생태독성시험을 위한 국내 자생생물종 선별 연구: (2) 토양시험종
Investigation of Korean Native Organisms for Development of Ecotoxicity Test : (2) Soil Test Species
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Abstract
생태위해성평가를 도입 및 적용시키기 위해 국제적으로 공신력 있는 표준시험법에 따른 정량적인 생태독성자료가 생산되고 있다. 독성물질의 영향으로부터 자국 환경을 보호하기 위한 생태위해성평가 시, 자국 환경에 적합한 생물종을 활용할 필요가 있다. 국제 표준시험법에서 제시하고 있는 시험종은 국외종이 다수 포함되어 있어, 광범위한 분포성 및 경제성 측면에서 국내 환경에의 적합성이 낮으므로, 토양생태독성시험종으로서 국내 자생생물종 연구가 필요하다. 본 연구에서는 토양 생태독성시험종 개발을 위한 국내 자생생물 선별 연구를 위해 국내·외 토양생태독성 표준시험법에서 제시하고 있는 토양생태독성시험종 사례를 수집하였으며, 이 중 국내 자생생물종 비율을 분석하였다. 또한 국내 토양생태독성평가연구에서 사용한 시험종을 포함한 후, 선별된 국내 자생생물종을 활용하여 토양생태계 보호를 위한 예측무영향농도 산출 가능성을 분석하였다. 7개 국·내외 표준시험법에서 제시하고 있는 토양생태독성시험종은 106개로, 6개 문 또는 계 및 8개 강에 속하는 것으로 나타났다. 이 중 국내 자생생물종은 총 62개로, 전체의 58.5%를 차지하는 것으로 나타났다. 또한 국내 토양생태독성평가연구에서 제시하고 있는 토양생태독성시험종은 5개로, 4개 문 또는 계 및 4개 강에 속하는 것으로 나타났다. 최종적으로 선별된 65개의 국내 자생 토양생태독성시험종을 대상으로 토양생태계 보호를 위한 예측무영향농도의 산출 가능성을 분석한 결과, 캐나다 및 호주 방법의 고신뢰성 생물분류학적 기준에 부합되어 생태독성 시험생물로 사용되고 있는 외국도입종을 대체 가능한 것으로 분석되었다. 본 연구는 국내 토양의 특성을 고려하여 잠재적인 토양 생태독성시험종을 제안함으로써, 국내 토양 생태독성평가의 기반을 마련하였다.
Trans Abstract
Ecological risk assessment has been introduced and applied based on quantitative ecotoxicity data produced using international standard methods. When conducting ecological risk assessment for soil pollutants in specific countries, it is necessary to use organisms that are native to the countries in question. However, due to their widespread distribution and economic value, it is necessary to perform studies on native test species. In this study, we collected test species used in international and domestic standard methods and selected domestic organisms used. In addition, we surveyed studies on Korean domestic organisms used for ecotoxicity tests. Furthermore, we assessed the possibility of deducing predicted no effect concentrations, as suggested by international methods. Sixty-two out of 106 test species used in four international and three domestic standard methods were determined as domestic organisms in Korea. Five domestic organisms were used as test species in the studies on domestic organism for ecotoxicity tests. Finally, 65 domestic organisms were evaluated as test species for soil toxicity assessment. On the basis of the 65 domestic organisms, we verified the possibility of deducing predicted no effect concentrations suggested by three international methods. This study identified potential soil test species for assessing the characteristics of Korean soil systems.
1. 서 론
국내·외적으로 오염물질별 농도 수준만 측정할 수 있는 환경매체 내 오염물질에 대한 이화학적 평가의 한계를 벗어나, 생태계 내 잠재적인 위해성을 평가할 수 있는 생태위해 성평가를 도입 및 적용시키고 있는 실정이다[1]. 이를 위해 국제적으로 공신력있는 표준시험법이 제정되었으며[2~25], 이에 준하여 다양한 오염물질에 대한 생태독성평가가 수행됨으로써 정량적인 생태독성자료가 생성되고 있다. 한국 역시 이러한 추세에 맞춰 국제적인 표준시험법을 활용함과 동시에 국내 생태독성평가를 위한 표준시험법[26~36]을 제정하여 이에 준한 국내 오염물질에 대한 생태독성자료를 생성하고 있다. 그러나 오염물질에 의한 영향으로부터 자국 환경을 보호하기 위한 생태위해성평가 시, 자국 환경에 적합한 자생생물종을 활용할 필요가 있다[37]. 국제적인 표준시험법에서 제시하고 있는 시험종은 광범위한 분포성, 개체 확보·종 크기·배양 용이성, 지속적인 번식성, 오염물질에 대한 민감성, 경제성 등의 생태독성 시험종의 필요조건[37]을 만족시킬 수 있는 일부 생물종에 한해 권고하고 있으나, 이러한 필요조건에 대한 충족도는 자국 환경에 따라 상이할 수 있다. 국제적인 표준시험법에서 제시하고 있는 시험종은 국외종이 다수 포함되어 있어[2~25,38~41], 광범위한 분포성 및 경제성 측면에서 국내 환경에의 적합성이 낮다고 볼 수 있다.
2000년대 초반부터 정부 및 학계 연구 사업을 통해 국제적인 표준시험법에 미제시된 자생생물종에 대한 연구가 수행되어왔으며[37,42~58], 특히 수서 생태독성시험종에 대한 개발 연구가 꾸준히 수행되어 왜몰개(Aphyocypris chinensis), 유리물벼룩(Daphnia galeata), 요시마쯔깔따구(Chironomus yoshimatsui), 새뱅이(Neocardina denticulata), 무당개구리(Bombina orientalis), 곳체다슬기(Semisulcospira gottschei) 등의 자생생물종이 수서 생태독성평가를 목적으로 개발된 바 있다. 반면 토양생태독성 분야에서, 국·내외 표준시험법은 지렁이, 톡토기 등의 기타 생물종을 1-4개로 제시한 반면 쌍떡잎식물을 56개로 제시하였으므로[2~36,38~41], 자생생물종을 이용한 확률론적 생태위해성평가를 위해 육상식물 중심의 토양독성평가에서 다양한 생물분류군에 속하는 시험종으로의 확대 연구가 필요한 실정이다. 그러나 현재까지 자생생물종을 이용한 토양 생태독성시험종 개발 연구는 꼬마혹무늬톡토기(Lobella sokamensis) [59], 늪마디톡토기(Isotomurus palustris) [60], 물푸른알말(Chlorococcum infusionum) [61,62]로 제한되어 있어 수서 생태독성시험종 개발 연구에 비해 매우 미진한 편이다. 따라서 다양한 국내 자생생물종을 이용한 토양생태독성평가기법을 개발하고 표준화하여, 국내 자생생물종을 이용한 토양 오염물질별 정량적 생태독성자료를 생성함으로써, 궁극적으로 국제적으로 공신력있는 국내 자생생물종의 토양생태독성시험종으로의 진출을 도모할 필요가 있다.
본 연구에서는 토양 생태독성시험종 개발을 위한 국내 자생생물종 선별 연구를 위해 국내·외 토양생태독성 표준시험법에서 제시하고 있는 시험종 현황을 분석하였고, 이 중 국내 자생생물종을 선별하였다. 또한 국내 토양생태독성평가 연구에서 사용한 시험종 현황을 고려하여, 국내 자생생물종 목록을 도출하였다. 또한 선별된 국내 자생생물종 자료를 바탕으로 캐나다, 호주, 유럽위원회의 토양생태계 보호를 위한 예측무영향농도(Predicted No Effect Concentration, PNEC) 산출 방법론을 활용하여 확률론적 생태위해성평가(Probabilistic Ecological Risk Assessment, PERA)의 가능성을 분석하였다.
2. 연구 방법
2.1. 국내·외 토양생태독성 표준시험법 현황 조사 및 국내 자생생물종 선별
토양 생태독성시험을 위한 국내 자생생물종 선별 연구를 위해, 국내·외 생태독성 표준시험법에서 제시하고 있는 토양생태독성 시험종 현황을 조사하였다. 국내 생태독성 관련 표준시험법(한국표준협회[28~36], 국립환경과학원 고시[26], 농촌진흥청 고시[27])과 국외 생태독성 관련 표준시험법(OECD [19~25], ASTM [2~4], ISO [5~18], USEPA [38~41])에 제시된 토양생태독성 시험종을 문(Phylum) 또는 강(Class)의 생물분류군을 기준으로 분류하였으며, 생물분류군 분류 시 국제분류정보시스템(Integrated Taxonomic Information System, ITIS) [63], 국가생물종지식정보시스템[64], 한반도생물자원포털[65] 등의 생물종 관련 사이트를 활용하였다. 또한 수집된 토양생태독성시험종 중 국내 자생생물종을 선별하기 위해, 국내 서식 관련 참고문헌(국가생물종지식정보시스템[64], 학술논문[66~68], 사전[69])을 활용하였다. 이 때 sp. 및 spp.와 같이 종(Species) 구분이 불분명한 토양생태독성 시험종은 국내 자생종 선별 과정에서 제외되었다.
2.2. 국내 토양생태독성평가연구에서 사용한 시험종 현황 조사
토양 생태독성시험을 위한 국내 자생생물종 선별 연구를 위해, 국내 토양생태독성 평가연구 현황을 조사하였다. 국내 서식 여부가 검토된 정부보고서[70], 학술논문[59~62,66,68], 학위논문[71]에 제시된 토양생태독성 시험종을 문(Phylum) 또는 강(Class)의 생물분류군을 기준으로 분류하였으며, 국제분류정보시스템[63], 국가생물종지식정보시스템[64], 한반도생물자원포털[65] 등의 생물종 관련 사이트를 활용하여 생물분류군을 분류하였다.
2.3. 선진국의 토양생태계 보호를 위한 예측무영향농도 산출 가능성 분석
상기 국내·외 표준시험법및 국내 토양생태독성 평가연구에서 제시하고 있는 토양생태독성 시험종을 활용하여, 캐나다, 호주, 유럽위원회의 토양생태계 보호를 위한 예측무영향농도 산출 방법론을 바탕으로 확률론적 생태위해성평가의 가능성을 분석하였다. 캐나다 환경청(Canadian Council of Ministers of the Environment, CCME)은 토양 생태계 보호를 위한 예측무영향농도로서, 토양생물 보호를 위한 토양권고치(Soil quality guideline)를 제시하고 있다[72]. 캐나다의 토양권고치는 식물 및 토양 무척추동물에 대한 직접적인 토양 접촉, 영양분 및 에너지 순환 과정, 야생생물에 의한 오염된 식물 및 토양 섭취, 지하수에서 잠재적인 축산관개수원 및 담수 서식처인 지표수체로의 오염물질의 이동을 평가하기 위해, 토지 이용도(농업용, 주거용, 상업용, 산업용)별·만성 또는 급성 독성 자료의 양질에 따라 weight of evidence, 최저관찰영향농도(Lowest observed effect concentration, LOEC), median effects 방식을 적용하고 있으며, 각 방식별 독성 자료의 생물분류학적 필요조건은 CCME [72]을 참고하였다(Table 1). 호주는 토양 생태계 보호를 위한 예측무영향농도로서, 토양생물 보호를 위한 Ecological Investigation Level (EIL)를 제시하고 있다[73]. 호주의 EIL은 Added contaminant limit (ACL) 및 배경농도(Ambient background concentration, ABC)의 총합으로 산출되며, ACL은 만성 또는 급성 독성 자료의 양질에 따라 종민감분포도(Species sensitivity distribution, SSD) 및 평가계수(Assessment factor, AF) 방식을 적용하고 있으며, 각 방식별 독성 자료의 생물분류학적 필요조건은 National Environmental Protection (NEP) [73]를 참고하였다(Table 2). 유럽위원회(European Communities, EC)는 토양생태계 보호를 위한 PNEC을 제시하고 있다[74,75]. 유럽위원회의 PNEC은 만성 또는 급성 독성 자료의 양질에 따라 SSD 및 AF 방식을 적용하고 있으며, 각 방식별 독성 자료의 생물분류학적 필요조건은 EC [74,75]를 참고하였다(Table 3).
3. 결과 및 고찰
3.1. 토양생태독성 표준시험법 내 국내 자생생물종 및 국내 고유생물종을 활용한 토양생태독성평가 현황 분석
3.1.1. 토양생태독성 표준시험법 현황 분석
국내·외 토양생태독성 관련 7개 표준시험법의 시험종별 생물분류군에 따라 표준시험법을 분석하였다. OECD [19~25]의 Guidelines for the Testing of Chemicals에 따르면, Section 2 Effects on Biotic Systems에서 식물류 2개, 지렁이류 3개, 톡토기류 1개, 진드기류 1개에 대한 토양생태독성 표준시험법을 제시하고 있다. ASTM [2~4]의 Environmental assessment standards and risk management standards에 따르면, Biological Effects and Environmental Fate에서 식물류 1개, 지렁이류 1개, 선충류 1개에 대한 토양생태독성 표준시험법을 제시하고 있다. ISO [5~18]의 Biological methods에 따르면, ISO/TC (Technical committees) 190/SC (Subcommittees) 4는 토양 매체에 대한 생태 수용체(지렁이류, 식물류, 톡토기류 등)에 대한 생태독성시험법을 제시하고 있으며, 지렁이류 4개, 식물류 5개, 톡토기류 2개, 딱정벌레류 1개, 복족류 1개, 곰팡이류 1개에 대한 토양생태독성 표준시험법을 제시하고 있다. USEPA [38~41]의 Ecological Effects Test Guidelines에 따르면, Series 850 - Ecological Effects Test Guidelines에서 식물류 3개, 지렁이류 1개에 대한 토양생태독성 표준시험법을 제시하고 있다. 한국표준협회[28~36]에 따르면, ISO의 토양 매체에 대한 생물학적 방법을 번역한 지침서인 한국산업표준(Korean Standards, KS)에서 식물류 4개, 지렁이류 3개, 톡토기류 1개, 복족류 1개에 대한 토양생태독성 표준시험법을 제시하고 있다. 국립환경과학원 고시 제2012-23호[26][별표5] 화학물질유해성시험방법의 제2장 생태영향시험분야에서 식물류 1개, 지렁이류 2개에 대한 토양생태독성 표준시험법을 제시하고 있다. 농촌진흥청 고시 제2016-38호[27][별표 13] 환경생물 독성 시험기준과 방법에서 지렁이류 2개에 대한 토양생태독성 표준시험법을 제시하고 있다.
7개 표준시험법 내 제시된 토양생태독성 시험종은 6개 문(Phylum) 또는 계(Kingdom) 및 8개 강(Class)에 속하는 총 106개로 분류되었으며(Table 4), 식물계(Kingdom Plantae)의 쌍떡잎식물강(Class Magnoliopsida), 절지동물문(Phylum Arthropoda)의 주형강(Class Arachnida), 톡토기강(Class Collembola), 곤충강(Class Insecta), 환형동물문(Phylum Annelida)의 빈모강(Class Oligochaeta), 연체동물문(Phylum Mollusca)의 복족강(Class Gastropoda), 선형동물문(Phylum Nematoda)의 쌍선강(Class Chromadorea), 균계(Kingdom Fungi)의 취균강(Class Glomeromycetes)이 이에 속한다. OECD, ASTM, ISO, USEPA, 한국표준협회, 국립환경과학원 고시, 농촌진흥청 고시는 대체로 식물류와 지렁이류를 공통적으로 제시하는 것으로 나타났으며, ISO에서만 표준시험법을 토양 생물종별로 비교적 다양하게 제시하는 것으로 나타났다. 한국표준협회, 국립환경과학원 고시, 농촌진흥청 고시의 표준시험법은 대체로 OECD, ASTM, ISO 등의 국외 표준시험법을 바탕으로 마련된 것으로 나타났으나, 농촌진흥청 고시에서 유일하게 붉은 지렁이 Lumbricus rubellus를 단독으로 제시하고 있다.
List of soil test species presented in international and Korean standard methods
3.1.2. 토양생태독성 표준시험법 내 국내 자생생물종 선별 현황
7개 표준시험법 내 제시된 106개의 생태독성 시험종 중에서 국내 토양 자생생물종은 총 62개(58.5%)로 파악되었으며, 쌍떡잎식물강 56개, 빈모강) 4개, 주형강 1개, 톡토기강 1개가 이에 속한다(Table 4).
3.1.3. 국내 토양생태독성평가연구에서 사용한 시험종 현황 분석
국내 토양생태독성 평가연구를 바탕으로 생물분류군(Phylum, Class)에 따라 자생생물종 현황을 분석하였고, 토양 자생생물종은 4개 문(Phylum) 또는 계(Kingdom) 및 4개 강(Class)에 속하는 5개로 분류되었으며, 식물계의 쌍떡잎식물강 1개, 환형동물문의 빈모강1개, 절지동물문의 톡토기강 2개, 녹조식물문(Phylum Chlorophyta)의 녹조강(Class Chlorophyceae) 1개가 이에 속한다(Table 4).
3.1.4. 토양생태독성평가를 위해 선별된 국내 자생생물종 현황
국내·외 토양생태독성 관련 표준시험법 7개(OECD, ASTM, ISO, USEPA, 한국표준협회, 국립환경과학원 고시, 농촌진흥청 고시) 사례 및 국내 토양생태독성평가연구 사례(학술논문, 학위 논문, 및 정부 보고서) 조사 결과를 바탕으로, 국내 자생생물종을 각각 62개와 5개로 파악하였다. 중복된 생물종 2개를 감안한 결과, 국내 토양 자생생물종은 5개 강(Class)에 속하는 65개가 선별된 것으로 분석되었다. 최종적으로 국내 자생생물종은 쌍떡잎식물강 56개, 빈모강 4개, 주형강 1개, 톡토기강 3개, 녹조강 1개로, Table 5에 제시되어 있다.
Korean native organisms excavated for development of soil test species
3.2. 선별된 국내 자생생물종을 활용한 토양생태계 보호를 위한 예측무영향농도 산출 가능성 분석
국내 자생생물종 65개 자료를 바탕으로 국외 3개(캐나다, 호주, 유럽위원회)의 토양생태계 보호를 위한 PNEC 산출 방법론의 생물분류학적 기준을 적용하여, 자생 토양생태독성 시험종의 PNEC 산출 가능성을 분석하였다. 캐나다의 토양권고치 산출을 위한 독성 자료의 생물분류학적 필요조건을 바탕으로, 자생 토양생태독성 시험종의 토양권고치 산출가능성을 분석한 결과, 식물 56개, 환형동물 4개, 절지동물 4개를 포함한 무척추동물 8개를 포함하고 있으므로 2개 생물분류군의 10개 이상의 만성독성자료를 포함해야 하는 weight of evidence 방식으로 토양권고치 산출이 가능한 것으로 예측되었다. 또한 호주의 토양권고치 산출을 위한 독성 자료의 생물분류학적 필요조건을 바탕으로, 자생 토양생태독성 시험종의 토양권고치 산출 가능성을 분석한 결과, 식물 56개, 환형동물 4개, 곤충류 3개, 협각류 1개, 조류 1개을 포함하고 있으므로 3개 생물분류군의 9개 이상의 만성독성자료를 포함해야 하는 SSD80 방식으로 ACL 산출이 가능한 것으로 예측되었다. 유럽위원회의 PNEC 산출을 위한 독성 자료의 생물분류학적 필요조건을 바탕으로, 자생 토양생태독성 시험종의 PNEC 산출 가능성을 분석한 결과, 식물 56개, 환형동물 4개, 곤충류 3개, 협각류 1개, 조류 1개를 포함하고 있으므로 2개 생물분류군(식물, 지렁이)의 2개 이상의 만성독성자료를 포함해야 하는 AF 방식으로 PNEC 산출이 가능한 것으로 예측되었다. 단, 유럽위원회의 토양 SSD 방식에 적용하기 위한 생물분류학적 기준은 현재 명문화된 자료가 미제시된 상태로, 이를 충족시키기 위한 추가적인 토양 자생생물종의 판별이 불가한 상황이므로, 유럽위원회의 PNEC 산출 가능성에 의한 생태독성 시험생물로 사용되고 있는 외국도입종을 대체할 수 있는 자생생물 선별 가능성 검토는 배제될 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 7개(OECD, ASTM, ISO, USEPA, 한국표준협회, 국립환경과학원 고시, 농촌진흥청 고시) 국내·외 토양생태독성 관련 표준시험법에서 제시한 토양생태독성 시험종 106개 중 국내 자생생물종 62개를 선별하였고, 국내 토양생태독성평가연구에서 제시한 토양생태독성시험종 5개와 종합하여, 중복된 생물종 2개를 감안하여 총 65개의 국내 자생생물종 목록을 도출하였다. 최종 선별된 65개의 토양 생태독성시험종 개발을 위한 국내 자생생물종을 대상으로, 토양 생태계 보호를 위한 PNEC을 산출하기 위한 국외 3개(캐나다, 호주, 유럽위원회) 방법론의 생물분류학적기준을 적용하여 자생 토양생태독성 시험종의 PNEC 산출가능성을 분석하였다. 그 결과, 캐나다의 2개 생물분류군의 10개 이상의 만성독성자료를 포함해야 하는 weight of evidence 방식, 호주의 3개 생물분류군의 9개 이상의 만성독성자료를 포함해야 하는 SSD80 방식, 유럽위원회의 2개 생물분류군(식물, 지렁이)의 2개 이상의 만성독성자료를 포함해야 하는 AF 방식이 적용 가능한 것으로 예측되었다. 따라서 국내 자생 토양생태독성 시험종은 PNEC을 산출하기 위한 캐나다와 호주의 고 신뢰성(High reliability) 및 유럽위원회의 AF 방식의 생물분류학적 기준에 부합되므로, 생태독성 시험생물로 사용되고 있는 외국도입종을 대체할 수 있는 것으로 분석되었다. 단, 선별된 65개의 토양 생태독성시험종의 급성 및 만성 독성자료가 존재한다는 전제 하에 수행된 연구 결과이므로, 확률론적 생태위해성평가를 위해 본 연구에서 선정한 자생 토양 생태독성시험종 65개를 대상으로 정량적 독성자료 생성이 선행되어야 한다. 이를 위해 외국 도입종에 대해 제시된 토양생태독성 시험법에의 자생토양 생태독성시험종의 적용성 검토, 일부 독성 종말점에 국한된 생태독성시험법의 독성 종말점 확대, 자생 토양 생태독성시험종의 우선순위 선정 등 장기적인 국내 자생생물종을 이용한 생태독성평가 기반 구축 연구가 추진되어야 할 것으로 사료된다.
Acknowledgements
본 연구는 국립생물자원관, 환경부(화학사고 대응 환경기술개발사업) 및 한국연구재단(NRF-2016R1A2B3010445) 지원을 받아 수행되었음.