탄소성분 나노입자의 변이원성 평가

Abstract

[한글]

급격한 경제발전과 산업화는 대기오염을 야기 시켰고, 부유분진은 이러한 대기 오염의 주된 원인이다. 대기 중 입자상으로 존재하는 분진은 수백 종의 서로 다른 유기 및 무기물질로 구성되어 있고 발암성 물질이 입자상으로 존재한다. 탄소입자가 잠재적 유해요소를 가진 분진의 주성분이 라는 사실은 탄소가 변이원성과 발암성의 영향에 중요한 비중을 차지 한다는 것을 유추할 수 있다. 그리고 탄소를 포함한 모든 분진 속에는 여러 가지의 입자들과 그에 맞는 크기가 존재하는데, 여기서 입자는 입경에 따라 다른 독성을 반응을 나타낸다. 즉 탄소가 입경에 따라 다른 부위에 침착이 일어나고, 미세입자의 여부에 따라 폐포까지 침착된다는 것과, 작은 크기의 입자가 더 높은 흡착성과 세포독성을 일으키며 변이원성이 높게 나타난다는 여러 병리학적 선행 연구를 살펴보면 이를 알 수 있다.

따라서 본 논문은 대기오염원인 분진에 있어서 탄소성분과 나노입자를 기본으로 구성하고 있는 다양한 입자들을 선별하였고 그 크기를 나노 단위로 통일하였다. 또한 유기추출물의 강한 변이원성을 예상하고 전처리를 거치지 않는 입자의 독성 결과와 비교하기 위해 전체성분과 유기성분을 나눠서 변이원성 시험을 실시하였다. 실험물질로는 탄소입자(Carbon Black; CB), 디젤연소분진(Diesel Exhaust Particle; DEP), 탄소나노튜브(Thin-Multiwall Carbon Nano-tube; T-MWCNT)이며, 실험균주로는 살모넬라균속의 TA98, AT100, TA1535, TA1537을 선정 하였다. 실험의 투여용량은 1, 2.5, 5, 10mg/ml이며, 대사체의 활성을 보기 위해 간 대사효소(liver S9 mixture)를 사용하였다.

무기탄소 성분으로 구성된 탄소 입자(CB)와 탄소나노튜브(CNT)는 TA100 균주를 제외하고는 양성 변이원성이 관찰되지 않았으며, TA100도 150 revertant/mg의 미미한 수준이었다. 또한 모든 균주에서 용량-반응 관계가 관찰되지 않았다. 이에 비해 디젤연소분진(DEP)은 +S9mix 조건의 TA1535를 제외한 모든 균주에서 뚜렷한 용량-반응 관계가 관찰되었으며, TA98과 TA100 균주에서 500 revertant/mg 수준의 강한 변이원성을 보였다. 그리고 TA1535와 TA1537 균주는 대사활성체에 의해 다소 증가되었다. 유기추출성분의 변이원성에서는 탄소입자(CB)와 탄소나노튜브(CNT)가 낮은 추출률에 의한 농도 설정과 낮은 변이원성을 나타내어 결과 값에 대해 의미가 없었다. 반면 디젤엔진연소분진(DEP)만이 높은 결과가 관찰되었으며, 총 입자에 의한 변이원성 보다 더 높은 집락수치를 나타내었다. 디젤엔진연소분진(DEP)의 유기추출물에 의한 용량-반응 관계는 TA1535(+S9mix -S9mix)와 -S9mix의 TA1537을 제외한 나머지 균주에서만 관찰되었다.

이상의 연구결과를 통해 유기성분의 디젤엔젠연소분진(DEP)이 무기성분의 탄소입자(CB)나 탄소나노튜브(CNT)보다 높은 발암성을 가지고 있으며, 특히 유기성분의 변이원성도가 더 높음을 확인했다. 중금속, 다환방향족 탄화수소(PAHs) 등 오염물질이 혼합되어 있는 것으로 알려진 디젤엔진연소분진(DEP)에서는 총 입자 및 유기추출물 모두 뚜렷한 용량-반응 관계가 높은 변이원성이 관찰되었다. 본 연구가 앞으로 발암성 물질을 함유하고 있는 탄소성분과 나노입자에 대한 유전독성평가에 활용될 기초자료가 되며, 변이원성 시험에 의한 탄소입자의 인체 위해성을 평가하는데 있어서 기초 자료로 이용되기를 기대한다.

[영문]

Rapid economic development and industralization resulted in air pollution, suspended particulate is a major cause for the air pollution. Particle existing as particulates is composed of hundreds of different organic and inorganic materials, carcinogenic substance is spreaded in particulates, and carbonaceous particulates are a major ingredient of particle. So we must keep an eye on the fact that carbon consumes important weight in mutagenicity and carcinogenesis. And all of particles including carbon have several particulates and their appropriate sizes, and they have different poisonous reaction by size of particulates. That is to say, we can know that carbon is depositioned on other part by size, depositioned even to alveolus owing to minute particles, smaller particulates raise higher adsorptive feature, cell toxicity, and mutagenicity from some preliminary studies.

Accordingly, in this study, it selected various particulates composing carbonaceous ingredients and nano particulates in particle that is a cause of air pollution, nano particulates size was same in this study. Also it conducted Amse test to compare strong mutagenicity of extracted organic ingredients with the result of toxicity of particulates, which didn't have toxicity treatment process, by dividing into total ingredients and organic ingredient. Carbon Black(CB), Diesel Exhaust Particle(DEP), and Thin-Multiwall Carbon Nano-tube(T-MWCNT) were used in experiment, and TA98, AT100, TA1535, and TA1537 in salmonella typhi were selected as organism. Amount of injection in this experiment was 1, 2.5, 5, and 10mg/ml, and liver S9 mixture was used to examine the activation of metabolites. Positive mutagenicity was not observed in CB and CNT which were composed of inorganic carbonaceous ingredients, except TA100 organism, and in case of TA100 also had insignificant measurement by 150 revertant/mg. Also the relation between capacity and reaction was not observed in all organisms. On the contrary, DEP had distinct relation between capacity and reaction in all organisms, except TA1535(+S9mix basis), and had strong mutagenicity in TA98 and TA100 organism by around 500 revertant/mg. And TA1535 and TA1537 organism was a little increased by activation of metabolites. For mutagenicity of organic, CB and CNT presented lower rate of extraction and mutagenicity, so there was no meaning on the result, and DEP only had higher result, specially it indicated much more numerical value of colony than that in Amse test for nano particulates. The relation between capacity and reaction by extracted organic matter of DEP was observed in TA98 and TA100, except TA1535(+S9, -S9mix) and TA1537(-S9mix)

As the result of this study, organic DEP had higher carcinogenesis than inorganic CB or CNT, and in particular organic ingredient had higher degree of mutagenicity. Specifically the total particulates and extracted organic ingredient had higher mutagenicity with apparent relation between capacity and reaction in DEP known as it had combination of pollution materials such as heavy metal, PAHs, and so on. This study is expected to be a fundamental data for applying in genetic toxicity evaluation of carbonaceous ingredients and nano particulates involving carcinogenesis material, and be used as important data in evaluating the risk of carbonaceous particulates by Amse test.