[논문]시료 중 잔류 항생제 분석 방법: II. 액상 시료 전처리 방법

김찬식; 류홍덕; 정유진; 김용석; 류덕희

doi:10.15681/kswe.2016.32.6.628

시료 중 잔류 항생제 분석 방법: II. 액상 시료 전처리 방법
Determination of Antibiotic Residues: II. Extraction and Clean-up Methods for Liquid Samples_A Review 원문보기

한국물환경학회지 = Journal of Korean Society on Water Environment, v.32 no.6, 2016년, pp.628 - 648

김찬식 (국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과) , 류홍덕 (국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과) , 정유진 (국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과) , 김용석 (국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과) , 류덕희 (국립환경과학원 물환경연구부 유역총량연구과)

Abstract ▼ AI-Helper

Increased attention has been paid to the presence of veterinary antibiotics in various environmental matrices due to their toxicological behavior in the ecosystem and development of antibiotic-resistant strains of pathogenic bacteria. In the this review, 37 target antimicrobials were selected based on annual sales of antibiotics for livestock in South Korea 2014. Also, extraction and clean-up methods for the determination of the antibiotic residues in liquid samples including water, milk, and honey were comprehensively reviewed in the literature. Solid-phase extraction (SPE) was commonly used as a pre-treatment method for the samples. Most of the analytes were extracted in acidic conditions (2.5~4.0) except for aminoglycosides, which were extracted in neutral conditions (7.0~8.0). ${\beta}-Lactams$ showed the highest recoveries in neutral pH due to their degradation characteristics in acidic media. Starta-X, Oasis HLB, and Oasis MCX were frequently applied as an SPE cartridge and Oasis HLB showed the highest recoveries for the majority of antibiotic classes. The homogenized honey and milk were extracted by mixing with acids for deproteinization. Solids and other interfering substances in the extract were eliminated by centrifugation followed by membrane filtration or SPE before injection into HPLC.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

HPLC-MS/MS를 이용한 잔류항생제 분석 기술의 적용 과정에서 잔류 항생물질의 전처리 과정의 핵심적인 목표는 시료중의 분석대상 물질을 추출·농축시키고, 간섭물질을 제거하여 액체크로마토그래피(liquid chromatography)단계에 주입 가능한 형태로 시료를 처리하는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 종의 항생물질을 동시에 분석 가능하도록 하는 효율적인 전처리 방법을 도출할 필요가 있으며 이를 위해서 각 항생제 계열에 따른 물리화학적인 특성에 대한 이해뿐만 아니라 전처리 과정에 대한 이해가 필요하다. 따라서 다음 절에서는 액체 시료를 대상으로, 선정된 항생제들에 대한 분석방법을 검토하였다. EPA method 1694를 대상 물질의 경우 제시된 방법을 우선 고려하였으며 비대상 물질들에 대해서는 문헌조사를 통해 분석 방법을 정리, 비교하였다.
따라서 본 연구에서는 고체 시료 전처리 방법 연구에서 선정한 37종의 동물용 항생제를 대상으로 선정된 물질을 고성능 액체 크로마토그래피(high performance liquid chromatography)와 질량분석법(mass spectrometry)을 이용해 분석하기 위한 액체 시료의 전처리 과정을 조사하고 향후 가축분뇨 중 잔류항생물질에 대한 표준화된 분석 방법을 수립하기 위한 그룹별 특성을 비교하고자 한다.
(2012)의해 제안된 방법을 우선적으로 검토한 결과 특정 계열의 항생제를 분석하기 위한 전처리 방법으로 일부 유용하기는 하나 선정된 항생제를 모두 분석하는 것은 불가능한 것으로 나타났다. 따라서 액체시료에서 선정된 항생물질을 모두 추출할 수 있는 전처리 방법을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 국내에서 판매된 축산용 항생제의 판매량을 조사하여 대상항목을 선정하고 액체시료에서 선정된 항생물질을 LC-MS/MS로 분석하기 위한 전처리 방법을 조사하였다. EPA 방법과 Shin et al.
본 연구에서는 총설 I에서 선정된 37종의 축산용 항생물질에 대한 분석방법을 조사하고자 하였다. 대상물질을 선정하기 위하여 국내 가축용 항생제 판매순위를 조사하였고, 판매량은『2014년도 국가항생제 사용 및 내성 모니터링』(Lim et al.

제안 방법

따라서 다음 절에서는 액체 시료를 대상으로, 선정된 항생제들에 대한 분석방법을 검토하였다. EPA method 1694를 대상 물질의 경우 제시된 방법을 우선 고려하였으며 비대상 물질들에 대해서는 문헌조사를 통해 분석 방법을 정리, 비교하였다.
, 2015; Karthikeyan and Meyer, 2006). 두 연구에서는 컨디셔닝 된 Oasis HLB와 MCX를 직렬로 연결하여 시료를 통과시키고 카트리지를 분리하여 각각 세척과 용리단계를 거쳐 용리된 시료를 혼합하여 최종 시료로 사용하였다. 이를 통해 보다 다양한 종류의 물질의 추출이 가능하며 분석 대상 물질들의 극성이 다양하게 분포되어 있는 경우 종종 활용되는 것으로 나타났다.
추출 과정을 거친 시료는 고상추출법을 통해 정제과정을 거친다. 물 시료를 분석한 Loffler and Ternes (2003)의 연구에서와 유사하게 시료의 pH를 7.5, 8.5로 조절한 후 고상추출을 적용하였다. Tao et al.
우유와 꿀 시료의 잔류항생제를 분석하기 위해서는 고상 추출법 이외에 추가적인 전처리가 필요하며 균질화 후 추출 용액을 기계적 교반 등의 방법으로 접촉/혼합하는 과정을 거친다. 원심분리기를 이용하여 고형물을 제거하고 고상추출법으로 대상물질을 농축 및 정제하여 HPLC로 분석한다. 5% 트리클로로아세트산이 시료 중의 단백질을 제거하고 아미노글리코사이드계 항생제를 추출하는데 주로 사용되고, 물 시료와 동일하게 중성(7.
의약물질을 물리·화학적 특성에 따라 구분한 5개의 그룹에 pH, 카트리지, 용리액의 종류 등 조건이 다른 5가지의 전처리 과정을 각각 적용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 총설 I에서 선정된 37종의 축산용 항생물질에 대한 분석방법을 조사하고자 하였다. 대상물질을 선정하기 위하여 국내 가축용 항생제 판매순위를 조사하였고, 판매량은『2014년도 국가항생제 사용 및 내성 모니터링』(Lim et al., 2015)자료를 인용하였다.
, 2012). 물 시료는 자연에 존재하는 지표수(surface water, SW)와 지하수(ground water, GW), 병원과 돼지 사육농장의 폐수처리장 유출수(hospital wastewater effluent, HWWE; swine wastewater, SWW), 도시하수처리장의 유입 유출수(urban wastewater influent, UWWI; urban wastewater effluent, UWWE)를 대상으로 하였고, Table 3~5에 물 시료 중 잔류 항생제 농도 분석을 위한 전처리 방법을 정리하였다.
본 연구의 조사대상 항생제는 총 12개 이상의 계열로 분류되며, 다양한 화학적 특성(극성, 친수성, 친유성, 용해도, pKa 등)을 가지고 있다. 다수의 연구를 살펴본 결과 전처리 조건과 함께 분석 대상물질의 종류에 따라 상이한 전처리 효율을 나타내고 있어 모든 항생제에 대해 적용 가능한 일반적인 전처리방법을 찾을 수는 없었다.

이론/모형

물 시료의 경우 고상추출법(solid-phase extraction)을 주로 사용하며 pH조절-카트리지 컨디셔닝-시료적재-추출-농축 및 재용해 등의 단계를 거처 원하는 물질을 추출하고 농축하였다. 아미노글리코사이드계 항생제를 제외한 나머지 항생제는 산성조건(2.

성능/효과

본 연구에서는 국내에서 판매된 축산용 항생제의 판매량을 조사하여 대상항목을 선정하고 액체시료에서 선정된 항생물질을 LC-MS/MS로 분석하기 위한 전처리 방법을 조사하였다. EPA 방법과 Shin et al. (2012)의해 제안된 방법을 우선적으로 검토한 결과 특정 계열의 항생제를 분석하기 위한 전처리 방법으로 일부 유용하기는 하나 선정된 항생제를 모두 분석하는 것은 불가능한 것으로 나타났다. 따라서 액체시료에서 선정된 항생물질을 모두 추출할 수 있는 전처리 방법을 도출하고자 하였다.
높은 회수율을 나타냈고 C₁₈ 카트리지도 다수의 항생제를 높은 회수율로 분리하는 것으로 나타났다. ENV+카트리지는 C₈이나 C₁₈에 흡착되지 않는 몇몇 극성이 강한 유기물질에 대해 매우 효과적인 것으로 보고되었으나 Oasis HLB가 다른 카트리지들에 비해 높은 회수율을 나타냈고, 넓은 범위의 pH 조건(pH 1~14)에서 효과적인 추출이 가능하다고 하였다.
고상추출법은 높은 선택성, 재현성, 적은 유기용매를 사용한다는 특성과 짧은 추출시간, 자동화 등의 장점을 갖는다. 다양한 종류의 충진제를 적용한 카트리지 중 Oasis HLB 카트리지가 가장 많이 사용되며 극성과 비극성 물질에 모두 높은 재연성과 좋은 회수율을 나타냈다. 일부 연구에서는 Strata^Ⓡ-X(Chitescu et al.
(2012)이 제안한 방법들 모두 기존의 연구를 바탕으로 하여 항생제를 그룹화하고 분석 방법을 제시하였다. 따라서 분석 가능한 항생물질의 종류가 매우 유사하며 그 범위도 베타-락탐, 플로로퀴놀론, 매크로라이드, 설폰아마이드, 테트라사이클린 등으로 제한적이었다. 특히, Shin et al.
물 시료의 경우 고상추출법(solid-phase extraction)을 주로 사용하며 pH조절-카트리지 컨디셔닝-시료적재-추출-농축 및 재용해 등의 단계를 거처 원하는 물질을 추출하고 농축하였다. 아미노글리코사이드계 항생제를 제외한 나머지 항생제는 산성조건(2.5~4.0)에서 고상추출을 수행하며 산성 조건에서 이온 형태로 존재하는 금속은 특정 계열의 항생제와 결합하여 회수율을 감소시키므로 이를 막기 위하여 전처리 과정에서 EDTA를 첨가하여 금속이온과의 킬레이트 결합을 유도하는 것으로 나타났다. 일부 페니실린계 항생제의 경우 산성조건에서 분해되는 특성 때문에 중성조건으로 추출 시 향상된 회수율을 나타내는 것으로 보고되고 있으나, pH 조절 후 짧은 시간 내에 고상추출과정을 완료하는 경우 만족스러운 회수율을 얻을 수 있는 것으로 나타났다.
두 연구에서는 컨디셔닝 된 Oasis HLB와 MCX를 직렬로 연결하여 시료를 통과시키고 카트리지를 분리하여 각각 세척과 용리단계를 거쳐 용리된 시료를 혼합하여 최종 시료로 사용하였다. 이를 통해 보다 다양한 종류의 물질의 추출이 가능하며 분석 대상 물질들의 극성이 다양하게 분포되어 있는 경우 종종 활용되는 것으로 나타났다. 유기물에 의한 오염이 심한 고체 시료를 대상으로 한 Zhou et al.
0)에서 고상추출을 수행하며 산성 조건에서 이온 형태로 존재하는 금속은 특정 계열의 항생제와 결합하여 회수율을 감소시키므로 이를 막기 위하여 전처리 과정에서 EDTA를 첨가하여 금속이온과의 킬레이트 결합을 유도하는 것으로 나타났다. 일부 페니실린계 항생제의 경우 산성조건에서 분해되는 특성 때문에 중성조건으로 추출 시 향상된 회수율을 나타내는 것으로 보고되고 있으나, pH 조절 후 짧은 시간 내에 고상추출과정을 완료하는 경우 만족스러운 회수율을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 용리액으로 메탄올이 가장 많이 사용되었으며 아세톤, 아세토나이트릴 또는 디클로로메탄을 혼합한 용매를 사용한 연구도 보고되고 있다.
일반적으로 전처리 과정에서 고상추출법에 따라 시료를 카트리지에 적재하기 전, 시료의 pH를 조절하는데 물 시료의 pH는 수중에 녹아있는 분석대상물질의 해리 형태와 안정성, 카트리지의 충진 물질과 항생제간 상호작용을 결정하는 매우 중요한 역할을 한다. 조사 결과 시료의 pH는 1.5~8.0 범위로 나타났으나 겐타마이신(gentamycin)과 카나마이신(kanamycin)을 제외한 나머지 물질들은 pH 2.5~4.0 범위의 산성 조건에서 적절한 회수율을 나타내는 것으로 확인되었다(Table 3). 이는 이미 다종의 항생물질에 적용하기 위한 분석방법을 연구한 여러 문헌들에서도 보고되어 왔다(Diaz-Cruz and Barcelo, 2006; Gros et al.
, 2012). 특히, 테트라사이클린 계열의 항생제는 다가 금속이온과 결합하는 성질 뿐 아니라 실리카를 기본으로 하는 흡착제에 존재하는 실라놀 작용기와 비가역적으로 결합하는 특성을 가지기 때문에 실라놀 작용기가 존재하지 않는 폴리머 재질의 Oasis HLB 카트리지를 사용할 때 높은 회수율을 나타내는 것으로 나타났다.

후속연구

결론적으로, 액상 시료중의 항생제 오염 실태를 파악하기 위해서는 정확하고 검증된 분석방법의 개발 및 공정시험법의 수립이 선행되어야 하며, 본 연구에서 선정한 37종의 항생제를 분석하기 위해서는 최소 2가지 이상의 전처리 과정이 개발되어야 할 것으로 판단된다.
45 µm PVDF 막으로 여과한 경우 HPLC-MS/MS 분석 신호의 강도가 증가하고 회수율이 15%이상 향상됨을 보고하기도 하였다. 그러나 주로 합성고분자를 재료로 하는 일부 분리막은 유기용매에 의해 녹거나 분해되는 특성을 가지고 있으며, 분석 대상 물질이 최종 여과 과정에서 분리막 및 여과 장치에 흡착되어 회수율이 감소하는 문제가 예상될 수 있기 때문에 여과에 사용될 분리막의 재료, 추출액의 용매 등을 고려하여 여과 단계의 적용성을 평가할 필요가 있을 것으로 사료된다.
다수의 연구를 살펴본 결과 전처리 조건과 함께 분석 대상물질의 종류에 따라 상이한 전처리 효율을 나타내고 있어 모든 항생제에 대해 적용 가능한 일반적인 전처리방법을 찾을 수는 없었다. 따라서 적절하고 효율적인 전처리 방법을 개발하고 적용하기 위해서는 대상 물질에 대한 화학적 특성과 전처리 과정의 메커니즘의 이해를 바탕으로 분석대상물질에 따라 적절히 변형시킨 전처리 방법을 적용하도록 해야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	환경 중에 유입되는 의약물질은 어떤 방법으로 제거되는가?	그러나 환경 중에 유입되는 의약물질들은 기존 정수처리 기술인 응집-침전 공정으로는 제거가 어렵고(Adams et al., 2002; Kim and Carlson, 2007), 산화공정(오존, 염소, TiO2, UV/H2O2 등)(Adams et al., 2002; Petrovic et al., 2003)이나 생물학적 공정(Behera et al., 2011), 활성탄과 RO(Reverse Osmosis) 여과공정(Adams et al., 2002; Behera et al., 2011; Kim and Carlson, 2007) 등에 의해 일부 처리가 가능한 것으로 알려져 있다. 실제로 하수처리장 유입 유출수는 물론, 강, 지하수, 식수로 공급되는 정수처리장의 최종 처리수에서도 카페인(caffeine), 설파메톡사졸(sulfamethoxazole), 트리메소프림 (trimethoprim), 린코마이신(lincomycin), 이부프로펜(ibuprofen), 타일로신(tylosin) 등이 빈번하게 검출되고 있다(Table 1).
	일반적으로 의약물질은 환경 중에 어떤 경로를 통해 유입되는가?	일반적으로 의약물질은 병원 및 가정에서 버려지는 폐수, 의약품 제조 공장에서 배출되는 산업폐수, 축산농가의 폐수, 가축분뇨의 퇴·액비 등을 통해 다양한 경로로 환경 중에 유입된다(Andersson and Hughes, 2014; Heberer, 2002). 점오염원으로 분류할 수 있는 병원과 가정, 공장의 하·폐수는 상대적으로 규제와 관리가 유용한 반면 산발적으로 흩어져 있는 중소규모의 가축사육을 통해 발생하는 동물 배설물의 퇴비화 비료 등은 추적 및 관리가 용이하지 않아 실태와 위험성에 대한 검증도 이루어지지 않은 경우가 대부분이다.
	EPA method 1694는 총 74개의 의약물질을 어떻게 4개 그룹으로 나누는가?	EPA method 1694는 총 74개의 의약물질을 4개 그룹으로 나누어 각 그룹별 분석방법을 제시하고 있다. 전처리를 수행하는 pH 조건(pH 2.0, pH 10.0)에 따라 두 그룹으로 구분되며 그 중 산성조건에서 전처리를 수행하는 그룹은 LC-MS 분석조건에 따라 다시 세 그룹으로 분류된다. 비교적 많은 연구가 진행된 베타-락탐계, 플로로퀴놀론계(fluoroquinolones), 매크로라이드계, 설폰아마이드계, 테트라사이클린계 등의 항생제가 포함되어 있으며 주로 Group 1과 2로 분류된다.

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저자의 다른 논문 :

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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