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Application on Multi-biomarker Assessment in Environmental Health Status Monitoring of Coastal System

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Review

해역 건강도 평가를 위한 다매체 바이오마커 적용

정지현·류태권·이택견*

한국해양연구원 남해연구소

(656-830) 경상남도 거제시 장목면 장목리 391

Application on Multi-biomarker Assessment in Environmental Health Status Monitoring of Coastal System

Jee-Hyun Jung, Tae-Kwon Ryu, and Taek Kyun Lee* South Sea Research Institute, KORDI

Geoje 656-830, Korea

Abstract : Application of biomarkers for assessing marine environmental health risk is a relatively new field. According to the National Research Council and the World Health Organization, biomarkers can be divided into three classes: biomarkers of exposure, biomarkers of effect, and biomarkers of susceptibility. In order to assess exposure to or effect of the environmental pollutants on marine ecosystem, the following set of biomarkers can be examined: detoxification, oxidative stress, biotransformation products, stress responses, apoptosis, physiological metabolisms, neuromuscular responses, reproductions, steroid hormones, antioxidants, genetic modifications. Since early 1990s, several biomarker research groups have developed health indices of marine organisms to be used for assessing the state of the marine environment.

Biomarker indices can be used to interpret data obtained from monitoring biological effects. In this review, we will summarize Health assessment Index, Biomarker Index, Bioeffect Assessment Index and Generalized Linear Model. Measurements of biomarker responses and development of biomarker index in marine organisms from contaminated sites offer great a lot of information, which can be used in environmental monitoring programs, designed for various aspects of ecosystem risk assessment.

Key words : biomarker, ecosystem risk assessment, marine ecosystem health, biomarker index

1. 서 론

연안역은물리

,

화학생물학적과정에의해조절되는

복잡한생태계로서

,

연안역에서식하고있는생물들은

양한자연적·인위적스트레스에노출되어있다

(Adams

et

al.

1993).

일반적으로연안환경악화는서식생물의건강

저하를유발하여서식생물의다양성과생산량의현저 감소를초래할있으므로서식생물의건강도는연안 생태계의건강을반영하는중요한요인으로알려져있다

. 1990

년대이후미국을비롯한선진국가에서는연안

리법을제정하여연안생태계의 오염총량 등을법적으로 관리할아니라

,

물리·화학적영향에민감한 조기경보

(early warning system)

등을환경영향지수등에적용

하여연안건강도에대한질적인평가를시도하고있다

.

성장또는생식등에 연관된분자·생화학적수준의 바이 오마커들은특이적이고 민감한특징을가지고 있어 현재 생태학적단계에서는인지할없는미세한영향까지 반영할있으므로

,

보다민감한수준에서해역의

강도를평가할있는유용한정보를제공할있다

.

러나국내에서 이루어진연안에관한 연구들은대부분이 기본적인생태조사나오염물질의 생체축적여부를밝힌 생물영향평가에한정되어있을

,

국내연안의실정에

*Corresponding author. E-mail : tklee@kordi.re.kr

(2)

바이오마커를선정하고

,

이를연안해역건강도평가에

적용한 사례는매우드물다

.

바이오마커를이용한해양생물의건강도평가연구는

1990

년대초부터시작되었고

,

국가별연안의특성을

고려한건강평가지수

(Adams

et al.

1993),

바이오마커지

(Narbonne

et al.

1999; Chevre

et al.

2003),

통합바이

오마커반응지수

(Beliaeff and Burgeot 2002),

생물영향평

가지수

(Broeg

et al.

2005; Broeg and Lehtonen 2006),

반화된선형모델

(Napierska and Podolska 2005)

등이

고되고있다

.

그러나 상기된바이오마커를적용하여해양

생물의건강도를평가함에있어

어떤적절한바이오마커

적용할것인지

’,

또한

바이오마커로부터제공되는

정보를어떠한통계학적인방법으로해석할것인지

논란은여전히남아있다

.

특히연안해역에대한연구

미진한국내실정을 감안할다음과같이 고려해야 가지과제를안고있다

.

첫째

,

국내연안생물의건강

최대한반영할 있도록서식환경에 따른대표생물 선정

,

둘째

,

대상생물의특성에 따른적절한 바이오마

커의선정

,

그리고마지막으로국내연안실정에맞는건강

평가지수의 적용성 검토등을 있다

.

따라서논문에서는국내외해양생물의위해성영향평 가에적용 빈도가높은 생물단계에따른 바이오마커 이들의장단점에대해정리하고

,

이를이용한연안평가

사례를분석하여국내해양건강성평가에적용가능성을 살펴보고자하였다

.

바이오마커

생태위해성또는환경위해성평가

(ecological or environ- mental risk assessment, ERA)

생태계에대한오염물질

다른인위적인활동의악영향을생태계수준에서과학 적으로측정하는방법이다

(Depledge and Fossi 1994).

염물질로인한스트레스에 대한반응은 생물계내의영양 단계에 따라다양하게나타나며개체 수준에서부터생태

수준으로높아질수록 오염에대한 반응을확인하는데 오랜시간이소요되며

,

때로는생물체내에서화학적방법

으로검출되지는 않는수준에서부터과다한오염영향에 대하여변형된생물반응을보이는경우도있다

.

따라서

각의오염또는악화된환경변화에따라더욱특이적이고 민감한검출기법이요구되면서

,

조기경보신호또는바이

오마커에관한연구가활발하게되었다

(Bucheli and Kent

1995).

바이오마커는 인위적인환경요인에의해유도되는

생화학

,

분자생물학또는생리학적반응을특이적으로

영하며

(Peakall 1994),

개체

,

집단뿐만아니라 생태계에서

생물학적영향과도밀접하게연관되어있다

(McCarty

and Munkittrick 1996).

생화학적반응은개체또는 군집

수준의반응보다훨씬민감하고짧은 시간에일어나므로 조기에생물학적영향을감지할있으나

,

실제이러한

반응이군집수준의변화와생태학적인변화에대하여는

낮은상관성을보인다

(Fig. 1).

그러나

Table 1

에서와같이

외인적으로주어지는스트레스일부는종류와특성 리고강도에따라생화학적반응이상쇄또는소멸되거나 개체수준으로증폭되기도하므로각각의바이오마커를

Table 1. Responses of biomarker on biochemical stresses (modified from Sherry 2003)

Parameter Inducing pollutants Exposure

indicator Population

impact Field Laboratory Exposure

CYP1A Bile metabolites Apoptosis Stress responses Metallothionein Metabolic parameters

PAHs, PCBs, HAHs PAHs, Chromophenolics PCB, Cd

Multiple stressors Heavy metals Multiple stressors

+ + + + + +

+ + + + + +

+ + + + + +

Effect

Cholinesterase Oxidative stress Steroid hormones Vg DNA breakage

OP & carbamate pesticides HAHs, PCBs

Multiple stressors Environmental Estrogen Multiple stressors

+ + + + +

+?

+ + + +

+ + + + +

Fig. 1. Response level and ecological correlation (modi- fied from McCarty and Munkittrick 1996).

(3)

강도평가에적용하는 의미는다르다

.

지금까지국내에서이루어진대부분의생태계건강성 평가는집단이나군집수준에서의생물량생물다양성 분석을통하여평가하는전통적인방법이활용되고있다

.

그러나성장또는 생식등에연관된분자·생화학적수준 특이적이고민감한평가가없다면

,

현재군집수준에서

인지할없지만

,

향후상위단계에까지영향이증폭될

가능성을가지고있는스트레스

(

과거에진행되었거나

진행중인

)

간과할있는오류를초래할있으므

(Cairns

et al.

1993),

생태계의건강도를조사하기위해

서는생화학적수준의민감한

조기경보자

이용한평가

중요한 요소임을 있다

.

바이오마커의장점

인위적으로유도된반응에대한신뢰할만한결과를 있다

.

,

대부분의바이오마커의 발현기작은생물에

영향을주는요인에대한반응특이성을가지므로

,

바이오

마커를 이용하여개체군의건강도를반영하는동시에 위적인 스트레스의 정체도 추적할 있다

(Giesy and Graney 1988; Holdway

et al.

1995).

두번째로는민감도를

있는데

,

개체수준이하에서기관계고유의일련의

반응에따라아주낮은수준의반응이나오염에대하여도 민감한변화를있으므로

,

군집수준으로영향으로

대되기이전에이를감지하여해양생태계보전과복원에 투여될 있는 엄청난비용을 조기에절감할 있다

.

바이오마커의단점

바이오마커는동일한영향에대하여개체또는종에 반응의감도가다를있다

.

바이오마커는다양한

생체대사과정생성되는생화학산물이므로생물 성에따라민감성에차이가있을있다

.

또한

,

다양한

이오마커들효소활성이나호르몬분비등과연관된 표들이많으므로성별과연령아니라수온

,

계절

,

날씨

등을포함한 일반적인환경요인들과 채집중에 일어나는 스트레스와서식환경의 변이등에 의하여도영향을받을 있다

.

따라서바이오마커를생태계건강도평가에적절

적용하기위하여서는 이들의생화학적기작을충분히 이해하는것이무엇보다중요하며

,

적절한바이오마커를

선정하거나

,

생물서식환경의특성이충분히고려된물리

보정도필요하다

.

또한

,

환경중에는다양한외인적

트레스가복합적으로존재하므로바이오마커반응이이러 복합적인요인에 대하여어떠한기작으로 반응하는지 지속적으로 연구되어야 과제이다

.

바이오마커의선택

바이오마커는노출

(exposure)

대한지표와영향

(effect)

대한지표

2

가지카테고리로분류할있다

.

이러한

인위적인카테고리가절대적인것은아니며

,

영향에대한

지표는노출에대한지표를의미적으로포괄할있다

(Table 1). ‘

어떠한 바이오마커를 이용해야하는가

?’

하는

것은평가하고자 하는생태계가어떠한잠재적오염원이 존재할있으며

무엇을평가하고자하는가

?’

라는의도

따라달라질있다

.

대부분의바이오마커는비용절감

측정의용이성

,

민감성과특이성이라는이점을가지

있으므로

,

사용빈도와현장에서의검증여부에따라

목적에적절한바이오마커를선택하는것이중요하다

.

해독효소:동물의간은주요해독기관으로다양한오염 물질에 대한 대사와 흡수에관여하는 것으로 알려져

.

방향족구조를가지고있는할로겐화합물들이생체

내로 유입되면 생물의간장 세포막에 있는 수용체

(Ah- receptor)

반응하여

Cytochrome P450 1A(CYP1A)

효소

계를통해체외로배출되는일련의대사과정을거친다

.

인성유해물질을 해독하는 간장의해독효소

(xenobiotics

metabolizing enzymes)

본래내인성의지방산이나스테

로이드호르몬등의합성이나불활성화에관여를하는 인데

,

이들효소를이용하여대상생물이얼마나영향을

았는지를평가할수가있다

. CYP1A

계는산화환원가수

분해가이루어지는

Phase I

해독효소계의대표적인효소

polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs), Dioxin, co-

planar

구조의

PCB

매우독성이높은오염물질에노출

되었을높게 유도되므로

(Ankley

et al.

1986; Arukwe

et al.

1997),

최종산물인

ethoxyresorufin

O

-deethylase (EROD)

arylhydrocarbone hydroxylase(AHH)

바이오

마커로이용하여영향을평가할있다

.

지금까지어류

(Stegeman and Hahn 1994; Vaccaro

et al.

2005; Yuan

et

al.

2006),

무척추동물인담치류

(Binelli

et al.

2005, 2006),

지렁이

(Brown

et al.

2004),

말미잘

(Heffernan and Winston

2000)

등에서이용되어왔다

.

일반적으로

CYP1A

계는

절별변화

,

성별

,

수온

,

중금속등의오염에대해다른

패턴을가질있으므로

(Levine

et al.

1995; Machala

et al.

1997),

이를이용하여해양생태계의 건강도를평가

하기위해서는시료채취의표준화

,

효소계에영향을미칠

있는요인의보정작업이필요하다

.

현장에잔류하고

있는다양한 요인들 간의상호작용을 통해영향이 쇄되거나과유도될있으므로대상생물과 환경의 특성 충분히 고려하여중간단계또는 상위단계의지표들을 함께 측정하는것이 중요하다

.

쓸개즙 대사물질: 세포내로유입된

PAHs

방향족

등과같은난분해성물질은해독효소들에의해분해산 물로변화하게되고

,

변화된대사물질대사물질과세포

분자와의결합으로쉽게 검출이 가능한바이오마커가 된다

(Melancon

et al.

1992).

쓸개에서의대사물질의농도

(4)

형광방향성화합물

(fluorescent aromatic compounds)

형태로변환된

PAH

대사물질의농도를측정하거나전체

PAH

대사를나타내는하나의대사물질을선택함으로써

분석할 있다

(Krahn

et al.

1987; Ariese

et al.

1993).

PAH

대사물질은 형광분석기나

HPLC

등으로측정한다

(Aas

et al.

2000).

Apotosis

:

Apotosis

세포사멸프로그램으로광범위한

외인성화합물들에대한노출을암시해주는비특이적 이오마커이다

. PCB

카드뮴에노출된가자미류의간조

직에서

apotosis

유도되었음이 보고되었으며

(Piechotta

et al.

1999), Janz

et al

.(1997)

폐쇄된공장배출수에

출된어류의난소크기의감소

, apotosis

증가는오염지역

상관관계를가질있다고소개하였다

.

반응자체의

특이성이낮은반면개체나군집수준의증폭반응이반영 있는바이오마커라 있다

.

스트레스반응:주변환경에대한생물의불안정성을 타내주는 스트레스는비특이적인 바이오마커중의하나 이다

.

생물이인식할만한수준의스트레스는혈중의스트

레스호르몬인코티졸등을상승또는억제시키며

,

이는

장기적으로체내 항상성의파괴와 스테로이드호르몬 사의장애를유발할있다

.

그러나현장에서생물을

집하는과정에의해서도반응은유도될있으므로

,

실험과정 중에일어날 있는반응을고려해서사용하 것이중요하다

. Hontela

et al.

(1995)

유기오염물질에

노출된어류가노출되지않은어류와비교하여채집스트 레스등에 대한코티졸 생성이낮음을보여주었다

.

또한

,

중금속등에노출된어류도코티졸생성기작에장애가 음이보고된바있다

(Brodeur

et al.

1997).

스트레스반응

호르몬의저하는생물의생존과도밀접한연관성을보여 주는결과이나스트레스 반응바이오마커와 생태학적 관성에관하여는더욱깊이있는연구가뒷받침되어야 것이다

.

다른세포수준의스트레스반응지표로

heat shock

protein

있다

.

단백질은화학적인물질뿐만아니라

충격

,

조직손상등으로인하여변화하므로비특이적인

이오마커로분류되고있다

. Hsp90

Hsp70

등은절지동

물이나어류등에서신호전달과관련된호르몬수용체와 기작에영향을주는독성물질에대한바이오마커로 능성이제기된상태이나

,

정확한작용기작이밝혀져있지

않으며개체나군집수준건강과의연관성도검증되어야 과제이다

(Janz

et al.

1997).

Methallothionein(MT)

:

MT

중금속노출에의해

도되는 시스테인이 풍부한 저분자량 단백질

(6000-7000

Da)

로서아연

,

구리

,

카드륨중금속과결합하여무독화

시키는기능을가지고있다

.

일반적으로생체내필수금속

흡수에반응하는단백질이나

,

동물체내에과발현된

MT

단백질은생물이 과다한 중금속에노출되고있음을 알리 지표로이용되고있다

(Klaverkamp

et al.

1984; Garvey

1990). MT

단백질은포유류를비롯하여생물종간뿐만

아니라같은개체의조직간

,

신장

,

,

,

비장

,

소장

기관 간에도 특성의 차이를 보인다

. Hylland

et al.

(1996)

각각의기관에서발현된

MT

단백질이다른

동도를가지고있음을증명하였고

,

생물의기관마다

MT

단백질이 발현되는 중금속이 다름도 보고된 있다

(Kammann

et al.

1996).

또한

,

어류에서아연과여성호르

몬을동시에 투여하였을 발현농도가증가한결과 들을통해

MT

단백질역시 생식적단계나 계절등에

향을받아다른스트레스반응을보일있다는것을 측할있다

(Overnell

et al.

1987).

따라서중금속노출

등을감지할 있는 바이오마커로서

MT

이용할때에

앞서밝힌바와같이지역간의서식하는생물의생식 단계에따는보정과시료채취에대한 표준화가고려되어 것이다

.

Metabolic and Physiological Parameter

: 일반적인

생리적지표들을나열하면다음과같다

.

어류에서아가

미조직의

ATPase

활성

(De la Torre

et al.

2000),

혈중

도당과글루코스와젖산 수치역시 일반적인스트레스에 반응하는지표들이다

.

성장률의 지표로서

RNA/DNA

비와생물의 영양 상태와지질 대사장애와관련한혈중 트리글리세라이드와지질분석

(Adams

et al.

1990),

혈장

세포손상의 지표인

aspartate transaminase(Van der

Oost

et al.

1996),

조직과 세포손상을 예측할 있는

lactate dehydrogenase(Escher

et al.

1999)

등이있다

.

이러

지표들은생물종내에서도개체간차이가심한단점이 있으나

,

오염이극심하게진행되지않은지역을판별하는

유용하게 이용될 있다고 보고되고 있다

(Konradt

and Braunbeck 2001).

콜린에스터라아제

(Cholinesterase: ChE)

:

ChE

생물

체내불필요한아세틸콜린을가수분해시키는효소로서 바메이트나유기인계농약류등의 화학적오염에대하여 비교적빠르고민감한반응을보여최근효소학적바이오 마커로활용도가매우높다

.

일반적으로유기인계농약

ChE

수용체부위와결합하여활성의저해를초래하

신경전달물질인아세틸콜린의 가수분해를 억제한다고 알려져있다

.

지금까지어류를비롯하여이매패류

(Galgani

et al.

1992)

등에서

ChE

활성을이용한생물영향이

구되어왔으며

,

농약류나살충제뿐아니라일부중금속

으로인한저해효과도보고되고있다

(Sturm

et al.

1999).

생체내

ChE

acetyl-

butyl-cholinesterase

분류되는

,

근육조직에서 측정한

butyl-cholinesterase

acetyl-

cholinesterase

보다 민감하게농약류에반응한다고

려져있다

(Sturm

et al.

2000).

콜린에스터라아제역시

(5)

물체의종류에따라민감도의차이를보이므로바이오 마커로서대상생물과조직의 선정에충분한논의가있어 것이다

.

생식계 관련 지표 : 일반적으로개체수준의영향이개체 군집으로이어지는가장영향으로생식계손상을 있다

.

생식계는생물이스트레스를장시간받을손상되

기도하며

,

독성물질에의해선택적으로손상되기도한다

.

해양척추동물의생식내분비계는시상하부

-

뇌하수체

-

식소로이어지는일련의반응기작을가지고있으며

,

뇌하

수체에서분비된

gonadotrophin

호르몬은난소를자극하

여성호르몬인

17

β

-estradiol

분비하게 한다

. 17

β

-

estradiol

유도된난황단백전구체인비텔로제닌은난소

이동하여발생에 영양분인난황단백질을 형성하는

,

성숙한암컷에서만특이적으로간에서생성되는단백

질로서유사여성호르몬계열의오염물질이나중금속등에 노출된수컷에서도비정상적으로발현되는것이밝혀지면 생식계의위해성을평가하기위해현장에서널리이용 되고있다

.

난황단백전구체의유전자나단백질수준에서

발현기작에 대하여 많은데이터베이스가구축되어있어 활용이용의한장점이있으나

,

때때로자연계에존재하는

식물계에스트로겐등으로인한자연발생적인난황단백전 구체의발현이나광주기

,

수온이나생식주기자연적인

반응과스트레스나오염으로인한영향을구별하는 주의가 필요하다

.

조직학적수준의생식소중량지수

(gonadosomatic index:

GSI),

중량지수

(hepatosomatic index),

비만도

(fatness)

또한생식계영향과밀접한연관을가지고있다

.

해양생물

생식주기에따라생식소와간이전체체중에차지하는 비율에변화를가지게되며

,

생물이서식하고있는환경의

영향과생식주기에따른생리적상태를그대로반영할 있으므로

,

비정상적인영향에장기간노출되었을

수들은비정상적인패턴을보인다

.

일부산란습성이다른

어종들은지수들을적용하기에 어려움이따르기도

,

국내연안에서식하는해산어종들은비교적일정한

기를나타내므로난황단백전구체등을포함한상위바이오 마커와 함께이용된다면 생태계를올바르게이해하고

가하는데유용한 지표가 있을 것으로생각된다

.

DNA breaks

:

PAH

비롯한해양으로배출되는화합

일부는생물체의

DNA

손상을유발하기도하는데

(Fernández-Alba

et al.

2002; Hagger

et al.

2002),

이러한

DNA

손상이심각한경우

DNA

복제억제

,

돌연변이유발

불완전한전사로이어지거나

,

특정대사산물의발현

해로이어질 있으며 결국생태계전체에심각한문제 일으킬있다

(Kurelec 1992). DNA breaks

최근

연변이나유전적손상을검출할있는바이오마커로 이용되고있으며

,

특정영향에대한반응지표라기보다

물리적이고비특이적인스트레스에도반응하여상관관 계를 보이고있다

.

생물학적건강도 평가지수와 바이오마커의 적용

연안환경의건강을모니터링하는작업에는인간으로 부터비롯된인위적인영향을증명할있는신뢰할 도구들이 필요하다

.

연안 환경의건강성평가를위해

국내외에서다양한연구가수행되고있는데

,

장에서는

연안생물의건강도를평가한다양한생화학적결과들을 어떠한기준으로활용하여이를평가하고

,

해석해왔는지

보여줄있는일부평가지수의

(Table 2)

소개하

고자 한다

.

건강평가지수

(Health Assessment Index, HAI)

Adams

et al

.(1993)

의해제시된

HAI

어류건강에

대한정량적지수를 제시하기위하여환경 스트레스에 기관또는조직에서유도된손상을측정할있는 이오마커를선택하고

,

이를통계학적인비교수치로서

량화한지수이며

,

여러연구자에 의해수정·보완되고

(Coughlan

et al.

1996; Schleiger 2004).

정상상태를

0

하고

,

손상정도에따라각각

10, 20

30

가중치를

두었으며바이오마커측정 결과얻어진값의 합을 상집단의건강을 평가하는지수로 제시하였다

.

바이오마커지수

(Biomarker Index, BI)

BI

Chevre

et al

.(2003)

의해고안되었으며

,

시공간

Table 2. Reported biomarker indices and classification of values of biomarkers

Biomarkers Class Index Reference

HAI EROD, intracellular chemicals, population growth 10, 20, 30, 40 Sum of biomarker values Adams

et al.

1993, 1996 BI MT, DNA, LPO, Vn, PHAG,

NsPE 1, 2, 3, 4, 5 Sum of each biomarker values Chevre

et al

. 2003 BAI Lysosomal stability, Lipid, Acid phosphatase 10, 20. 30, 40 Sum of each biomarker values Broeg

et al

. 2005

Broeg and Lehtonen 2006 GLM EROD, ChE, GST, biological parameters, year, age Analysis using Genstat

program In(

y

) = LT + CF + age + sex +

gon + year + area + error Napierska and Podolska

2005

수치

Fig. 1. Response  level  and  ecological  correlation  (modi- (modi-fied  from  McCarty  and  Munkittrick  1996)
Table  2.  Reported  biomarker  indices  and  classification  of  values  of  biomarkers

참조

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