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ISSN : 2288-1115(Print)
ISSN : 2288-1123(Online)
Korean Journal of Ecology and Environment Vol.32 No.4 pp.288-294
DOI :

Microcystin Content of Cyanobacterial Cells in Korean Reservoirs and Their Toxicity

Bomchul Kim*, Ho- Sub Kim, Ho- Dong Park1, Kwangsoon Choi, Jong- Geun Park2
Department of Environmental science, Kangwon National University, Chunchon, 200-701, Korea
1Department of Environmental science, Shinshu University, Matsumoto, 390-8621, Japan
2Water resources research institute, KOWACO, Taejon 305-390
*Corresponding author : Tel: 0361) 250-8574, Fax: 0361) 251-3991, E-mail:bomchkim@cc.kangwon.ac.kr

Abstract


Algal cells samples were collected and microcystin contents were determined in warm seasons of 1996~1997 in ten large reservoirs which are used for drinking water supply in Korea. High density of Microcystis was observed in all lakes except Lake Soyang where Anabaena dominated. The content of three microcystin variants (microcystin-RR, -YR, -LR) in algal cells was analysed with HPLC and acute toxicity was tested by mouse bioassay. Microcystin-RR was the main component of microcystins variants. The total content of microcystins ranged from 288 to 2612 μg/g which corresponds to the concentration per water volume of 0.4 to 21.6 μg/L. Most samples collected in 1997 showed higher toxin contents than those of 1996. In mouse bioassay, lethal effect was observed in Lake Andong (1996), L. Hapchon (1997), L. Okjong (1997) and Kyounganchon (1996). The livers of mice which died after injection of algal extract were bigger than those of healthy mice, which indicated the presence of hepatotoxin. The frequency of toxic bloom was 85% of total samples. The LD50 to mouse were estimated from the empirical relationship between LD50 and total microcystin content. The LD50 measured with mouse bioassay for one of the samples well coincided with the estimated LD50. Estimated LD50 of samples ranged from 27 to 338 mg/kg, which shows similar toxicity with reports from other countries.



국내 호수에서 발생한 남조류의 microcystin 함량과 독성평가

김 범철*, 김 호섭, 박 호동1, 최 광순, 박 종근2
강원대학교 자연과학대학 환경과학과
1日本信州大學理學部物質循環學科
2한국수자원공사 수자원연구소

초록


    서 론

    유독 남조류의 동물과 인간에 대한 위해성이 세계 여 러 곳에서 보고되고 있다 (Persson, 1982;Codd and Poon, 1988;Dawson, 1998). 아직까지 국내에서는 남조 류에 의한 피해는 보고되고 있지 않으나, 상수원으로 사 용되고 있는 여러 호수에서의 남조류 발생이 보고되고 있으며(김 등, 1995;박 등, 1992;조 등, 1989) 이들 남조 류의 밀도가 높을 때에는 대부분 독소를 생성하는 것으 로 보고되고 있다(김 등, 1995;Park et al., 1998;Srivastava et al., 1999).

    남조류가 번성한 호수물을 장기간 음용수로 섭취하는 경우에는 독소에 의한 피해가 발생할 우려가 있다 (Falconer et al., 1983;Carmichael and Falconer, 1993;Yu, 1989). 또한, 남조류의 발생이 잦은 호수에 서식하는 어패류를 섭취하는 경우에도 어패류에 농축된 독소에 의해서도 피해를 입을 수 있다(김, 1996).

    남조류가 가장 빈번하게 생성하는 독소는 간독으로서 신경독에 비해 두배 정도 높은 빈도로 독성문제를 일으 킨다(Sivonen et al., 1990). 간독인 microcystin은 주로 Microcystis속과 Anabaena속, Oscillatoria속에 의해 생 성된다 (Sivonen et al., 1990;Henriksen, 1996). 간독은 주로 간에 영향을 주는 것으로 알려져 있고(Adams et al., 1988), 최근에는 protein phosphatase 1과 2A (An and Carmichael, 1994)의 억제 뿐만 아니라 쥐의 DNA 에도 영향을 주는 것으로 보고되고 있다(Lakshmana Rao and Bhattacharya, 1996).

    지금까지 50여종으로 분리된 microcystin 중 가장 흔 히 생성되는 독소는 microcystin-LR과 -YR 그리고 - RR이며 이 중 microcystin-LR의 LD50 이 50 μg/kg으로 서 독성이 가장 강한 것으로 알려져 있다(Carmichael et al., 1988;Krishnamurthy et al., 1986). 쥐를 이용한 남조류 독소의 LD50은 독소 추출에 사용된 남조류 종에 따라 11~600 mg/kg 정도로 큰 차이를 보이고 있다 (Richard et al., 1983;Watanabe et al., 1989).

    본 연구에서는 국내 여러 호수에서 여름철 발생한 남 조류에 의해 생성된 microcystin (MC)의 3가지(microcystin- RR, -YR, -LR)를 정량하였고, microcystin 함량 으로 분석된 결과를 토대로 반수치사량(LD50)을 추정하 였고, 쥐를 이용한 독성검사를 통해 독소물질의 존재여 부를 확인하였다. 또한 영랑호에서 채취한 시료를 사용 하여 경험식에 의해 계산된 LD50과 실측한 LD50을 비교 하였다.

    재료 및 방법

    독소 분석을 위한 시료는 1996년부터 1997년에 9개 호수(주암호, 소양호, 충주호, 안동호, 임하호, 합천호, 옥 정호, 진양호, 의암호)와 팔당호의 경안천 유입부에서 8 월부터 10월 사이에 각 호수의 표층에서 phytoplankton net (35 μm mesh size)를 이용하여 채취하였다. 남조류의 종을 동정하기 위해 100 ml의 폴리에틸렌 병에 표층수 일부를 담은 후 formalin 용액으로 고정하였다. Microcystis의 종 분류는 Komarek (1991)의 분류체계에 따랐 다. 독소 분석은 Harada 등(1988)이 제시한 방법에 따 라 분석하였다(Fig. 1). 본 연구에서는 3가지 microcystins (microcystin -RR, -YR, -LR)만을 검출하여 정량하 였다. 검출된 독소는 조류건중량에 독소농도(μg/g)와 수 체에 포함된 조류 세포내 세포농도(μg/l)로 표현하였다. 수체당 함유된 독소세포내 독소량(μg/l)은 조류 건중량 에 대한 독소농도 (μg/g)를 부유물질 (ss)농도를 나누어 계산하였다.

    쥐를 이용한 독성도 검사를 위해 동결건조된 시료를 생리식염수를 넣어 완전히 섞은 다음 초음파 분쇄기로 세포를 분쇄한 후 상온에 24시간 방치하였다. 상등액은 원심분리기(15,000 rpm, 30 min)에 의해 분리하였고, 상 등액을 0.2~1.0 ml 정도 ICR mouse (20 g)의 복강에 주 사 하였다. Anabaena spp.가 우점했던 소양호(1997년) 시료는 Anabaena의 점액질에 의해, 원심분리상등액의 분리가 어려워, 동결건조된 시료 일정양과 생리식염수를 혼합한 다음 수욕상에서 5분간 가열하여 멸균한 후 세 포가 포함된 현탁액 상태로 쥐의 복강에 직접 주입하였 다. 쥐의 치사여부로 시료의 독성을 검사하였으며 간장 독에 의한 영향임을 확인하기 위해서 실험에 사용된 쥐 를 해부하여 간의 상태를 검사하였다. 복강 주사시 쇼크 사에 의한 영향여부를 확인하기 위하여 생리식염수와 독성이 없는 녹조류 Selenastrum capricornutum의 현 탁액을 주사하였다.

    Microcystin을 함유한 남조류 세포의 mouse에 대한 반수치사량(LD50)은 Watanabe 등(1989)이 제시한 조류 세포의 LD50과 총 microcystin 함량간의 상관관계식(식 1)에 3가지 독소 총량(μg/100 mg)을 대입하여 산출하였 다. 이 식은 실측치와의 상관계수(0.98)가 높기 때문에 총 microcystin으로부터 LD50을 상당히 유사하게 추정 할 수 있다.

    LD 50 =11,100*X -1.079
    (1)

    여기서 X(microcystins, μg/100 mg)는 건조된 세포 내 함유된 3가지 독소(microcystin -RR, -YR, -LR)의 합이 다. 경험식에 의해 추정된 LD50과 실측한 LD50을 비교검 증하기 위하여 1993년 8월 영랑호 시료를 대상으로 쥐 를 사용한 LD50을 측정하였다. 독소 추출을 위해 동결 건조된 남조류 세포 750mg을 생리식염수 30 ml에 넣었 다. 추출액은 ICR mouse의 복강내에 0.5 ml씩 주입하여 증상 및 24시간 치사율을 조사하였고, 조사된 치사율을 log-normal paper에 plot하여 LD50값을 결정하였다. 이 때의 남조류 주입량을 mouse의 체중 1kg당으로 환산하 면 25~416mg의 남조류 세포가 투여된 것과 같다.

    결과 및 고찰

    조사기간 동안 각 호수에서 출현한 남조류 종을 표 1 에 제시하였다. Anabaena가 남조류 중 우점종으로 나타 난 소양호를 제외하고는 대부분 Microcystis속내 종들이 우점하였다. 출현한 Microcystis속 중 Microcystis wesenbergii를 제외하고는 대부분이 독소를 생성하는 종으로 알려져 있으며(Watanabe and Harada, 1993), 강한 독소 를 생성하는 것으로 알려진 Microcystis aeruginosa도 대부분의 호수에서 출현하였다.

    동결 건조된 세포 내에 함유된 독소의 양은 공지천 (1996, 1997), 안동호(1996), 옥정호(1997), 합천호(1997) 에서 비교적 높은 함량를 나타냈고, 조사기간 중 가장 높은 독소함량은 옥정호에서 조사되었다(21.6 μg/l, 2612 μg/g). 1996년에 비해 1997년에는 대부분의 지점에서 독 소의 함량이 높게 검출되었다(Table 2).

    3종류의 microcystin (μg/l)에 대한 분석결과 가장 많 이 검출된 것은 microcystin-RR이고 그 다음은 -LR, - YR이다. 지금까지의 연구에 의하면 남조류 bloom 발생 시 약 50%의 빈도를 가지고 독소를 생성하며(Sivonen et al., 1990), 가장 높은 생성율은 93%로 보고되고 있다 (Kotak et al., 1993). 본 연구에서는 조사된 호수 시료중 약 85% 정도에서 독소가 검출되었고 이것은 국내 호수 에서 남조류 발생시 독소 생성 빈도가 높음을 의미한다.

    본 연구에서 계산된 ELD50은 27~338 mg/kg의 범위 를 보였다. 다른 지역에 비해 많은 양의 microcystin이 검출된 공지천(1996, 1997), 안동호(1996), 임하호(1997), 옥정호(1997) 그리고 합천호(1997)의 LD50은 중국 양어 지에서 조사된 결과 보다(LD50 75 mg/kg; Carmichael et al., 1988) 독성이 높았고, 그 외 호수에서는 일본에서 조 사된 LD50 (100~600 mg/kg; Watanabe et al., 1989)과 비 슷한 독성이였다. 가장 작은 LD50은 독소가 가장 많이 검출되었던 옥정호에서(27 mg dried algae/kg mouse) 나 타났다.

    HPLC 분석에서 독소가 검출되지 않은 진양호(1996) 와 소양호(1996) 및 적은 양의 독소가 검출된 소양호 (1997. 9. 9)를 제외하고는 쥐를 이용한 독성 검사에서 치사 효과가 나타났다(Table 3). 독성 유무검사에서 쥐 에 주입된 독소의 양을 주입된 조체 시료의 양과 HPLC 에 의해 조사된 독소 농도와 독소 추출에 사용된 조류 세포를 바탕으로 계산한 결과(4.1~105 μg/20 g mouse) Watanabe 등(1989)이 제시한 경험식에 의해서 계산 된 ELD50 (1.4~1.7 μg total microcystins/20 g mouse) 이상 이 주입된 것으로 나타났다. 따라서, 대부분의 독성도 실 험에서는 간독에 의한 치사효과가 나타나기에 충분한 양의 독소가 주입되었으며 그 결과 치사효과가 나타난 것으로 사료된다.

    그러나, 1997년 9월 9일 소양호 시료의 독성도 검사 에서 쥐에 주입된 독소량(4.1 μg/20 g mouse)은 LD50 이 상이였으나 치사효과는 나타나지 않았다. 이것은 실험 동물수가 적어 정확히 판단하기 어려우나, 주입된 독소 성분과 관련이 있는 것으로 사료된다. 1997년 9월 9일 소양호에서는 microcystin-RR (LD50 600 μg/kg)만이 검 출되었는데, microcystin-RR은 microcystin-LR, -YR (LD50 ≒70 μg/kg)보다 독성이 적은 것으로 알려져 있다 (Carmichael et al., 1988;Watanabe et al., 1989;Krishnamurthy et al., 1986). 그러므로, 소양호의 시료에서는 total microcystin의 주사량은 많았으나 microcystin-LR 이 적었으므로 독성이 약했던 것으로 보인다.

    독소가 검출되지 않은 시료의 주입에서는 (진양호, 1996; 소양호, 1996) 치사효과가 나타나지 않았으므로 쥐 를 이용한 독성검사에서 주사 쇼크에 의한 치사는 발생 하지 않은 것으로 결론 지을 수 있었다. 독성시료가 주 입된 쥐는 보행곤란과 심한 경련을 일으켰으며 30~120 분 사이에 치사하였다. 간장 독소에 노출된 실험동물은 간의 무게가 추출물의 주입양에 따라서 증가하고 전체 혈액량의 40% 정도 간에 응혈되는 현상을 보이며 (Adams et al., 1988), 수분에서 수 시간 내에 사망하는 것으로 보고되고 있다(Kotak et al., 1993). 간독에 의한 치사임을 확인하기 위해서 추출물 주입 후 죽은 쥐의 간을 관찰한 결과 건강한 쥐의 간에 비해 비대해져 있 었다.

    반수치사농도(LD50)의 실측에 사용된 영랑호 남조류 시료의 우점종은 M. ichthyoblabe였고 HPLC에 의해 검 출된 독소는 microcystin-RR (793 μg/g), -LR (410 μg/g) 이였다. Mouse bioassay에 의해 실측한 영량호 시료의 LD50은 64 mg/kg으로 나타났고(Fig. 2), 경험식에 의해 계산된 결과(63.2 mg/kg)와 거의 일치하였다.

    호주와 WHO에서는 남조류에 의한 피해를 방지하기 위해서 남조류 발생에 따른 경보제를 실시하거나 음용 수 기준을 정하고 있다. 호주에서는 음용수로의 남조류 세포수와 microcystins 농도를 제한하고 있는데 단기간 노출시(14일)에 대한 기준 농도는 5,000 cells/ml (1.0 μg/l) 그리고 장기간 노출시에 대해서는 500 cells/ml (0.1 μg/l) 로 정해져 있다(Falconer et al., 1993). 우리나라는 아직 까지 음용수내 남조류세포나 독소 농도에 대한 제한기 준이 설정되어있지 않고 외국에 비해 남조류와 관련된 연구도 미흡한 상태이다. 비록 아직까지는 남조류 독소 에 의한 피해가 보고되고 있지는 않다 하더라도, 본 연 구 결과에서 나타났듯이 국내호수에서 남조류 발생시 독소를 생성할 확률이 높고 비교적 독성이 높기 때문에, 음용수원으로 사용되는 호수에서 남조류 독소에 대한 지속적인 모니터링과 음용수내 안전기준 설정이 요구된 다.

    상수원 호수에 존재하는 microcystin은 대부분 조류 세포내에 존재하며 조류세포를 제거하는 정수공정을 거 치면 대부분 제거된다. 그러므로 남조류가 발생하는 상 수원의 정수장에서는 조류세포를 제거하는 정수공정의 철저한 관리와 조류 분비물 분해를 위한 산화제 주입 등이 필요하고, 조류세포를 제거하지 않는 간이처리장의 경우에는 microcystin에 의한 중독사고의 위험이 크므 로 정수공정의 개선과 취수제한 등의 조치가 필요하다.

    적 요

    1996년과 1997년에 남조류가 발생한 여러 호수에서 microcystin-RR, microcystin-LR, microcystin-YR의 함 량을 정량하였고, 쥐를 이용하여 독성 검사를 실시하였 다. 소양호를 제외한 모든 호수에서 Microcystis속의 종 들이 우점하였으며 전체 남조류 발생 호수의 시료에 대 한 독소 검출의 빈도는 85%이였다. 조류세포내 총 microcystin의 함량은 0.29~2.61 mg/g이었으며 수중의 농도로 환산하면 0.4~21.6 μg/l이였다. 독소 함량은 1996년 보다 1997년에 높았고, 세 종류의 microcystin중 microcystin-RR이 가장 많이 검출되었다. 각 시료의 쥐 에 대한 LD50은 총 microcystin함량과 LD50의 상관관계 식에 의해 계산되었다. 화학분석에 의해 microcystin이 검출된 시료의 추출물이 주입되었을 때 쥐의 치사효과 가 나타난 것으로 보아 microcystin 함량의 화학분석결 과와 bioassay 결과는 잘 일치하는 것으로 보이며, 영랑 호 시료를 대상으로 실측한 LD50은 경험식으로 계산된 LD50과 일치하였다. 대상호수의 LD50은 27~338 mg/kg 의 범위로서 국내외에서 보고된 것에 비하여 높은 독성 을 나타냈다.

    사 사

    본 연구는 수자원공사의 지원에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    KJL-32-4-288_F1.gif

    Method for the analysis of microcystins in algal cells.

    KJL-32-4-288_F2.gif

    Determination of LD50 of cyanobacterial cells to mouse. Sample was cyanobacterial scum collected in Lake Youngrang on August 17, 1993.

    Table

    Dominant species of cyanobacteria in study lakes.

    Microcystin content in the dried algal and the estimated LD50. (RR : microcystin RR, LR : microcystin LR, YR : microcystin YR, Total MC (TM) = RR +LR+YR, N.D: Not detected (<0.02 μg/l), - : Not analyzed)

    The concentration of dried algae cells in the extract, volume of extract injected to a mouse of 20 g body weight, and the dose of algal cells per kg mouse body weight. (* : Solution including suspended cells)

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