카네기 대학교의 안나 미할락(Anna Michalak), 줄리안 마더(Julian Merder) 및 자오 강(Gang Zhao)이 주도한 새로운 연구에 따르면, 기후변화로 지구의 온도가 높아져 고위도 지역은 녹조로 인해 생성되는 독소의 위험이 더 커질 것이다. 『네이처 워터(Nature Water)』에 발표된 연구 결과에 따르면, 마이크로시스틴이라는 일반적인 조류 독소가 20~25도의 수온에서 위험한 수준으로 번성할 위험성이 가장 높은 것으로 나타났다.

유해한 녹조는 농업과 기타 인간 활동에서 비롯된 질소(N)와 인(P)으로 인해 수역에 과부하가 걸릴 때 발생한다. 이러한 부영양화 현상은 남조류의 개체수를 통제할 수 없는 속도로 증가시킬 수 있다.

일부 남조류 종은 마이크로시스틴이라는 독소를 생성하는데, 이는 인간과 환경에 심각한 건강상의 위험을 초래할 수 있을 뿐만 아니라 어업과 관광업에 경제적 피해를 초래할 수 있다. 마이크로시스틴은 간 기능에 영향을 미치며 드물게 사람을 포함한 야생 동물 및 가축에게 치명적일 수도 있다. 또한 만성적으로 노출될 경우 잠재적인 발암물질로 분류된다.

마더는 “2014년 이리호에 녹조가 번성해 취수구에 마이크로시스틴 수치가 높아졌으며, 오하이오와 온타리오 주민들은 노출 위험이 있어 수돗물을 마시지 말라는 지시를 받았다”라고 말했다.

마더, 미할락을 비롯해 캔자스 대학교의 테드 해리스(Ted Harris), 그리니치 대학교의 디미트리오스 스타시노풀로스(Dimitrios Stasinopoulos) 및 로버트 릭비(Robert Rigby)는 2007년부터 2017년 사이에 미국 호수에서 채취한 2천804개의 샘플을 분석했다. 연구은 기후변화가 야기하는 수질에 대한 위험을 더 잘 이해하기 위한 노력의 일환으로 수온이 마이크로시스틴의 발생과 농도에 미치는 영향에 대해 평가했다.

미할락 연구실은 10년 이상 동안 기후변화와 수질 저하의 교차점을 이해하는 데 주도적인 역할을 맡아 왔다. 이전 연구에 따르면 전 세계 호수에서는 이미 더 심각한 녹조현상이 발생하고 있으며, 강우 패턴의 변화로 영양 오염이 악화되고 있는 것으로 나타났다.

미할락은 “호수는 기후변화의 감시자다”라며 “호수는 지표수의 대부분(87%)을 차지하고 있으며, 기후변화와 관련된 온난화 및 강수량 변화는 전 세계 수질과 수중 생태계 건강에 가장 큰 위협을 가하고 있다”라고 말했다.

호수의 표면 온도는 이미 10년마다 0.34도씩 오르고 있으며, 마더와 미할락은 이러한 현상과 향후 온난화가 독소 농도 증가 위험 측면에서 어떤 영향을 미칠지 연구하기 시작했다.

마더는 “남조류가 다른 종과 경쟁을 벌이기 때문에 기후변화로 인해 그 양이 증가할 것으로 예상된다”라며 "그러나 이전 현장 연구에서는 이것이 마이크로시스틴 농도에 대해 무엇을 의미하는지에 대한 다양한 결론에 도달했다"라고 설명했다.

토지 및 물관리 전략을 알리기 위해서는 독소 수준과 수온을 정량적으로 연결하는 것이 중요했으며, 마더와 미할락은 호수 물샘플에 대한 광범위한 분석을 통해 수온이 20~25도일 때 마이크로시스틴 농도 상승이 가장 높다는 것을 밝혀냈다. 연구팀은 또한 영양분 농도가 높을 때 온도의 영향이 증폭된다는 것을 발견했다.

기후 모델의 정보를 통합함으로써, 연구팀은 높은 독소 농도에 가장 취약한 지역이 계속해서 북쪽으로 이동할 것임을 입증할 수 있었다. 일부 지역에서는 수질 지침을 초과하는 상대적 위험이 향후 수십 년 동안 최대 50%까지 증가할 것이다. 또한, 연구팀은 수온이 가장 높은 위험과 관련된 지역을 초과하기 시작함에 따라 더 남쪽으로 떨어진 소수의 지역에서 독소 위험이 감소할 것이라는 것을 보여주었다.

미할락은 “이러한 발견은 미국의 많은 지역에서 식수, 어업, 여가 및 기타 사회적 필요를 위한 안전한 물에 대한 심각한 위험과 그에 대비할 관리 전략 개발의 시급성을 입증하는 데 도움이 될 것”이라며 “글로벌 변화의 맥락에서 물의 지속가능성을 생각할 때 물의 양에 초점을 맞추는 만큼 수질에도 초점을 맞춰야 한다”라고 결론지었다. 

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Climate is increasing risk of high toxin concentrations in Northern U.S. lakes

When we think about water sustainability in the context of global change, we need to focus on the quality of the water as much as we focus on the amount of water.

As climate change warms the Earth, higher-latitude regions will be at greater risk for toxins produced by algal blooms, according to new research led by Carnegie’s Anna Michalak, Julian Merder, and Gang Zhao. Their findings, published in Nature Water, identify water temperatures of 20 to 25 degrees Celsius (68 to 77 degrees Fahrenheit) as being at the greatest risk for developing dangerous levels of a common algae-produced toxin called microcystin.  

Harmful algal blooms result when bodies of water get overloaded with nitrogen and phosphorus runoff from agriculture and other human activities. These excess nutrients can allow blue-green algae populations to grow at an out-of-control rate.

Some blue-green algal species produce a toxin called microcystin, which can pose a serious health hazard to people and the environment, as well as pose economic risks for fishing and tourism. Microcystin affects liver function and can cause death in wild and domestic animals, including humans in rare instances. It is also classified as a potential carcinogen in cases of chronic exposure.

“In 2014 an algal bloom in Lake Erie led to high levels of microcystin in water intakes, and residents in Ohio and Ontario were instructed not to drink tap water due to risk of exposure,” Merder cautioned.

Merder, Michalak, and their colleagues—University of Kansas’s Ted Harris, and Dimitrios Stasinopoulos and Robert Rigby of the University of Greenwich—analyzed samples taken from 2,804 U.S. lakes between 2007 and 2017. They assessed how water temperature affects the occurrence and concentration of microcystin as part of an effort to better understand the risks to water quality posed by climate change.

Michalak’s lab has taken a leading role in understanding the intersection of climate change and water quality impairments for more than a decade. Previous work has shown that lakes worldwide are already experiencing more severe algal blooms and that nutrient pollution is being exacerbated by changes in rainfall patterns.

“Lakes are sentinels of climate change,” Michalak said. “They hold the vast majority, 87 percent, of the liquid freshwater on the Earth’s surface, and the warming and precipitation shifts associated with climate change pose some of the greatest threats to water quality around the world and to the health of aquatic ecosystems.”

The surface temperatures of lakes have already been warming at 0.34 degrees Celsius (0.61 degrees Fahrenheit) per decade and Merder and Michalak set out to determine what this, as well as future warming, would mean in terms of risk for elevated toxin concentrations.

“The abundance of blue-green algae is predicted to increase due to climate change as they outcompete other species,” Merder explained. “But previous field studies came to various conclusions about what this means for microcystin concentrations.”

To inform land and water management strategies, it was important to quantitatively tie toxin levels to water temperature, which Merder and Michalak were able to accomplish through their extensive analysis of lake water samples, revealing that water temperatures in the 20 to 25 degrees Celsius (68 to 77 degrees Fahrenheit) range were most dangerous in terms of elevated microcystin concentrations. They also found that the impact of temperature is amplified when nutrient concentrations are high.

By incorporating information from climate models, they were able to demonstrate that areas most susceptible to high toxin concentrations will continue to move northward. In some areas, the relative risk of exceeding water quality guidelines will increase by up to 50 percent in the coming decades. Additionally, they showed that toxin hazards will decrease in a small number of regions further south, as water temperatures begin to exceed those associated with the highest risk.

“These findings should help demonstrate the serious risk to safe water for drinking, fishing, recreation, and other societal needs in many parts of the United States and the urgency for developing management strategies to prepare,” Michalak concluded. “When we think about water sustainability in the context of global change, we need to focus on the quality of the water as much as we focus on the amount of water.”

[출처 = Carnegiescience(https://carnegiescience.edu/climate-increasing-risk-high-toxin-concentrations-northern-us-lakes) / 2023년 10월 12일]

[번역 = 배민지 차장]