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핵심내용

미세플라스틱이 물벼룩의 생존을 위협한다
- 미세플라스틱이 물벼룩 알주머니 침투하여 생식과 발달 저해 -

□ 세계적으로 가장 많이 사용되는 화학물질인 플라스틱이 담수 생태계에 미치는 잠재적 영향이 밝혀졌다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 “안윤주 교수(건국대학교) 연구팀이 담수 생태계에서 미세플라스틱*이 물벼룩 알주머니에 침투하여 생식 및 발달을 저해함을 발견했다”고 밝혔다. 
    * 미세플라스틱 : 크기가 100 nm 이하인 플라스틱 입자
 
□ 합성섬유 조각, 타이어가 마모되면서 발생한 먼지입자 등 플라스틱은 천천히 작게 쪼개져서 미세플라스틱이 된다. 이들은 해양으로 흘러 들어가서 생물체의 생존율과 성장에 유해한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그러나 미세플라스틱이 호수, 강과 같은 담수 생태계에 미치는 영향에 대해서는 거의 알려지지 않은 실정이다.
 
□ 연구팀은 국내 담수 생태계에 서식하는 유리물벼룩(Daphnia galeata)을 대상으로 미세플라스틱의 생체 내 축적 경로와 발생 가능한 생태 독성 영향을 평가하였다. 그 결과 미세플라스틱은 유리물벼룩의 소화기관, 생식기관, 그리고 알주머니까지 침투하며, 생식과 발달을 저해하는 것으로 밝혀졌다.

  ㅇ 미세플라스틱에 노출된 물벼룩은 알의 83% 가량이 사망하는 등 부화율이 매우 낮아졌다.

  ㅇ 미세플라스틱에 노출되면 물벼룩 체내 지방소립의 개수가 알 형성 과정 전후로 약 27-42% 감소했다. 또한, 생식 발생 전에는 지방소립의 크기도 감소했다. 지방소립은 생식을 하기 위한 중요한 에너지원이기 때문에, 지방소립의 변화가 주요한 독성기작이 될 수 있다.
    * 지방소립(lipid drolet) : 생물체 내 지방 저장을 조절하는 기능을 수행 
 
□ 안윤주 교수는 “이 연구는 담수생태계 먹이사슬에서 중요한 위치에 있는 물벼룩을 대상으로 미세플라스틱의 생태독성영향을 평가한 것”이라며 “향후 플라스틱의 위해성 평가와 적합한 관리 방안 수립을 위한 기반자료로써 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.
 
□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구)의 지원으로 수행되었다. 네이처 자매지인 국제학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 9월 21자에 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

  - 논문명 : Polystyrene nanoplastics inhibit reproduction and induce abnormal embryonic development in the freshwater crustacean Daphnia galeata
  - 저자정보 : 안윤주 교수(교신저자, 건국대학교), 최영설(공동 제1저자, 건국대학교), 김신웅(공동 제1저자, 건국대학교)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

  ○ 플라스틱은 매년 상당한 수준으로 발생되며, 환경으로 배출되어 현재 전 세계적으로 문제가 되고 있다.

  ○ 플라스틱은 물리적, 화학적, 생물학적 과정으로 인해 천천히 분해되어 미세 입자(<100 nm)가 된다. 이 입자들은 해양 생태계에서는 생태계 생물체에 악영향을 미칠 수 있음이 보고된 바 있다.

  ○ 미세플라스틱은 토양과 담수 환경에도 광대하게 분포되고, 축적된다. 그러나 미세플라스틱이 담수생태계에 미치는 잠재적인 영향력에 대해서는 상대적으로 보고된 바가 적다. 이에 따라 담수생태계 생물체에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다. 특히 생물체 몸 속에서 플라스틱 입자의 움직임에 대해 연구된 바 없기 때문에 그 영향력에 대한 이해도 매우 부족하다.

 2. 연구내용

  ○ 미세플라스틱은 대표적인 국내 담수생태계 생물종인 유리물벼룩(Daphnia galeata)에 5 mg/L의 농도로 노출되었으며, 노출군의 생식과 알의 부화율이 감소하였다. 미세플라스틱에 노출된 유리물벼룩 알에서는 이상 증상이 발생하였다. 알의 10~15%만이 정상적인 것으로 간주되었고, 83% 가량이 사망하였다.

  ○ 유리물벼룩 체내에서 미세플라스틱의 이동경로를 관찰한 결과, 미세플라스틱은 유리물벼룩의 소화기관, 생식기관, 그리고 알주머니까지 침투한 것으로 나타났다. 미세플라스틱은 알이 배출되는 출구를 통해 주로 침투되는 것으로 확인되었다. 유리물벼룩 알 내부로 직접적으로 축적되지 않으나, 영향을 줄 수 있는 것으로 나타났다.
    * 지방소립(lipid drolet) : 생물체 내 지방 저장을 조절하는 기능을 수행 

  ○ 또한, 미세플라스틱에 노출된 유리물벼룩은 지방소립(lipid droplet)의 수와 크기가 감소하였다. 이는 알의 형성 과정 전후로 모두 나타났으며, 약 27-42%의 감소추세를 보였다. 또한, 생식 발생 후에는 20 μm 이하의 지방소립 비율이 대조군에 비하여 증가하여, 전반적으로 크기가 감소한 것으로 나타났다. 생물체 내 지방소립은 생식을 하기 위한 중요한 에너지원이 되어, 이에 대한 변화가 생길 경우 생식 대사작용에 영향을 줄 수 있다. 또한, 지방소립은 다양한 외부 스트레스에 의해 변화할 수 있는 것이 보고된 바, 미세플라스틱에 의한 유리물벼룩 생식 및 발달 저해의 기작이 될 수 있을 것으로 판단하였다.

 3. 연구 성과

  ○ 미세플라스틱이 담수생태계 생물종인 유리물벼룩 내에 침투할 수 있으며, 구체적인 증거 및 경로 예측을 제시하였다.

  ○ 미세플라스틱은 유리물벼룩 체내 지방소립에 영향을 주며, 생식 및 발달 저해의 주 요인이 된 것으로 제시하였다.

상세내용

연구 개요

 1. 연구배경

  ㅇ 플라스틱은 매년 상당한 수준으로 발생되며, 환경매체로 배출되어 현재 전 세계적으로 문제가 되고 있다.

  ㅇ 플라스틱은 환경 중에서 천천히 분해되어 미세 입자(<100 nm)가 되며, 해양 생태계에서는 생태계 생물체에 악영향을 미칠 수 있음이 보고된 바 있다.

  ㅇ 하지만 담수생태계에서의 미세플라스틱의 잠재적 영향은 상대적으로 보고된 바가 적으며, 이에 따라 담수생태계 생물체에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다.

 2. 연구내용

  ㅇ 미세플라스틱은 대표적인 국내 담수생태계 생물종인 유리물벼룩 (Daphnia galeata)에 5 mg/L의 농도로 노출되었으며, 노출군의 생식과 알의 부화율이 감소하였다.

  ㅇ 미세플라스틱은 유리물벼룩의 소화기관, 생식기관, 그리고 알주머니까지 침투하였으며, 알에서의 이상 증상이 발생하였다. 또한, 미세플라스틱에 노출된 유리물벼룩은 지방소립(lipid droplet)의 수와 크기가 감소하였다.
      * 지방소립(lipid drolet) : 생물체 내 지방 저장을 조절하는 기능을 수행

  ㅇ 생물체 내 지방소립은 생식을 하기 위한 중요한 에너지원이 되어, 이에 대한 변화가 생길 경우 생식 대사 작용에 영향을 줄 수 있다. 또한, 지방소립은 다양한 외부 스트레스에 의해 변화할 수 있는 것이 보고된 바, 미세플라스틱에 의한 유리물벼룩 생식 및 발달 저해의 기작이 될 수 있을 것으로 판단하였다.

3. 기대효과

  ㅇ 담수생태계에서의 플라스틱의 생태독성 영향을 평가하고, 원인이 될 수 있는 기작을 판명함으로써 향후 연구 발전에 기초정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

  ㅇ 환경 내 플라스틱의 관심이 급증하고 있는 현재, 적합한 관리방안과 체계가 필요하며 해당 연구는 이에 대한 기반자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
플라스틱은 전 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 화학물질 중 하나입니다. 플라스틱의 사용량이 증가함에 따라 환경 중으로 배출되는 양도 증가하고 있고, 환경 및 인체에 대한 영향을 평가하고 관리 방안을 마련할 필요성이 있다고 판단하였습니다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개
가장 먼저 국내에 서식하고 있는 생물종을 활용해야 한다고 판단하여 우리나라 수계에 많이 분포하는 유리물벼룩을 대상 시험종으로 선정하였습니다. 유리물벼룩이 미세플라스틱에 노출되었을 때의 영향을 관찰하였고, 이상 현상에 관련된 기작을 추적하는 방식으로 연구가 진행되었습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
매우 작은 유리물벼룩에서 알을 채취하는 과정과 지속적으로 관찰하고 실험하는데 어려움이 있었습니다. 또한 이미지를 하나하나 분석하는데 인내력이 필요했습니다. 하지만 많은 시행착오와 장기간의 노력으로 유리물벼룩에 적절한 시험방법을 마련하였고, 적합한 기기분석의 도입으로 연구를 지속할 수 있었습니다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
기존 연구에서는 미세플라스틱이 물벼룩과 같은 작은 생물에 어떤 경로로 침투되는지 자세하게 다루고 있지 않았습니다. 본 연구에서는 형광파장과 시약 염색기법을 이용하여 물벼룩 내의 미세플라스틱을 명확하게 관찰하였고, 이에 따른 독성기작까지 확인하여 담수생태계에서의 미세플라스틱의 잠재적 영향을 보고하였습니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
이번 연구에서는 유리물벼룩을 미세플라스틱에 짧은 기간 노출하여 유리물벼룩 및 알에 대한 영향을 평가하였습니다. 향후 연구에서는 물벼룩이 미세플라스틱에 긴 시간동안 노출되었을 때의 생식영향 및 알에 대한 영향을 추가적으로 확인할 예정입니다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
연구의 특성상 매우 작은 유리물벼룩의 알을 수집하기 위해 현미경하에서 고군분투한 것, 그리고 바이오이미징과 함께 현미경 세계에서 살았던 것이 기억에 남습니다.

...................(계속)

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