Environmental Chemistry Lab., Department of Applied Chemistry, Faculty of Science and Technology, Keio University
게이오기주쿠대학 이공학부
응용화학과환경화학 연구실
Led by Tomoaki OKUDA, Ph.D.

CYCLEX프로젝트

미세먼지의 유해성을 평가하기 위해서는 미세먼지 그 자체를 이용한 세포 및 동물 노출 실험을 실시하는 것이 중요합니다. 미세먼지는 일반적으로는 필터를 이용해 채취되는데, 그 방법으로는 폭로실험에 필요한 양의 입자를 필터에서 꺼내는 것이 어렵습니다. 또한 필터법에서는, 샘플링 중에 포집된 입자와 가스상 성분의 반응에 의해 입자의 변질이 일어나거나 얻은 입자를 세포폭로 실험 등에 이용할 때에 필터의 소재가 섞여 들어가는 등 올바른 평가 실험을 실시할 수 없게 될 가능성이 있습니다. 그래서 저희 연구실에서는 필터를 이용하지 않고 미세먼지를 채취하기 위해 임팩터와 사이클론을 조합한 대유량 입자 샘플러를 개발했습니다. 그리고 이 샘플러를 본교 옥상과 사이타마현 환경과학국제센터, 후쿠오카대학에 설치하고 국내 3지점에서 계절마다 미세 물질을 채취했습니다. 얻은 분체에 대해서, 저희 연구실을 중심으로 화학 성분을 분석하는 것과 동시에, 교토대학에서 세포 및 동물 폭로 실험을 실시했습니다. 그 결과, 입자의 유해성은 그 화학적 특징만으로는 설명할 수 없으며, 생물 유래 성분도 유의하게 관련된다는 것이 밝혀졌습니다. CYCLEX(Cyclone collection of PM2.5 followed by Exposure Experiments) 로 이름 붙여진 이 프로젝트는 2016년부터 2019년 3년간 실시되었지만 앞으로는 미세 물질 중의 유전자 해석과 보다 상세한 생체 반응을 해석하는 등 내용을 더욱 발전시킨 프로젝트를 진행해갑니다.

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2016년 6월부터 시작한 환경성 환경 연구 종합 추진비에 의한 CYCLEX프로젝트의 로고 마크입니다.

초대 타입입니다. 논문#47은 이 타입의 성능 평가 실험의 결과입니다.

CYCLEX 프로젝트에 이용하는 최신형 장치입니다. 스타일도 세련되어 졌습니다.

SMPS, APS, OPC 등 여러 계측기를 이용하여 성능평가를 실시합니다.

미세먼지의 산화능 측정에 의한 유해성 평가

대기 중 미세먼지의 생체영향에 관한 화학적 파라미터로서 산화능(OP: Oxidative Potential)을 들 수 있으며, 필터로 포집된 미세먼지에 대해서는 수많은 연구가 이루어지고 있습니다. 본 연구는 미세먼지의 화학적 특징과 노출평가를 동시에 해석하기 위해 사이클론에 의해 채취된 분체에 대해 산화능의 측정을 진행하고 있습니다. 방법으로는 미세먼지의 산화능을 측정할 때 일반적으로 사용되는 DTT(Dithiothreitol) Assay와 인체에 풍부하게 존재하는 생리학적 산화방지제인 아스코르빈산을 사용하는 AA(Ascorbic Acid) Assay를 사용하고 있습니다.

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미소립자와 조대입자의 대유량 동시 채취 장치의 외관입니다. 왼쪽에 사이클론과 임팩터가 있고, 오른쪽에 펌프와 유량계가 있습니다.

본 장치에서 얻은 분체시료입니다. 이것을 이용하여 DTT Assay나 AA Assay가 이루어집니다.

AA assay에서 아스코르브산의 양을 측정할 때 사용하는 흡광광도계입니다.

미세먼지의 생화학적 유해성 평가

미세먼지의 유해성과 관련된 파라미터로서 입자를 구성하는 화학성분 및 생물성분을 생각할 수 있습니다. 입자의 화학성분에 주목한 연구예는 많습니다만, 지금까지 미세먼지 중의 생물유래 성분을 화학성분과 동시에 조사한 예는 거의 없습니다. 지금까지 저희 연구실에서 진행해 온 프로젝트에 의해서 입자의 유해성은 그 화학적 특징만으로는 설명할 수 없으며, 생물 유래 성분도 유의하게 관련됨이 밝혀졌습니다. 생물유래 성분 중, 특히 그램 음성균의 세포벽을 구성하는 다당류인 엔도톡신(또는 LPS : Lipopolysaccharide)은 세포산화스트레스를 유발하고, 염증반응이나 세포장애, 장기장애를 일으키는 것으로 알려져 있습니다. 또, 진균의 세포벽의 구성 성분인 β글루칸도, 입자의 유해성과의 관련이 지적되고 있습니다. 거기서 본 연구에서는 미세먼지 중의 엔도톡신과 β글루칸을 많은 화학성분과 동시에 정량 함으로써 대기 중 미세먼지의 유해성을 생화학적 관점에서 풀어내는 것을 목적으로 하고 있습니다.

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무균실험대를 사용하여 무균 상태의 환경에서 실험을 실시합니다.

측정에 사용되는 LAL (Limulus Amebocyte Lysate) Assay의 키트입니다.

색이 진한 것일수록 엔도톡신의 농도가 높습니다.

마이크로 플레이트 리더를 이용하여 흡광도를 측정합니다.

사이클론 법으로 채취된 미세먼지 중금속의 XAFS에 의한 화학상태 해석

대기 중 미세먼지의 생체영향에 관한 화학적인 파라미터로서 입자 중 금속원소의 화학상태(산화상태)를 들 수 있습니다. 예를 들어 크롬은 가수에 따라 유해성이 크게 다르다는 것이 알려져 있습니다. 미세먼지 중의 금속의 화학 상태는 종래에는 축차분해법 등의 기법이 이용되어 왔지만 조작이 번잡하고 또 용액화하기 때문에 감도의 저하가 불가피하고 파괴분석법인 것이 문제가 되고 있었습니다. 본 연구에서는 싱크로트론을 이용해 고감도이며 비파괴분석인 X선 흡수 미세구조 (XAFS: X-ray Absorption Fine Structure) 분광법을 시행하여 미세먼지 중금속 화학 상태를 해석하고 있습니다.

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채취된 미세먼지와 셀룰로오스 파우더에 의해서 층상의 펠렛을 작성합니다.

실험은 사가현립 큐슈 싱크로트론 광선연구센터의 BL-11에서 진행하고 있습니다. X선이 시료에 반사됨으로써 발생하는 형광X선을 측정하고 있습니다.

실험장치의 사진입니다. 실험은 보통 2일동안 진행합니다.

측정하여 얻어진 스펙트럼은 대기시료를 채취한 장소나 계절에 따라 달랐습니다.

미세먼지 유해성 평가를 위한 이동식 사이클론 장치 개발

본 연구실에서는 K-RiC나 K-ViC와 같은 사이클론을 이용한 대유량 입자 샘플러의 개발 실용화를 실시해 왔습니다. 본 장치는 매우 유용하지만 현재로서는 장치가 대형이기 때문에 이동이 어렵고 다양한 장소에서의 입자 포집에는 적합하지 않습니다. 거기서 본 연구에서는 소형사이클론을 이용한 이동식 미세먼지 샘플러를 개발하고 기동력을 살려 다양한 장소에서 미세먼지를 포집하여 유해성 평가를 실시하는 것을 목표로 하고 있습니다.

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K-RiC와 K-ViC에 이용되고 있는 PM2.5포집용 사이클론과 이동식 미세먼지 샘플러에 탑재할 소형 사이클론의 사진입니다.

이동식 사이클론 장치의 구상도 입니다.