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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.52 No.3 pp.266-273
DOI : https://doi.org/10.11614/KSL.2019.52.3.266

Ecotoxicological Response of Cd and Zn Exposure to a Field Dominant Species, Chironomus plumosus.

Won-Seok Kim1, Cheol Hong2, Kiyun Park3, Ihn-Sil Kwak1,3*
1Division of Marine Technolohy, Chonnam National University
2National Institute Environmental Research, Incheon 22689, Republic of Korea
3Fisheries Science Institute, Chonnam National University, Yeosu 59626, Republic of Korea
Corresponding author: Tel: +82-61-659-7148, Fax: +82-61-659-7149, E-mail: inkwak@hotmail.com / iskwak@chonnam.ac.kr
22/07/2019 05/09/2019 05/09/2019

Abstract


Heavy metal contamination in freshwater ecosystem has been receiving increased worldwide attention due to their direct or indirect effect on human health and aquatic organisms. In this study, we investigated biological effects such as survival rate, growth rate, emergence rate, sex ratio and mouthpart deformity of Chironomus plumosus. The survival rate of C. plumosus decreased with the increase in heavy metal concentration as well as exposure time after cadmium (Cd) or zinc (Zn) exposure. The growth rate decreased at days 4 and 7 after Cd exposure and significantly reduced at the relatively high concentration of 50 mg L-1 Cd. The emergence rate was decreased at 50 mg L-1 Cd and 100 mg L-1 Zn. The sex ratio showed imbalance pattern at relatively low concentrations (0.5 and 2 mg L-1 Cd) with high proportion of male and relatively high concentration (100 mg L-1 Zn) with high proportion of female (60%). In addition, mentum deformities were observed at high concentration of Cd and Zn. These results suggest that heavy metal exposure in aquatic ecosystem may affect biological and morphological responses, and aquatic midge C. plumosus is a potential indicator for assessment of environmental pollutant such as heavy metals.



카드뮴과 아연 노출에 따른 야외종 장수깔따구 (Chironomus plumosus)의 생태독성학적 반응

김 원석1, 홍 철2, 박 기연3, 곽 인실1,3*
1전남대학교 해양기술학부
2국립환경과학원
3전남대학교 수산과학연구소

초록


    서 론

    중금속은 고도화된 도시화와 산업화로 인해 수계로 유 입되는 주요 오염 물질로 수서생물의 성장, 행동, 번식 과 생존에 영향을 준다 (Rand et al., 2003). 그 중 카드뮴 (Cd)은 독성이 높은 중금속의 일종으로 전 세계적으로 널 리 분포하며 생물 체내축적 시 신경계 질병과 암을 유발하 는 것으로 알려져 있다 (Wasiberg et al., 2003;Henson and Chedrese, 2004). 수계 중 Cd 축적은 대부분 인위적 활동 에 의해 발생하며 수중보다 퇴적물에서 높은 축적을 보인 다 (Jung et al., 2005). 아연 (Zn)은 환경 내 풍부하게 존재 하는 물질로 생물 체내 다양한 효소 합성 과정에 필요한 요 소이다. 그러나, 생물 체내 필요 이상으로 존재하면 치명적 인 독성 영향을 주게 된다 (Lushchak, 2011). 환경 중 관찰 되는 Cd와 Zn 농도 분포는 불가리아의 Chaya 강에서 Cd 가 3.9~21 μg g-1, Zn이 2.2~1,473 μg g-1로 보고되었으 며 이는 주변에 분포되어 있는 도심과 공장지대로부터 기 인한 것으로 보고되었다 (Michailova et al., 2015). 또한, 말 레시아의 Permatang Rava 강에서 Zn 농도가 38.83 mg L-1 로 환경 중에서 대부분 높은 농도로 존재한다 (Al-Shami et al., 2011). 국내에서는 여수 연등천에서 0.2 mg kg-1 Cd, 114.1 mg kg-1 Zn, 진주 판문천에서 0.1 mg kg-1 Cd, 129.8 mg kg-1 Zn이 측정되었다 (Kim et al., 2015). 전라남도 목포 와 여수 인근 조간대 지역에서는 Cd가 0.09~0.2 mg kg-1, Zn이 70.57~131.23 mg kg-1으로 높은 농도가 관찰되었 다 (Park et al., 2019). 국내 중금속 오염평가 기준치는 Cd 0.4 mg kg-1, Zn 363 mg kg-1로 제시되어져 있다 (NIER, 2015).

    파리목 깔따구과에 속하는 장수깔따구 (Chironomus plumosus)는 알, 유충, 번데기 시기를 저서에서 서식하는 생물적 특징으로 인해 하천의 건강성을 판단하는 지표생 물로 이용되고 있다 (Tuikka et al., 2011). 최근에는 장수깔 따구를 이용하여 중금속과 각종 영양염류에 따른 생물적 교란과 elemental mobilization에 대한 연구 (Schaller, 2014), 과불소화합물을 이용하여 퇴적물 침전 독성 시험을 진행 한 연구가 보고되었다 (Xia et al., 2012). 깔따구과는 중금 속, 항생제뿐만 아니라 염분, 온도 등의 이화학적 스트레스 요인에 대해 민감하게 반응하기 때문에 생물 위해성 평가 에 적합한 생물로 연구에 이용되고 있다 (Park and Kwak, 2014;Kim et al., 2017;Park and Kwak, 2018). 또한, 깔따 구과 유충의 하순기절은 서식환경에서 발생하는 인위적 스트레스에 대한 영향을 판단하는 생체지표로 이용된다 (Dias et al., 2008;Park et al., 2009).

    C. riparius와 장수깔따구를 대상으로 하천에 존재하는 다양한 중금속 노출에 따라 열충격 단백질 70 (heat shock protein 70) 발현을 비교하고 하순기절 기형을 보고하였다 (Kim et al., 2015). 또한, 과불소화합물질 노출을 통해 장수 깔따구 무게 변화에 대한 연구가 보고되었다 (Wen et al., 2016). 분자적 반응으로는 Cd, Cu와 Pb를 C. riparius에 노 출하여 세포 성장에 관여하는 ribosomal protein S3 유전자 가 노출 스트레스에 따라 농도의존적인 발현에 대해 알려 졌다 (Park and Kwak, 2011). 최근에는 해양 환경 오염에 따 른 서식 생물들의 중금속 체내 축적량과 함께 인간의 소비 활동으로 인한 유해성에 대한 연구가 보고되었다 (Baki et al., 2018). 그 외에도 어류, 갑각류, 식물 등을 대상으로 한 중금속 스트레스에 대한 연구가 보고 되고 있다 (Naddy et al., 2015;Park et al., 2019).

    본 연구에서는 하천 퇴적물 내 높은 농도로 축적되는 Zn 과 농축에 대한 생물효과가 큰 Cd의 생태독성학적 반응을 야외종인 장수깔따구를 이용하여 살펴보고자 하였다. 이를 위해 여러 노출 농도 구간에서 장수깔따구의 생존율, 우화 율, 성비와 하순기절 기형을 관찰하였다. 야외에 서식하는 우점종인 장수깔따구를 대상으로 단일 중금속 노출에 따 른 생태독성학적 영향을 파악하여 지표생물의 반응을 살 펴보는 것은 수환경의 중금속 오염에 대한 생태계 모니터 링을 위한 기초적 자료로 활용될 수 있을 것이다.

    재료 및 방 법

    1. 실험 생물

    서울의 안양천에서 채집한 장수깔따구는 실험실로 이 동 후 항온기 내에서 순치 및 실험을 진행하였다. 사육수 로는 M4 배지 (Elendt, 1990)를 공급하고, 환경 조성을 위 해 모래 (<63 μm)를 투입하였다. 항온기 내부 조건은 온 도 20±1°C, 습도 60%, 광도 500 lx, 광주기 명암은 16 : 8의 조건으로 사육을 진행하고 tetramin (Tetra-Merke, Melle, Germany)을 갈아 매일 0.5 μg day-1로 공급하였다.

    2. 독성 노출 시험 및 조건

    노출 물질인 Cd, Zn은 Sigma-Aldrich (St. Louis, Mo, USA)에서 구입하였으며 노출 농도는 LC50 (Cd: 177.2 mg L-1, Zn: not detect (NOEC: 200 mg L-1))에 근거하여 Cd는 0.5, 2, 10, 50 mg L-1, Zn은 20, 100, 400, 800 mg L-1로 농 도 설정 후 노출 실험을 진행하였다. 노출 실험을 위해 장 수깔따구 4령기 유충을 선별 후, 실험 수조인 300 mL 비커 에 각 20마리씩 배치하고 5개의 반복구를 두었다. 1~3번 반복구는 생존율, 성장률, 우화율과 성비를 측정하였으며 4~5번 반복구는 독성 노출에 따른 하순기절 기형을 관찰 하였다. 실험 중 개체 간 공식을 막기 위해 tetramin을 소량 공급하였다.

    3. 생존율 측정

    Cd와 Zn 노출에 따른 직접적인 유해성을 관찰하기 위해 장수깔따구 생존율을 측정하였다. 장수깔따구의 체색이 붉 은색으로 보이지 않고 물의 자극에 대해 반응이 없는 경우 치사로 판단하였다.

    4. 성장률 측정

    독성 노출 기간 동안 장수깔따구의 성장률 변화를 관찰 하기 위해 다음과 같은 식을 이용하여 측정하였다.

    Growth rate (%)=[ln(W t )-ln(W 0 )]/t

    • G: 상대성장률

    • W0: 시작 시점 평균 무게

    • Wt: 최종 시점 평균 무게

    • t: 배양기간

    5. 하순기절 기형 관찰

    장수깔따구의 하순기절 기형 관찰을 위해 Cd와 Zn 노 출 7일부터 10일까지 각 농도별 2개체씩 샘플링하여 10% 포르말린에 보관하였다. 보관된 장수깔따구의 몸통과 머 리를 분리 후, CMC-10 (Master company, Inc., Wooddale, Illinois)을 이용하여 슬라이드에 고정하였다. 고정된 슬라 이드는 현미경 (Olympus BX51, Japan)을 통해 관찰하였으 며 Dickman et al. (1992) 자료를 이용하여 기형을 판단하였 다.

    6. 통계적 자료분석

    Cd와 Zn 노출에 따른 장수깔따구의 생물반응 결과에 대 해 유의적 차이를 통계적으로 비교하기 위해 SPSS 12.0KO (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)를 이용하여 Tukey’s test와 분산 분석 (ANOVA, α=0.05)을 실시하고, 모든 데이터는 평균±분산 값으로 표시하였다.

    결과 및 고 찰

    1. Cd와 Zn에 노출에 따른 장수깔따구 생존율

    28일간 Cd와 Zn에 노출된 장수깔따구의 생존율은 전체 적으로 노출시간·농도 의존적인 감소를 나타냈다 (Fig. 1). 0.5 mg L-1 Cd에 노출된 개체는 Day 7, 95% 생존율을 보였 으며 Day 10, 80%로 감소하였다. Cd 2 mg L-1와 10 mg L-1 에 Day 4, 90% 생존율을 보였으나 시간이 지남에 따라 감 소하여 각각 70%, 65% 생존율이 관찰되었다.

    Day 4, 20과 100 mg L-1 Zn에 노출된 장수깔따구는 80% 생존율을 보여 가장 낮은 생존율을 보였다. 이후, 시간이 지남에 따라 생존율이 감소하여 Day 28, 60% 생존율을 관 찰하였다. Day 7, 20과 100 mg L-1 Zn에 노출된 장수깔따구 는 100% 생존율을 보인 후, Day 10에 각각 85%, 75%로 감 소하며 시간·농도 의존적인 경향이 나타났다. Day 7, 400 mg L-1 Zn은 95% 생존율을 보였으며 Day 10, 65%로 급격 한 생존율 감소를 보였다. Day 4, 800 mg L-1 Zn은 95% 생 존율을 보였으며, 시간이 지남에 따라 생존율이 감소하여 Day 28, 50% 생존율로 다른 노출군에 비해 낮은 생존율을 나타냈다. 이와 같은 생존율 결과는 Cd와 Zn 노출이 장수 깔따구에 독성학적인 영향을 주었으며 깔따구과를 대상으 로한 중금속과 EDCs를 비롯한 여러 유해물질 노출 연구 에서 관찰된 생존율 감소와 유사한 경향을 보였다 (Park et al., 2009;Kim et al., 2017) (Table 1).

    2. Cd와 Zn에 노출에 따른 장수깔따구 성장률

    Cd와 Zn 노출에 따른 장수깔따구 성장률을 측정한 결 과, Cd 노출, Day 4, 농도의존적으로 감소함을 관찰하였 다 (Fig. 2). 특히, 50 mg L-1 Cd는 0.3 day-1를 보이며 가장 낮은 값을 보였으며 통계적으로 유의한 감소를 보였다 (P<0.05). Day 7, 50 mg L-1 Cd는 통계적으로 유의한 수준 으로 낮은 성장률이 관찰되었다. 또한, Day 10, 모든 Cd 노 출군이 대조군과 비슷한 성장률을 보이며 노출시간에 따 라 장수깔따구 성장률이 감소함을 관찰하였다. Day 4, Zn 은 노출군이 대조군에 비해 낮은 성장률을 보였으며 800 mg L-1 Zn에서 0.5 day-1로 노출군 중 가장 낮은 성장률을 나타냈다. Zn Day 7과 Day 10, 전체적으로 대조군과 비슷 한 성장률을 보이며 Cd 성장률 결과와 비슷한 경향을 관찰 하였다.

    3. Cd와 Zn에 노출에 따른 장수깔따구 우화율

    Cd와 Zn에 노출된 장수깔따구의 우화율을 측정한 결과, 80% 이상의 우화율을 보였다 (Fig. 3). 0.5 mg L-1 Cd는 우 화율 97%로 대조군보다 높은 우화율을 나타냈고 노출 농 도가 증가함에 따라 우화율이 감소하여 50 mg L-1 Cd에서 82%로 감소함을 보였다. Zn에 노출된 장수깔따구 우화율 은 20 mg L-1 Zn에서 97%를 보였으며 100 mg L-1 Zn에서 88%로 감소하였다. 이후, 농도 증가에 따라 우화율도 조금 증가하여 대조군과 비슷한 우화율을 나타내었다. 중금속 노출로 인한 스트레스는 서식 생물에게 다양한 독성 영향 을 주게 되는데, 이는 생물의 해독작용과 신진대사를 교란 시켜 성장 과정에 유해한 영향을 줄 수 있다. 연구에 따르 면 중금속 해독과 항산화 작용에 관여하는 metallothionein 유전자 발현이 1, 10 μg L-1 Cu에 노출된 C. riparius에서 높게 나타나며 중금속 독성에 대해 민감하게 반응함을 보 였다 (Park and Kwak, 2012a). 또한, C. riparius를 대상으로 고염분노출로 인한 삼투압 스트레스가 성장 저해를 유도 함이 보고되었다 (Kim et al., 2017). 24시간 동안 9, 27, 100 μg L-1 Cd에 노출된 C. riparius에서 생물 성장에 관여하는 alcohol dehydrogenase 유전자 발현은 대조군에 비해 낮은 수준으로 감소하였다 (Park and Kwak, 2011).

    4. Cd와 Zn에 노출에 따른 장수깔따구 성비

    28일 동안의 Cd와 Zn에 노출실험을 통하여 유충인 장수 깔따구가 성충으로 출현한 개체의 성비를 관찰하였다 (Fig. 4). 중금속에 노출되지 않은 대조군에서는 수컷과 암컷이 각각 55 : 45의 비율을 나타났다. 0.5 mg L-1 Cd는 대조군과 같은 성비를 나타냈고 2 mg L-1 Cd는 수컷의 비율이 62% 로 다른 노출군에 비해 성비 차이가 높게 나타났다. 10, 50 mg L-1 Cd에서는 수컷과 암컷의 비율이 50%로 같은 비율 로 나타남을 관찰하였다. 20 mg L-1 Zn은 대조군의 성비와 유사한 값을 나타냈으며 100 mg L-1 Zn에서는 암컷이 60% 로 수컷에 비해 높게 나타났다. 800 mg L-1 Zn에 노출된 장 수깔따구는 수컷이 암컷보다 20% 높게 나타남을 관찰하였 다. 관찰된 성비 불균형은 Cd와 Zn의 노출에 의한 것으로 보여지나 그 성 결정기작에 대해서는 아직 알려진 바가 없 어 차후 연구가 이루어져야 할 부분이다. 외부 스트레스는 생물 체내 호르몬 시스템에 직간접적 영향을 주어 성비교 란을 유도한다고 보고되어져 있다 (Baumann et al., 2013). 중금속은 생물 체내 유입 후 내분비계에 작용하여 직접적 으로 교란하는 대표적인 물질로 많은 연구가 보고되었다 (Rodríguez et al., 2007). 생식계 시스템에 중요한 요소인 vitellogenin 유전자 발현이 0.2~20 μg L-1 Cd에 노출된 C. riparius에서 통계적으로 유의한 수준으로 높은 발현을 보 였음이 보고되었다 (Park and Kwak, 2012b). 중금속 외에도 살충제 (2,4-dichlorophenoxyacetic acid), 내분비계 교란물 질 (bisphenol A, 4-nonylphenol), 온도 변화 등의 스트레스 요인들로 인해 깔따구과 생식계 교란이 알려져 있다 (Park and Kwak, 2010;Park et al., 2010;Park and Kwak, 2014).

    5. Cd와 Zn에 노출에 따른 장수깔따구 하순기절 기형발생

    Cd와 Zn에 노출된 장수깔따구의 형태적인 하순기절 기 형을 관찰하였다 (Table 2). 장수깔따구 대조군에서는 하순 기절의 기형이 관찰되지 않았으나, Cd와 Zn에 노출된 장수 깔따구에서 하순기절의 갈라짐과 유실이 관찰되었다. 깔따 구과 구강 기형은 야외 스트레스에 대한 형태적 평가 지표 로 이용되며, 정량적인 기형 자료를 바탕으로 빠르고 간단 하게 현장에 적용할 수 있는 장점이 있다. 이에 깔따구의 형 태적 기형에 대한 중금속, 내분비계 교란물질 등 다양한 스 트레스 요인에 대한 연구가 보고되고 있다. 수은에 노출된 C. columbiensis에서 하순기절과 날개 기형을 세대별로 관 찰한 연구가 보고되었다 (Montaño-Campaz et al., 2019). 또 한, 염분 10 psu에 96시간 노출된 C. riparius에서 하순기 절의 갈라짐 및 유실 등의 하순기절 기형이 관찰되었으며 (Kim et al., 2017), 내분비계 교란물질의 일종인 DEHP (diethylhexyl phthalate) 1~30 μg L-1에 노출된 C. riparius에서 하순기절 기형이 관찰되었다 (Park and Kwak, 2008). 깔따 구과는 생활사 중 대부분을 담수 환경의 저서에서 유충으로 서식하며 주변 환경 변화에 대해 민감하게 반응하여 형태적 변화가 발생하는 것으로 알려져 있다.

    본 연구에서는 중금속 물질인 Cd, Zn 노출을 통해 장수 깔따구의 생존율, 성장율, 우화율, 성비와 하순기절 기형을 관찰하였다. 야외 우점종인 장수깔따구는 노출 농도에 따 라 유의한 변화를 보였으며, 하순기절 관찰에서도 물질 노 출에 따른 기형을 관찰하였다. 이와 같은 C. plumosus의 중 금속 노출로 인한 반응은 야외종도 수환경 분석을 위한 생 물지표종으로서의 가능성을 보여주었다.

    적 요

    인간의 인위적 활동으로 인해 발생하는 중금속 중 카드 뮴 (Cd)과 아연 (Zn)은 다양한 경로를 통해 하천으로 유입 되어 서식생물에게 유해 영향을 준다. 본 연구에서는 도심 하천에서 우점하는 장수깔따구 (Chironomus plumosus)를 이용하여 Cd와 Zn 노출에 따른 생태독성학적 반응을 연구 하였다. 생활사를 고려하여, 생존율, 성장율, 우화율, 성비 와 하순기절 기형을 관찰하였다. 장수깔따구 생존율은 Cd 와 Zn 노출에 따라 시간, 농도의존적인 경향을 나타냈다. 성장율은 Cd 노출 후 Day 4와 Day 7, 농도의존적인 감소 를 보였으며, 고농도인 50 mg L-1에서 대조군에 비해 급격 한 감소를 나타냈다. 또한, 우화율은 10, 50 mg L-1 Cd에서 대조군에 비해 감소함을 관찰하였다. 성비 변화는 100 mg L-1 Zn에서 암컷의 비율이 증가였으나 농도가 높아짐에 따 라 수컷의 비율이 높아짐을 보이며 성비불균형이 관찰되 었다. 게다가, 장수깔따구의 하순기절에서는 대조군에 비 해 Cd와 Zn 노출된 장수깔따구에서 기형이 관찰되었다. 이 와 같은 결과는 수생태계로 유입되는 중금속이 하천의 하 상저층에 서식하는 저서무척추동물에게 유해한 영향을 주 며, 중금속 노출에 따른 생물학적 분석을 위한 현장 지표 종으로서의 가능성을 보여주었다.

    저자 기여도 개념설정: 곽인실, 방법론: 곽인실&박기연, 분 석: 박기연&김원석, 자료제공: 곽인실, 자료관리: 박기연& 김원석&홍철, 원고 초안작성: 김원석, 원고교정: 김원석& 홍철&박기연&곽인실, 원고편집 및 검토: 김원석&박기 연&곽인실, 과제관리: 곽인실, 연구비 수주: 곽인실

    이해관계 이 논문에는 이해관계 충돌의 여지가 없음.

    연구비 이 논문은 한국연구재단 중점연구사업의 지원을 받아 수행된 연구임 [NRF-2018-R1A6A1A-03024314]와 [NRF-2016-R1D1A3B-03934515].

    Figure

    KSL-52-3-266_F1.gif

    Cumulative survival rate (%) of C. plumosus exposed to different Cd (A) and Zn (B) concentrations (Cd: control, 0.5, 2, 10 and 50 mg L-1, Zn: 20, 100, 400 and 800 mg L-1) for 28 days.

    KSL-52-3-266_F2.gif

    Growth rate (%) of C. plumosus exposed to different Cd (A) and Zn (B) concentration (Cd: control, 0.5, 2, 10 and 50 mg L-1, Zn: control, 20, 100, 400 and 800 mg L-1) for 4, 7 and 10 days. Significant differences are indicated with the asterisk mark at P<0.05.

    KSL-52-3-266_F3.gif

    Emergence rate (%) of C. plumosus exposed to different Cd (A) and Zn (B) concentrations (Cd: control, 0.5, 2, 10 and 50 mg L-1, Zn: control, 20, 100, 400 and 800 mg L-1).

    KSL-52-3-266_F4.gif

    The sex ratio of emerged individuals (%) of C. plumosus exposed to different Cd (A) and Zn (B) concentrations (Cd: control, 0.5, 2, 10 and 50 mg L-1, Zn: control, 20, 100, 400 and 800 mg L-1).

    Table

    Biological response of Cd and Zn exposure organisms in the previous studies.

    The incidence rates (%) of mentum deformity types in C. plumosus larvae following exposure the Cd and Zn.

    Reference

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