중금속에 의한 대장균, 고초균 및 녹농균 생장저해의 정량적 평가

Abstract

중금속의 생태독성(ecotoxicity)을 평가하기 위한 간접적인 방법으로 미생물의 생장에 미치는 중금속 저해를 정성적 및 정량적으로 평가하는 방법이 많이 이용되고 있다. 중금속에 의한 환경오염은 한 종류의 중금속이 아닌 여러 종류의 중금속 혼합물에 의한 것인 경우가 대부분으로, 미생물을 이용한 중금속 오염정화에는 중금속들의 상호작용을 이해하고 혼합 중금속의 저해영향을 파악하는 것이 무엇보다 중요하다. 따라서 본 연구에서는 대표적인 환경 미생물인 E. coli, B. subtilis 및 P. aeruginosa 을 이용하여 미생물의 생장을 저해하는 중금속(Cu, Cd, Cr, Hg, Zn) 영향을 정량적으로 조사하였다. 또한, 중금속 혼합물이 E. coli, B. subtilis 및 P. aeruginosa 의 생장에 미치는 저해영향을 정량적으로 평가하였고, 혼합상태 중금속의 주효과 및 교호작용을 조사하였다. 그 결과, 배양 시간별 GI값의 변화로부터 계산한 EC_(50) 을 기준으로 한 E. coli 의 중금속 내성은 Cu > Zn > Cr > Cd > Hg 순이다. B. subtilis 는 Cr ≫ Cu > Zn ≫ Hg > Cd , P. aeruginosa 는 Cr ≫ Zn > Cu > Cd > Hg 순으로 중금속에 대한 내성이 높은 것으로 나타났다. 시간에 따른 EC50의 변화를 통해 중금속의 생태독성 평가에는 피시험체의 노출시간이 매우 중요하다는 것을 알 수 있었다. 피검사체를 독성물질에 단시간 노출시켜 평가할 경우 피검사체의 적응성이 배제되기 때문에 독성을 과대 혹은 과소평가할 수 있기 때문이다. 피검사체의 적응성을 고려한 노출시간은 E. coli는 5-7시간, B. subtilis는 8-9시간, P. aeruginosa는 4-6시간 이상이었다. 혼합 중금속에 의한 미생물 생장저해 실험에서 3요인 2수준(2³) 완전요인배치방법을 통한 주효과 분석결과, 여러 종류의 중금속이 혼합되어 있을 때 Zn과 Hg가 미생물의 생장을 저해하는 주작용을 하는 것으로 조사되었다. 혼합 실험계에서 미생물 생장저해에는 중금속의 단독작용뿐 아니라 교호작용이 존재하였다. 이러한 사실은 반응표면분석을 통해 선형이 아닌 곡선을 포함한 표면도를 얻은 결과에서도 확인할 수 있었으며, Cu+Cd, Cu+Hg(antagonistic, 중금속 혼합물의 독성영향이 각각의 중금속의 독성영향의 합보다 작음), Cu+Cr, Zn+Cu+Cr(synergistic, 중금속 혼합물의 독성영향이 각각의 중금속의 독성영향의 합보다 큼) 등의 교호작용이 통계적으로 유의하게 조사되었다. 단일 중금속 및 혼합 중금속에 의한 미생물 생장저해영향을 평가한 본 연구를 통해 생태독성 평가시에 피검사체의 적응성이 고려되어야 한다는 사실을 밝혔으며, 여러 종류의 독성물질이 혼재시에 각 물질의 상호작용이 독성영향을 나타내는 데 중요한 인자임을 확인하였다.;Heavy metals discharged from various fields of industry such as mining operations are not transformed and detoxified to relatively less toxic products easily, and resulted in the accumulation in the environment; air, soil, groundwater. It was reported that heavy metals are toxic at high levels to most organisms, specially microorganisms; damage cell membranes, alter enzyme specificity, disrupt cellular functions, and damage the structure of DNA. Thus, methods to measure the toxic effect using microbial growth are used to estimate the heavy metal ecotoxicity, which results are applied to purification of polluted environment(e.g. bioremediation). However, heavy metals are often found as mixtures in the environments, and it is necessary to investigate the combined effect of heavy metals on microorganisms. The quantification of the toxicological effects of the heavy metals(single metal systems and ternary mixtures) such as Zn, Cu, Cd, Hg and Cr on the growth of Escherichia coli, Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa was performed, and the variations of toxicities with exposure time were evaluated in adaptation procedure. The tolerance of E. coli, B. subtilis, and P. aeruginosa against heavy metals, based on EC50 values, increased in order of Cu > Zn > Cr > Cd > Hg, Cr≫Cu>Zn≫Hg>Cd, Cr≫Zn>Cu>Cd>Hg, respectively. Zn and Hg play and integral role(principle effect) among ternary mixtures of heavy metal. And ternary heavy metal combinations produced two type of interactions; antagonistic(Cu+Cd, Cu+Hg), and synergistic(Cu+Cr, Zn+Cu+Cr) response.