녹조 현상으로 인한 호수 속 독성 물질 아나베노펩틴, 주변 공기 입자에서도 검출 확인

환경 연구 동향  | 앨지닥터

미시간대학교·웨인주립대학교 등 공동 연구진이 ACS Earth and Space Chemistry에 발표한 연구는 미국 오하이오주 그랜드레이크 세인트메리스의 물과 주변 대기 입자에서 남세균으로부터 생성되는 독성 물질인 아나베노펩틴(AP) 네 종류를 측정했습니다. 연구진은 2019년과 2022년 물 시료에서 AP를 확인했고, 현장 대기 입자에서도 AP를 처음 검출했습니다. 같은 호수 물을 동결·해동해 남세균 세포를 파괴하자 실험실에서 생성된 물보라 에어로졸의 AP 농도는 원수보다 약 10~100배 범위로 높아졌습니다. 이는 호수 물속에서 세포 밖으로 나온 AP의 양과 기포·파도·바람 같은 물보라 생성 조건을 함께 살펴야 함을 보여줍니다.

남세균 세포 안 물질이 공기 입자로 이동하는 원리

여름철 호수 표면에 녹색 띠나 물감 같은 막이 생기는 현상은 남세균이 지나치게 증식한 모습일 수 있습니다. 일부 남세균은 생리활성 물질을 만들며, 이 물질은 세포 안에 머물다가 세포가 죽거나 터지는 세포 용해 과정에서 물속으로 주로 방출됩니다. 다만 모든 남세균 대발생이 같은 물질을 만들거나 같은 농도를 보이는 것은 아닙니다. [배경 1]

파도가 부서지거나 물속 기포가 수면에서 터지면 미세한 물방울이 공기 중으로 튀어 오릅니다. 이 물보라 입자에는 물속의 염류·유기물뿐 아니라 남세균 세포나 남세균이 만든 물질이 포함될 수 있고, 바람을 따라 이동하면서 흡입 노출 경로가 될 가능성이 있습니다. 그러나 담수 남세균 물질의 공기 중 이동과 흡입 영향은 아직 충분히 연구되지 않았습니다. [배경 2]

호수 현장 시료와 물보라 모사 실험을 결합한 측정 설계

연구진은 2019년과 2022년 그랜드레이크 세인트메리스 여러 지점에서 물을 채취하고, 2019년 대기 시료 6개와 2022년 대기 시료 5개를 수집했습니다. 대기 입자는 다섯 단계 캐스케이드 임팩터로 크기별 채취했으며, 공항에서 측정된 풍속·풍향 자료를 1시간 평균으로 정리해 시료별 기상 조건과 비교했습니다. 물과 대기 시료의 AP-B, AP-F, AP-A, 오실라미드-Y(Osc-Y)는 액체크로마토그래피-직렬질량분석법(LC-MS/MS)으로 정량했습니다.

실험실에서는 2022년 8월 24일 호수 물 약 80 L를 가져와 원수 상태와 세 번의 동결·해동(-4~20°C)으로 세포를 파괴한 상태를 비교했습니다. 파도가 부서질 때의 기포 생성을 모사하는 물보라 생성 수조(MART)로 에어로졸을 만들고, PM2.5 필터와 액체 포집기로 채취했습니다. PM2.5 비교에는 원수 3회와 세포 파괴수 4회가 사용됐으며, 원수의 액체 포집 시료는 채취 문제로 1개만 분석에 쓸 수 있었습니다.

연도에 따라 뒤바뀐 호수 물속 AP 조성

2019년 물 시료에서는 AP-B가 평균 60 ± 30 μg/L로 전체 AP의 64 ± 5%를 차지했습니다. 반면 2022년에는 AP-F가 47 ± 8 μg/L, 전체의 60 ± 10%로 가장 많았습니다. 호수 본체 시료만 비교하면 총 AP 농도는 2019년 130 ± 20 μg/L, 2022년 70 ± 20 μg/L로 측정됐습니다. 연구진은 같은 호수에서도 연도에 따라 우세한 AP 종류와 농도가 달라질 수 있음을 확인했습니다.

주: 2019년 AP-F는 한 지점에서 표준물질이 없어 정량하지 못했습니다. 2019년 평균값은 해당 해변 시료를 제외한 값이며, 조성 변화는 논문 Figure 3의 평균과 구성비를 옮겼습니다.

바람과 채취 거리에 따라 달라진 대기 중 AP 검출

2019년 대기 시료 6개에서는 모두 AP가 검출됐고, 2022년에는 5개 중 3개에서 검출됐습니다. 논문 초록은 2019년 입자상 AP 농도가 최대 48 pg/m³였으며, 같은 시료의 마이크로시스틴 13 pg/m³보다 3.7배 높았다고 보고했습니다. 2019년에는 호수 쪽에서 풍속 5.1~6.0 m/s로 바람이 불던 폭풍 전 시료에서 농도가 높았고, 폭풍 뒤 바람 방향이 호수 반대쪽으로 바뀌자 더 낮아졌습니다. 연구진은 강한 바람과 호수 방향 풍향이 물보라 생성과 AP 검출을 늘렸을 가능성이 있다고 해석했습니다.

채취 위치는 AP가 들어 있는 입자의 크기와도 연결됐습니다. 해안에서 약 1 m 떨어진 지점에서는 2.5~10 μm의 큰 입자에서 AP-B 비중이 높았지만, 해안에서 약 30 m 떨어지고 수면보다 약 4 m 높은 지점에서는 0.25~0.44 μm의 작은 입자에서 AP-B가 검출됐습니다. 연구진은 물보라가 처음 만들어질 때는 물을 많이 머금어 크지만, 이동하는 동안 물이 증발해 입자가 작아지는 과정으로 이 차이를 설명했습니다.

세포 파괴 뒤 크게 늘어난 에어로졸 AP 농도

2022년 현장 시료에서는 물속 세포 밖 AP가 많은 지점과 대기 중 AP가 많은 지점이 함께 나타났습니다. 방수로에서는 세포 밖 AP가 5 μg/L, 전체의 8 ± 1%로 가장 높았고 대기 중 AP도 약 4.5 pg/m³로 그해 최고였습니다. 반대로 주거지 데크 주변 물에서는 세포 밖 AP 비율이 0.88 ± 0.05%였으며, 호수 반대 방향의 약한 바람과 함께 대기 중 AP도 거의 검출되지 않았습니다. 이는 현장 관측의 동반 변화이며, 그 자체로 인과관계를 확정한 결과는 아닙니다.

실험실 비교에서는 세포 밖 AP의 역할이 더 분명했습니다. 원수로 만든 PM2.5의 총 AP 농도는 500 ± 200 pg/m³였지만, 세 번 동결·해동해 세포를 파괴한 물에서는 12,000 ± 2,000 pg/m³로 측정됐습니다. 액체 포집기에서도 원수 200 pg/m³에서 세포 파괴수 13,000 ± 3,000 pg/m³로 증가했습니다. 연구진은 이를 세포 안에 있던 AP가 물로 풀려나면서 물보라 입자에 실릴 수 있는 양이 늘어난 결과로 해석했습니다.

대기 중 첫 검출의 의미와 남은 건강영향 공백

이 연구는 호수의 유해 남세균 대발생에서 생성된 AP가 주변 대기 입자에 포함될 수 있음을 현장에서 처음 보여줬습니다. 저자들은 물속 총 AP 농도뿐 아니라 세포 밖 AP 비율, 바람, 기포 형성 과정, 해안과의 거리까지 함께 조사해야 대기 중 농도를 이해할 수 있다고 설명했습니다. 특히 대발생 말기에 세포가 무너지거나 바이러스 활동·정화 처리 등으로 세포 용해가 늘어나는 시기의 AP 에어로졸을 추가로 평가할 필요성을 제시했습니다.