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
,
화학및생물학적과정에의해조절되는복잡한생태계로서
,
연안역에서식하고있는생물들은다양한자연적·인위적스트레스에노출되어있다
(Adams
etal.
1993).
일반적으로연안환경악화는서식생물의건강도저하를유발하여서식생물의다양성과생산량의현저 한감소를초래할수있으므로서식생물의건강도는연안 생태계의건강을반영하는중요한요인으로알려져있다
. 1990
년대이후미국을비롯한선진국가에서는연안관리법을제정하여연안생태계의 오염총량 등을법적으로 관리할뿐아니라
,
물리·화학적영향에민감한 조기경보자
(early warning system)
등을환경영향지수등에적용하여연안건강도에대한질적인평가를시도하고있다
.
성장또는생식등에 연관된분자·생화학적수준의 바이 오마커들은특이적이고 민감한특징을가지고 있어 현재 의생태학적단계에서는인지할수없는미세한영향까지 도반영할수있으므로
,
보다민감한수준에서해역의건강도를평가할수있는유용한정보를제공할수있다
.
그러나국내에서 이루어진연안에관한 연구들은대부분이 기본적인생태조사나오염물질의 생체축적여부를밝힌 생물영향평가에한정되어있을뿐
,
국내연안의실정에맞*Corresponding author. E-mail : tklee@kordi.re.kr
는바이오마커를선정하고
,
이를연안해역건강도평가에적용한 사례는매우드물다
.
바이오마커를이용한해양생물의건강도평가연구는
1990
년대초부터시작되었고,
각국가별연안의특성을고려한건강평가지수
(Adams
et al.1993),
바이오마커지수
(Narbonne
et al.1999; Chevre
et al.2003),
통합바이오마커반응지수
(Beliaeff and Burgeot 2002),
생물영향평가지수
(Broeg
et al.2005; Broeg and Lehtonen 2006),
일반화된선형모델
(Napierska and Podolska 2005)
등이보고되고있다
.
그러나 상기된바이오마커를적용하여해양생물의건강도를평가함에있어
‘
어떤적절한바이오마커를적용할것인지
’,
또한‘
각 바이오마커로부터제공되는정보를어떠한통계학적인방법으로해석할것인지
’
에대한논란은여전히남아있다
.
특히연안해역에대한연구가미진한국내실정을 감안할때다음과같이 고려해야 할몇가지과제를안고있다
.
첫째,
국내연안생물의건강을최대한반영할수 있도록서식환경에 따른대표생물 의선정
,
둘째,
대상생물의특성에 따른적절한 바이오마커의선정
,
그리고마지막으로국내연안실정에맞는건강도평가지수의 적용성 검토등을 들수 있다
.
따라서본논문에서는국내외해양생물의위해성영향평 가에적용 빈도가높은 각생물단계에따른 바이오마커 와이들의장단점에대해정리하고
,
이를이용한연안평가의사례를분석하여국내해양건강성평가에적용가능성을 살펴보고자하였다
.
바이오마커
생태위해성또는환경위해성평가
(ecological or environ- mental risk assessment, ERA)
는생태계에대한오염물질및다른인위적인활동의악영향을생태계수준에서과학 적으로측정하는방법이다
(Depledge and Fossi 1994).
오염물질로인한스트레스에 대한반응은 생물계내의영양 단계에 따라다양하게나타나며개체 수준에서부터생태
계수준으로높아질수록 오염에대한 반응을확인하는데 오랜시간이소요되며
,
때로는생물체내에서화학적방법으로검출되지는 않는수준에서부터과다한오염영향에 대하여변형된생물반응을보이는경우도있다
.
따라서각각의오염또는악화된환경변화에따라더욱특이적이고 민감한검출기법이요구되면서
,
조기경보신호또는바이오마커에관한연구가활발하게되었다
(Bucheli and Kent
1995).
바이오마커는 인위적인환경요인에의해유도되는생화학
,
분자생물학또는생리학적반응을특이적으로반영하며
(Peakall 1994),
개체,
집단뿐만아니라 생태계에서의생물학적영향과도밀접하게연관되어있다
(McCarty
and Munkittrick 1996).
생화학적반응은개체또는 군집수준의반응보다훨씬민감하고짧은 시간에일어나므로 조기에생물학적영향을감지할수있으나
,
실제이러한반응이군집수준의변화와생태학적인변화에대하여는
낮은상관성을보인다
(Fig. 1).
그러나Table 1
에서와같이외인적으로주어지는스트레스중일부는종류와특성그 리고강도에따라생화학적반응이상쇄또는소멸되거나 개체수준으로증폭되기도하므로각각의바이오마커를건
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).
강도평가에적용하는 의미는다르다
.
지금까지국내에서이루어진대부분의생태계건강성 평가는집단이나군집수준에서의생물량및생물다양성 분석을통하여평가하는전통적인방법이활용되고있다
.
그러나성장또는 생식등에연관된분자·생화학적수준 의특이적이고민감한평가가없다면
,
현재군집수준에서는인지할수없지만
,
향후상위단계에까지영향이증폭될가능성을가지고있는스트레스
(
과거에진행되었거나현재진행중인
)
를간과할수있는오류를초래할수있으므로
(Cairns
et al.1993),
생태계의건강도를조사하기위해서는생화학적수준의민감한
‘
조기경보자’
를이용한평가는중요한 요소임을알 수있다
.
바이오마커의장점
인위적으로유도된반응에대한신뢰할만한결과를들 수있다
.
즉,
대부분의바이오마커의 발현기작은생물에영향을주는요인에대한반응특이성을가지므로
,
바이오마커를 이용하여개체군의건강도를반영하는동시에 인 위적인 스트레스의 정체도 추적할 수 있다
(Giesy and Graney 1988; Holdway
et al.1995).
두번째로는민감도를들수있는데
,
개체수준이하에서기관계고유의일련의반응에따라아주낮은수준의반응이나오염에대하여도 민감한변화를볼수있으므로
,
군집수준으로영향으로확대되기이전에이를감지하여해양생태계보전과복원에 투여될 수있는 엄청난비용을 조기에절감할수 있다
.
바이오마커의단점
바이오마커는동일한영향에대하여개체또는종에따 라반응의감도가다를수있다
.
즉바이오마커는다양한생체대사과정중생성되는생화학산물이므로생물종특 성에따라민감성에차이가있을수있다
.
또한,
다양한바이오마커들중효소활성이나호르몬분비등과연관된지 표들이많으므로성별과연령뿐아니라수온
,
계절,
날씨등을포함한 일반적인환경요인들과 채집중에 일어나는 스트레스와서식환경의 변이등에 의하여도영향을받을 수있다
.
따라서바이오마커를생태계건강도평가에적절히적용하기위하여서는 이들의생화학적기작을충분히 이해하는것이무엇보다중요하며
,
적절한바이오마커를선정하거나
,
생물서식환경의특성이충분히고려된물리적보정도필요하다
.
또한,
환경중에는다양한외인적스트레스가복합적으로존재하므로바이오마커반응이이러 한복합적인요인에 대하여어떠한기작으로 반응하는지 는지속적으로 연구되어야할 과제이다
.
바이오마커의선택
바이오마커는노출
(exposure)
에대한지표와영향(effect)
에대한지표
2
가지카테고리로분류할수있다.
이러한인위적인카테고리가절대적인것은아니며
,
영향에대한지표는노출에대한지표를의미적으로포괄할수있다
(Table 1). ‘
어떠한 바이오마커를 이용해야하는가?’
하는것은평가하고자 하는생태계가어떠한잠재적오염원이 존재할수있으며
‘
무엇을평가하고자하는가?’
라는의도에따라달라질수있다
.
대부분의바이오마커는비용절감과측정의용이성
,
민감성과특이성이라는큰이점을가지고있으므로
,
사용빈도와현장에서의검증여부에따라조사목적에적절한바이오마커를선택하는것이중요하다
.
해독효소:동물의간은주요해독기관으로다양한오염 물질에 대한 대사와 흡수에관여하는 것으로 알려져 있 다
.
방향족환구조를가지고있는할로겐화합물들이생체내로 유입되면 생물의간장 세포막에 있는 수용체
(Ah- receptor)
와반응하여Cytochrome P450 1A(CYP1A)
효소계를통해체외로배출되는일련의대사과정을거친다
.
외인성유해물질을 해독하는 간장의해독효소
(xenobiotics
metabolizing enzymes)
는본래내인성의지방산이나스테로이드호르몬등의합성이나불활성화에관여를하는것 인데
,
이들효소를이용하여대상생물이얼마나영향을받았는지를평가할수가있다
. CYP1A
계는산화환원가수분해가이루어지는
Phase I
해독효소계의대표적인효소로
polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs), Dioxin, co-
planar
구조의PCB
등매우독성이높은오염물질에노출되었을때높게 유도되므로
(Ankley
et al.1986; Arukwe
et al.
1997),
최종산물인ethoxyresorufin
O-deethylase (EROD)
나arylhydrocarbone hydroxylase(AHH)
를바이오마커로이용하여영향을평가할수있다
.
지금까지어류(Stegeman and Hahn 1994; Vaccaro
et al.2005; Yuan
etal.
2006),
무척추동물인담치류(Binelli
et al.2005, 2006),
지렁이
(Brown
et al.2004),
말미잘(Heffernan and Winston
2000)
등에서이용되어왔다.
일반적으로CYP1A
계는계절별변화
,
성별,
수온,
중금속등의오염에대해다른반응패턴을가질수있으므로
(Levine
et al.1995; Machala
et al.
1997),
이를이용하여해양생태계의 건강도를평가하기위해서는시료채취의표준화
,
효소계에영향을미칠수있는요인의보정작업이필요하다
.
현장에잔류하고있는다양한 요인들 간의상호작용을 통해그영향이상 쇄되거나과유도될수있으므로대상생물과 환경의 특성 을충분히 고려하여중간단계또는 상위단계의지표들을 함께 측정하는것이 중요하다
.
쓸개즙 대사물질: 세포내로유입된
PAHs
나방향족아민등과같은난분해성물질은해독효소들에의해분해산 물로변화하게되고
,
변화된대사물질및대사물질과세포내분자와의결합으로쉽게 검출이 가능한바이오마커가 된다
(Melancon
et al.1992).
쓸개에서의대사물질의농도는형광방향성화합물
(fluorescent aromatic compounds)
의형태로변환된
PAH
대사물질의농도를측정하거나전체PAH
대사를나타내는하나의대사물질을선택함으로써분석할 수 있다
(Krahn
et al.1987; Ariese
et al.1993).
PAH
대사물질은 형광분석기나HPLC
등으로측정한다(Aas
et al.2000).
Apotosis
:Apotosis
는세포사멸프로그램으로광범위한외인성화합물들에대한노출을암시해주는비특이적바 이오마커이다
. PCB
나카드뮴에노출된가자미류의간조직에서
apotosis
가 유도되었음이 보고되었으며(Piechotta
et al.
1999), Janz
et al.(1997)
은폐쇄된공장배출수에노출된어류의난소크기의감소
, apotosis
증가는오염지역과상관관계를가질수있다고소개하였다
.
반응자체의특이성이낮은반면개체나군집수준의증폭반응이반영 할수 있는바이오마커라 할수 있다
.
스트레스반응:주변환경에대한생물의불안정성을나 타내주는 스트레스는비특이적인 바이오마커중의하나 이다
.
생물이인식할만한수준의스트레스는혈중의스트레스호르몬인코티졸등을상승또는억제시키며
,
이는장기적으로체내 항상성의파괴와 스테로이드호르몬 대 사의장애를유발할수있다
.
그러나현장에서생물을채집하는과정에의해서도이반응은유도될수있으므로
,
실험과정 중에일어날 수있는반응을고려해서사용하 는것이중요하다
. Hontela
et al.(1995)
은유기오염물질에노출된어류가노출되지않은어류와비교하여채집스트 레스등에 대한코티졸 생성이낮음을보여주었다
.
또한,
중금속등에노출된어류도코티졸생성기작에장애가있 음이보고된바있다
(Brodeur
et al.1997).
스트레스반응호르몬의저하는생물의생존과도밀접한연관성을보여 주는결과이나스트레스 반응바이오마커와 생태학적연 관성에관하여는더욱깊이있는연구가뒷받침되어야할 것이다
.
또 다른세포수준의스트레스반응지표로
heat shock
protein
이있다.
이단백질은화학적인물질뿐만아니라열충격
,
조직손상등으로인하여변화하므로비특이적인바이오마커로분류되고있다
. Hsp90
나Hsp70
등은절지동물이나어류등에서신호전달과관련된호르몬수용체와 의기작에영향을주는독성물질에대한바이오마커로가 능성이제기된상태이나
,
정확한작용기작이밝혀져있지않으며개체나군집수준건강과의연관성도검증되어야 할과제이다
(Janz
et al.1997).
Methallothionein(MT)
:MT
는중금속노출에의해유도되는 시스테인이 풍부한 저분자량 단백질
(6000-7000
Da)
로서아연,
구리,
카드륨등중금속과결합하여무독화시키는기능을가지고있다
.
일반적으로생체내필수금속흡수에반응하는단백질이나
,
동물체내에과발현된MT
단백질은생물이 과다한 중금속에노출되고있음을 알리 는지표로이용되고있다
(Klaverkamp
et al.1984; Garvey
1990). MT
단백질은포유류를비롯하여생물종간뿐만아니라같은개체의조직간즉
,
신장,
간,
뇌,
비장,
소장등 기관 간에도 특성의 차이를 보인다
. Hylland
et al.(1996)
은각각의기관에서발현된MT
단백질이다른 이동도를가지고있음을증명하였고
,
생물의기관마다MT
단백질이 발현되는 중금속이 다름도 보고된 바 있다
(Kammann
et al.1996).
또한,
어류에서아연과여성호르몬을동시에 투여하였을때 그발현농도가증가한결과 들을통해
MT
단백질역시 생식적단계나 계절등에영향을받아다른스트레스반응을보일수있다는것을예 측할수있다
(Overnell
et al.1987).
따라서중금속노출등을감지할 수있는 바이오마커로서
MT
를이용할때에는앞서밝힌바와같이지역간의서식하는생물의생식 단계에따는보정과시료채취에대한 표준화가고려되어 야할 것이다
.
Metabolic and Physiological Parameter
: 일반적인대사생리적지표들을나열하면다음과같다
.
어류에서아가미조직의
ATPase
활성(De la Torre
et al.2000),
혈중포도당과글루코스와젖산 수치역시 일반적인스트레스에 반응하는지표들이다
.
성장률의 지표로서RNA/DNA
의비와생물의 영양 상태와지질 대사장애와관련한혈중 트리글리세라이드와지질분석
(Adams
et al.1990),
혈장의 세포손상의 지표인
aspartate transaminase(Van der
Oost
et al.1996),
조직과 세포손상을 예측할 수 있는lactate dehydrogenase(Escher
et al.1999)
등이있다.
이러한지표들은생물종내에서도개체간차이가심한단점이 있으나
,
오염이극심하게진행되지않은지역을판별하는데 유용하게 이용될 수 있다고 보고되고 있다
(Konradt
and Braunbeck 2001).
콜린에스터라아제
(Cholinesterase: ChE)
:ChE
는생물체내불필요한아세틸콜린을가수분해시키는효소로서카 바메이트나유기인계농약류등의 화학적오염에대하여 비교적빠르고민감한반응을보여최근효소학적바이오 마커로활용도가매우높다
.
일반적으로유기인계농약등은
ChE
의수용체부위와결합하여활성의저해를초래하고신경전달물질인아세틸콜린의 가수분해를 억제한다고 알려져있다
.
지금까지어류를비롯하여이매패류(Galgani
et al.
1992)
등에서ChE
의활성을이용한생물영향이연구되어왔으며
,
농약류나살충제뿐아니라일부중금속등으로인한저해효과도보고되고있다
(Sturm
et al.1999).
생체내
ChE
는acetyl-
과butyl-cholinesterase
로분류되는데
,
근육조직에서 측정한butyl-cholinesterase
는acetyl-
cholinesterase
보다 더민감하게농약류에반응한다고알려져있다
(Sturm
et al.2000).
콜린에스터라아제역시생물체의종류에따라그민감도의차이를보이므로바이오 마커로서대상생물과조직의 선정에충분한논의가있어 야할 것이다
.
생식계 관련 지표 : 일반적으로개체수준의영향이개체 군집으로이어지는가장큰영향으로생식계손상을들수 있다
.
생식계는생물이스트레스를장시간받을때손상되기도하며
,
독성물질에의해선택적으로손상되기도한다.
해양척추동물의생식내분비계는시상하부
-
뇌하수체-
생식소로이어지는일련의반응기작을가지고있으며
,
뇌하수체에서분비된
gonadotrophin
호르몬은난소를자극하여 여성호르몬인
17
β-estradiol
을 분비하게 한다. 17
β-
estradiol
로유도된난황단백전구체인비텔로제닌은난소로이동하여배발생에 영양분인난황단백질을 형성하는 데
,
성숙한암컷에서만특이적으로간에서생성되는단백질로서유사여성호르몬계열의오염물질이나중금속등에 노출된수컷에서도비정상적으로발현되는것이밝혀지면 서생식계의위해성을평가하기위해현장에서널리이용 되고있다
.
난황단백전구체의유전자나단백질수준에서발현기작에 대하여 많은데이터베이스가구축되어있어 활용이용의한장점이있으나
,
때때로자연계에존재하는식물계에스트로겐등으로인한자연발생적인난황단백전 구체의발현이나광주기
,
수온이나생식주기등자연적인반응과스트레스나오염으로인한영향을구별하는데있 어주의가 필요하다
.
조직학적수준의생식소중량지수
(gonadosomatic index:
GSI),
간 중량지수(hepatosomatic index),
비만도(fatness)
또한생식계영향과밀접한연관을가지고있다
.
해양생물은생식주기에따라생식소와간이전체체중에차지하는 비율에변화를가지게되며
,
생물이서식하고있는환경의영향과생식주기에따른생리적상태를그대로반영할수 있으므로
,
비정상적인영향에장기간노출되었을때본지수들은비정상적인패턴을보인다
.
일부산란습성이다른어종들은본지수들을적용하기에 어려움이따르기도하 나
,
국내연안에서식하는해산어종들은비교적일정한주기를나타내므로난황단백전구체등을포함한상위바이오 마커와 함께이용된다면 생태계를올바르게이해하고평
가하는데유용한 지표가될 수있을 것으로생각된다
.
DNA breaks
:PAH
를비롯한해양으로배출되는화합물중일부는생물체의
DNA
손상을유발하기도하는데(Fernández-Alba
et al.2002; Hagger
et al.2002),
이러한DNA
손상이심각한경우DNA
복제억제,
돌연변이유발및불완전한전사로이어지거나
,
특정대사산물의발현저해로이어질 수있으며 결국생태계전체에심각한문제 를일으킬수있다
(Kurelec 1992). DNA breaks
는최근돌연변이나유전적손상을검출할수있는바이오마커로널 리이용되고있으며
,
특정영향에대한반응지표라기보다는물리적이고비특이적인스트레스에도반응하여상관관 계를 보이고있다
.
생물학적건강도 평가지수와 바이오마커의 적용
연안환경의건강을모니터링하는작업에는인간으로 부터비롯된인위적인영향을증명할수있는신뢰할만 한도구들이 필요하다
.
연안 환경의건강성평가를위해국내외에서다양한연구가수행되고있는데
,
본장에서는연안생물의건강도를평가한다양한생화학적결과들을 어떠한기준으로활용하여이를평가하고
,
해석해왔는지를보여줄수있는일부평가지수의예
(Table 2)
를소개하고자 한다
.
건강평가지수
(Health Assessment Index, HAI)
Adams
et al.(1993)
에의해제시된HAI
는어류건강에대한정량적지수를 제시하기위하여환경 스트레스에의 한기관또는조직에서유도된손상을측정할수있는바 이오마커를선택하고
,
이를통계학적인비교수치로서정량화한지수이며
,
여러연구자에 의해수정·보완되고 있다
(Coughlan
et al.1996; Schleiger 2004).
정상상태를0
로하고
,
손상정도에따라각각10, 20
및30
의가중치를두었으며각바이오마커측정 결과얻어진값의 합을대 상집단의건강을 평가하는지수로 제시하였다
.
바이오마커지수
(Biomarker Index, BI)
BI
는Chevre
et al.(2003)
에의해고안되었으며,
시공간Table 2. Reported biomarker indices and classification of values of biomarkers