[논문]Microtox 생물검정법을 이용한 은 이온과 은 나노입자의 수용액과 토양에서의 독성 비교 평가

위민아; 오세진; 김성철; 김록영; 이상필; 김원일; 양재의

doi:10.7745/kjssf.2012.45.6.1114

Microtox 생물검정법을 이용한 은 이온과 은 나노입자의 수용액과 토양에서의 독성 비교 평가
Toxicity Assessment of Silver Ions Compared to Silver Nanoparticles in Aqueous Solutions and Soils Using Microtox Bioassay 원문보기

韓國土壤肥料學會誌 = Korean journal of soil science & fertilizer, v.45 no.6, 2012년, pp.1114 - 1119

위민아 (강원대학교 바이오자원환경학과) , 오세진 (강원대학교 바이오자원환경학과) , 김성철 (충남대학교 생물환경화학과) , 김록영 (강원대학교 바이오자원환경학과) , 이상필 (강원대학교 바이오자원환경학과) , 김원일 (농촌진흥청 국립농업과학원 유해화학과) , 양재의 (강원대학교 바이오자원환경학과)

초록
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$Ag^+$ 이온을 주성분으로 하는 $Ag^+N$과 $Ag^0$ 나노입자를 주성분으로 하는 $Ag^0NP$의 미생물학적 독성을 Microtox 생물검정법을 이용하여 수용액과 토양에서 용량-반응관계를 이용하여 비교, 평가하였다. 수용액 실험에서 Vibrio fisheri의 50% 발광 저해율을 보여주는 $EC_{50}$ 값은 $Ag^+N$이 $Ag^0NP$ 보다 현저히 낮게 나타나, 이온상태의 $Ag^+N$이 독성이 훨씬 높음을 알 수 있었다. 노출시간이 15분에서 30분으로 증가하면 독성 또한 증가했다. 반대로 토양 추출액 실험에서는 $Ag^+N$의 $ED_{50}$ 값이 $Ag^0NP$의 값 보다 높아, $Ag^+N$의 독성이 더 낮게 나타났다. 이것은 $Ag^+N$의 $Ag^+$가 토양 입자 또는 부식산에 강하게 흡착 되거나, Microtox 희석제 NaCl과 반응하여 난용해성 AgCl 침전물을 형성하여, 토양 추출액 중의 활성 Ag 농도가 감소한 것에 기인하는 것으로 판단되었다. Microtox 분석에 의한 Ag 나노용액의 생물학적 독성은 Ag의 존재형태 ($Ag^+$, $Ag^0$), 반응매질 (수용액, 토양), 노출시간에 따라 서로 상이한 결과를 보여 주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to assess the microbial toxicity of ionic silver solution ($Ag^+N$) and silver nanoparticle suspension ($Ag^0NP$) based on the Microtox bioassay. In this test, the light inhibition of luminescent bacteria was measured after 15 and 30 min exposure to aqueous solutions and soils spiked with a dilution series of $Ag^+N$ and $Ag^0NP$. The resulting dose-response curves were used to derive effective concentration (EC25, $EC_{50}$, EC75) and effective dose ($ED_{25}$, $ED_{50}$, $ED_{75}$) that caused a 25, 50 and 75% inhibition of luminescence. In aqueous solutions, $EC_{50}$ value of $Ag^+N$ after 15 min exposure was determined to be < $2mg\;L^{-1}$ and remarkably lower than $EC_{50}$ value of $Ag^0NP$ with $251mg\;L^{-1}$. This revealed that $Ag^+N$ was more toxic to luminescent bacteria than $Ag^0NP$. In soil extracts, however, $ED_{50}$ value of $Ag^+N$ with 196 mg kg-1 was higher than $ED_{50}$ value of $Ag^0NP$ with $104mg\;kg^{-1}$, indicating less toxicity of $Ag^+N$ in soils. The reduced toxicity of $Ag^+N$ in soils can be attributed to a partial adsorption of ionic $Ag^+$ on soil colloids and humic acid as well as a partial formation of insoluble AgCl with NaCl of Microtox diluent. This resulted in lower concentration of active Ag in soil extracts obtained after 1 hour shaking with $Ag^+N$ than that spiked with $Ag^0NP$. With longer exposure time, EC and ED values of both $Ag^+N$ and $Ag^0NP$ decreased, so their toxicity increased. The toxic characteristics of silver nanomaterials were different depending on existing form of Ag ($Ag^+$, $Ag^0$), reaction medium (aqueous solution, soil), and exposure time.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

5 mL씩 3반복으로 넣고, 5℃에서 보관하고 있던 미생물 (Vibrio fisheri) 배양액을 10 μL 넣은 후 초기 발광량 (I₀)을 측정하였다. 15분과 30분 후에 용액별, 농도별로 저해된 발광량 (I_t)을 측정한 후, 용량-반응관계식을 이용하여 발광량이 25, 50, 75% 감소되는 때의 유효농도 (EC: effective concentration) EC₂₅, EC₅₀, EC₇₅ 를 산출하였다. Soil test: 토양 15 g에 Ag 함량이 500, 250, 125, 62.
Ag⁺ 이온을 주성분으로 하는 Ag⁺N과 Ag⁰ 나노입자를 주성분으로 하는 Ag⁰NP의 미생물학적 독성을 Microtox 생물 검정법을 이용하여 수용액과 토양에서 용량-반응관계를 이용하여 비교, 평가하였다. 수용액 실험에서 Vibrio fisheri 의 50% 발광 저해율을 보여주는 EC₅₀ 값은 Ag⁺N이 Ag⁰NP 보다 현저히 낮게 나타나, 이온상태의 Ag⁺N이 독성이 훨씬 높음을 알 수 있었다.
입자 사이즈는 Ag⁺ N이 7~25 nm, Ag 0 NP는 5~10 nm이었다. Microtox 독성실험에 이용한 두용액의 pH, EC 외에 중금속 함량 및 Ag 농도는 inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES; Thermo, iCAP 6000 series, USA)를 이용하여 분석하였다.
용량-반응관계를 이용하여 발광량이 25, 50, 75% 감소되는 때의 토양 유효용량 (effective dose) ED₂₅, ED₅₀, ED₇₅ 를 산출하였다. 매 실험 세트마다 zink sulfate 표준용액을 사용하여 Microtox 미생물 활성이 적정 범위에 있는지를 체크했다.
(PS-13)이다. 본 논문에서는 Nanover 용액을 Ag⁺ N으로, NANOMIX 용액을 Ag⁰ NP로 명명하였다. 두 용액 모두 무색의 콜로이드 상태였고, 제공받을 상태의 Ag 농도는 1,000 mg L -1 ± 5%이였다.
본 연구에서는 Microtox 생물검정법을 이용하여, Ag⁺ 이온과 Ag⁰ 나노입자를 각각 주성분으로 Ag 나노용액의 미생물학적 독성을 용량-반응관계를 이용하여 in vitro와 토양 에서 비교, 평가하였다.
5 mL 씩 넣고, 5℃에서 보관 하고 있는 미생물 (Vibrio fisheri) 배양액을 10 μL 넣은 후초기 발광량 (I₀)과 15분, 30분 후에 저해된 발광량 (I_t)을 측정하였다. 용량-반응관계를 이용하여 발광량이 25, 50, 75% 감소되는 때의 토양 유효용량 (effective dose) ED₂₅, ED₅₀, ED₇₅ 를 산출하였다. 매 실험 세트마다 zink sulfate 표준용액을 사용하여 Microtox 미생물 활성이 적정 범위에 있는지를 체크했다.
제공된 cuvette에 희석액을 농도별로 0.5 mL씩 3반복으로 넣고, 5℃에서 보관하고 있던 미생물 (Vibrio fisheri) 배양액을 10 μL 넣은 후 초기 발광량 (I0)을 측정하였다.
토양 여과액은 1/2 배수로 희석한 후 제공된 cuvette에 0.5 mL 씩 넣고, 5℃에서 보관 하고 있는 미생물 (Vibrio fisheri) 배양액을 10 μL 넣은 후초기 발광량 (I0)과 15분, 30분 후에 저해된 발광량 (It)을 측정하였다.

대상 데이터

강원대학교 교내 시험포장으로 사용되던 밭토양 표토 (0~15 cm)를 채취하여 풍건 후 2 mm 표준체로 체질한 후 Microtox 독성실험에 이용하였다. 토양의 일반 물리성, 화학성 분석 [토성, pH (H₂O; 1:5), EC (1:5), 유기물, 유효태 인산 함량]은 농촌진흥성 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 수행하였다.
농경지 토양의 Zn 우려기준은 300 mg kg^-1이다 (MOE, 2009b). 사용한 토양의 토성은 loamy sand 이였다.

이론/모형

Ag⁺N과 Ag⁰NP의 미생물학적 독성은 in vitro와 토양에서 Microtox M500 (AZUR Environmental, USA) 분석기를 사용하여 제조사의 매뉴얼인 Microtox basic test for aqueous extracts protocol (AZUR Environmental, 1998)에 따라 각각 분석하였다. In vitro test: Ag⁺N와 Ag⁰NP 원액을 초순수 증류수를 사용하여 Ag 농도가 500, 250, 125, 62.
토양의 일반 물리성, 화학성 분석 [토성, pH (H₂O; 1:5), EC (1:5), 유기물, 유효태 인산 함량]은 농촌진흥성 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 수행하였다. 중금속 전함량은 환경부 토양오염공정시험기준 (MOE, 2009a)에 준하여 0.15 mm 체를 통과한 토양 시료를 왕수 (conc. HCl+HNO₃)로 분해한 후 ICP-OES를 이용하여 분석하였다.
강원대학교 교내 시험포장으로 사용되던 밭토양 표토 (0~15 cm)를 채취하여 풍건 후 2 mm 표준체로 체질한 후 Microtox 독성실험에 이용하였다. 토양의 일반 물리성, 화학성 분석 [토성, pH (H₂O; 1:5), EC (1:5), 유기물, 유효태 인산 함량]은 농촌진흥성 토양 및 식물체 분석법 (NIAST, 2000)에 준하여 수행하였다. 중금속 전함량은 환경부 토양오염공정시험기준 (MOE, 2009a)에 준하여 0.

성능/효과

수행한 실험조건 (2~500 mg Ag kg^-1)에서는 75% 발광 저해 율을 관찰하지 못했다. 노출시간을 30분으로 연장할 경우, Ag⁺N의 ED₂₅, ED₅₀, ED₇₅는 각각 112, 169, 303 mg kg^-1로 15분 노출에 비해 독성이 높게 나타났고, Ag 0 NP의 ED₂₅, ED₅₀, ED₇₅값 53, 124, 280 mg kg^-1보다는 독성이 더 낮게 나타났다.
노출시간이 15분에서 30분으로 증가 하면 독성 또한 증가했다. 반대로 토양 추출액 실험에서는 Ag⁺N의 ED₅₀값이 Ag⁰NP의 값 보다 높아, Ag⁺N의 독성이더 낮게 나타났다. 이것은 Ag⁺N의 Ag⁺가 토양 입자 또는 부식산에 강하게 흡착 되거나, Microtox 희석제 NaCl과 반응 하여 난용해성 AgCl 침전물을 형성하여, 토양 추출액 중의 활성 Ag 농도가 감소한 것에 기인하는 것으로 판단되었다.
NP의 독성은 서로 상반적인 경향을 보여주었다. 발광 저해율 25%와 50%를 보여주는 토양 반응용량 ED₂₅와 ED₅₀은 Ag⁺N에 15분 노출되었을 경우 각각 196, 326 mg kg^-1이였고, Ag 0 NP에 노출되었을 경우 104, 254 mg kg^-1로 산출 되어, Ag⁺N의 ED 값이 더 높아 더 낮은 독성을 보여주었다. 수행한 실험조건 (2~500 mg Ag kg^-1)에서는 75% 발광 저해 율을 관찰하지 못했다.
NP의 미생물학적 독성을 Microtox 생물 검정법을 이용하여 수용액과 토양에서 용량-반응관계를 이용하여 비교, 평가하였다. 수용액 실험에서 Vibrio fisheri 의 50% 발광 저해율을 보여주는 EC₅₀ 값은 Ag⁺N이 Ag⁰NP 보다 현저히 낮게 나타나, 이온상태의 Ag⁺N이 독성이 훨씬 높음을 알 수 있었다. 노출시간이 15분에서 30분으로 증가 하면 독성 또한 증가했다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온 형태인 Ag+에 의한 미생물 불활성화 메커니즘은 무엇이 있는가?	Ag의 항균성 메커니즘은 이온 형태인 Ag+ 와 Ag0 나노입자 형태인 AgNP가 다소 상이한 것으로 보고되고 있다. Ag+이온에 의한 미생물 불활성화 메커니즘으로는 (1) 세균 세포 벽의 S를 함유하고 있는 효소 단백질의 하나인 시스테인 (cysteine)의 -SH기와 반응하여 -S-Ag가 생성되어 효소활동 저해 (Morones et al., 2005), (2) 세균 세포질막 (cytoplasmic membrane)에 있는 K+ 이온 방출로 인한 세포질 불활성화 (Liau, 1997), (3) 세균 호흡활동 저해 (Slawson et al., 1990) 둥이 알려져 있다. 뿐만 아니라 Ag+ 이온은 DNA 염기와 반응하여 DNA 복제를 저해하거나 (Feng et al., 2000), 세균의 탈질화 활동을 저해 할 수 있는 것으로 알려 졌다 (Throbaeck et al., 2007).
	나노물질의 역할이 중요해지는 분야는 무엇이 있는가?	최근 나노기술 (nanotechnology)의 급속한 발전으로 의학, 가전, 생활용품, 전자재료, 건축재료, 환경 분야 등에서 나노물질 (nanomaterials)의 역할이 점점 더 중요해지고 있으며, 세계적으로 30개 국가에서 약 1320개의 나노기술 제품이 유통되고 있다 (Woodrow Wilson Database, 2011). 연간 나노입자 (nanoparticles)의 생산은 세계적으로 약 60,000 톤에 달하며 (Jovanovic et al.
	연간 나노입자의 생산은 어떠한가?	최근 나노기술 (nanotechnology)의 급속한 발전으로 의학, 가전, 생활용품, 전자재료, 건축재료, 환경 분야 등에서 나노물질 (nanomaterials)의 역할이 점점 더 중요해지고 있으며, 세계적으로 30개 국가에서 약 1320개의 나노기술 제품이 유통되고 있다 (Woodrow Wilson Database, 2011). 연간 나노입자 (nanoparticles)의 생산은 세계적으로 약 60,000 톤에 달하며 (Jovanovic et al., 2011), 국내에서는 2009년 기준 약 8,700 톤의 나노물질이 유통되고 있다 (Cho, 2011). 나노물질은 생산과정, 사용과정 또는 사용 후에 오염물질 또는 폐기물의 형태로 환경생태계로 유입되지만, 생태독성과 인체독성에 대한 검증 없이 사용되고 있어, 환경생태계와 인간에게 잠재적인 위험을 내포하고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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