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문제 정의
- costatum 같은 생물의 중금속 영향을 평가하는 것은 인류의 보건과도 깊은 관계가 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 S. costatum의 개체군 성장률에 미치는 중금속(Cd, Cu, Zn)의 영향을 판단하고, 그 결과를 이용하여 자연생태계 내에서 S. costatum 와 같은 식물플랑크톤에 대한 중금속의 안전 농도를 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 조도는 3,000~10,000 Lux, 배양온도는 20±1oC를 유지하면서 실험을 실시하였으며, 그 이외의 실험 조건은 Table 1에 나타내었다. 24시간 간격으로 형광량 또는 세포밀도를 측정하였으며, 시험용기인 유리 시험관은 하루에 최소 2회 이상 흔들어 주면서 실험을 실시하였다. 실험시작 96시간 후 실험을 종료하고 최종 S.
- 50 mL 시험관에 시험용액을 각 농도별로 30 mL씩 분주하였으며, 시험농도는 대조구를 포함하여 6구간이며, 각 시험구별 3반복을 실시하였다. 지수성장기의 S.
- 해산규조류 Skeletonema cosatatum의 개체군성장률(r) 을 사용하여 중금속 3종(Cd, Cu, Zn)의 독성영향 평가를 수행하였다. S. costatum을 Cd (0, 0.63, 1.25, 2.50, 5.00, 10.00 ppm), Cu (0, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00, 1.25, 1.50 ppm) 그리고 Zn (0, 0.31, 0.63, 1.25, 2.00, 2.50, 5.00 ppm)에 노출하고 96 h 이후에 r 값을 도출하였다. 대조구(Cd, Cu 그리고 Zn을 포함하지 않은)에서 r은 0.
- S. costatum의 개체군 성장률 측정은 fluorometer (Tuner Designs Model 10-AU, USA)를 이용하여 엽록소 양을 측정하였다. 식물플랑크톤의 개체군성장률(specific population growth rate)은 형광량을 이용한 클로로필 농도를 회귀방정식(형광량=세포밀도)을 이용하여 세포밀도로 환산한 후 r=(InNt-InNo)/t (r=개체군성장률, Nt=실험종료 후의 세포밀도, No=초기세포밀도, t=배양시간)의 식으로 개체군 성장률을 계산하였다.
- 실험에 사용한 중금속은 Cd (Cadmium Chloride, Sigma), Cu (Copper Nitrate Hydrate, Sigma) 및 Zn (Zinc Oxide, Sigma)이였다. S. costatum의 개체군 성장률에 미치는 중금속의 영향을 살펴보기 위하여 멸균된 자연해수를 이용하여 stock solution (1000 ppm)을 준비한 후, 희석하여 사용하였다. 중금속 농도별 실험 농도는 예비실험을 통하여 Cd (0, 0.
- Zn이 S. costatum의 개체군 성장률에 미치는 영향을 살펴보았다(Fig. 4). Zn을 첨가하지 않은 대조구에서 r 값은 0.
- 05 이하인 것을 유의한 것으로 판단하였다. 독성실험에 대한 종말점은 probit 통계법을 이용하여 대조구의 개체군성장률에 대비하여 50%에 이르는 성장저해율(50% population growth inhibition concentration, EC50)과 95%신뢰구간(95% Confidence Limit, 95% Cl)을 분석하였다. NOEC와 LOEC는 Dunnett’s를 이용하여 분석하였다.
- 또한, 엽록소 농도와 세포 밀도간의 회귀방정식을 구하기 위하여 (단순직선회귀simple linear regression) 세포밀도는 Log10으로, 형광량에 의한 엽록소 농도는 double square root 변형으로 자료를 정규 분포화 하였다.
- costatum의 개체군 성장률 측정은 fluorometer (Tuner Designs Model 10-AU, USA)를 이용하여 엽록소 양을 측정하였다. 식물플랑크톤의 개체군성장률(specific population growth rate)은 형광량을 이용한 클로로필 농도를 회귀방정식(형광량=세포밀도)을 이용하여 세포밀도로 환산한 후 r=(InNt-InNo)/t (r=개체군성장률, Nt=실험종료 후의 세포밀도, No=초기세포밀도, t=배양시간)의 식으로 개체군 성장률을 계산하였다. 또한, 엽록소 농도와 세포 밀도간의 회귀방정식을 구하기 위하여 (단순직선회귀simple linear regression) 세포밀도는 Log10으로, 형광량에 의한 엽록소 농도는 double square root 변형으로 자료를 정규 분포화 하였다.
- 24시간 간격으로 형광량 또는 세포밀도를 측정하였으며, 시험용기인 유리 시험관은 하루에 최소 2회 이상 흔들어 주면서 실험을 실시하였다. 실험시작 96시간 후 실험을 종료하고 최종 S. costatum의 농도를 측정하였다.
- costatum의 개체군 성장률에 미치는 중금속의 영향을 살펴보기 위하여 멸균된 자연해수를 이용하여 stock solution (1000 ppm)을 준비한 후, 희석하여 사용하였다. 중금속 농도별 실험 농도는 예비실험을 통하여 Cd (0, 0.63, 1.25, 2.50, 5.00, 10.00 ppm), Cu (0, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00, 1.25, 1.50 ppm), Zn (0, 0.31, 0.63, 1.25, 2.00, 2.50, 5.00 ppm) 농도구로 설정하였다.
- 해산규조류 Skeletonema cosatatum의 개체군성장률(r) 을 사용하여 중금속 3종(Cd, Cu, Zn)의 독성영향 평가를 수행하였다. S.
대상 데이터
- 본 연구는 2014년도 국립수산과학원 경상과제 연구비 지원으로 국립수산과학원 서해수산연구소 해양생태위해 평가센터에서 수행하였다.
- 실험에 사용한 중금속은 Cd (Cadmium Chloride, Sigma), Cu (Copper Nitrate Hydrate, Sigma) 및 Zn (Zinc Oxide, Sigma)이였다. S.
- 실험에 이용된 식물플랑크톤인 해산규조류인 S. costatum은 한국해양미세조류은행(Korean Marine Microalgae Culture Center, KMCC)에서 분양받아 항온실에서 3개월 이상 계대 배양하면서 실험에 사용하였다.
데이터처리
- 실험군의 유의성 검정은 Student’s t-test로 하였으며 P 가 0.05 이하인 것을 유의한 것으로 판단하였다.
- 중금속(Cd, Cu, Zn)이 S. costatum의 r에 미치는 결과를 바탕으로 독성값을 제시하였는데 EC50과 95% Cl은 probit 통계법을 이용하여 산출하였고, NOEC 및 LOEC 값은 Dunnett’s를 이용하여 산출하였으며, 이들 값들은 Table 2에 나타냈다.
이론/모형
- NOEC와 LOEC는 Dunnett’s를 이용하여 분석하였다.
성능/효과
- 1.25 ppm의 Cd 농도에서 유의적인 차이를 나타내 최고농도인 10.00 ppm에서 r 값은 0.022±0.005로 대조구에 비해 65% 감소하였다(Fig. 2).
- Cd이 S. costatum의 개체군 성장률에 미치는 영향 실험은 각 농도별로 3회 반복 실시하였으며 Cd 농도가 증가할수록 세포밀도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다 (Fig. 1). Cd 첨가하지 않은 대조구의 시간당 개체군 성장률(r)은 0.
- costatum의 개체군 성장률에 미치는 영향을 살펴보면 Cu¤Zn¤Cd 의 순으로 독성 영향이 나타나는 것을 알 수 있다. Cu와 Zn의 경우는 필수 미량원소 잘 알려진 금속임으로 상대적으로 생물에게 불필요한 Cd이 독성이 가장 강할 것으로 판단했으나, 본 연구결과에서는 Cu와 Zn이 높게 나타났다. 넙치 (Paralichthys olivaceus) 수정란의 부화율을 이용한 결과도 본 연구결과와 유사하게 Cu와 Zn이 Cd 보다도 독성이 큰 것으로 나타났다(Hwang et al.
- 아므로불가사리 (Asterias amurensis)의 경우는 Hg¤Cu¤Zn¤Cd¤Ni 순서로 독성의 영향을 나타냈으며, 별불가사리 (Asterias pectinifera) 는 Cu¤Hg¤Zn¤Cr¤Ni 순서로 독성의 정도를 보고하였다(Yu 1998). EC50의 결과를 통해 조사한 중금속의 독성 정도는 생물종에 따라 민감도와 상대적 독성 영향은 차이가 있는 것으로 판단된다. 또한 시험 생물종에 따른 노출시기와 같은 표준화된 시험방법도 고려해야 할 것이다.
- 5). 농도반응 관계식은 표준 독성반응으로 잘 알려진 Sigmoid 형태를 나타내고 있으나, Cu의 경우는 농도반응 관계가 Cd과 Zn에 비해 급격히 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 5).
- 00 ppm)에 노출하고 96 h 이후에 r 값을 도출하였다. 대조구(Cd, Cu 그리고 Zn을 포함하지 않은)에서 r은 0.05보다 높았으며 중금속 농도가 증가할수록 r은 감소하였다. 중금속에 의해 농도의존적으로 r이 감소되었고 Cd 농도 1.
- 1997). 본 결과에서도 S. costatum의 개체군성장률은 중금속 농도가 증가할수록 감소하여 농도의존성이 강하게나타났으며 농도반응 관계식이 표준 독성반응로 잘 알려진 Sigmoid 형태를 나타내 중금속 생태독성 평가를 위한 적절한 시험생물로 사용이 가능한 것으로 생각된다.
- 또한, 엽록소 농도와 세포 밀도간의 회귀방정식을 구하기 위하여 (단순직선회귀simple linear regression) 세포밀도는 Log10으로, 형광량에 의한 엽록소 농도는 double square root 변형으로 자료를 정규 분포화 하였다. 본 실험에서 Cd을 96시간 노출시에 Cd 농도가 증가할수록 대조구에 비하여 세포밀도가 급격히 감소하는 것으로 나타났다(Fig. 1).
- 본 연구결과를 활용한 통계분석에 의한 LOEC에 의하면 Cd의 경우는 1.25, Cu와 Zn은 각각 1.00와 2.00 ppm 을 초과할 경우에 자연 생태계 내에서 식물플랑크톤인 S. costatum의 개체군 성장률은 억제될 것으로 판단된다. 본 연구결과는 해양생태계 내에서 생산자 역할을 담당하고 있는 식물플랑크톤을 대상으로 이루어진 생태독성 연구로 향후 해양으로 유입 가능한 환경 유해물질에 대한 위해성 평가 시에 시험생물로 유용하게 활용될 것으로 생각된다.
- 본 연구결과에서 상대적 독성정도를 평가하기 위해 사용한 EC50 값을 이용하여 중금속 3종이 S. costatum의 개체군 성장률에 미치는 영향을 살펴보면 Cu¤Zn¤Cd 의 순으로 독성 영향이 나타나는 것을 알 수 있다.
- 00 ppm으로 나타났다. 이 결과를 바탕으로, 해양환경에서 S. costatum 의 r은 Cd 농도가 1.25 ppm 이상, Cu 농도가 1.00 ppm 이상, Zn 농도가 2.00 ppm 이상인 경우에 독성영향을 받았다. 그러므로 S.
- 84 ppm으로 나타났다. 중금속 3종(Cd, Cu 그리고 Zn)에 노출된 r의 최소영향농도는 각각 1.25, 1.00, 2.00 ppm으로 나타났다. 이 결과를 바탕으로, 해양환경에서 S.
- 05보다 높았으며 중금속 농도가 증가할수록 r은 감소하였다. 중금속에 의해 농도의존적으로 r이 감소되었고 Cd 농도 1.25, Cu 농도 1.25 그리고 Zn 농도 2.50 ppm 이상의 농도에서 명확한 감소를 나타냈다. 중금속의 독성영향은 Cu¤Zn¤Cd 순서이며, 이때 EC50 값은 각각 1.
후속연구
- 본 연구결과와 유사하게 대부분의 연구결과에서 생체내의 필수 미량금속원소로 잘 알려진 Cu와 Zn이 상대적으로 독성의 정도가 높게 나타나는 원인으로 Cu와 Zn 같은 필수 미량원소는 체내 수용체가 존재해서 Cd보다도 흡수율이 높을 것으로 생각된다. 그러나 추후 Cu와 Zn의 정확한 독성영향 기작을 알기위해서는 좀 더 구체적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
- costatum의 개체군 성장률은 억제될 것으로 판단된다. 본 연구결과는 해양생태계 내에서 생산자 역할을 담당하고 있는 식물플랑크톤을 대상으로 이루어진 생태독성 연구로 향후 해양으로 유입 가능한 환경 유해물질에 대한 위해성 평가 시에 시험생물로 유용하게 활용될 것으로 생각된다.
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