바닷속 나노플라스틱, 해양 먹이사슬로 식자원까지 전이 가능
국내 연구진이 해양 먹이사슬을 통해 나노플라스틱에 간접적으로 노출된 참조기의 소화 기능이 저해될 수 있음을 밝혀냈다.
한국연구재단은 안윤주 교수 연구팀(건국대학교, 제1저자 김리아 석ㆍ박사통합과정)이 소비율이 높은 식자원인 참조기를 대상으로 나노플라스틱 간접 노출에 관한 연구를 진행한 결과, 나노플라스틱이 먹이망*을 통해 전이되며 소화효소** 활성을 저해한다는 사실을 규명했다고 밝혔다.
* 먹이망 : 생태계 내에서 포식자와 피식자의 관계가 복잡하게 상호연결된 구조
** 소화효소 : 음식물의 분해와 영양소 흡수를 돕는 역할
최근 세계적으로 플라스틱 오염이 심화됨에 따라 다양한 환경에서 5mm 미만 크기의 미세플라스틱이 검출되고 오염농도가 누적되어 미세ㆍ나노플라스틱이 생물과 사람의 건강에 미치는 영향에 대한 국민적 우려가 증대되고 있다.
미세ㆍ나노 플라스틱이 영양단계를 통해 순차적으로 포식자 생물에게 전이되는 사실은 알려졌으나, 이에 따른 상위포식자 생물의 영향을 평가한 것은 매우 제한적으로 보고되어왔다.
특히 사람의 단백질 공급원으로 사용되는 식자원인 생선류의 경우, 소비율이 높은 어종을 대상으로 한 연구는 많이 이루어지지 않았다.
이에 연구팀은 나노플라스틱을 간접적으로 섭취한 해양생물에게 나타나는 영향을 비교 분석하였다.
실험은 형광 현상을 일으키는 190nm의 구형 폴리스티렌 나노플라스틱을 오염시킨 환경에 미세조류*(Dunaliella salina)를 배양한 뒤 이를 먹이로 섭취한 소형갑각류를 참조기에 제공하였다.
형광물질을 식별할 수 있는 형광현미경으로 참조기의 소화관 내를 관찰한 결과, 나노플라스틱이 참조기에 전이되었다는 사실을 확인하였으며 24시간 뒤에도 소화관 내에서 나노플라스틱이 관찰되었다.
* 미세조류 : 바다와 민물에 서식하는 단세포 광합성 생물로 흔히 식물 플랑크톤이라고 불리는 생물
나아가 나노플라스틱은 미세조류, 소형갑각류, 참조기에 악영향을 미치는 것으로 나타났는데, 미세조류가 나노플라스틱에 오염된 이후 소형갑각류가 이를 섭취할 경우, 장관 벽이 손상되었으며, 이는 나노플라스틱이 타 해양생물에 간접적으로 노출될 때 그 영향이 나타날 수 있음을 시사한다.
또한 소화효소인 알파 아밀라아제 활성도를 측정하였고 일반 참조기 대조군보다 소화효소의 활성이 39% 감소하는 것으로 소화 기능이 저해됨을 정량화하였다.
안윤주 교수는 “이번 성과는 나노플라스틱이 유발하는 독성을 소화기능 저해로 정량화하여 직관적으로 사람에게 미치는 영향을 제시한 것”이라고 전하며, “환경에 존재하는 나노플라스틱이 영양단계를 거쳐 사람이 섭취하는 식자원에 영향을 끼칠 수 있음을 보여준 사례”라고 덧붙였다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업으로 수행된 이번 연구성과는 환경과학분야 국제학술지인 ‘저널 오브 해저드스 머티리얼스(Journal of Hazardous Materials)’에 8월 4일 온라인 게재되었다.
주요내용 설명
<작성 : 건국대학교 안윤주 교수>
논문명
Trophic transfer of nanoplastics through a microalgae-crustacean-small yellow croaker food chain: Inhibition of digestive enzyme in fish
저널명
Journal of Hazardous Materials
키워드
Amine-modified nanoplastics(아민 작용기 나노플라스틱), indirect exposure(간접노출), marine exposure(해양노출), Dunaliella salina(미세조류), Artemia franciscana(소형갑각류)
DOI
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129715
저 자
안윤주 교수(교신저자/건국대학교), 김리아(제1저자/건국대학교), 최영설(Rongxue Cui) 박사(공동저자/건국대학교), 곽진일 박사(공동저자/건국대학교)
1. 연구의 필요성
○ 세계적으로 플라스틱 오염이 심화됨에 따라 다양한 환경에서 5 mm 미만 크기의 미세플라스틱이 검출되고 있다. 이에 따라, 오염농도가 누적되는 미세플라스틱과 나노플라스틱이 생물에 미치는 영향과 축적 및 사람의 건강에 대한 국민적 우려가 증대되고 있다.
○ 환경중의 미세·나노플라스틱이 영양단계를 통해 순차적으로 포식자 생물에게 전이되는 사실은 알려졌으나, 이에 따른 상위포식자 생물의 영향을 평가한 것은 매우 제한적으로 보고되어왔다. 특히, 생선류는 해양생물 중 상위포식자에 속하며 사람이 동물성 단백질을 섭취하는 식자원으로 소비됨에도 불구하고, 실제 식자원으로서 소비율이 높은 어종에 대한 영향을 파악한 연구가 거의 보고된 바 없다.
2. 연구내용
○ 국내·외 서식하는 해양생물 3종 (Dunaliella salina 미세조류, Artemia franciscana 소형갑각류, Larimichthys polyactis 참조기)를 대상시험종으로 선정하였으며, 190 nm의 구형 폴리스티렌 나노플라스틱을 모델 나노플라스틱으로 선정하였다.
○ 이에 본 연구에서는 나노플라스틱에 노출된 조류를 알테미아에 먹이로 제공한 뒤, 이를 섭취한 소형갑각류를 참조기에 최종 먹이로 제공하여 나노플라스틱을 간접적으로 섭취한 해양생물에게 나타나는 영향을 비교 분석하였다.
○ 특히, 나노플라스틱이 3단계에 걸쳐 최종포식자인 참조기에 노출되었을 때 나타나는 영향을 확인하고자 생물체의 대표적인 소화효소인 알파 아밀라아제를 분석하였다.
○ 결과적으로, 나노플라스틱은 미세조류, 소형갑각류, 참조기에 악영향을 미치는 것으로 나타났는데, 미세조류가 나노플라스틱에 오염된 이후 소형갑각류가 이를 섭취할 경우, 장관벽이 손상되었으며, 이는 나노플라스틱이 타 해양생물에 간접적으로 노출될 때에 그 영향이 나타날 수 있음을 시사한다.
○ 참조기는 나노플라스틱에 간접적으로 노출된 후와 24시간 뒤에도 소화관 내에서 나노플라스틱이 관찰되었으며, 완전히 배출되지 않는 것으로 나타났고, 소화효소의 활성이 39% 감소하는 것으로 확인되었다.
3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구는 식자원으로 소비되는 참조기가 나노플라스틱에 오염될 경우 체내에서 완전히 배출되기 전 소화효소의 활성을 저해한다는 사실을 발견함으로써 환경 중 미세·나노플라스틱이 영양단계를 거쳐 사람이 섭취하는 식자원에 영향을 끼칠 수 있음을 보여주었다.
○ 결과적으로, 미세·나노플라스틱의 오염이 환경적 측면과 아울러, 인체 및 사회경제학적으로도 영향을 미칠 수 있다는 사실을 인식하는 계기가 될 수 있다.
(그림1) 해양 영양단계 전이를 통해 최종적으로 참조기에 전이된 나노플라스틱
나노플라스틱은 미세조류 표면에 흡착되며 소형갑각류의 먹이로 소비된 후 최종적으로 식자원인 참조기가 이를 섭취하여 소화관 내에서 배출되지 않는 것으로 확인되었다. 참조기는 나노플라스틱이 간접적으로 노출된 24시간 이후에도 소화관에 나노플라스틱이 여전히 배출되지 않고 남아있는 것으로 나타났다.
그림설명 및 그림제공 : 건국대학교 안윤주 교수
(그림2) 나노플라스틱이 참조기에 미치는 영향
나노플라스틱에 해양이 오염된 경우, 참조기에 간접적으로 전이된 나노플라스틱은 소화효소 활성을 39% 저해하는 악영향을 유발하였다. 최종적으로 나노플라스틱에 의해 소화기능이 저해된 참조기는 사람의 식자원으로 소비될 수 있으며 나노플라스틱의 환경오염이 결국 사람에게 영향을 미치게 됨을 시시한다.
그림설명 및 그림제공 : 건국대학교 안윤주 교수
연구 이야기
<작성 : 건국대학교 안윤주 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
플라스틱은 삶의 질을 향상시킨 유용한 물질이지만 동시에 오염이 환경적으로 큰 문제가 되고 있다. 실제 환경 중으로 유입되는 플라스틱 폐기물이 미세화되면서 다양한 생물에 노출되어 영향을 미칠 수 있다. 생태계는 환경의 다양한 생물로 구성된 먹이망을 통해 유지되는데, 나노플라스틱이 이러한 먹이망을 통해 순차적으로 상위단계 생물로 전이될 수 있으며 그 종착점은 최상위 포식자인 사람으로 볼 수 있다. 미세플라스틱이 사람에게도 유입될 수 있다는 연구들이 발표되면서 미세플라스틱과 나노플라스틱이 사람에게 미치는 영향을 직·간접적으로 파악할 필요성을 느꼈고, 특히 식자원으로 사용되는 생물들이 악영향을 받을 경우 환경의 플라스틱 오염과 사람의 연관성을 설명할 수 있겠다 생각하여 본 연구를 수행하게 되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
미세·나노플라스틱 오염도가 높은 해양에 서식하는 생물 중 사람의 식자원으로 사용되는 여러 가지 생물을 찾아보던 중, 소비율이 높고 한국인에게 친숙한 참조기를 수급할 수 있게 되었다. 실제 환경에서 나노플라스틱의 생물 간 전이는 영양단계를 통해 이루어질 수 있기 때문에 참조기를 포함하는 3종의 해양생물 기반의 먹이사슬을 구성하였고 나노플라스틱의 노출을 미세조류-소형갑각류-상위 포식자 참조기 순으로 진행하였다. 나노플라스틱이 식자원에 미치는 영향은 참조기의 소화효소의 활성 저해를 통해 확인하였으며, 결론적으로 나노플라스틱이 식자원인 참조기에 미치는 영향을 통해 사람에 미치는 영향을 간접적으로 파악할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존의 미세·나노플라스틱의 생태독성연구는 주로 실험이 용이한 모델생물종을 위주로 진행되었고 이를 통해 환경의 영향을 파악하고 사람에게 미치는 영향을 유추해왔다. 그러나 실제 환경의 미세·나노플라스틱은 다양한 노출경로를 통해 상위 단계로 전달되기도 하기 때문에 실제 해양에 서식하고 소비율이 높은 참조기를 이용하여 나노플라스틱이 유발하는 독성을 소화기능 저해로 정량화하였다. 특히, 식자원인 참조기를 시험생물로 활용하여 나노플라스틱의 영향을 정량적으로 제시함에 따라, 기존 연구보다 좀 더 직관적으로 사람에게 미치는 영향을 제시할 수 있었다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
생태독성학을 통해 미세플라스틱을 포함한 환경오염물질이 생태수용체에 미치는 악영향을 다양한 level에서 진단하고, 본 연구실의 특장점인 Multi-species assay를 확대적용하여 생태계 전반에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 한다.
생명과학 한국연구재단 (2022-10-04)