본 연구는 실리콘계 소포제가 해양으로 배출되었을 때 소포제 내에 존재하는 주요 성분들이 해양 저서환경에 서식하는 생물에게 미치는 영향을 알아보기 위해 실리콘 및 알코올계 소포제에 대해 저서성단각류(Monocorophium acherusicum)와 발광박테리아(Vibrio fischeri)를 이용하여 해양생태독성실험을 수행하였고 실리콘계 소포제의 주요성분인 디메틸폴리실록산(PDMS)에 대한 수중생물 독성영향을 조사하였다. 실리콘 및 알코올계 소포제에 대한 발광박테리아와 저서성단각류를 이용한 독성실험결과, 실험생물별 독성영향은 발광박테리아가 저서성 단각류에 비해 알코올계 소포제에서 최대 9배 까지 민감한 독성영향을 보였으며 소포제 종류별 독성영향은 실리콘계 소포제가 알코올계 소포제에 비해 최대 400배 이상 높은 독성영향이 나타났다. 실리콘계 소포제의 주요성분인 PDMS가 수중생물에 미치는 영향을 조사한 결과, 식물플랑크톤, 무척추동물 및 어류에 대한 반수치사농도($LC_{50}$)및 반수영향농도($EC_{50}$)값은 $10{\sim}44,500{\mu}g/L$의 범위로 나타났다. 물질의 정성적인 특성을 나타내는 지표인 PBT(P: persistency, B: bioaccumulation, T: toxicity)특성을 PDMS에 적용한 결과, 지속성(P)과 생물농축성(B)의 특성을 가지는 것으로 나타나 PDMS가 해양으로 배출될 경우 생물농축 및 먹이사슬을 통한 상위 영양단계로 축적될 가능성이 존재하며 저서생물에게 부정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 나타났다. 본 연구결과로 향후 실제 해양으로 배출되는 다양한 소포제가 해양생태계에 미치는 영향조사시 소포제 내 주요성분을 고려한 보다 객관적이고 과학적인 위해성평가에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 실리콘계 소포제가 해양으로 배출되었을 때 소포제 내에 존재하는 주요 성분들이 해양 저서환경에 서식하는 생물에게 미치는 영향을 알아보기 위해 실리콘 및 알코올계 소포제에 대해 저서성단각류(Monocorophium acherusicum)와 발광박테리아(Vibrio fischeri)를 이용하여 해양생태독성실험을 수행하였고 실리콘계 소포제의 주요성분인 디메틸폴리실록산(PDMS)에 대한 수중생물 독성영향을 조사하였다. 실리콘 및 알코올계 소포제에 대한 발광박테리아와 저서성단각류를 이용한 독성실험결과, 실험생물별 독성영향은 발광박테리아가 저서성 단각류에 비해 알코올계 소포제에서 최대 9배 까지 민감한 독성영향을 보였으며 소포제 종류별 독성영향은 실리콘계 소포제가 알코올계 소포제에 비해 최대 400배 이상 높은 독성영향이 나타났다. 실리콘계 소포제의 주요성분인 PDMS가 수중생물에 미치는 영향을 조사한 결과, 식물플랑크톤, 무척추동물 및 어류에 대한 반수치사농도($LC_{50}$)및 반수영향농도($EC_{50}$)값은 $10{\sim}44,500{\mu}g/L$의 범위로 나타났다. 물질의 정성적인 특성을 나타내는 지표인 PBT(P: persistency, B: bioaccumulation, T: toxicity)특성을 PDMS에 적용한 결과, 지속성(P)과 생물농축성(B)의 특성을 가지는 것으로 나타나 PDMS가 해양으로 배출될 경우 생물농축 및 먹이사슬을 통한 상위 영양단계로 축적될 가능성이 존재하며 저서생물에게 부정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 나타났다. 본 연구결과로 향후 실제 해양으로 배출되는 다양한 소포제가 해양생태계에 미치는 영향조사시 소포제 내 주요성분을 고려한 보다 객관적이고 과학적인 위해성평가에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
In order to understand the effects of the main components of antifoaming agents on the marine benthic ecosystem when silicone-based antifoaming agents are discharged into marine environments, eco-toxicity testing was performed on silicone and alcohol-based antifoaming agent by using benthic amphipod...
In order to understand the effects of the main components of antifoaming agents on the marine benthic ecosystem when silicone-based antifoaming agents are discharged into marine environments, eco-toxicity testing was performed on silicone and alcohol-based antifoaming agent by using benthic amphipod (Monocorophium acherusicum) and luminescent bacteria (Vibrio fischeri). The toxic effects of Polydimethylsiloxane (PDMS) as a main component of silicone-based antifoaming agents on aquatic organisms were also researched. In the results of the eco-toxicity test, luminescent bacteria showed a maximum of 9 times more toxic effects than benthic amphipod for alcohol-based antifoaming agents, and silicone-based antifoaming agents showed a maximum of 400 times more toxic effects than alcohol-based. The $LC_{50}$ and $EC_{50}$ values of PDMS ranged from 10 to $44,500{\mu}g/L$ in phytoplankton, invertebrate, and fish. In the results of applying PBT (P: persistency, B: bioaccumulation, T: toxicity) characteristics as an index showing the qualitative characteristics of PDMS, persistency (P) and bioaccumulation (B) were confirmed. Thus, when PDMS is discharged to marine environments, it could accumulate in the upper trophic level through bioaccumulation and the food chain, which could have negative effects on benthic organisms. The results of this study may be used for objective and scientific risk assessment, considering the major components of antifoaming agents when investigating the effects of various discharged antifoaming agents in marine ecosystem.
In order to understand the effects of the main components of antifoaming agents on the marine benthic ecosystem when silicone-based antifoaming agents are discharged into marine environments, eco-toxicity testing was performed on silicone and alcohol-based antifoaming agent by using benthic amphipod (Monocorophium acherusicum) and luminescent bacteria (Vibrio fischeri). The toxic effects of Polydimethylsiloxane (PDMS) as a main component of silicone-based antifoaming agents on aquatic organisms were also researched. In the results of the eco-toxicity test, luminescent bacteria showed a maximum of 9 times more toxic effects than benthic amphipod for alcohol-based antifoaming agents, and silicone-based antifoaming agents showed a maximum of 400 times more toxic effects than alcohol-based. The $LC_{50}$ and $EC_{50}$ values of PDMS ranged from 10 to $44,500{\mu}g/L$ in phytoplankton, invertebrate, and fish. In the results of applying PBT (P: persistency, B: bioaccumulation, T: toxicity) characteristics as an index showing the qualitative characteristics of PDMS, persistency (P) and bioaccumulation (B) were confirmed. Thus, when PDMS is discharged to marine environments, it could accumulate in the upper trophic level through bioaccumulation and the food chain, which could have negative effects on benthic organisms. The results of this study may be used for objective and scientific risk assessment, considering the major components of antifoaming agents when investigating the effects of various discharged antifoaming agents in marine ecosystem.
따라서 본 연구에서는 실리콘계 소포제가 해양으로 배출 되었을 때 소포제 내에 존재하는 유해물질들이 해양 퇴적물에 서식하는 해양생물에 미치는 영향을 알아보기 위해 실제 국내에서 판매되고 있는 PDMS를 주성분으로 하는 실리콘계 소포제와 PDMS가 포함되지 않은 알코올계 소포제에 대해 저서성단각류와 발광박테리아를 이용하여 생태독성실험을 수행하였고 실리콘계 소포제의 주요성분인 PDMS에 대한 수중생물 독성영향을 조사하였다.
제안 방법
본 연구에서 수행된 생태독성실험 결과로 나타난 발광박테리아의 발광률과 저서성단각류의 생존율을 이용하여 무영향관찰농도(NOEC, no observed effect concentration)와 최저영향관찰농도(LOEC, lowest effect observed concentration)를 산출하였다. 이를 위하여 각 시험결과 중 대조구와 실험구들 사이에 유의한 차이의 유무를 판단하기 위해 ANOVA(analysis of variance) test를 이용하여 대조구와 비교하여 유의한 차이가 나타나는 실험구중 가장 낮은 농도구간을 LOEC, 대조구와 비교하여 유의한 차이가 나타나지 않는 농도중 가장 높은 농도구간을 NOEC로 나타내었다.
소포제가 저서성 단각류(Monocorophium acherusicum)의 생존율에 미치는 영향을 알아보기 위해 M. acherusicum을 96시간 동안 실험용액에 노출시켜 생존율을 관찰하였다. 실험원리 및 방법은 해양환경공정시험기준 제 22항 저서성 단각류를 이용한 해양배출 폐기물 생태독성 시험기준(2013)에 따라 수행되었다.
실리콘계 소포제의 주성분인 PDMS가 해양생물에게 미치는 독성영향을 정량적으로 파악하기 위해 본 연구 이전에 수행된 실제 PDMS를 이용한 수중생물독성실험의 결과값들을 수집하여 비교하였다. 수집된 생태독성 자료는 선행연구 결과 및 ECOTOX database (US EPA, 2009)에 수록된 실제 실험결과 값을 활용하였으며 실제 실험이 이루어지지 않은 분류군의 경우 ECOSAR TM V.
대상 데이터
실험 대상종 선택은 국내에서 서식하고 있으며 대상종에 대한 생리·생태학적 연구가 많이 진행된 생물 중 국내·외 표준시험법의 표준시험종이거나 실내사육이 용이하고, 적절한 민감도를 가지는 종을 선택하였다. 따라서 해양 기원성 박테리아로 국내·외로 생물검정실험에 널리 이용되는 발광박 테리아(Vibrio fischeri)와 국내 뿐만 아니라 전 세계에 널리 분포하는 저서성 단각류(Monocorophium acherusicum)를 실험대상종으로 선정하였다. 또한 실험을 수행하기 앞서 해양폐기물공정시험기준에서 제시한 표준독성물질인 V.
실험 물질은 실제로 국내에 시판되고 있는 실리콘계 소포제 2개 제품(SB-1,2)과 알코올계 소포제 1개 제품(AB)을 이용하여 생태독성실험을 수행하였다. 생태독성 여부를 판단하기 위하여 희석수는 1 μm CP filter (Chisso Filter, Japan)로 여과한 30 psu 자연해수를 이용하였고 소포제 원액을 희석하여 실험용액을 제조하였다.
데이터처리
본 연구에서 수행된 생태독성실험 결과로 나타난 발광박테리아의 발광률과 저서성단각류의 생존율을 이용하여 무영향관찰농도(NOEC, no observed effect concentration)와 최저영향관찰농도(LOEC, lowest effect observed concentration)를 산출하였다. 이를 위하여 각 시험결과 중 대조구와 실험구들 사이에 유의한 차이의 유무를 판단하기 위해 ANOVA(analysis of variance) test를 이용하여 대조구와 비교하여 유의한 차이가 나타나는 실험구중 가장 낮은 농도구간을 LOEC, 대조구와 비교하여 유의한 차이가 나타나지 않는 농도중 가장 높은 농도구간을 NOEC로 나타내었다. 가설검정에서 정규분포의 판단은 Shapiro-Wilk's test를 이용하였고 표본의 동질성 판단은 Bartlett's test를 이용하여 모수 검정과 비모수 검정으로 구분하였다.
이론/모형
소포제가 발광박테리아(Vibrio fischeri)의 발광률에 미치는 영향을 알아보기 위해 30분 동안 실험용액에 노출시켜 발광률을 관찰하였다. 실험원리 및 방법은 해양환경공정시험기준 제 21항 발광박테리아를 이용한 해양배출 폐기물 생태독성 시험기준(2013)에 따라 수행되었다. 본 연구에서 사용한 실험 생물 및 관련 시약들은 네오엔비즈(Korea)에서 제공되는 제품을 이용하였다.
acherusicum을 96시간 동안 실험용액에 노출시켜 생존율을 관찰하였다. 실험원리 및 방법은 해양환경공정시험기준 제 22항 저서성 단각류를 이용한 해양배출 폐기물 생태독성 시험기준(2013)에 따라 수행되었다. 모든 대조구 및 실험구는 정수식으로 250 mL 비커에 실험용액을 각각 200 mL씩 분주하여 4개의 반복구를 두었다.
성능/효과
또한 본 연구에서도 소포제 원액에 대한 별도의 화학분석이 이루어지지 않아 명확한 독성영향의 원인성분을 파악할 수 없었다. 그러나 본 실험 결과를 토대로 보았을때 PDMS를 주성분으로 하는 소포제에 비해 PDMS가 포함되지 않은 알코올 계열을 주성분으로 하는 소포제의 경우 해양생물에게 미치는 독성영향이 소포제 원액 기준으로 매우 낮음을 알 수 있었으며 이는 실리콘계 소포제의 주성분인 PDMS가 가장 큰 원인으로 추정된다.
5일로 기준이 되는 60일 초과하지 않았지만 퇴적물에서의 반감기는 338일로 기준이 되는 180일을 초과하여 지속성의 특성을 가지는 것으로 나타났다. 또한 생물 농축성(B)을 나타내는 BCF(bioaccumulation factor)값이 3,397 L/kg wet-wt로 기준이 되는 2,000 L/kg wet-wt을 초과하여 생물 농축의 특성을 가지는 것으로 나타나 PDMS가 해양으로 배출될 경우 생물농축 및 먹이사슬을 통한 생물확대(biomagnification)로 상위 영양단계에 축적될 가능성이 존재하며 서론에서 언급 하였듯이 퇴적물에 흡착될 경우 높은 지속성을 가지며 퇴적물을 여과섭식하는 저서생물에게 부정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 나타났다(EPI suiteTM V. 4.11 (US EPA, 2017); Zhang et al., 2011)
소포제 종류별 독성영향은 실리콘계 소포제(SB-1,2)의 경우 LC50 및 EC50 값이 0.02~0.07%로 알코올계 소포제(AB; 0.93, 8.52%)에 비해 최대 400배 이상 높은 독성영향을 나타냈다(Table 1; Monocorophium acherusicum). 이러한 독성영향 차이의 원인을 파악하기 위해 생산업체에서 보유하고 있는 각 소포제의 물질안전보건자료(Material Safety Data Sheet, MSDS)를 제공받아 조사하였다.
실리콘계 소포제의 주요성분인 PDMS가 수중생물에 미치는 영향을 조사한 결과, 대부분의 선행 연구결과가 실험설계 단계에서 발생된 농도설정의 미흡함과 PDMS의 구조적 다양성으로 인해 객관적이고 신뢰성있는 영향농도 산정에 한계가 있었으며 PBT특성을 PDMS에 적용한 결과, 지속성(P)과 생물농축성(B)의 특성을 가지는 것으로 나타나 PDMS가 해양으로 배출될 경우 상위 영양단계로 축적될 가능성이 존재하며 퇴적물에 흡착될 경우 저서생물에게 부정적인 영향을 미칠 수 있을 것으로 나타났다.
후속연구
따라서 소포제의 제품 개발시에는 주요성분의 사용에 대한 법적 근거 확보와 성분분석 및 실제 생태독성시험을 통해 성분별 함유량 및 적정 사용(희석)비율을 반드시 고지해야하며 소포제 사용자 역시 제품 내 주요성분이 환경에 미치는 영향에 대한 면밀한 사전 조사가 수반되어야 할 것이다.
따라서 추후 해양생물을 대상으로 PDMS의 화학 물리적 거동 특성을 고려한 현실적인 실험설계가 필요하며 PDMS의 지속성과 생물농축성을 고려하여 실제 배출해역의 생물의 영양단계별 체내 농축정도와 특히 퇴적물 및 저서생태계에 중점을 둔 면밀한 영향조사가 동반되어야 할 것으로 판단된다. 또한 본 연구결과는 해양으로 배출되는 다양한 소포제의 해양생태계에 미치는 영향조사시 주요성분을 고려한 보다 객관적이고 과학적인 위해성평가에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 추후 해양생물을 대상으로 PDMS의 화학 물리적 거동 특성을 고려한 현실적인 실험설계가 필요하며 PDMS의 지속성과 생물농축성을 고려하여 실제 배출해역의 생물의 영양단계별 체내 농축정도와 특히 퇴적물 및 저서생태계에 중점을 둔 면밀한 영향조사가 동반되어야 할 것으로 판단된다. 또한 본 연구결과는 해양으로 배출되는 다양한 소포제의 해양생태계에 미치는 영향조사시 주요성분을 고려한 보다 객관적이고 과학적인 위해성평가에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
실리콘계 소포제는 어떤 우수한 특성을 가지고 있는가?
, 1999; Kim, 2010). 이러한 소포제 중 최근까지 국내 발전소에서 주로 사용되었던 실리콘계 소포제는 표면장력이 낮고 열 안전성이 높으며, 화학적으로도 안전성을 갖고 있어 세계적으로 코팅, 연마, 세제, 개인 기호품, 식품 및 의료용품 등에 다양하게 사용되고 있다(Fendinger et al., 1997; Dewil et al.
실리콘계 소포제는 어느 분야에 사용되고 있는가?
, 1999; Kim, 2010). 이러한 소포제 중 최근까지 국내 발전소에서 주로 사용되었던 실리콘계 소포제는 표면장력이 낮고 열 안전성이 높으며, 화학적으로도 안전성을 갖고 있어 세계적으로 코팅, 연마, 세제, 개인 기호품, 식품 및 의료용품 등에 다양하게 사용되고 있다(Fendinger et al., 1997; Dewil et al.
디메틸폴리실록산의 물리·화학적 특징은 무엇인가?
고리형 실록산(cyclic siloxane) 중에서도 휘발성의 폴리실록산을 “Cyclic volatile methyl siloxane (cVMS)”라 부르며 종류는 크게 Oxtamethylcyclotetrasiloxane (D4), Decamethylcyclopentasiloxane형 실록산(cyclic siloxane) 중에서도 휘발성의 폴리실록산을 “Cyclic volatile methyl siloxane (cVMS)”라 부르며 종류는 크게 Oxtamethylcyclotetrasiloxane (D4), Decamethylcyclopentasiloxane(D5) 및 Dodecamethylcyclohexasiloxane (D6)의 3가지가 주로 알려져 있다(Bridges and Solomon, 2016). PDMS의 물리·화학적 특징으로는 증기압이 크고, 물에 대한 용해도가 낮아(Dewil et al., 2006; Wang et al., 2013; Bridges and Solomon, 2016) 수중에서 부분적으로 하수를 통해 슬러지로 흡착된다고 보고되고 있으며(Watts et al., 1995; Fendinger et al., 1997; Dewil et al., 2006), D4를 제외한 고리형 실록산과 고분자량의 선형 실록산의 경우, 유기물에 강하게 흡착하는 성질로 인해 퇴적물에 PDMS가 농축된다고 보고되고 있다(Zhang et al., 2011).
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