제6장 생태독성 Environmental Risk 6.1 서론 ▣ 생태독성학 • 인간을 제외한 생물종에 대한 화학물질의 독성작용을 연구하는 학문 ▣ 생태독성작용 • 화학물질의 노출로 인한 유기체의 상태, 동력학적 변화, 생물체계의 여러 수준에서의 변화 등 • 아세포 수준, 세포수준, 생물개체, 생물집단, 생물군집 및 생태계의 변화 등을 포함

Environmental Risk ▣ 생태독성학 분야와 연구과제 화학 독성학 생태학 수학 노출평가 영향평가 집단구조 환경 중 거동에 관한 모델 이동 독성메커니즘 집단기능 약물동력학 모델 분배 생물농축 개체군의 동력학 LC50과 NOEC 통계 전환 생전환 영양/에너지 순환 종-종간 외삽 SARs/QSARs 외삽 다양한 상호작용 개체군과 생태계 모델

Environmental Risk 6.2 HRA와 ERA의 차이 6.2.1 분류학적 다양성 ▣ HRA • 인간 ▣ ERA • 일부의 기능시험과 일부 대표종을 이용하여 연구 ▣ 생태독성실험에 필요한 기준 • 실험대상 종들은 다음의 사항들을 대표할 수 있어야 한다. -생태적 기능(영양수준) -노출경로 -형태학 • 실험대상 종들은 -실험실 조건에서 유지하기가 쉬워야 한다. -사육이 쉬워야 한다. -많은 참고 자료가 확보되어야 한다.

Environmental Risk 6.2.2 종말점 ▣ HRA • 개인 수준의 보호 • 인간의 전생애(태아기, 유아기, 청소년, 성인) ▣ ERA • 동물 종, 시간, 공간 등에 따른 번식과 성장 차이 • 멸종 위기의 동물 : 5% ▣ 생태학적 종말점 설정기준 • 공인성 • 생물학적 적절성 • 기능에 대한 명백한 정의 • 예측과 측정의 용이성 • 위험물질에 대한 높은 민감성

Environmental Risk 6.2.3 공간의 규모 6.2.3 시간규모 ▣ HRA • 지구의 전지역(?) ▣ ERA • 지방 → 지역 → 하천 → 대륙 → 지구 6.2.3 시간규모 • 25년(한세대) • 종에 따라 다양 • 박테리아 : 20분, 랫드: 1년, 영장류 : 5년

Environmental Risk 6.2.5 노출의 복합성 ▣ HRA • 직접노출 : 산업장 노출, 소비물품에 의한 노출 • 환경을 통한 간접노출 ▣ ERA • 외부노출 : 물, 토양, 침전물, 대기와 같은 매체 중의 농도 (1) Niche 분포 • 자연 : Niche에 적응하고 서식하고 있는 매우 다양한 종으로 채워진 비균질 Niche (2) 노출시간 • 노출시간은 화학물질, 종, 세대시간, 생태계의 특성에 따라 결정됨 • 독성에 결정적 영향을 줌

Environmental Risk (3) 무생물적 인자 • 토양의 종류, 기후(풍속, 온도, 습도, 강우 등), 강 흐름, 태양광 등 (4) 비선형 • 역량조절특성의 변화 → 화학물질의 배출과 노출의 예상외적 병화 초래 • 역량조절특성(capacity controlling properties) : 이온 교환능, pH, 산화환원전위, 유기물, 토양구조, 염분도, 미생물 활성 (5) 표면적 및 체적 • 확산을 통한 피부 흡수 : 화학물질에 대한 장벽의 투과성, 농도 기울기, 확산이 일러나는 표면적에 의해 결정됨 (6) 음식물의 소비 패턴 • 인간 : 잡식성 • 동물 : 잡식성, 육식성, 초식성

Environmental Risk (7) 생활사 • 변태하는 동물 : 직접적인 노출 경로 → 간접적인 노출 경로 (8) 식이와 성장속도 • 식이 속도 : 화학물질의 유입속도를 결정 • 개체의 성장속도와 세포분열속도 : 생물체에 가해진 화학물질의 내부 희석속도에 영향을 줌 (9) 행동 • 독성물질에 대한 생물체의 행동반응 → 노출 정도의 변화 → 오염된 음식, 물, 토양 등에 대한 회피 • 환경에 대한 저항성을 갖는 구조의 형성 → 노출 정도의 변화

Environmental Risk (10) 생전환 • 생전환의 결과 : 무독화되어 제거 또는 활성화되어 독성 증가 • 생전환 패턴 요인 : 생물체 특성, 온도 등의 비생물적 인자 • HRA : 단일 PEC → 내부노출농도(용량) • ERA : 다양한 PECs ← 종-의존적, 다수의 생물적ㆍ비생물적 인자에 의한 영향

Environmental Risk 6.4 침전물독성 ▣ 침전물의 특성 • 수계에 비해 상대적으로 움직임이 적고 균질하지 않음 • 소수성 유기물질이나 2가 3가 양이온과 결합할 수 있는 능력이 큼 ☞ 독성물질이나 오염원에 대한 침전조 역할 • 침전물에 저류된 화학물질 : 저서생물에 대해 1차 오염원으로 작용 ▣ 침저물에 대한 독성시험의 목적 • 실제적인 목표 : 생물시험을 통하여 오염된 침전물의 독성을 평가하고 침전물에서의 독성원인을 규명함 • 예측목표 : 하천 바닥에 서식하는 생물에 대한 특정화합물 그룹의 독성을 예측

Environmental Risk 6.4.1 노출계 ▣ 침전물내 오염물질의 생체내 침입에 영향을 주는 인자 • 종의 특성, 먹이, 서식지, 활동도, 유기물 대사, 발생단계, 계절, 노출경력 등 ▣ 오염물질의 생체이용률에 영향을 미치는 인자 • 1차생산성 • 박테리아의 SO42-의 환원 • 생물학적 활성 • 유기물질의 생성과 분해 • 생물교란 현상 • 산소소비

Environmental Risk 6.4.2 영향평가 ▣ 침전물의 질 관리 목적에 유용한 OECD 권고지표 • 평형분배 • 간극수 수질 • 침전물 독성 • 참고 농도 • 명백한 독성영향에 관한 역치 • 스크리닝 수준의 농도 • 침전물질 • 세포 잔류물 (1) 평형분배(equilibrium partitioning, EP) • EP방법 : 저서생물에 대한 독성이나 오염물질의 축적은 침전물 수계에 존재하는 화학물질의 농도가 침전물에 존재하는 농도보다 높다는 전제 • 고체계와 액체계간의 분배계수 Kp에 대한 모델 필요

Environmental Risk (2) 기타방법 • 수층간에서의 수질 측정법 • 스파이크 침전물 독성법 • 대조물질농도법 • 겉보기효능역치 농도법 • 스크리닝수준농도법 • 침전물질삼분법 • 조직 잔류농도 접근법

Environmental Risk 6.4.3 침전물 독성시험 ▣ 의의 • 저서생물이 침전물에 의해 생존, 성장, 생식능 등에 어떠한 영향을 받을 수 있는가를 평가하거나 또는 급성독성, 만성독성시험 등을 평가하는 시험 ▣ 시험종 • 발광박테리아, 식물성 플랑크톤, 동물성 플랑크톤, 저서 무척추동물 양서류, 어류, 대형수서식물 등

Environmental Risk ▣ Chirinomids의 아만성독성시험 실험종 Chironomus riparius (깔다구) 실험기간 10일 또는 21일 실험시스템 50 mL 비이커에서 세척분리물 또는 침전물과 1:4 비율로 교체 실험 먹이 시판용 어류먹이를 일주일에 2번 빛/온도 20 ℃ 종말점 사망, 유충의 발생과 성장 지표 LC50, EC50, NOEC

Environmental Risk 6.5 육상독성 6.5.1 노출계 ▣ 환경보호의 관심 • 토양의 기능 보호 > 토양생물의 보호 6.5.1 노출계 ▣ 토양의 구성 • 고체 : 광물입자와 유기물질 • 액체 : 물(영양성분과 유기탄소 함유) • 기체 : 여러 종류의 가스와 휘발성 유기물 ▣ 육상유기체의 노출경로 • 음식이나 토앙입자의 경구투여 • 토양이나 식물의 표면으로부터의 경피흡수 • 호흡

Environmental Risk (1) 토양과 화학물질의 혼합 • 토양독성 : 토양유기물의 함량과 직접적인 관계(→ 지렁이) • 중금속에 대한 생체이용률 : 토양의 pH, 유기질함량, 양이온 교환능, 진흙의 함량 등에 영향을 받음 • 인공토양의 사용 : 시헙방법의 표준화, 지렁이나 토양 절지동물 시험 (2) 직접적인 작용과 간접적인 작용 ▣ 피부도포법 • 동물을 고정한 후 용액상의 독성물질을 체표면의 일정한 면적에 직접도포하는 방법 • 투여량 : 동물마라당 절대량 • 실험실내에서만 사용 가능 ▣ 침지법 • 절지동물과 식물종자를 용액에 담궈 화학물질을 직접 투여 • 투여량 : 화학물질의 농도 • 통양계와 대기계의 노출은 무시됨

Environmental Risk ▣ 잔류량 접촉 • 농약을 살포한 농경지 위를 이동하는 동물(진드기, 거미, 딱정벌레 등) • 잔류물질 생체이용률 영향 인자 : 화학물질의 특성, 수분함량, 표면이 화학물질을 흡수하는 정도 (3) 식품에 첨가되는 화학물질 • 초식동물 : 식품의 잎에 화학물질이 뿌려진 경우 • 먹이사슬을 통한 농축 • 투여량 : mg/kgbw (4) 대기를 통한 노출 • 시스템 내부의 화학물질농도가 일정하게 유지될 수 있는 장치를 사용 • 가스상 농도 : μg/m3

Environmental Risk 6.5.2 박테리아와 식물을 이용한 시험 (1) 미생물시험 • 적용 대상 : 박테리아, 진균류 • 채취한 토양으로 시험 (2) 관속식물 ▣ 육상식물의 성장실험 • 실험 생물종 : 독보리, 쌀, 귀리, 밀, 수수, 겨자, 평지, 무, 순무, 중국 양배추, 살갈퀴, 콩, 빨간 클로버, 호로파, 상치, 양갓냉이 • 실험기간 : 적어도 대조군에서 50 % 출아 후 14일만에 수확 • 실험 시스템 : 정지계, 실험물질은 용매에 녹여 자연토양과 혼합 • 빛/온도 : 성장에 적합한 정도 • 종말점 : 출아와 성장(젖은 무게) • 지표 : LD50 및 EC50

Environmental Risk ▣ 종자발아 시험의 민감도 저하 원인 • 뿌리에 의한 화학물질이 없음 • 발아 시 저장된 내부에너지를 사용 ▣ 라이프-사이클 생검법 • 독성물질에 대한 치사량이하의 수준에서 독성 평가 • 종말점 : 형태학적 변화 또는 발현되는 형질 • 온실, 화분, 야회 실험 모두 가능

Environmental Risk 6.5.3 무척추동물을 이용한 시험 (1) 토양 무척추 동물 ▣ 인공토양을 이용한 지렁이 급성독성 • 실험종 : Eisenia fetida 와 E. andrei • 실험 기간 : 14일 • 실험 시스템 : OECD 인공토양 500 g을 실험병에서 정지상 실험 • 빛/온도 : 20 ℃ 정도에서 약한 빛 강도(400 ~ 800 Lux) • 종말점 : 생존률 • 지표 : LC50 ▣ 여지접촉법 • 개요 : Eisenia 종 10마리를 시험물질을 녹인 용액에 적신 여과지를 이용하여 48시간 동안 노출 • 사망률을 계산하고 LC50 값은 μg/cm2으로 표시 • 암실에서 실시

Environmental Risk ▣ Artisol 시험법 • 개요 : 지렁이 성체를 화학물질이 섞인 무정형 실리카겔로 덮인 유리구에 14일간 노출 • 사망률을 계산하고 LC50 으로 표현

Environmental Risk 6.5.4 조류와 포유동물을 이용한 시험 ▣ 조류독성연구 • 신규물질 등록과 기존화학물질 환경위해성평가에 필요 ▣ USEPA 조류에 대한 경구 LD50 실험의 관찰항목 • 실험 동물 : mallard duck, anorthern bob, white quail, Japanese quail • 먹이 : 화학물질 투여 15시간 전에는 음식물 투여 금지, 시료 투여 후 음식과 물을 자유롭게 섭취 • 관찰기간 : 14일, 연장가능 • 투여 용량: 다섯 그룹의 화학물질 투여군과 대조군. 1회 경구투여 • 실험 동물수 : 투여군 당 10마리 • 조사항목 : 사망률, 몸무게, 먹이소비량 • 검사 : 전신 해부, 전반적인 손상 특징을 살피기 위해 살아있는 새와 죽은 새를 대상으로 해부 실시. 위장관, 간, 신장, 심장, 비장에 대한 조사 • 중독의 다른 증상으로 언제 무엇이 관찰되었으며, 얼마나 오랫 동안 지속되었는가를 기록

Environmental Risk ▣ 단기간 조류의 식이실험(OECD) • 실험 종: 물오리, 북미 메추라기, 일본 메추라기, 비둘기, 고리모약 목 꿩, 빨간다리 자고류 • 실험기간 : 11일; 환경순응(3일), 실험물질을 규정 식이에 노출(5일), 실험물질이 없는 기본 식이에 노출(최소한 추가로 3일) • 실험 수준 : 규정식 5단계 실험군과 2개 대조군 • 먹이 : 시판되는 먹이형태 • 관찰 : 사망률, 체중, 먹이 소비, 독성의 증상, 중독된 조류나 죽은 조류의 조직은 병리학적, 생화학적 또는 잔류물 검사 • 지표 : LC50, NOEL

Environmental Risk ▣ 조류의 생식실험(OECD) • 실험 종: 물오리, 북미 메추라기, 일본 메추라기 • 실험기간 : 34주 : 실험물질을 규정 식이에 노출(최소 20주), 알의 선별(10주 이상), 알의 부화에 이어 새끼들을 2주 동안 생존시킴 • 실험 수준 : 최소 세 가지 규정 식이농도 와 1개 대조군 • 먹이 : 시판되는 먹이형태 • 관찰 : 사망률, 독성의 증상, 깨어난지 14일 경과된 새끼들의 체중과 먹이 소비, 다 자란 조류에 대한 모든 병리학적 검사, 알 생산량, 깨진 알, 껍질의 두께, 생존능력, 부화력, 새끼에 대한 영향, 선택된 조직의 잔류물 분석(선택사항) • 지표 : NOEC(mg/kg식이)

Environmental Risk ▣ 용량 • 대조군과 적어도 2 ~ 10배 증가시킨 3가지 용량군 • 최고 용량 : 명백히 유해한 작용을 나타내지만 사망을 일으키지 않은 농도 • 최저 용량 : 관찰 가능한 독성이 나타나지 않는 농도 • 중간농도 ▣ 검사 • 체중 변화, 음식 및 음용수 소비 • 임상학적 조사, 혈액인자 : 헤마토크리트, 헤모글로빈 농도, 적혈구 계수, 백혈구 계수, 혈액 응고 가능성 • 생물학적 인자 : 장기기능, 전해질 평형, 탄수화물 대사, 혈장 연(Ca, P, Na, K, Cl), 당, 혈장효소, 요소 질소, 알부민, 혈장단백, 크레아티닌, 빌리루빈(지방, 호르몬, 메테모글로빈, 콜린에스테라제 활성), 소변분석

Environmental Risk • 육안관찰 : 매일 관찰(피부, 털, 눈, 점막, 호흡기계, 순환기계, 중추신경계 및 행동의 변화 둥), 해부하여 광범위한 관찰 • 조직 병리학적 관찰 : 최고 용량군과 대조군의 모든 장기와 조직(30종류 또는 그 이상), 만약 소견이 있으면 중간용량과 낮은 용량군도 관찰 ▣ 결과 • 표적장기의 작용메커니즘 및 NOAEL 등과 같은 반복용량 노출에 관한 정보