생물농축(生物濃縮, Biomagnification)

    김진국

1. 생물농축

생물체 내로 흡수된 중금속이나 독성 유기 화합물은 쉽게 분해되지 않고, 지방 분자와 결합하여 생물체에 머물러 있어 체외로 배출되는데 많은 시간이 걸린다.  그래서 생물이 흡수하는 중금속이나 독성 유기 화합물량이 생체 내에서 분해되는 양과 배출되는 양의 합보다 많게 되면 체내에 남아 축적된다.
 생물이 중금속이나 독성 유기 화합물을 비 생물적 한경에서 흡수하여 축적된 것을 포식자가 먹는다면 이 포식자는 중금속이나 독성 유기 화합물을 대량으로 먹는 것이 되고 체내에는 대량으로 축적되는 것이다.  이렇게 중금속이나 독성 유기 화합물이 대량으로 축적된 생물체를 다음 포식자가 먹게 되면 포식자의 체내에 축적되는  중금속이나 독성 유기 화합물의 양은 수없이 증가할 것이다.
이와 같이 비 생물적 환경에서 흡수된 중금속이나 독성 유기 화합물은 생물의 먹이 연쇄를 따라 다음 영양 단계의 생물로 계속 이동한다. 따라서 상위 영양 단계의 생물로 이동될수록 몸속에 축적되는 중금속이나 독성 유기 화합물의 농도는 점점 높아진다. 이와 같이 어떤 물질이 먹이 연쇄를 이동함에 따라 점점 농축되는 과정을 생물농축이라고 한다.

2. 생물 농축 역사

 18~19세기 영국에서는 펠트(felt) 모자를 만들기 위해 수은을 사용하여 펠트(felt) 천을 단단하게 하였다 한다.
그 결과 펠트(felt) 모자를 만드는 사람들에게서 수은 중독이 나타났다고 한다.
한의학에서도 수은으로 제조된 약을 사용하였는데 가끔 수은 중독의 부작용이 나타났다.

가. DDT

 1946년 미국의 엘머 히긴스(Elmer Higgins)와 클라렌스 코탐(Clarence Cottam)은 척추동물, 조류, 어류의 지방조직에 DDT가 축적된 것을 관찰하고는 DDT의 위험성을 the Journal of Economic Entomology에 기록하였다.  
샌프란시스코 북쪽의 관광도시 클리어 레이크(Clear Lake)에서는 1949년 날파리(깔따구 종류) 떼가 들끓어 관광산업에 어려움이 생기자 주민들의 요구에 따라 DDT보다 독성이 약한 DDD를 소량(0.02ppm) 호수에 살포하였다. 그 결과 날파리(깔따구 종류) 떼가 많이 줄어들었다.
1950년 린드퀴스트(A. W. Lindquist)와 로스(A. R. Roth)가 이 호수에 살고 있는 생물체 내의 DDD 농도를 조사한 결과  호수의 물에 비해 플랑크톤은 265배, 작은 물고기는 500배, 논병아리(grebes)는 약 80,000 ~ 85,000배로 DDD가 농축되었다는 것을 밝혔다.
그런데 이 호수에 날 파리(깔따구 종류)가 다시 늘어나 극성을 부리자 1951년부터 매년 농도를 조금씩 올려가며 DDD를 살포했다. 그러자 1954년 수많은 논병아리가 죽었고 이들 논병아리의 조직에 DDD의 농도가 1600ppm으로 증가되어 있음을 Hunt와 Bischoff이 1960년에 밝혔다.
 일리노이 주 캠퍼스에서 병든 누름 나무에 DDT를 살포하였고 떨어진 누름 나무 잎을 먹은 지렁이 체내에 DDT가 축적되었으며(Roy Barker, 1953년) 이 지렁이를  잡아먹은 울새(개똥지빠귀)가 DDT에 중독되어 죽었다는 것을 Roy Barker가 1958년에 밝혔다.
이와 같이 DDD는 생물체에 축적되고 먹이연쇄를 따라 상위 영양단계로 이동될수록 수없이 축적된다(Lindquist와 Roth 1950, Rudd 1964, Carson은 1962년에 이 내용을 저술)는 것을 밝혔다.
레이첼 카슨(Rachel Louise Carson, 1907 ∼ 1964)이 1962년에 저술한 '침묵의 봄'에서 Biological magnifiers라는 용어가 처음으로 사용되었으며 1969년에 Biomagnification이라는 용어가 쓰였다.
1967년 데이비드 피크콜(David Beaumont Peakall, 1931 ~ 2001, 영국 출신으로 미국에서 활동, 독물학자)은 송골매와 캘리포니아 독수리 체내의 DDE 농도를 측정한 결과 체내의 DDE의 농도가 증가할수록 알껍데기 두께는 점점 얇아진다고 발표하였다.

나. 수은(미나마타병)

 일본의 구마모토 지방의 미나마타 시에는 해안에 미나마타 만이 있고 어부들은 만에서 어업에 종사하였다. 그런데 1953년부터 시민들에게 이상한 질병이 발생하였다. 증세는 신경이 마비되어 손발이 저리는 정도에서 시작하여 언어장애와 시력, 청력 등의 감각 능력이 상실되고 보행에도 지장이 나타나며, 결국 사망에 이르기도 하였다.  1956년 미나마타 시의 보건소에 처음으로 환자가 보고되어 연구가 시작되었으며 1959년에 조사 결과를  발표하였다. 어항에 인접한 신일본 질소 비료공장에서 아세트알데히드를 생산하고 있었으며 아세트알데히드 생산 과정에는 화학반응 촉매제로 수은을 사용하고 있었는데 사용 중인 메틸수은(methyl mercury, 유기수은)이 저 농도로 폐수에 섞여 미나마타 만의 바다로 흘러 들어갔다.
바다에서는 수은이 생물의 먹이 연쇄를 통해 어패류에 농축되었다. 어부들이 수은이 농축된 이들 물고기를 잡아서 팔았으며 그 어패류를 사 먹은 사람들에게서 이 질병이 발생하였다는 유기수은(methyl mercury, 메틸수은) 중독설을 1959년에 발표하였던 것이다.  미나마타 만에서의 어업은 금지되었으며  20년 후에 해제되었다. 수은 오염으로 발생한 이 병을 시 이름을 따서 미나마타 병이라 한다.

다. 카드뮴 공해(Cd,  이타이 이타이 병)

 일본 토야마(富山) 현 카미 도오리(神通) 천 유역에서 1950년대 초에 뼈가 물러져 재채기 등 조금만 움직이면 골절이 일어나는 골연화증 환자들이 늘어났다.
1957년에 이 병의 원인은 중금속 중독이라는 가설이 처음 발표되었다. 역학조사를 실시한 결과 기후현 가미오카정(神岡町)에 있는 미츠이(三井) 금속광업 가미오카 광산에서 아연을 제련할 때 광석에 포함되어 있던 카드뮴을 제거하지 않고 수십 년 동안 그대로 강에 버렸으며 강에서 카드뮴이 생물 농축된 물고기를 잡아먹은 것이 누적되어 병으로 발생되었다고 1961년에 발표했다.  카드뮴이 조금씩 수십 년 간 축적되어 중독되면 신장 세뇨관에서 칼슘 재흡수에 문제가 발생하여 뼈에 칼슘이 부족하게 되어 골연화증이 나타난다는 것이다.
 특히 나이 많고 그 지방에 30년 이상 거주한 여성에 주로 발생하여 임신, 내분비계(호르몬)의 이상과 관련이 있다고 한다.
이타이 이타이(아프다, 아프다)라는 병 이름은 환자가 '아프다, 아프다'(일본어로 이타이 이타이)라고 한 것에서 유래한 것이다. 카드뮴과 이타이이타이병의 인과관계는 완전히 밝혀지지 않았으나 1971년에 행해진 이타이이타이병에 대한 1차 소송에서 처음 인정되었다.

라. PCB(polychorinated biphenyl) 가네미 유 사건

1968년 일본 큐슈의 북부 지방에서 이상한 피부병 환자가 많이 발생하였는데  역학조사 결과 가네미 회사(Kanemi company)에서 생산한 식용유를 먹은 것이 원인이었다.
가네미 회사는 식용유의 한 종류인 미강유(Rice Bran Oil, 라이스 오일, 쌀겨에서 채취)를 가열하여 탈취(냄새 제거)하는 제조과정으로 식용유 속으로 파이프를 설치하고 고온으로 가열한 열 매체인 PCB를 파이프 속으로 흐르게 하여 식용유를 가열하였는데 가열 파이프에서 PCB가 누설되어 식용유에 섞여 들어간 것이었다. 폴리염화비페닐(Polychlorinated biphenyl, PCB)이 자연계에서 잘 분해되지 않고 생물체에 흡수되면 지방과 친화성이 있어 배출이 어려워 체내에 농축되어 독성을 띠는 유사 다이옥신이다. 사람의 체내에 농축되면 구토, 체중 감소, 황달, 복통 등의 증세가 나타나며 간의 장애를 일으킨다.
이 사건으로 일본에서 닭 100만 마리가 가네미유가 포함된 사료를 먹고 중독되어 그중 70만 마리가 죽었으며 사람도 중독되어 1만 4000명이 신체 이상을 일으켰으며, 1,068명은 증세가 심하였다.
 폴리염화비페닐(Polychlorinated biphenyl, PCB)은 열을 가해도 분해되지 않고 전기 절연성이 뛰어나기 때문에 변압기, 콘덴서 등 전기제품에 많이 사용되었다.

3. 생물농축 영어 용어
생물농축을 의미하는 영어 용어는 Bioconcentration(생물농축), Bioaccumulation(생물축적), Biomagnification(Bioamplification, 생물농축 확대)이 있다. 국내에서는 이들 세 가지 모두를 생물 농축이라고 번역하지만 이들 용어들이 나타내는 개념은 조금씩 차이가 있다.

가. Bioconcentration(생물농축)은 어떤 독성물질이 환경에서 농축되었다는 것을 밝히는데 주안점을 두고 있다. 그래서 생태계의 먹이연쇄를 통하지 않고 환경으로부터 피부나 호흡 등으로 직접 오염되는 경우에 많이 쓰인다.
 Bioconcentration의 계수인 BCF는 다음 식으로 나타낸다.

 BCF(Bioconcentration factor, 생물농축 계수) = 생체 내의 오염 물질 농도/환경 내의 오염 물질 농도

나. Biomagnification(Bioamplification, 생물농축 확대)은 먹이 연쇄(Food chain)를 통해 상위 영양단계로 이동될 때 각 단계별로 농축되는 비율을 나타낸다. 이 용어는 메이첼 카슨이 과학자들이 발표한 논문에서 상위 영양단계로 이동될수록 농축되는 비율이 크게 확대되는 것을 보고 그 위험성을 지적한 Biological magnifiers에 기원을 두고 있다.
 Biomagnification의 계수인  BMF는 다음 식으로 나타낸다.

BMF(Biomagnification factor, 생물농축 확대 계수) = 포식자의 오염 물질 농도/피식자의 오염 물질 농도

DDT 생물농축의 예

새(최상위) 75 ppm (75배)
피라미 1 ppm (25배)
식물성 플랑크톤 0.04 ppm

다. Bioaccumulation(생물축적)은 우리가 보통 사용하고 있는 생물 농축의 개념이다. 생물들이 환경의 오염물질에 직접 노출되어 축적되는 경우와 먹이연쇄를 통하여 일어난 축적 등 축적의 모든 경우를 포함한다.
 Bioaccumulation(생물축적)의 계수를 BAF라 하며 다음과 같이 나타낸다.

 BAF(Bioaccumulation factor, 생물축적 계수) = 생체 내의 오염 물질 농도/환경 및 먹이 내의 오염 물질 농도

생태계에서는 먹이연쇄의 상위 단계의 생물일수록 Biomagnification에 의해 문제가 더 크게 된다. 그래서 먹이연쇄의 최종에 위치한 인간은 Biomagnification에 의한 위험이 매우 높다.

DDT 생물농축의 예(뉴욕 주,  20년간)

초기 강물의 농도(0.02ppm)
식물성 플랑크톤(1.6ppm) : 80배, 80배
초식성 어류(80ppm) : 50 배, 4,000배
육식성 어류(400ppm) : 5배, 20,000배
육식성 조류(10,000ppm) : 25배, 500,000배

4. 축적 인자

 생물농축은 생물농축을 일으키는 물질이 하루에 우리 몸에 흡수되는 양(노출량)과 배출을 막는 지방 친화성(소수성)의 크기, 그리고 잔류 기간(반감기) 등이 주요 인자이다.

가. 지방 친화성(소수성, 疏水性, Hydrophobe)

 생물농축을 일으키는 물질은 지방과 친화성이 커서 지방층에 축적되어 밖으로 배출이 잘 되지 않는다.
생물농축을 일으키는 물질은 지방 친화성(소수성, 疏水性, hydrophobic)이 강할수록 지방층에 더 잘 축적된다. 그래서 생물농축을 일으키는 물질의 소수성(친수성) 크기를 나타내는 계수가 Kow다.
 Kow는 옥탄올-물 분배 계수(Octanol-water partition coefficient)라 하며 측정원리는 옥탄올(8탄소알코올,CH3(CH2)7OH)과 물을 한 시험관에 넣고 여기에 측정하려는 물질을 넣어 천천히 혼합한다.
 측정하려는 물질이 옥탄올에 녹아있는 양이 많을수록 소수성이 강한 것이며 물에 녹아있는 양이 많을수록 친수성이 더 강한 물질이다.

Kow = 옥탄올에서의 물질의 농도/물에서의 물질의 농도

Kow 값이 높을수록 소수성(疏水性, hydrophobic)이 강하다는 뜻이며, 소수성이 강할수록 농축은 쉽게 일어난다.

나. 잔류 기간(residual period)

 분해 속도가 느려 오랜 기간 잔류하게 되면 생물농축이 더 빠르게 일어난다. 환경에서 유해 물질이 오랜 기간 잔류하게 되면 생물이 유해 물질에 노출되는 시간이 길어지기 때문이다.
잔류 기간을 나타내는 것이 반감기(Half-life, t1/2)이다.
반감기는 그 물질이 분해되어 양이 1/2로 감소하는 데 걸리는 시간이다.

다. 일일 평균 노출량(Average daily dose, ADD)
식품에 포함된 오염물질을 규제하기 위해 사용되는 일일 평균 노출량(Average daily dose, ADD)에는 식품으로 섭취하는 일일 허용 섭취량(허용되는 일일 섭취량, ADI, Acceptable daily intake, 단위 mg/kg · day, 체중 1kg당 하루의 섭취량을 mg으로 나타냄)과 식품으로 섭취되는 양과 환경 중에 포함된 오염물질이 흡수되는 양을 합한 일일 허용 노출량(허용 가능한 일일 섭취량, TDI, Toleable daily intake, 단위 mg/kg · day, 체중 1kg당 하루의 허용 노출량을 mg으로 나타냄)이 있으며 법에 이를 규정하고 있다.

라. 물속 생활 위치

 수생생태계에서 생물농축을 일으키는 물질은 소수성이므로 물에 용해되기 어렵고, 수생 환경에서는 퇴적물이나 바닥의 식물체에 보다 많이 존재한다. 그래서 바닥에 서식하는 생물은 같은 물의 상부에 사는 생물보다 높은 농도로 노출된다. 따라서 물속의 PCB 농도는 ppt(parts per trillion, 1조 분의 1) 수준인 반면 퇴적물 중에는 ppm(parts per million, 1백만 분의 1) 수준으로 존재한다.

마. 유해성 물질의 입자의 크기

 생물이 섭취하는 유해성 물질의 입자의 크기도 농축에 영향을 주는 인자가 된다. 작은 입자의 유해성 물질은 같은 면적의 표면에 높은 농도로 부착할 수 있어 이들 유해 물질 입자를 섭취하는 생물은 높은 농도의 유해 물질을 보유하게 된다.  

바. 먹이 양과 섭취 속도

 먹이를 섭취하는 양과 속도가 생물농축에 영향을 준다. 생물은 종류에 따라 단위 체중 당 먹이 섭취량이 매우 다르다.  먹이를 많이 섭취하여 대사가 활발한 생물은 빨리 배설하므로 환경 중의 유해 물질의 축적률이 높다.

5. 생물농축을 일으키는 물질

가. 중금속

 중금속은 밀도가 4g/㎤이상인 금속을 중금속이라 하지만 환경에서는 밀도가 4g/㎤ 이상인 중금속 중에서 지방과 친하여 생물농축을 일으키는 수은(Hg), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr) 등을 중금속(불확실한 용어임)이라 하며 철(Fe) 등은 중금속이라 하지 않는다. 중금속이 아닌 금속 중에도 생물농축을 일으키는 유해한 금속이 있다.

1) 수은(Hg)

 수은등 및 형광등 제조 공장, 수은 온도계에서 발생하며 뇌와 신장 장애, 미나마타병 등을 일으킨다.

2) 납(Pb)

 인쇄소, 축전지 공장 등에서 발생하며 두통이나 시력장애를 일으킨다.

3) 크롬(Cr)

 도금공장, 피혁공장에서 발생하며 신경장애, 피부 궤양을 일으킨다. 스테인리스도 크롬 성분이 있어 문제를 일으킬 수 있다.

4) 카드뮴(Cd)

 도금공장에서 발생하며 골연화증, 이타이 이타이병을 일으킨다.

나. 독성 유기 화합물(탄소화합물)

유기 화합물(탄소화합물) 중에서 잘 분해되지 않고 지방과 친하여 생체에서 잘 배설되지 않아 생물농축을 일으키는 탄화수소류에는  DDT(dichloro-diphenyl-trichloro-ethane), PCB(Polychlorinated biphenyl), BHC(benzene hexachloride),   다이옥신(Poly Chlorinated Dibenzo Dioxin) 등이 있다.
다이옥신은 Poly Chlorinated Dibenzo Dioxin (PCDD) 계 화합물을 일컫는다. 우리가 보통 다이옥신이라 함은 PCDD 외에 퓨란계화합물(Poly Chlorinated Dibenzo Furan, PCDF), PCB (polychlorinated biphenyl)와 같은 다이옥신 유사 물질(분해되는 중에 다이옥신 발생)을 모두 통칭하여 다이옥신류라고 한다. 월남전에 사용된 고엽제(agent orange, 제초제)에는 다이옥신이 섞여 있었다.

1) DDT(dichloro-diphenyl-trichloro-ethane)

 농업과 환경에 많이 사용되었던 살충제로 생물 농축되며 사람에서는 뇌종양, 뇌출혈, 고혈압, 간경화증 등을 유발하고 조류에서는 지방 조직 파괴와 칼슘 대사에 장애를 유발한다.

2) PCB

 변압기, 콘덴서 등의 절연체로 이용되며 유사 다이옥신이므로 중독되면 구토, 체중 감소, 황달, 복통 등의 증세가 나타나며 간의 장애를 일으킨다.

3) BHC(benzene hexachloride)

 농업에서 살충제로 사용되며 체내에 중독되면 만성적인 장애를 유발한다.

4) 다이옥신(dioxin IPA)

다이옥신은 염소가 결합된 2개의 벤젠고리가 2개의 산소에 의해 결합된 유기화합물로 독성이 매우 강한 물질이다.
다이옥신은 염소가 포함된 유기물질을 저온에서 불완전 연소시킬 때 발생하므로 수분이 많은 상태로 소각시키면 매우 많이 발생한다. 우리 주변의 PVC(polyvinyl chloride), 종이 등 대부분의 물체에 염소가 포함되어 있으므로 완전하지 못한 소각장에서 쓰레기를 소각하면 위험한 것이다. 그리고 페녹시 계통(Phenoxy group)의 제초제, 클로로페놀(chlorophenol, 염화페놀) 등을 합성하는 과정에서도 다이옥신이 발생된다.  다이옥신이 공기 중으로 확산되고 이를 식물과 동식물이 흡수하면 생물농축을 일으킨다. 사람도 호흡과 음식물로 다이옥신을 받아들이게 되는데 농도가 높은 음식물과 공기를 계속 먹고 마시면 몸에 농축된다. 흡수되어 농축되면 다이옥신은 세포막을 통과하여 핵 속의 DNA에 작용할 수 있어 돌연변이로 암을 일으킬 수도 있고 피부질환과 정신 장애를 일으키며, 기형아, 사산 아가의 출생에 영향을 준다.
고엽제(agent orange) : 유사 다이옥신으로 월남전에서 사용되었다.

6. 생물농축  피해를 줄이는 방법

가. 기업들은 폐기물 관리에 유의해야 한다.

나. 정부는 폐기물 배출 등에 규제나 법규를 엄격히 집행해야 한다.

다. 가정에서는 중금속이 함유된 물질의 사용을 자제하거나 사용하고 난 뒤에 분리수거를 철저히 해야 한다.

라. 먹이연쇄의 상위 단계인 육식성 동물보다는 하위 단계인 초식성 동물이나 채소를 요리 재료로 이용하는 것이 생물농축의 피해를 줄일 수 있다. 특히 큰 어류, 육식성 어류, 연안이나 폐수의 물고기 등은 먹지 않는 것이 좋다.

생물농축(生物濃縮, Biomagnification).hwp

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