은나노물질과 나노 TiO2 의 생물축적

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제목 : 나노물질의 생물축적

소제목 : 은나노물질과 나노 TiO2 의 생물축적

핵심키워드 : 항균성 나노물질, 생물축적, 영양단계, 은나노물질, 나노 TiO2

나노물질을 이용한 소비재의 사용 범위가 확대되고 있다[1]. 특히, 항균성이 우수한 은나노물질은 의료장비, 전자제품, 섬유제품, 포장용기, 개인 위생도구 및 농약 등 우리 생활과 밀접한 소비제품으로 널리 확산되고 있으며[2][3], 광촉매로 알려진 TiO2는 나노소재화 되면서 자외선 차단 외에도 항균 코팅섬유, 건물 내∙외장의 코팅제로도 사용되고 있다[1]. 수질, 대기 및 토양 등 환경매체로의 나노물질 유출에 대한 연구 결과(Table 1)에서, 미국과 유럽의 환경매질에 은나노 물질과 나노 TiO2 가 모든 환경매질에 분포하고 있는 것으로 나타났으며, 특히 침전층과 하수처리장의 슬러지 오니(sewage sludge)에서 다른 환경매질에 비해 상대적으로 높은 농도의 나노물질이 있는 것으로 나타났다[4][5]. 나노물질은 산업용뿐 아니라 일부 농업용으로도 개발 사용되고 있다.나노 TiO2의 경우 작물의 광합성 효율을 높여 수확량을 향상 시킬 수 있으며, 은나노는 항균 작용으로 종자의 소독에 사용되고 있다. 또한 나노 Ag/TiO2에 노출된 작물은 같은 기간에 빛에 노출된 식물보다 광분해 작용이 빠른 장점을 가지고 있어 광합성 작용과 해충에 의한 식물 질병으로부터 유리한 이점이 있다[1][6][7][8][9] 그러나 식물이 모든 나노물질에 독성이 강한 것은 아니며, 나노물질 종류별 또는 노출농도에 따라서 세포독성(cytotoxicity)이나 유전독성(genotoxicity)이 일어나는 경우도 있다.[10] 나노물질의 농업 이용은 사용 후 나노물질의 생태계 유출의 원인으로 작용할 수 있다. 특히 오염원이 명확한 점오염원 (point pollution source) 의 경우 하수 처리를 통해 상대적으로 생태계 유출 우려가 적은 반면, 농지와 같이 오염원을 정확히 특정 지을 수 없는 비점오염원(non-point pollution source) 의 경우 사용 후 바로 하천으로 유입이 가능하여 수질오염이 우려된다[11][12]. 또한 강우 등에 의해 토양 오염으로 이어질 수 있다. 이처럼 관리 되지 않은 나노물질의 무분별한 사용에 대한 우려가 보고되고 있지만, 현재까지 나노물질의 농업사용은 첨단 농법으로 고려될 뿐 생태계 유출 및 오염에 대한 우려와 이에 대한 정책으로 고려되고 있지 않다[13]. 그러나 사용 후 나노물질의 생태계 유출은 대기, 수계, 토양으로의 환경거동(environmental fate)에 의한 물질순환이 이루어져 환경 내 서식하는 생물종에 노출될 가능성이 높다[14][15][16]. 수생태계로 나노물질이 유출되는 주요 통로는 폐수처리과정이다[14-16]. 폐수처리장에서 검출된 주요 항균 나노물질은 TiO2, Ag, CNT, C60, 및 ZnO 등 이며, 폐수로 포함된 항균 나노물질은 폐수 처리시 생물학적인 처리에 사용되는 미생물에 영향을 줄 뿐만이 아니라, 나노물질이 축적된 슬러지 오니로 부터 수거되어 토양에 매립될 시에 토양 생물에 악영향을 준다[17].

나노물질의 생태독성연구는 다양한 시험생물종에서 이루어져 왔다. 주로 지렁이(earthworm), 미생물(micro-organisms), 식물(plant), 선충(nematode), 미세조류와 조류 (microalgae and algae), 물벼룩(cladoceran), 성체어류와 치어(adult and juvenile fish), 배발생(embryogenesis), 및 수생식물 (aquatic plant) 등이 있다[18][19][20][21][22]. 이러한 생태독성 연구는 OECD test guideline 시험법을 근거하여 급성 및 만성(acute and prolonged toxicity), 성장저해(growth inhibition), 생식(reproduction) 등의 연구가 수행되고 있다[23].

이 외에도 영양 단계에 따른 나노물질의 생물축적(bioaccumulation) 연구가 보고되고 있다. 인위적으로 조성된 인공생태계 (mesocosm and microcosm) 조건 하에서 나노물질을 노출하여 생물종의 생물축적을 알아본 결과, 일부 생물종의 생물축적 현상이 보고된 바 있다[24][25][26][27].

나노 TiO2의 생물체로의 유입과 축적은 Table 2와 같이 다수 보고되었다[28][29][30][31][32][33][34][35][36][37][38][39][40]. 미소생태계(microcosm)을 다양한 생물모델을 이용하여 설치한 후 시험한 연구에서, 나노 TiO2 는 환경매질(물, 침전층), 농작물(미나리), 다양한 영양단계의 생물 (바이오필름, 조류(algae), 식물 기생 선충, 흰나비, 나비유충, 우렁이, 및 송사리)을 대상으로 시험한 결과 물에서의 나노물질 농도는 곧바로 미소생태계의 침전층으로 이동되며 그 결과 수생생물과 이 식물에 기생하는 선충에 나노물질이 유입되었다[41]. 은나노물질이 생물체로 유입 또는 농축되는 연구들은 Table 3과 같다[42]. 약 70% 의 은나노물질이 먹이섭취를 통해 물벼룩(Daphnia)에 축적되는 것으로 나타났으며, 동물성플랑크톤은 은나노물질에 노출된 조류(algae) 섭취로 인해 은나노물질이 축적되는 것으로 나타났다[43]. 제브라피시(Zebrafish)의 꼬리지느러미(caudal fin)의 재생에 미치는 은나노물질의 영향연구에서 은나노물질이 미토콘드리아, 핵, 및 혈관을 포함한 물고기의 기관으로 침투되는 것으로 나타났으며, 이중 장의 조직에서 가장 많은 은나노물질의 축적이 나타났다[44]. 나노물질의 생물축적 연구는 몇 가지 난점을 지니고 있어 연구에 어려움이 있다. 우선 자연생태계와 유사한 인공생태계의 구현의 어려움이 있다. 일부 연구에서 한정된 생태환경 즉, 수질 또는 토양과 같은 단일 매질에서의 생물노출 연구환경에서의 생물축적 연구를 진행한 바 있다. 그러나 생태계는 다양한 생물과 환경매체가 존재하므로 이를 배제한 시험평가는 그 개선이 필요하다. 나노물질의 생물축적 연구는 장기간의 시험 기간이 필요한 연구로 단기간의 성과를 내는 연구가 아니다. 또한 먹이망에 대한 이해 없이 투입된 생물종은 최종적으로 나노물질의 생물농축 연구를 해석함에 있어 적합하지 않다.

Table 1. Predicted concentrations of TiO2 and Ag nanoparticles in environmental media [45].

Predicted concentrations of TiO2 and Ag nanoparticles in environmental media.png




















Base year: 2008



Table 2. Uptake and bioaccumulation of TiO2 NPs in organisms [46]

Uptake and bioaccumulation of TiO2 NPs in organisms.png

























TEM: Transmission electron microscopy; SEM: Scanning electron microscopy; XRF: X-ray fluorescence 



Table 3. Uptake and bioaccumulation of Ag NPs in organisms [47].

Uptake and bioaccumulation of Ag NPs in organisms.png





































EDS: Energy dispersive X-ray spectroscopy; GA: Gum arabic; ICP-MS: Inductively-coupled plasma mass spectrometry; PVP: Poly vinyl pyrrolidone; OA: Oleic acid



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