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마이크로시스틴

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목차

1. 개요

마이크로시스틴은 특정 담수 시아노박테리아에 의해 생성되는 독소로, 주로 Microcystis aeruginosa에서 발견되며, 80종 이상의 변종 중 마이크로시스틴-LR이 가장 독성이 강하다. 이 독소는 전 세계적으로 문제가 되며, 특히 수온 상승, 부영양화 등의 조건에서 번성하는 남세균에 의해 생성된다. 마이크로시스틴은 간독성을 나타내며, 급성적으로는 복통, 구토, 설사 등의 증상을, 만성적으로는 간암 및 직장암과의 연관성이 의심된다. 미국 환경 보호국은 식수 내 마이크로시스틴 농도에 대한 건강 권고를 발표하여 유아 및 성인에 대한 노출 기준을 제시했다.

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마이크로시스틴

2. 특성

마이크로시스틴은 특정 담수 시아노박테리아에 의해 생성되는 일종의 독소[8]이며, 주로 ''Microcystis aeruginosa'' 뿐만 아니라 다른 ''Microcystis'', ''Planktothrix'', ''Anabaena'', ''Oscillatoria'', ''Nostoc'' 속(屬)의 구성원도 포함한다. 알려진 80종 이상의 독성 변종 중 마이크로시스틴-LR이 가장 독성이 강한 형태이며, 가장 많이 연구되었다. 마이크로시스틴을 함유한 '블룸'은 중국, 브라질, 호주, 남아프리카,[9][10][11][12][13][14][15][16] 미국 및 유럽 대부분을 포함하여 전 세계적으로 문제이다. 남아프리카의 하르테비스푸르트 댐은 아프리카에서, 어쩌면 세계에서 가장 오염된 장소 중 하나이다.

마이크로시스틴은 간독성을 나타내는데, 섭취할 경우 담즙산 저장 시스템을 통해 대부분 간으로 이동하며, 일부는 혈류를 따라 이동하면서 조직을 오염시킬 수도 있다.[58][59] 미국 환경보호국의 위해성 평가 가이드라인에서는 발암성이 부정확한 것으로 보고하고 있으나, 중국에서 수행된 몇몇 연구에서는 식수에서의 남세균 발생과 간암 및 직장암 발생과의 상관관계가 있는 것으로 암시하고 있다.[60][61][62][63][64][65] 면역 시스템 결핍 환자에 대한 마이크로시스틴 노출 효과에 대해서는 아직 완벽히 알려지지 않았으나, 일부에서 우려가 제기되고 있다.[66]

2. 1. 화학 구조

마이크로시스틴-LR의 화학 구조


마이크로시스틴은 7개의 아미노산으로 구성된 고리형 펩타이드이며, D-Ala1-''X''2-D-Masp3-''Z''4-Adda5-D-γ-Glu6-Mdha7의 공통 구조를 가진다. 여기서 ''X''와 ''Z''는 가변적인 아미노산이다.[4]

이 구조에서 주목할 만한 부분은 다음과 같다:[17]

  • D-Masp는 아스파르트산의 유도체이며, β-아미노산 형태의 D-erythro-β-메틸-이소아스파르트산이다.[4]
  • Adda는 (all-''S'',all-''E'')-3-아미노-9-메톡시-2,6,8-트리메틸-10-페닐데카-4,6-디에노산으로, 마이크로시스틴과 관련된 노듈라린에서만 발견되는 β-아미노산이다.
  • Mdha는 데히드로알라닌의 유도체인 N-메틸데히드로알라닌이다.[4] 노듈라린에서는 Mdhb (N-메틸데히드로부티린), 또 다른 데히드로아미노산 유도체로 대체된다.[18]

3. 작용 기전

마이크로시스틴은 공유 결합을 통해 단백질 인산분해효소인 PP1과 PP2A를 억제하여 범지방염을 유발할 수 있다.[17] ADDA 잔기는 이러한 기능의 핵심이며, ADDA와 하나의 아미노산으로 구성된 매우 단순화된 합성 유사체도 동일한 억제 기능을 보일 수 있다.[19]

4. 생성 요인

마이크로시스틴을 생성하는 남세균은 주로 따뜻하고 정체된 물에서 번성하며, 부영양화(질소, 인 등 영양염류 과다)와 낮은 철 농도가 주요 원인이다. 빛의 세기와 파장 또한 영향을 주는데, 밝은 빛과 적색광은 ''McyD'' 유전자 발현을 증가시키지만, 청색광은 감소시킨다.[26] pH 등 다른 요인들도 마이크로시스틴 생산에 영향을 줄 수 있지만, 표준 검사 조건이 없어 비교가 어렵다.[27]

4. 1. 기후 변화와 부영양화

광합성 세균인 ''M. aeruginosa''의 배양


마이크로시스틴을 생성하는 담수 남세균의 한 종류인 마이크로시스틴은 수온 상승, 정체된 물, 부영양화 등의 온화한 기후 조건에서 번성하는 것으로 예측된다.[7] 미국 환경 보호국(EPA)은 2013년에 기후 변화와 환경 조건의 변화가 유해 조류의 성장을 유발하고 인간의 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있다고 예측했다.[20] 조류의 성장은 부영양화(과도한 영양 공급) 과정을 통해 촉진된다.[7] 특히, 용존 반응성 인은 조류의 성장을 촉진한다.[21] 마이크로시스틴 생산은 온도와 양의 상관관계를 보인다.[25]

4. 2. 철 농도

마이크로시스틴은 남세균이 철분 공급이 부족한 환경에 적응하는 과정에서 진화한 것으로 보인다. 마이크로시스틴은 철분과 결합하는 성질을 가지고 있는데, 마이크로시스틴을 생성하지 못하는 균주는 철분 농도가 낮은 환경에서 생존 능력이 크게 떨어진다.[22] 철분 농도가 낮으면 마이크로시스틴 합성 오페론 중 하나인 ''McyD'' 유전자의 발현이 증가한다.[23] 반면, 철분이 충분히 공급되면 남세균의 광합성 능력이 향상되어 마이크로시스틴 합성에 필요한 ATP를 더 많이 생성함으로써, 결과적으로 마이크로시스틴 생산량이 증가할 수 있다.[24]

5. 노출 경로

마이크로시스틴은 간독성을 나타내며, 섭취 시 담즙산 저장 시스템을 통해 대부분 간으로 이동한다. 일부는 혈류를 따라 이동하며 조직을 오염시킬 수도 있다.[58][59] 미국 환경보호국의 위해성 평가 가이드라인에서는 마이크로시스틴의 발암성을 부정확한 것으로 보고 있지만, 중국에서 수행된 몇몇 연구에서는 식수에서의 남세균 발생과 간암 및 직장암 발생 사이에 상관관계가 있는 것으로 나타났다.[60][61][62][63][64][65] 면역 시스템 결핍 환자에 대한 마이크로시스틴 노출 효과는 아직 완전히 알려지지 않았으나, 일부 우려가 제기되고 있다.[66]

마이크로시스틴에 노출되는 주요 경로는 오염된 물을 마시거나, 오염된 물에서 수영, 낚시 등 레크리에이션 활동을 하는 것이다. 드물게 혈액 투석 중 오염된 물 사용으로 인한 중독 사례도 보고되었다.[29]

5. 1. 수계 환경

마이크로시스틴에 노출될 수 있는 경로는 여러 가지가 있으며, 그중 하나는 오염된 물과의 직접적인 접촉을 수반하는 수영, 서핑, 낚시 및 기타 활동과 같은 레크리에이션 활동을 통해서이다.[28] 과학자들이 확인한 또 다른 희귀하지만 매우 독성이 강한 노출 경로는 혈액 투석 수술을 통한 것이다. 혈액 투석을 통한 마이크로시스틴 중독 치명적 사례 중 하나는 브라질에서 연구되었으며, 특정 기간 동안 수술을 받은 환자의 48%가 시술에 사용된 물이 오염된 것으로 밝혀져 사망했다.[29]

마이크로시스틴은 순환 구조의 결과로 다양한 온도와 pH에서 화학적으로 안정하다.[30] 마이크로시스틴-LR에 의한 물 오염은 끓이거나 전자레인지 처리에 저항성이 있다.[31] 마이크로시스틴 생성 세균 조류 번성은 수처리 시설의 필터 용량을 초과할 수 있다. 일부 증거에 따르면 독소는 관개를 통해 먹이 사슬로 옮겨질 수 있다.[32][33]

5. 2. 먹이 사슬

마이크로시스틴을 생성하는 세균에 의한 조류 번성은 수처리 시설의 필터 용량을 초과할 수 있다. 일부 증거에 따르면 마이크로시스틴 독소는 관개를 통해 먹이 사슬로 옮겨질 수 있다.[32][33]

6. 주요 발생 사례

전 세계적으로 마이크로시스틴 발생 사례가 보고되고 있으며, 특히 호수나 저수지 등 정체된 수역에서 빈번하게 발생한다.

6. 1. 이리 호 (미국)

2011년, 이리호에서 기록적인 마이크로시스틴 대량 번식이 발생했다. 이는 기록상 가장 습했던 봄과 부분적인 관련이 있었으며, 호수 바닥의 사(死)지대 확장, 어류 개체수 감소, 해변 오염, 연간 100억달러 이상의 수입을 창출하는 지역 관광 산업의 피해를 야기했다.[1]

2014년 8월, 오하이오주 톨레도시는 오대호 중 가장 얕은 이리호에서 유해 조류 번식으로 인해 수돗물에서 안전하지 않은 수준의 마이크로시스틴을 검출했다. 시는 약 50만 명의 시민들에게 식수 또는 조리에 사용할 수 없다는 권고를 내렸다.[34][35] 오하이오주 태스크 포스는 이리호가 농업 관행으로 인한 경작지 및 도시의 수처리 센터에서 다른 어떤 오대호보다 더 많은 인을 받았다는 것을 발견했다.[21]

6. 2. 샌프란시스코 만 (미국)

2016년, 가뭄으로 인해 담수 유출이 악화되면서 샌프란시스코 만의 조개류에서 마이크로시스틴이 검출되었다.[36]

6. 3. 아이오와 주 (미국)

아이오와주 천연자원부(Iowa Department of Natural Resources)는 2018년에 검사한 26개 공공 수계 시설 중 15곳의 원수에서 0.3ug/L 수준의 마이크로시스틴을 발견했다.[37]

6. 4. 오리건 주 (미국)

2023년, 오리건주 환경 품질부(DEQ)와 오리건주 보건국은 윌래밋 강의 포틀랜드를 관통하는 대부분의 구간에 대해 시아노박테리아 경보를 발령했다.[38] 이 경보는 로스 아일랜드 석호에서 캐시드럴 공원까지의 윌래밋 강 구간에 영향을 미쳤다.[39] DEQ 검사 결과 마이크로시스틴 수치는 549ppb로 나타났다.[38]

7. 인체 유해성

마이크로시스틴은 간독성을 띠며, 섭취하면 담즙산 수송 시스템을 통해 대부분 간으로 이동하고 일부는 혈류를 따라 이동하면서 조직을 오염시킬 수 있다.[58][59] 고리형 화학 구조로 인해 펩신, 트립신, 콜라겐분해효소, 키모트립신과 같은 표준 단백질 분해 효소에 의해 분해되지 않는다.[30]

7. 1. 급성 독성

마이크로시스틴-LR에 급성으로 노출되면 복통, 구토, 메스꺼움, 설사, 두통, 입 주위 물집, 흡입 후 인후통, 마른 기침, 폐렴 등의 증상이 나타날 수 있다.[42][29] 마이크로시스틴은 위장관에서 흡수되며,[28] 간독소로서 단백질 효소 포스파타제 PP1과 PP2A의 활성을 억제하여 출혈성 쇼크를 일으킨다. 쥐 실험에서는 45분 이내에 사망에 이르는 것으로 밝혀졌다.[43]

7. 2. 만성 독성 및 발암성

미국 환경보호국의 위해성 평가 가이드라인에서는 마이크로시스틴의 발암성에 대해 정보가 부족한 것으로 보고 있다. 그러나 중국에서 수행된 몇몇 연구에서는 식수에서의 남세균 발생과 간암 및 직장암 발생 사이에 상관관계가 있을 수 있음을 시사한다.[60][61][62][63][64][65] 하지만, 정확한 노출 평가 및 측정 능력의 제한으로 인해 증거가 제한적이다. 면역 시스템 결핍 환자에 대한 마이크로시스틴 노출 효과는 아직 완벽히 알려지지 않았으나, 일부에서 우려가 제기되고 있다.[66]

8. 규제 현황

미국 환경보호국(EPA)은 2015년에 식수 내 마이크로시스틴 농도에 대한 건강 권고를 발표했다.[50] 10일 동안 마이크로시스틴에 노출되었을 때 건강에 해로운 영향을 미치지 않는 농도로, 젖병을 먹는 유아 및 미취학 아동의 경우 0.3µg/L, 학령기 아동 및 성인은 1.6µg/L이다.

8. 1. 미국 EPA 권고 기준

미국 환경 보호국(EPA)은 2015년에 건강 권고를 발표했다.[50] 10일 동안 마이크로시스틴에 노출되었을 때 건강에 해로운 영향을 미치지 않는 농도로, 젖병을 먹는 유아 및 미취학 아동의 경우 0.3µg/L, 학령기 아동 및 성인은 1.6µg/L를 제시하고 있다.

참조

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