천연 제초활성물질 KR-0008 배양여액의 환경생물 급성독성

서 론

산업화의 진행과 외국간의 교류가 급증하면서 선박이나 비행기를 통해 외래생물종의 유입이 증가하고 있으며, 이에 따른 토착종과의 경쟁, 서식지 파괴 등으로 국내 생태계가 영향을 받고 있다(Kim, 2018). 외래생물은 외국에서 인위적 또는 자연적으로 유입되어 본래의 서식지나 원산지가 아닌 곳에서 존재하게 된 생물이다(ME, 2019). 국내에 유입된 외래생물은 2,167종으로 그 중 외래식물은 334종이다(NIE, 2020). 외래식물 중에서 생태계교란 생물로 돼지풀, 가시박, 환삼덩굴 등 17종이 지정되어 있다(ME, 2019). 이러한 외래식물들은 산지나 하천뿐만 아니라 도로, 생활주변 및 농경지 등으로 빠르게 확산하고 있다. 증가하는 외래식물들은 국내의 식생과 서식환경을 변화시키며 생물 다양성을 위협하고, 경제적인 피해를 주고 있다(Choi, 2017).

농경지에 유입된 외래식물이나 비농경지, 도로변에 발생하는 외래식물은 제초제를 처리하여 방제가 가능하다. 하지만 주요 하천, 호수 또는 주택가는 환경 및 사람에게 독성 우려가 있어 화학농약의 제초제를 사용하기에는 적합하지 않다. 이 때문에 생태계 교란 외래식물을 제거하기 위해 뿌리를 뽑거나 베어버리는 물리적인 방법을 이용하지만 이는 노동력이 많이 소요되고 방제효과가 낮을 뿐만 아니라 번식 속도가 제거속도보다 빨라 확산을 막는 데는 역부족이다(Choi, 2017). 따라서 외래식물을 효과적으로 제거하고 기존 제초제보다 안전하며 친환경적인 제초제 개발이 필요하다.

외국에서는 화학농약의 제초제를 대신할 수 있는 천연제초활성물질로 식물 추출물이나 미생물이 생산하는 물질인 2차 대사산물을 활발히 연구하고 있다. 예를 들어 Piper sarmentosum 잎과 줄기에서 추출한 piperine, sarmentine, sarmentosine, pellitorine (Feng et al., 2019), 곰팡이 Nectria sp.의 발효 추출물인 cinnacidin (Irvine et al., 2008), 식물병원균인 Ascochyta caulina에서 추출한 ascaulitoxin과 aglycone (Duke et al., 2011), 그리고 해양 균류 Aspergillus versicolor에서 유래한 cyclopeptides (Posada et al., 2022)등 다양한 식물 및 미생물에서 유래한 제초활성물질을 발굴하였다. 이렇게 개발된 제초활성물질은 환경이나 사람에 안전해야하기 때문에 이와 관련된 독성 연구가 필수적이다. 하지만 아직까지 이러한 천연 제초활성물질에 대한 독성연구는 많이 부족한 실정이다.

국내에서도 토양 미생물인 Streptomyces scopuliridis에서 유래한 herbicidin (Won et al., 2015), Pseudomonas koreensis의 대사산물인 Hydrogen Cyanide (Yoo et al., 2018), Streptomyces drozdowiczii에서 추출한 KRA16-334 (Kim et al., 2021) 등 2차 대사산물을 이용한 제초제 연구가 진행되고 있지만, 제품화된 사례는 거의 없는 상황이다. 국내에 등록된 농약현황으로는 총 3,386 제품이며(RDA, 2022), 이중 미생물 및 생화학 농약은 25 제품에 불과하다(RDA, 2021a).

최근 한국화학연구원에서 토양미생물기반 제초활성물질 후보 소재를 연구하고 있으며, 토양 방선균인 Streptomyces achromogenes가 생산하는 대사산물인 KR-0008을 선발하여 외래식물인 가시박과 돼지풀 등에 대한 방제효과를 확인하였다.

국내 농약등록 신청자료로 환경생물에 대한 독성성적서를 제출해야 하며, 수생생물인 어류, 물벼룩 및 녹조류 그리고 육상생물인 조류, 지렁이 및 꿀벌 등에 대한 위해성평가를 하고 있다(RDA, 2021b). 이에 본 연구에서 제초활성물질 후보소재를 실용화하기 위해 환경독성 기초 연구로 KR-0008 배양여액을 사용하여 송사리 및 잉어, 물벼룩, 지렁이 그리고 꿀벌에 대한 급성독성시험을 진행하였다.

재료 및 방법

결 과

어류 급성독성시험

어류 급성독성시험기간 동안 24시간 마다 측정한 온도, DO, pH의 평균값을 나타내었고(Table 1), 시험에 사용한 어류의 전장과 무게를 나타내었다(Table 2).

Table 1.

The values of temperature, DO and pH measured in the acute toxicity tests

Table 2.

The average length and weight of O. latipes and C. carpio used for the fish acute toxicity tests

급성독성시험 결과, 24시간, 48시간, 72시간 및 96시간 모두 100 mg/L 농도에서 송사리 및 잉어의 이상증상 및 치사 개체는 관찰되지 않았다(Table 3, Table 4). 이에 따라 송사리와 잉어의 48시간 및 96시간의 LC₅₀은 > 100 mg/L이었다(Table 5).

Table 3.

The mortalities and symptoms of O. latipes during the fish acute toxicity test of KR-0008

Table 4.

The mortalities and symptoms of C. carpio during the fish acute toxicity test of KR-0008

Table 5.

The LC50 values of KR-0008 to O. latipes and C. carpio

물벼룩 급성독성시험

물벼룩 급성독성시험 기간 동안 측정한 온도, DO, pH의 평균값을 나타내었다(Table 1).

급성독성시험 결과, KR-0008의 100 mg/L 농도에서 24시간에는 유영저해 및 치사 개체는 나타나지 않았다. 48시간에서는 꼬리에 이물질이 부착된 개체 1마리가 관찰되었지만 유영저해 및 치사 개체는 관찰되지 않았다(Table 6). 이에 따라 물벼룩의 24시간 및 48시간의 EC₅₀은 > 100 mg/L이었다(Table 7).

Table 6.

The mortalities and abnormalites of D. magna during the daphnia acute toxicity test of KR-0008

Table 7.

The EC50 values of KR-0008 to D. magna

지렁이 급성독성시험

지렁이 급성독성시험 시작과 종료시점에 측정한 pH와 토양수분함량 값을 나타내었다(Table 8). 시험 시작과 종료시점에 지렁이의 무게를 측정하였으며, 시험 시작과 종료시점의 체중변화율은 대조군에서 -3.7 ~ -0.9%이었고, 1,000 mg/kg에서 -3.4 ~ +1.8%이었다(Table 9).

Table 8.

The values of pH and water content measured in the earthworm acute toxicity test

Table 9.

The mean body weight of E. fetida on day 0 and 14 of the earthworm acute toxicity test

급성독성시험 결과, KR-0008 처리농도 1,000 mg/kg에서 7일과 14일에 형태이상 및 치사 개체는 나타나지 않았다(Table 10). 이에 따라 지렁이의 7일 및 14일의 LC₅₀은 > 1,000 mg/kg이었다(Table 11).

Table 10.

The mortalities and symptoms of E. fetida during the earthworm acute toxicity test of KR-0008

Table 11.

The LC50 values of KR-0008 to E. fetida

꿀벌 급성독성시험

꿀벌 급성접촉 및 섭식독성시험동안 측정된 온도와 습도를 나타내었다(Table 12).

Table 12.

The values of temperature and humidity measured in the honeybee acute toxicity tests

급성접촉독성시험 결과, KR-0008 대조군 및 처리농도 100 μg/bee에서 72시간까지 행동이상 및 치사 개체는 관찰되지 않았다. 96시간에 대조군과 처리군에서 각각 1마리씩 치사 개체가 관찰되었다(Table 13). 급성섭식독성시험 결과, KR-0008 대조군 및 처리군 100 μg/bee에서 48시간까지 행동이상 및 치사 개체는 관찰되지 않았다. 대조군에서 72시간에 1마리의 치사 개체가 관찰되었으며(Table 14), 처리군에서는 72시간에 치사 개체 1마리, 96시간에 1마리의 치사 개체가 추가로 관찰되었다. 이에 따라 48시간 및 96시간의 접촉 및 섭식독성 LD₅₀은 > 100 μg/bee이었다(Table 15).

Table 13.

The mortalities and symptoms of A. mellifera during the honeybee acute contact toxicity test of KR-0008

Table 14.

The mortalities and symptoms of A. mellifera during the honeybee acute oral toxicity test of KR-0008

Table 15.

The LD50 values of KR-0008 to A. mellifera

고 찰

본 연구에서는 친환경적으로 외래식물을 제거할 수 있는 천연 제초활성소재의 환경독성 스크리닝으로 제초활성소재인 KR-0008 배양여액에 대한 어류(송사리 및 잉어), 물벼룩, 지렁이 및 꿀벌 급성독성시험을 수행하였다.

어류를 이용한 급성독성시험 결과 송사리, 잉어 모두 48시간 및 96시간의 LC₅₀은 > 100 mg/L이었다. 물벼룩 급성독성시험 결과도 마찬가지로 24시간 및 48시간의 EC₅₀은 > 100 mg/L이었다. 미국 EPA에서 수서생물에 대한 독성 분류로 매우 고독성은 LC₅₀ < 0.1 mg/L, 고독성은 0.1 ≤ LC₅₀ ≤ 1 mg/L, 중간독성은 1 < LC₅₀ ≤ 10 mg/L, 저독성은 10 < LC₅₀ ≤ 100 mg/L, 마지막으로 무독성은 LC₅₀ > 100 mg/L로 구분한다. 또한 화학물질 구분 기준인 GHS에서 수서환경유해성 분류로 수서생물에 대한 구분 1(급성 1)은 LC₅₀ ≤ 1 mg/L, 구분 2(급성 2)는 1 < LC₅₀ ≤ 10 mg/L, 구분 3(급성 3)은 10 < LC₅₀ ≤ 100 mg/L로 구분하게 되어있다. 이 기준에 어류 및 물벼룩 독성을 적용하면 EPA 기준으로는 무독성, GHS는 급성 구분에 대해 해당없음이다. 따라서, KR-0008은 어류 및 물벼룩에 대한 독성이 낮으며, 하천이나 호수에 노출이 되더라도 어류와 물벼룩에 급성적인 영향을 줄 가능성이 낮을 것으로 판단된다.

지렁이의 7일 및 14일의 LC₅₀은 > 1,000 mg/kg으로 한계 시험 농도인 1,000 mg/kg에서 형태이상 및 치사 개체가 관찰되지 않았다. 이에 따른 KR-0008의 독성은 낮을 것으로 나타났고, 산지나 농경지 및 비농경지에 노출되더라도 지렁이에 급성적인 영향을 줄 가능성이 낮을 것으로 판단된다.

꿀벌의 급성접촉 및 섭식독성시험 결과 48시간 및 96시간의 LD₅₀은 > 100 μg/bee이었다. 미국 EPA에서 꿀벌에 대한 독성 분류로 고독성은 LD₅₀ < 2 μg/bee, 중간독성은 2 ≤ LD₅₀ < 11 μg/bee, 무독성은 LD₅₀ ≥ 11 μg/bee로 구분한다. 따라서 EPA 기준에 의하면 KR-0008은 무독성으로 꿀벌에 대한 독성이 낮은 것으로 나타났다.

기존 연구사례로 Ascochyta caulina에서 추출한 제초활성 물질의 어류 96시간 LC₅₀은 > 100 mg/L이었으며, 물벼룩의 48시간 EC₅₀은 20.1 mg/L이었고, 지렁이의 14일 LC₅₀은 ≥ 1,000 mg/kg이었다(Fumagalli et al., 2013). 모기에 살충효과를 보이는 Zanthoxylum monophyllum의 추출물 essential oil은 어류 Gambusia affinis에 대해 48시간 LC₅₀으로 4,234.07 μg/mL이었으며(Pavela and Govindarajan, 2017), 약용식물인 창포 Artemisia absinthium에서 추출한 살선충제 성분들은 물벼룩 24시간 EC₅₀으로 0.093~0.103 mg/L이었다(Pino-Otín et al., 2019). 살충 성분인 Piper betle의 추출물은 지렁이 Eudrilus eugeniae와 Eisenia fetida 2종에 대해 7일의 LC₅₀은 각각 3,149 mg/L, 4,081 mg/L이었고(Vasantha-Srinivasan et al., 2018), 국화과에서 추출한 essential oil 두가지 성분의 꿀벌 24시간 LD₅₀은 197~252 μg/bee이었다(Umpiérrez et al., 2017). 또한 식물 추출물로 싸임화이트, 라벤더, 마늘 추출액 등의 어류 96시간 LC₅₀은 3.0~10 mg/L, 물벼룩의 48시간 EC₅₀은 2.5~10 mg/L, 지렁이의 14일 LC₅₀은 149~743 mg/kg, 꿀벌의 48시간 LD₅₀은 44.3~115 μg/bee이었다(You et al., 2011; You et al., 2012). 제초활성물질로 Streptomyces scopuliridis에서 추출한 herbicidin에 대한 어류의 96시간 LC₅₀ 및 물벼룩의 48시간 EC₅₀은 모두 > 100 mg/L이었고, 지렁이의 14일 LC₅₀은 1,000 mg/kg이었으며 꿀벌의 48시간 LD₅₀은 > 100 μg/bee로 보고된 바 있다(Park et al., 2019). 본시험에서도 토양미생물 Streptomyces achromogenes 대사물질인 KR-0008 배양여액에 대한 어류 및 물벼룩의 LC₅₀ 및 EC₅₀은 >100 mg/L, 지렁이 LC₅₀은 > 1,000 mg/kg, 꿀벌 LD₅₀은 > 100 μg/bee이므로 선행 연구와 비교하였을 때 천연제초물질로 환경생물에 안전한 것으로 판단된다.

시험결과 KR-0008은 어류(송사리 및 잉어), 물벼룩, 지렁이 그리고 꿀벌에 대해 급성 독성이 낮은 것으로 나타났다. 이에 따라 KR-0008은 환경생물에 안전한 천연제초활성물질로 강이나 호수 또한 비농경지에 발생하는 외래 잡초에 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 KR-0008이 생활주변에서 생태계 교란 식물 및 외래 잡초 제거를 위해 사용할 수 있도록 인축독성에 대한 안전성 평가도 필요할 것으로 보인다.

Acknowledgments

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원의 ‘토양 미생물 기반 제초활성소재 인축 및 환경독성평가’(과제번호: PJ01612802)의 지원으로 이루어진 것입니다.

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