미국 오리건 주립 대학교(Oregon State University, OSU)의 연구팀은 조류 대번식을 냄새로 감지하는 새로운 모니터링 방법을 개발했다고 밝혔다. 

연구팀은 조류가 방출하는 특정 휘발성 유기화합물(VOCs)이 시아노박테리아가 번성하는 동안 다양한 수준에서 생성되는 독성 물질인 마이크로시스틴의 지표가 될 수 있다는 것을 발견했다. 이 연구는 미생물 국제학술지인 『엠시스템즈(mSystems)』에 게재됐다.

본 연구를 이끈 킴벌리 할시(Kimberly Halsey) OSU의 미생물학과 부교수는 시아노박테리아 종은 서로 다른 독성 물질을 생성하며, 이 독성 물질은 치명적일 수 있고, 일반적으로 위장병과 급성 피부발진을 유발한다고 설명했다. 일례로, 2017년 오리건주 레이크뷰 근처 주니퍼스 저수지에서 오염된 물을 마신 약 30마리의 가축이 폐사되기도 했다.

할시 교수는 "비록 이번 연구가 1개 호수와 1개 독성 물질을 다루었음에도 불구하고, 중요한 수로를 모니터링하는 데 있어 VOCs의 이용 가능성을 보여줬다"라며 "현재 모니터링 방법보다 더 개선되고 저렴하며 매우 창의적인 새로운 접근 방식으로 더 광범위한 의미를 갖고 있다"라고 설명했다.

이어 할시 교수는 "이 연구는 VOCs가 수생 시스템의 산소 결핍 또는 해안 생태계의 도모산 오염과 같은 다른 중요한 환경 변화를 감지하는 데 사용될 수 있음을 시사한다"라고 덧붙여 설명했다.

살렘(Salem)시와 유진 워터(Eugene Water) 및 일렉트릭 위원회(Electric Board)와의 협력을 통한 향후 후속 연구에서는 기체 분자를 사용해 조류 번성 기간 중 독성 물질이 발생하는 시기에 대해 예측할 수 있는 지를 조사할 계획이다.

VOCs는 기체 상태로 존재하는 경향이 높은 탄소 함유 화학물질 중 하나이다. 연구에 따르면 시아노박테리아가 방출한 VOCs는 조류가 번성하는 동안 조류의 생리적 상태를 드러내는 것으로 보인다.

할시 교수는 “VOCs가 모니터링의 훌륭한 대상이 될 수 있는 한 가지 이유는 휘발성 때문이다”라며 "우리는 언젠가 시아노박테리아가 번성하는 동안 어떤 기체가 호수에 생성되는 지 기기를 통해 감지할 수 있을 것"이라고 말했다.

시아노박테리아는 전 세계 모든 유형의 물에 편재하는 미생물이다. 이 시아노박테리아는 햇빛을 사용해 스스로 영양분을 만들고 따뜻하고 영양이 풍부한 환경에서 빠르게 번식할 수 있으며 결과적으로 물 표면에 조류를 피우고 퍼뜨린다.

종종 HABs 축약되는 이러한 유해 조류 대번성은 일년 중 언제든지 발생할 수 있지만 일반적으로 봄과 가을 사이에 가장 빈번하게 발생한다.

2018년 HAB는 오리건주의 살렘시의 식수원을 오염시켰고, 2007년 미국 환경보호청의 전국 조사에서는 샘플을 채취한 호수 3곳 중 1곳에서 간 독성 물질이자 잠재적인 간 발암 물질로 알려진 마이크로시스틴이 발견됐다.

연구진은 미국에서만 시아노박테리아 HAB로 인한 연간 경제적 손실이 보수적으로 20~40억 달러에 달하며, 조류 번성의 심각성과 결과는 기후변화로 인해 악화될 가능성이 있다고 덧붙였다.

할시 교수는 "이는 우리가 시아노박테리아와 이로 인한 독성 물질에 대한 새롭고 혁신적인 모니터링이 필요하다는 것을 의미한다"라며 "특히, 수로를 여름 내내 매주 샘플링하고 테스트할 때 독성 물질을 직접 측정하는 것은 매우 비용이 많이 든다"라고 말했다.

할시 교수, 린제이 칼라트(indsay Collart) 미생물학과 대학원생 및 듀오 장(uo Jiang) 통계학 부교수는 오리건 남부의 어퍼 클라마스 호수(pper Klamath Lake) 및 인근 8개 장소에서 2년간 물샘플을 채취해 연구를 수행했다.

할시 교수는 호수는 농업과 레크리에이션, 부족 생활과 문화, 어류와 야생 동물에게 중요하지만 지난 50년간 집중 농업과 가뭄으로 인해 수질이 저하됐다고 지적했다.

어퍼 클라마스 호수는 매년 시아노박테리아 HAB의 영향을 받는 많은 오리건 호수 중 하나이지만 모든 조류 번성은 독성 수준의 마이크로시스틴을 만들어내는 것은 아니며 독성 물질 생성의 시작 시기와 수준은 대체로 예측할 수 없다.

할시 교수는 "조류 세포는 항상 소량의 마이크로시스틴을 생산하며, 이는 세포 내에서 이로운 역할을 한다. 즉, 스트레스와 싸우는 데 도움이 된다”라며 "그러나 세포는 마이크로시스틴에 과도하게 의존하는 전환점에 도달할 수 있으며, 이때 독성 물질이 생성된다"라고 말했다.

연구에 따르면 물샘플에 용해된 가스(총 227개 VOCs)를 분석해 연구자들은 물 속의 다양한 수준의 마이크로시스틴과 관련된 VOCs의 하위 군집을 확인할 수 있었다. VOCs의 하위 군집의 통계적 분석이 물 색 평가 및 세포 수 산정과 같은 현재 사용되는 기술보다 독성 물질 수준을 더 잘 예측한다.

할시 교수는 "이제 우리는 이러한 특정 화합물 하위 군집이 독성을 예측한다는 것을 알았으므로 이를 측정하기만 하면 될 것"이라고 말했다.

이 연구는 오리건 주립 대학교의 과학 대학 및 농업 연구 재단에서 지원 받았다.

[원문보기]

Oregon State researchers develop novel technique for sniffing out toxic algae blooms

Researchers at Oregon State University have developed a new way to monitor the danger associated with algae blooms: “sniffing” the water for gases associated with toxins.

The scientists found that certain combinations of volatile organic compounds released by algae can serve as indicator for microcystin, a toxin produced at varying levels during blooms of cyanobacteria, commonly known as blue-green algae.

Different cyanobacterial species produce different toxins, said OSU’s Kimberly Halsey, who led the study. Most of them cause gastrointestinal illness and acute skin rashes, and they can be deadly. In 2017, more than 30 cattle died after drinking contaminated water at Junipers Reservoir near Lakeview, Oregon, and blooms particularly pose a threat to dogs entering affected lakes.

Even though the research dealt with just one lake and one toxin, the research demonstrates VOCs’ potential in monitoring critical waterways, said Halsey, associate professor of microbiology in the College of Science.

She said the study published today in mSystems describes “a very creative new approach that’s better and less expensive than current monitoring methods and also has broader implications.”

“This work suggests that VOCs might be used to indicate other important environmental shifts, like the onset of oxygen deficiencies in aquatic systems or domoic acid contamination in coastal ecosystems,” Halsey said.

Further research, including collaborations with the city of Salem and Eugene Water and Electric Board, will explore whether the gaseous molecules can be used to predict the start and end of toxicity within a bloom event.

VOCs are any of a number of carbon-containing chemicals with a high tendency to exist in their gaseous state. VOCs released by cyanobacteria seem to reveal the physiological status of the algae during toxic blooms, Halsey said.

“One reason VOCs could be such great targets for monitoring is their volatility,” she said. “Ideally we’ll someday be able to sniff the air above the lake with instruments and see which gases are there during cyanobacterial blooms.”

Cyanobacteria are microscopic organisms ubiquitous in all types of water around the globe. They use sunlight to make their own food and in warm, nutrient-rich environments can quickly multiply, resulting in blooms that spread across the water’s surface.

These harmful algal blooms, often abbreviated to HABs, can form at any time of the year but most typically happen between spring and fall.

An HAB in 2018 fouled drinking water in Oregon’s capital city of Salem, and in 2007 a national survey by the U.S. Environmental Protection Agency found microcystin, a recognized liver toxin and potential liver carcinogen, in one out of every three lakes that were sampled.

Annual economic losses attributed to cyanobacterial HABs in the United States alone are conservatively valued at $2-4 billion, say the researchers, who add that the severity and consequences of the blooms are likely to be exacerbated by climate change. 

“That means we need new and innovative monitoring for cyanobacteria and their toxins,” Halsey said. “It’s super expensive to measure toxins directly, especially when a waterway needs to be sampled and tested weekly over the course of an entire summer.”

Different cyanobacterial species produce different toxins, Halsey said. Most of them cause gastrointestinal illness and acute skin rashes, and they can be deadly. In 2017, more than 30 cattle died after drinking contaminated water at Junipers Reservoir near Lakeview, Oregon, and blooms particularly pose a threat to dogs entering affected lakes.

Halsey, microbiology graduate student Lindsay Collart and associate professor of statistics Duo Jiang worked with two years of water samples from eight locations on and near Upper Klamath Lake in southern Oregon.

The lake is important for agriculture and recreation, for tribal subsistence and culture, and for fish and wildlife, Halsey notes, but its water quality has declined over the last 50 years from intensive farming and drought.

Upper Klamath Lake is one of many Oregon lakes affected by cyanobacterial HABs each year, but not all of the blooms result in toxic levels of microcystin, and the onset and levels of toxin production have been largely unpredictable.

“The algae cells are always producing a little bit of microcystin, and it serves a good purpose in the cell – it helps combat stress,” Halsey said. “But the cells can reach a tipping point of over-reliance on microcystin and that’s when levels in the water become toxic.”

Analyzing the dissolved gases in the water samples – 227 VOCs in all – the scientists were able to determine subsets of them that were associated with different levels of microcystin in the water. Statistical analysis of the VOC subsets does a better job predicting toxin levels than currently used techniques like assessing water color and measuring cell count, Halsey said.

“Now that we know these particular subsets of compounds are predictors of toxicity, maybe we only need to measure those,” she said.

Even though the study dealt with just one lake and one toxin, the research demonstrates VOCs’ potential in monitoring critical waterways, Halsey said. Further research, including collaborations with the city of Salem and Eugene Water and Electric Board, will explore whether the gaseous molecules can be used to predict the start and end of toxicity within a bloom event.

Halsey said the study also showed that VOCs can be used to paint a general picture of community composition – i.e., the relative abundance of cyanobacteria to other microbes in the system – which she describes as potentially “another piece of the prediction puzzle.”

The Oregon State College of Science and the OSU Agricultural Research Foundation supported this research.

[출처 = 오리건 주립 대학교(Oregon State University)(https://today.oregonstate.edu/news/oregon-state-researchers-develop-novel-technique-sniffing-out-toxic-algae-blooms) / 2023년 8월 17일]

[번역 = 배민지 차장]