 치는 독성영향을 10 min-수정률과 64 h-정상 유생발생률의 EC50, NOEC, LOEC 값을 통하여 확인하였으며, 해당 오염 물질이 H. pulcherrimus의 초기발생단계에 미치는 지연효 과를 확인하고자 하였다. 실험결과, Diuron과 Irgarol은 시 험농도 (40 mg L-1)에서 H. pulcherrimus의 수정률에 영향을 미치지 않았으며, 정상 유생발생률에 대한 EC50값은 각각 7.12 mg L-1, 2.31 mg L-1로 나타났다. 또한, 수정란이 pluteus 유생으로 발달하는 과정에서 반수영향농도의 Diuron과 Irgarol의 노출 경과시간이 18 h에 도달하면, early gastrular stage로의 발달이 지연되기 시작하여, 24 h에서부터 유의미 한 발달지연이 확인되었다. 이후 지속적인 발달지연이 관 찰되어, Early gastrular-gastrular-early pluteus-pluteus로 이 어지는 과정에서 발달지연이 나타났다. Diuron과 Irgarol은 잔류성이 높으며, 본 연구결과와 같이 무척추동물을 포함 한 다양한 해양생물 군에 독성영향이 있는 것으로 알려져 있다. 이에, 해양 환경의 오염을 방지하고 보전하기 위하여, 관련된 규정의 마련을 통하여 환경보호 전략이 필요하다.