나노물질의 수생태계 먹이사슬 전이 확인

[산업일보]
국내 연구진이 형광나노물질인 양자점이 수생태계 3단계 먹이사슬을 통해 원생생물에서 물벼룩을 거쳐 어류까지 전달되는 것을 바이오이미징으로 시각적으로 확인한 연구결과를 발표했다.

건국대 보건환경과학과 안윤주 교수(교신저자) 주도로 이우미 박사(제1저자)가 수행한 이번연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심)과 교육부와 한국연구재단이 추진하는 학문후속세대양성사업의 지원으로 수행되었고 연구결과는 독성학 분야 국제학술지 나노톡시콜로지(Nanotoxicology) 온라인판에 게재됐다.
나노입자는 아주 미세해 생물체내로 쉽게 침투할 수 있고 축적돼 먹이사슬을 통해 다른 생물체로 전이될 수 있다. 궁극적으로 먹이전이를 통해 최상위 레벨인 인간에게도 전달될 수 있고 생물농축(biomagnification)에 의해 축적 및 위해성이 증가할 가능성이 있어 나노물질의 먹이전이에 대한 생태독성연구가 중요하다.

나노입자의 경우 아직 국제적으로 표준화된 시험법이 없고 물질 특성상 실험설계가 어려워 개별 생물체 위주로 연구되고 있다. 먹이전이에 관한 일부 연구가 발표된 바 있으나 주로 2 trophic level(영양단계)의 연구로 생태계 전반적인 먹이연쇄에 의한 영향을 평가하기 위해서는 영양단계를 확대할 필요가 있다.

바이오 이미징(bio-imaging)은 나노입자의 축적 및 대상 나노입자의 성분을 확인 할 수 있는 가장 효과적인 기술이다. 나노입자의 경우 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM)을 이용하나 광범위한 생물체내에서 나노입자를 찾기 위해서는 비용, 시간 그리고 많은 노력이 필요하며 나노입자를 확인하는 것 또한 어렵다. 반면 형광특성을 가진 나노물질은 고해상도의 형광현미경을 이용하여 좀 더 쉽게 확인할 수 있다는 장점이 있다. 이에 나노입자의 전달 및 생체내 축적을 확인하기 위해 바이오 이미징을 적용, 3종 수생생물의 생체 내 축적을 확인했다.

양자점에 노출된 원생생물을 섭취한 물벼룩의 장과 이 물벼룩을 섭취한 어류의 장에서 양자점이 관찰된 한편 어류의 배설물에서도 양자점이 관찰됐다.

이 연구에서는 형광나노물질인 양자점(QD)에 노출된 원생생물(1st level)이 물벼룩(2nd level)를 거쳐 어류(3rd level)로 전이됨을 확인했다. 모델생물은 수생태계 기본 먹이사슬인 원생동물(Astasia longa), 물벼룩(Moina macrocopa), 어류(Danio rerio)을 이용했다. 수생태계 대표적인 생산자는 광합성을 하는 녹조류(green algae)이지만, 녹조류가 가지고 있는 엽록소의 강한 형광으로 형광나노를 이용한 연구에는 적합하지 않았다.

이에 광합성 단백질이 결핍된 A. longa를 1st level로 선정하고 노출해 체내 축적된 양자점을 생체 공초점 레이저 주사현미경(IMP-LSM)을 이용해 확인했다. 기존에는 나노입자의 성분확인을 위해서 SEM 또는 TEM에 엑스선분광분석법(EDX)을 통해 확인했다.

하지만 이번 연구에서는 고유의 형광 스펙트럼을 가진 양자점(emission peak: 565 nm)을 이용하여 IMP-LSM과 불혼합기법(unmixing method)를 통해 양자점 확인과 함께 시각적으로 양자점의 축적을 확인할 수 있었다.
먹이사슬을 통한 나노물질의 전달 가능성을 의미하는 것으로 향후 나노물질의 안전성 평가에 기여할 것으로 기대된다.

연구팀이 생체공초점현미경을 이용, 생물체내 축적된 형광을 띠는 양자점이 갖는 고유한 형광스펙트럼을 정밀하게 확인함에 따라 나노물질의 생물축적을 시각적으로 확인하고 미량원소분석을 통해 정량화한데 따른 것이다.
안 교수는 “생태계로 유출된 나노물질이 먹이사슬을 통해 전달될 수 있는 가능성을 보여주는 결과로써 나노물질의 유용성은 위해성과 함께 연구되어야만 나노물질을 우리생활에 안전하게 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.