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환경 스트레스 요인은 단독으로도 생태계에 큰 영향을 미치지만, 여러 요인이 동시에 작용할 때 복합적인 영향이 더욱 심각하게 나타날 수 있다.
생명과학과 이재성 교수 · 김덕현, 이요섭 연구원
생명과학과 이재성 교수 연구팀 (이요섭 [공동 제1저자; 석박통합과정], 김덕현 [공동 제1저자; 박사])은 해양 탈산소화 (ocean deoxygenation)와 나노플라스틱 (nanoplastics) 동시 노출이 동물성 플랑크톤 물벼룩 (Daphnia magna)의 산화스트레스 (oxidative stress)와 항산화 효소 (antioxidant enzyme)량을 증가시키는 데 있어서 시너지 효과를 나타낸다는 사실을 규명하였다.
연구팀은 물벼룩을 모델 생물로 활용하여 저산소증 (hypoxia)과 나노플라스틱 노출 시 생리적 반응과 산화 스트레스의 메커니즘을 분석하였다. 실험을 통해 저산소증과 나노플라스틱이 단독으로 작용할 때보다 동시 노출 시 활성 산소종 (reactive oxygen species)과 항산화 효소 활성도가 더 크게 증가했음을 보여줌으로써 훨씬 높은 수준의 산화 스트레스가 나타났음을 규명하였다. 또한 이러한 스트레스가 물벼룩의 생식과 성장에 심각한 영향을 미치며, 단일 요인에 노출되었을 때보다 더 높은 생식 능력 저하와 성장 장애를 유발하였음을 관찰하였다.
분자 수준 분석 결과, 동시 노출 조건에서 HIF-1α (Hypoxia-Inducible Factor 1-α), NF-κB (Nuclear Factor Kappa B), 및 MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinase) 경로가 복합적으로 활성화되었으며, 이는 저산소증 및 나노플라스틱의 동시 노출이 복잡한 분자적 관계를 통해 생리적 영향을 증폭시키는 과정을 보여준다는 점을 확인하였다. 이러한 분자 경로를 통해 물벼룩의 생리학적 기능 손상 및 산화 스트레스 조절 메커니즘을 포함하여 전반적인 생체 기능이 더욱 악화되었다는 결론을 도출하였다.
환경 스트레스 요인은 단독으로도 생태계에 큰 영향을 미치지만, 여러 요인이 동시에 작용할 때 복합적인 영향이 더욱 심각하게 나타날 수 있다. 본 연구는 산소가 부족한 환경 (예, hypoxia)에서 나노플라스틱 오염으로 인해 산화스트레스 등 수중 생태계에 미치는 부정적인 영향이 증폭될 수 있음을 시사한다. 이재성 교수는 “민물 생태계에서 핵심 역할을 하는 물벼룩의 생식 능력과 성장 저하가 이어지는 문제는 생태계 안정성에 심각한 위협이 된다”며 “저산소증과 나노플라스틱 노출이라는 환경 요인의 동시 작용이 생물학적 시스템에 어떻게 중대한 영향을 미치는지에 대한 통찰을 제공하며, 이러한 복합적 요인을 종합적으로 고려하여야 한다”고 강조했다.
본 연구는 이재성 교수의 한국연구재단 중견연구과제와 김덕현 박사의 기초연구과제로부터 지원받아 수행되었으며, 연구 결과는 환경과학 분야의 학술지 Marine Pollution Bulletin (담수 및 해양생물학 분야 JCR 상위 4.20%, 5/119)에 4월 3일(수)에 온라인 게재되었다.
* 논문명: Combined exposure to hypoxia and nanoplastics leads to negative synergistic oxidative stress-mediated effects in the water flea Daphnia magna
* DOI: https://doi.org/10.1016/j.marpolbul.2024.116306
[그림 1] 물벼룩 Daphnia magna와 동시 노출에 의한 분자적인 영향에 대한 모식도
[그림 2] 동시 노출에 따른 in vivo 결과 및 산화스트레스의 형광 발현도
[그림 3] 동시 노출에 따른 시그널링 및 유전자 네트워크 변화 및 모식도