생물 지표

1. 개요

생물 지표는 환경 변화에 대한 정보를 제공하는 생물체로, 환경 보전 및 오염 감시에 활용된다. 식물, 균류, 동물, 미생물, 미세조류, 수생 무척추 동물 등 다양한 종류가 있으며, 각 생물 지표는 특정 환경 요인에 대한 민감도와 반응을 나타낸다. 예를 들어, 지의류는 대기 오염에 민감하고, 양서류는 오염 물질 축적의 지표로 사용될 수 있다. 생물 지표는 개체군 변화, 생리학적 변화, 행동 변화 등을 통해 환경의 건강 상태를 평가하는 데 기여하며, 유럽, 미국, 남아프리카 공화국 등에서 수질 및 생태계 평가에 활용되고 있다.

2. 생물 지표의 종류 및 활용

생물 지표는 오염 물질의 존재를 나타내는 유기체 또는 생물학적 반응을 의미하며, 질적인 특성을 지닌다. 이러한 유기체는 생리학적, 화학적, 또는 행동적인 변화를 통해 환경 변화나 오염 물질의 양에 대한 정보를 제공한다.

생물 지표를 통해 얻을 수 있는 정보는 다음과 같다.

* 특정 원소 또는 화합물의 함량
* 형태학적 또는 세포 구조
* 대사 생화학적 과정
* 행동
* 개체군 구조

생물 모니터는 인간이 만든 장비보다 생물체 자체가 환경 상태를 더 잘 반영한다는 점에서 유용하다. 생물 지표는 물리적, 화학적 측정이 어려울 때 오염의 간접적인 영향을 파악하는 데 도움을 준다. 또한, 소수의 지표 종을 통해 여러 종의 풍부성을 예측할 수도 있다.

생물 모니터링은 생물체의 속성을 이용하여 생물권의 특정 측면에 대한 정보를 얻는 것을 의미한다. 대기 오염 물질에 대한 생물 모니터링은 자연 식물을 관찰하는 수동적 방법과 시험 식물을 배치하는 능동적 방법으로 나뉜다. 생물 축적 지표는 종종 생물 모니터로 간주되며, 유기체의 종류와 사용 방법에 따라 다양하게 분류된다.

일반적으로 생물 지표 연구는 외부 교란이 거의 없는 기준 부지와 연구 지역을 설정하여 진행된다. 연구 지역의 환경 건강 상태는 기준 부지와 비교하여 평가한다.

하지만 생물 지표는 지리적, 환경적 다양성에 따라 부정확할 수 있다는 제약이 있다. 따라서 연구자들은 각 지표가 해당 환경 조건에 적합한지 지속적으로 확인해야 한다.

수생 시스템에서 조류 종의 조성과 총 바이오매스는 유기적인 수질 오염 및 질소, 인과 같은 영양 염류 부하의 중요한 지표이다. 유전자 변형 유기체도 환경의 독성 수준에 반응할 수 있다.

2.1. 식물 및 균류 지표

환경 오염 물질은 나무 껍질에 흡수되어 통합될 수 있으며, 이를 분석하여 주변 환경의 오염 물질 존재 및 농도를 파악할 수 있다. 특정 관다발 식물의 잎은 오존의 존재 하에서, 특히 조직 손상과 같은 유해한 영향을 경험하여 오염 물질을 감지하는 데 유용하다. 이러한 식물들은 북반구의 대서양 섬, 지중해 분지, 적도 아프리카, 에티오피아, 인도 해안선, 히말라야 지역, 남아시아, 일본에서 풍부하게 관찰된다. 높은 고유종 풍부성을 가진 이러한 지역은 오존 오염에 특히 취약하며, 육상 생태계에서 특정 관다발 식물 종이 환경 건강의 귀중한 지표로서의 중요성을 강조한다.

예를 들어, Lobaria pulmonaria는 브리티시컬럼비아주 중동부의 내륙 시더-헴록 숲에서 임분 연령과 거대 지의류 다양성을 평가하는 지표 종으로 확인되었으며, 생물 지표로서의 생태학적 중요성을 강조한다. Lobaria pulmonaria의 풍부함은 이러한 다양성 증가와 강한 상관관계를 보였으며, 해당 지역에서 임분 연령의 지표로서의 잠재력을 시사한다. 또 다른 지의류 종인 Xanthoria parietina는 대기 질의 신뢰할 수 있는 지표 역할을 하며, 중금속 및 유기 화합물과 같은 오염 물질을 효과적으로 축적한다. 연구에 따르면 산업 지역에서 수집된 X. parietina 샘플은 더 푸르고 덜 도시화된 환경의 샘플에 비해 이러한 오염 물질의 농도가 현저히 더 높게 나타났다.

균류 또한 생물 지표로 유용하며, 전 세계에서 발견되고 다양한 환경에서 눈에 띄는 변화를 겪는다.

지의류는 곰팡이와 조류를 모두 포함하는 유기체이다. 지의류는 바위와 나무 줄기에서 발견되며, 숲 구조의 변화 – 보전 생물학, 대기 질, 기후를 포함하여 숲의 환경 변화에 반응한다. 숲에서 지의류가 사라지는 것은 높은 수준의 이산화 황, 황 기반 오염 물질 및 질소 산화물과 같은 환경 스트레스를 나타낼 수 있다.

2.2. 동물 지표

동물의 개체군 변화는 증가 또는 감소 여부에 관계없이 오염을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 오염으로 인해 식물이 고갈되면 해당 식물에 의존하는 동물 종은 개체수 감소를 경험하게 된다. 반대로, 과잉 번식은 생태계에서 다른 종의 손실에 대응하여 종의 기회적인 성장을 의미할 수 있다. 한편, 스트레스로 유발된 치사 이하 효과는 개체의 생리학, 형태 및 행동에 나타날 수 있으며, 이는 개체군 수준에서 반응이 나타나고 관찰되기 훨씬 전에 나타난다. 이러한 치사 이하 반응은 개체군이 더 나아가 어떻게 반응할지 예측하는 "조기 경보 신호"로 매우 유용할 수 있다.

동물의 여러 변수를 측정하여 오염 및 기타 스트레스 요인을 모니터링할 수 있다. 즉, 동물 조직 내 독성 물질의 농도, 동물 개체군에서 기형이 발생하는 속도, 현장 또는 실험실에서의 행동, 그리고 개별 생리학적 변화를 평가하는 것이다.

양서류, 특히 무미목(개구리와 두꺼비)은 오염 연구에서 오염 물질 축적의 생물 지표로 점점 더 많이 사용되고 있다. 무미목은 피부와 유생의 아가미 막을 통해 독성 화학 물질을 흡수하며, 환경 변화에 민감하다. 그들은 흡수, 흡입 또는 오염된 음식을 섭취하여 섭취하는 살충제를 해독하는 능력이 부족하다. 이로 인해 잔류물, 특히 유기염소 살충제가 시스템에 축적될 수 있다. 또한 독성 화학 물질을 쉽게 흡수할 수 있는 투과성 피부를 가지고 있어 양서류 개체수 감소를 유발할 수 있는 환경 요인의 영향을 평가하는 모델 생물체로 사용된다. 이러한 요인들로 인해 인간의 환경에 대한 요구가 증가함에 따라 서식지 변화와 생태 독성학 연구를 추적하기 위한 생물 지표 생물체로 사용할 수 있다.

생태계의 건강을 유지하려면 환경 요인에 대한 지식과 통제가 필수적이다. 무미목은 농업용 살충제가 환경에 미치는 영향과 같은 오염 연구에서 생물 지표 생물체로 점점 더 많이 활용되고 있다. 무미목의 감소 및 기형은 자외선 노출 증가 및 기생충 감염을 시사할 수도 있다. 글리포세이트와 같은 농약의 광범위한 사용은 이러한 농약이 종들이 사는 수계로 유출되고 인간 개발과 가깝기 때문에 생애주기 전반에 걸쳐 개구리 개체수에 해로운 영향을 미치는 것으로 나타났다.

연못에서 번식하는 무미목은 육상 생활과 수생 생활로 구성될 수 있는 복잡한 생활 주기 때문에 오염에 특히 민감하다. 배아 발달 동안 형태학적 및 행동적 변화는 화학 물질 노출과 관련하여 가장 자주 인용되는 영향이다. 노출의 영향은 더 짧은 신체 길이, 더 낮은 체질량 및 사지 또는 기타 장기의 기형을 초래할 수 있다. 느린 발달, 늦은 형태학적 변화, 작은 변태 크기는 사망률과 포식 위험을 증가시킨다.

가재 또한 적절한 조건 하에서 생물 지표로 적합하다는 가설이 제기되어 왔다. 한 가지 예시는 붉은늪가재(Procambarus clarkii)의 소화관에서 미세 플라스틱 축적을 조사하여 광범위한 미세 플라스틱 오염의 생물 지표로 사용하는 것이다.

2.3. 미생물 지표

미생물은 수생 생태계 또는 육상 생태 지역 생태계 건강의 지표로 사용될 수 있다. 미생물은 대량으로 발견되어 다른 유기체보다 채취하기가 더 쉽다. 일부 미생물은 카드뮴과 벤젠 같은 오염 물질에 노출되면 스트레스 단백질이라고 하는 새로운 단백질을 생성하는데, 이러한 스트레스 단백질은 오염 수준의 변화를 감지하는 조기 경보 시스템으로 사용될 수 있다.

미생물을 이용한 석유 및 가스 탐사(MPOG)는 석유 및 가스 매장 가능성이 있는 지역을 식별하는 데 사용될 수 있다. 많은 경우, 석유와 가스는 표면으로 스며 나오는데, 이는 일반적으로 탄화수소 저장소가 부력에 의해 밀봉 압력을 극복하고 표면으로 누출되거나 누출되었기 때문이다. 이러한 탄화수소는 표면 근처 토양에서 발견되는 화학적 및 미생물 발생을 변경하거나 직접 감지될 수 있다. MPOG에 사용되는 기술에는 DNA 분석, 탄화수소 기반 배지에서 토양 샘플을 배양한 후의 간단한 미생물 수 측정, 또는 배양 세포에서 탄화수소 가스의 소비를 관찰하는 방법 등이 있다.

미세조류는 다른 많은 유기체보다 오염 물질에 더 민감하다는 점 등 여러 가지 이유로 최근 몇 년 동안 주목을 받고 있다. 또한 자연계에 풍부하게 존재하며, 매우 많은 먹이 사슬의 필수적인 구성 요소이며, 배양하고 분석에 사용하기 쉽고, 사용과 관련된 윤리적 문제는 거의 없다.

Euglena gracilis는 운동성이 있으며, 담수에 서식하며, 광합성을 하는 편모충이다. Euglena는 산성에 비교적 강하지만, 중금속이나 무기 및 유기 화합물과 같은 환경 스트레스에 신속하고 민감하게 반응한다. 전형적인 반응은 운동 억제 및 방향 매개변수의 변화이다. 게다가, 이 유기체는 다루고 키우기가 매우 쉬워서 생태 독성 평가에 매우 유용한 도구이다. 이 유기체의 매우 유용한 특징 중 하나는 오염 물질에 매우 민감한 중력 반응 방향성이다. 중력 수용체는 중금속 및 유기 또는 무기 화합물과 같은 오염 물질에 의해 손상된다. 따라서 이러한 물질의 존재는 수주에서 세포의 무작위적인 운동과 관련이 있다. 단기 검사의 경우, E. gracilis의 중력 반응 방향성은 매우 민감하다. Paramecium biaurelia(Paramecium aurelia 참조)와 같은 다른 종도 중력 반응 방향성을 사용한다.

자동 생물 검정법은 편모충 Euglena gracilis를 사용하여 가능하다. 이 장치는 오염 가능성이 있는 물 샘플의 다양한 희석 농도에서 운동성을 측정하여 EC₅₀(유기체의 50%에 영향을 미치는 샘플 농도) 및 G 값(유의미한 독성 효과를 측정할 수 없는 최저 희석 인자)을 결정한다.

2.4. 대형 무척추동물

수생 무척추 동물은 수역과 육상 생태계의 생태 건강을 나타내는 유용하고 편리한 지표이다. 이들은 거의 항상 존재하며, 표본 채취 및 식별이 용이하다. 이는 대부분의 수생 무척추 동물이 육안으로 보이며, 일반적으로 짧은 수명 주기(종종 한 계절의 길이)를 가지며 일반적으로 정착 생활을 하기 때문이다. 강 유형 및 흐름과 같은 기존의 강 조건은 수생 무척추 동물 군집에 영향을 미치므로 다양한 방법과 지수가 특정 하천 유형 및 특정 생태 지역 내에서 적합하다.

일부 저서성 수생 무척추 동물은 다양한 유형의 수질 오염에 매우 내성이 있는 반면, 다른 것들은 그렇지 않다. 특정 연구 지역에서 개체 수 크기 및 종 유형의 변화는 하천 및 강의 물리적 및 화학적 상태를 나타낸다. 내성 값은 수질 오염 및 환경 파괴를 평가하는 데 일반적으로 사용되며, 선택적 벌목 및 산불과 같은 열대 우림에서 인간 활동 요인이 있다.

저서성 대형무척추동물은 하천 또는 강의 저서대 내에서 발견된다. 이들은 하천의 식생과 하상에 서식하는 수생 곤충, 갑각류, 벌레, 연체동물로 구성된다. 대형무척추동물 종은 세계에서 가장 혹독한 환경을 제외한 거의 모든 하천과 강에서 발견될 수 있다. 또한 단기간에 말라버리는 곳을 제외하고는 거의 모든 크기의 하천이나 강에서도 발견될 수 있다. 이는 하상이 물고기와 같은 더 큰 종을 지탱하기에는 너무 얕은 지역에서도 발견될 수 있기 때문에 많은 연구에 유용하다.

저서성 지표는 종종 담수 하천의 생물학적 구성요소를 측정하는 데 사용된다. 일반적으로, 하천의 생물학적 기능이 양호하다고 여겨지면, 하천의 화학적 및 물리적 구성요소 또한 양호한 상태라고 간주된다. 저서성 지표는 미국 내에서 가장 자주 사용되는 수질 검사 방법이다. 저서성 지표는 하천의 스트레스 요인의 기원을 추적하는 데 사용되어서는 안 되지만, 관찰된 스트레스 요인과 자주 관련된 유형의 원인에 대한 배경 정보를 제공할 수 있다.

3. 생물 지표의 한계 및 극복 방안

대부분의 경우, 미리 정해진 기준 부지 내의 생물학적 상태에 대한 기준 데이터가 수집된다. 기준 부지는 외부 교란(예: 인위적 교란, 토지 이용 변화, 침입종)이 거의 없거나 없어야 한다. 특정 지표종의 생물학적 상태는 기준 부지와 연구 지역 모두에서 시간 경과에 따라 측정된다. 연구 지역에서 수집된 데이터는 기준 부지에서 수집된 유사한 데이터와 비교되어, 연구 지역의 상대적인 환경 건강 또는 완전성을 추론하는 데 사용된다.

일반적으로 생물 지표의 중요한 제약 사항은 지리적으로나 환경적으로 다양한 지역에 적용될 때 부정확한 것으로 보고되었다는 점이다. 따라서 생물 지표를 사용하는 연구자들은 각 지표 세트가 모니터링하려는 환경 조건 내에서 관련성이 있는지 지속적으로 확인해야 한다.