제3회 외대학보 학술대전 - 이공계분야 당선작

2015-12-08

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1.서론

환경중의 화학물질 농도는 1800년대 1차 산 업혁명 이후 급격하게 증가하고 있으며, 약 400여 종 이상의 신규 화학물질이 매년 환경부에 보고되 어 관리되고 있다. 인간의 생활환경에서 날이 갈수 록 오염물질의 농도와 수는 증가하고 있으며, 인간 에게 노출의 위험이 있는 것으로 유해화학물질, 환 경호르몬류 그리고 중금속이 있다. 이 중 중금속류 의 물질은 수질 및 수생태계를 평가하는데 중요한 지표가 되고 있다. 중금속이란 주기율표상의 아래 쪽에주로위치하고있는비중4이상의무거운금속 원소로 환경에 배출되면 Food-Chain에 따라 최 종적으로 인간에게 축적되기 때문에 중금속에 의한 오염의 방지와 정화가 중요하다. 이처럼 중금속류 물질은 환경 내에서 생물축적(Bioaccumulation) 과 생물농축(Bioconcentration)을 야기시키고, 인 간에게 노출되면 축적되어 구토와 설사를 유발하고 심하게는 불임, 신경계와 순환계 교란과 같은 많은 질병과 문제를 발생시킬 수 있다.
중금속류 물질에 의한 수생태계 영향을 판단하 고 예방하기 위해서는 수계 내에 중금속 존재여부 를 정확하게 측정하여야 생태계를 보호하고 인간에 게미치는영향을판단할수있다.일반적으로수생 태계에서 많이 다루고 있는 중금속 물질에는 산업 폐수에서 발생되는 Cu, Zn, Pb 등이 있으며, 이는 환경부에서 배출허용기준에 기초해 모니터링되어 관리가 이루어지고 있는 상태이다. 이러한 중금속 물질은 수계내에서 이온상태로 존재할 경우에만 독 성영향을 발현시킬 수 있으며, 이는 계절, 강수량 변 화에 따른 경도의 농도에 따라서 이온경쟁에 의해 영향을 주는 정도가 다르게 나타난다. 일반적으로 경도가 일정 수준의 농도까지 높아질수록 중금속의
독성영향은 일부 낮게 평가되어 진다. 산업폐수에서 나오는 중금속에 대한 Daphnia
magna 독성발현농도를 Anderson이 발표함으로 생물검정에 대한 연구가 활기를 얻었다(Anderson, 1944, 1948). Breukelman은 염화제2수은(HgCl2) 에 대한 Daphnia magna의 저항성차이 연구를 발표하였고, Braudouin(1974) 등은 Daphnia magna를 포함하여 동물플랑크톤류에 있어서 여러 가지 금속에 대한 급성독성을 비교하여 D. magna sp. 민감도를 확인하였다. Shcherban(1979) 은 여러 온도조건에 있어서 Daphnia magna 의 중금속에 대한 독성평가결과를 제시하였다. Freeman(1953)은 또 여러 가지 세제류에 대한 Daphnia magna의 저항성차이를 발표하였다. 이
렇게 1940년대에서부터 D. magna에 대한 독성연 구는 시행되어 왔으며, 현재까지도 많은 물질에 대 한 독성평가가 수행되고 있다. 미국 환경청인 EPA 에서는 물벼룩에 대한 표준시험법을 제정하여, 수 생태계를 관리/감독하고 있으며, OECD에서도 1977년 이후 생물검정 표준시험법을 채택하여 발 표하였다.
본 연구는 경도 변화에 따라 수계에서 중금 속 이온의 생물독성발현 영향에 대해 Daphnia magna를 이용하여 급성유영저해평가를 수 행하였다. 평가방법은 수질환경공정시험기준 에 준하여 실시하였고, Toxcalc 5.0 Program 을 사용하여 NOEC(No Observable Effect Concentration), LOEC(Lowest Observable Effect Concentration), EC50(Median Effective Concentration), TU(Toxic Unit)을 산출하였다.

2.재료및실험방법

2.1. 재료
2.1.1. 물벼룩(Daphnia magna) 본 실험에서 사용한 물벼룩은 국제표준시험생
물종으로 지정된 큰물벼룩종(Daphnia magna)으 로서 담수 무척추동물이며, 호수나 강 등에 서식한 다. 평균 25°C에서 40일, 20°C에서 4개월 정도 서 식한다. 부화된 후 성체가 되기까지 6~10일 걸리며 첫출산한새끼는사용하지않고3번째이후출산된 새끼를 사용한다. 출산은 최초 출산 후 2~3일 마다 출산을 한다.
2.1.1.1. 사육조건 물벼룩 실험과 배양방법 모두 EPA방법, 수질
환경공정시험기준을 참고하였다. 실험에 사용한 물벼룩은 인공담수를 만들어서 사용했으며, 조성 은 Table 1과 같다. 배양액의 경도는 150±10mg/ L as CaCO3, 알칼리도 121±10mg/L as CaCO3, pH 8.2±0.2로 조절 하였으며, 폭기를 시켜 DO가 80%이상이 되도록 유지하였다. 배양하는 곳의 온 도는 20±1°C, 습도는 50%가 유지되도록 하였다. 1,000~2,000 Lux, 16-h light/8h-dark 조건으로 광주기를 유지하였다. 시험생물은 태어난지 24시 간 미만의 생물을 선별하여 분석하여야 하므로, 매 일 사육수를 교환해주면서 시험생물을 확보하였고, 사육수를 교환할 때 마다 먹이를 공급하였다. 먹이 양으로는 4x107cells/개체/일이 되도록 공급하였 다. 시험에 사용된 물벼룩은 일정한 환경이 유지되는 조건에서 사육하였으며, 민감도를 유지하기 위 해, 표준독성물질인 Nacl을 이용하여 정도관리를 하였고, 그 외의 화학물질에는 노출된 경력이 없는 생물을 이용하여 평가하였다.
2.1.1.2. 먹이 물벼룩의 먹이로는 실험실에서 계대배양하
고 있는 Pseudokirchneriella subcapitata를 사 용하였으며, 배양을 하기 위한 배지는 DIN배양액 과 vitamin stock용액을 사용하여 조류가 증식하 는데 도움을 주게 하였다. 배약액의 pH는 7~8로 하였고 온도는 25±1°C, DO 3mg/L이상, 빛은 약 4,000 Lux 이상을 유지시켰다. 광조건은 물벼룩 과 마찬가지로 16-h light/8h-dark로 하였고, 4 일동안 배양하였다. 배양후 1L용기에 분배하여 냉 장고에서 3일정도 가라앉힌 후 상등액은 버리고 P. subcapitata cell을 최대한 농축하여 먹이로 사용하 였다.
2.1.2. 경도수 본 실험에서는 경도를 달리하였을 때 중금속의
영향을 보는 실험으로 경도를 100, 200, 500mg/ L as CaCO3로 물벼룩실험을 하기 위한 물로 만들 었다. 경도를 맞추기 위한 조성은 Table2와 같으며 pH와 DO는 사육수와 같은 조건으로 하였다.
2.1.3. 중금속 실험에 사용한 중금속으로는 Cu, Zn, Pb를 사
용하였고, 3가지 중금속을 경도를 달리한 표준용액 에 각각의 EC50에 해당하는 농도보다 2배정도 높 은 농도로 사용하였다. 중금속의 EC50을 맞추기 위 한 농도는 Table3과 같다.
2.2. 실험방법
2.2.1. 독성실험
2.2.1.1. 급성유영저해시험 각각의 중금속을 경도 100, 200, 500 mg/L
as CaCO3에 따라 농도구배(중금속 EC50농도의 2 배수를 100%라 기준으로 하여 100, 50, 25, 12.5, 6.25%)로 4개씩 50ml유리 비커를 준비한다. 대조 구로는 사육수만 넣은 50ml 비이커 4개를 준비한 다. 각각의 비커에 생후 24시간 이내 태어난 새끼 물벼룩을 5개체씩 넣어 24시간이 지난 후에 유영 저해 개체수를 기록 하였다. 실험기간 동안, 산소와 먹이 공급은 하지 않았다. 유영저해란 시험용기를 천천히 움직여도 물벼룩이 15초간 헤엄치지 못하거 나치사를보이는경우를말하며,반응을하지않거 나 정상적인 움직임이 없는 경우를 말한다. 촉각만 움직일 경우에도 유영저해가 있는 것으로 간주한 다. 급성유영저해시험은 유해물질이 첨가된 시험수 내에서 물벼룩이 24시간 또는 48시간 이후의 유영 저해정도를살펴보는실험이다.본실험의절차등
은 EPA, 수질환경공정시험기준을 참고로 하였다. 실험 환경은 사육 환경조건과 동일하게 유지시켰으 며, 시험 전후에 각 시험액과 대조구의 pH와 DO를 측정하였다. QA/QC를 위해 수질환경공정시험기 준에 따라 표준독성물질시험(NaCl, K2Cr2O7)을 수행하였다.
2.2.2. 독성평가
2.2.2.1. EC50산정 EC50이란 실험시 일정 농도구간에서 물벼룩
의 50%가 유영저해를 보이거나 번식률을 50% 감 소시키는 물질의 농도를 의미하는 것으로, Dose- Response 관계를 표시할 때 많이 사용되고 있다. 실험물질에 대한 반응은 Linear interpolation에 의해 산정하였고, EC50에 대한 95%신뢰한계치를 Toxcalc 5.0으로 산출하였다.
2.2.2.2. NOEC, LOEC 결정 NOEC(No Observable Effect
Concentration)란 물벼룩의 유영저해가 관찰되 지 않거나 대조구와 차이가 인정되지 않는 농도로 무작용 농도 중 최고시험 농도이다. 각 시험농도 구와 대조구의 결과를 Toxcalc 5.0으로 산출하여 서 구하였다. LOEC(Lowest Observable Effect Concentration)란 물벼룩의 유영저해가 관찰되거 나대조구와인정되는농도로작용농도중최저시 험 농도이다.

3.결과 및 고찰

3.1. 급성유영저해시험 중금속과 경도에 대한 급성유영저해 시험의 결
과는 Fig1에서 Fig9까지와 같으며, 각각의 중금속 에서의 EC50의 농도가 경도가 올라갈수록 증가하 게 나타났다.
3.2. 경안천 수계 물리화학적 특성 및 생태독성 평가
본 연구의 결과를 바탕으로, 실제 자연생태하 천에서의 경도와 중금속류 물질의 농도에 따른 생 물독성발현에 대해 고찰해 보기 위해 한국외국어대
학교 정문앞에 위치하고 있는 모현사거리에서 경안 천 하천수를 채수하였다. 채수된 시료는 중금속류, 경도 등의 물리화학적인 분석을 하였으며, 물벼룩 생태독성평가도 동시에 수행하였다. 그 결과 24시 간 물벼룩 생태독성은 희석을 전혀하지 않은 경안 천 하천수 100% 시료에서 전원 생존하여 TU=0으 로 평가되었고, ICP(Inductively Coupled Plasma) 장비를 이용하여 중금속류 물질에 대한 화학분석도 수행하였으며, 이에 대한 결과는 다음 표와 같다.
4.결론 환경 중 수계에 공장폐수 등으로 인하여 하천이
나 강에 유해한 중금속이 유입되어 생물에 대한 독 성평가를 수행하기위해 수질환경공정시험기준 표 준시험법에 따른 Daphnia magna를이용하여 평가 하였다.
1. 급성유영저해시험에서 중금속에 대한 독성은 경도가 높아질수록 TU값이 낮아지는 경향을 보였 다.
2. 급성유영저해시험에서 EC50값은 경도가 100mg/L, 200mg/L as CaCO3일때는 독성값에 큰 변화를 보이지 않았지만, 경도가 500 mg/L as CaCO3으로 높아진 시험구에서는 생태독성값(TU) 이 낮아지는 경향을 나타내었다.
3. 이는 경도유발물질이 수계에 다량 존재할수 록 중금속류의 이온과 상호 경쟁상태에 이르게 되 면서, 생물에게 직접적인 독성영향을 급성으로 유 발시키지 않는 것으로 판단되었다.
4. 그러므로, 한국외국어대학교 인근에 위치하 고 있는 경안천 수계는 경도가 120mg/L as CaCO3 로 강수량이 높지 않은 현 시점을 기준으로 판단하 였을 때, 가뭄이 심한 갈수기에도 외부에서 새롭게 유입되는 중금속류의 오염이 없을 경우, 중금속의 농도에 의한 생물독성이 발현될 가능성이 낮은 것 으로 판단된다.

심사 총평 견진만 주간교수
학기 중 바쁜 일정에도 불구하고 시간을 내논문을투고한학생들과심사를해주신교 수님들께 깊은 감사의 인사를 드립니다. 비교 적 많은 논문이 접수된 가운데 수상의 영예를
안은 분들께도 진심으로 축하를 드립니다. 수 상작인 인문분야 “국내 인문학의 위기와 그 원인, 그리고 교육제도 개선을 통한 극복방 안”, 사회분야 “유럽연합의 문화수도 프로그 램 분석: 동유럽 국가를 중심으로”, 이공분야 “Hardness 농도가 중금속류(Copper, Zinc, Lead)의 물벼룩 생태독성 발현에 미치는 영향 에 관한 연구”는 공통적으로 주제가 시의적절 하고 흥미로우면서도 학부 수준에서 다룰 수 있는 방법론을 충실히 수행했다는 점에서 높 은 점수를 받았습니다. 본 연구들의 한계점으 로지적된부분들은후속연구소재로써의가 치를 지니기에 또한 의미가 있습니다. 고등교 육이 취업 위주로 변질됐다는 비판이 제기되 고 있는 현 시점에서 이 같은 성과는 ‘대학의 정체성과 역할’이 무엇인지를 다시금 생각해 보게 합니다. 분야는 달랐지만 ‘인간, 사회, 자 연’을 관찰하는 예리한 통찰력이 우리의 미래 를얼마나풍요롭게할수있는지에대한기대 감을안겨준것만으로도이번학술대회는충 분히 성공적이었다고 봅니다. ‘진리 추구의 장’ 에초대받은심사자의한사람으로다시한번 입상자들에게 아낌없는 박수를 보냅니다.