[이스라엘] 폐수 재활용의 위험 평가
새로운 연구는 폐수 유출수로 관개된 근채류가 비록 수많은 약물이 감지될 수 있는 수준으로 축적되지 않는다고 하더라고, 일부 의약품에 대하여 안전한 노출 수준을 초과할 수 있는 농도로 구축될 수 있다는 사실을 확인했다.
담수 자원의 부족에 직면했기 때문에, 상당수의 농부가 식용 작물의 관개를 위하여 폐수(wastewater)를 사용하고 있다. 그러나 이러한 폐수는 사람들이 배출한 미량의 의약 물질(pharmaceutical compounds)을 함유할 수 있다. 따라서 의약물질로 처리된 폐수의 오염과 농업 환경에서 이러한 의약 물질의 운명은 증가하는 우려의 대상이 되고 있다.
과학자들은 얼마나 많은 약물이 식물과 식탁 위로 올라가는지를 규명하기를 바라고 있다. 처리된 하수 유출수(treated sewage effluent)로 관개된 근채류(root vegetables)에 대한 새로운 연구는 비록 많은 약물이 감지할 수 있는 수준에서 축적되지는 않지만, 두 가지 약물은 안전한 노출 수준을 초과할 수 있는 농도로 구축될 수 있다는 사실을 발견했다.
이스라엘 농가의 약 50%는 처리된 폐수를 이용한 관개에 의존하고 있으며, 이러한 관행은 아프리카, 아시아, 멕시코 및 캘리포니아 주와 애리조나 주를 포함한 미국 일부 등의 토지에서도 이루어지고 있다고 이스라엘 히브리 대학(Hebrew University) 소속의 토양 과학자인 Tomer Malchi는 밝혔다. 그러나 소수의 이전 연구들은 농가에서 식물이 의약품을 흡수하는 정도를 측정했지만, 이러한 연구들은 사람에 대한 건강 위험을 추정하지 못했으며, 약품 대사물질도 조명하지 못했다고 Malchi는 밝혔다.
Malchi와 Benny Chefetz를 포함한 그의 동료 연구진은 관개용수(irrigation water)와 작물의 식용 부분에서 한 가지 약물에 대한 두 개의 대사물질과 14개의 일반적인 약품을 추적하기로 결정했다. 연구진은 지역 농가에서 이용하고 있는 관개용수와 동일한 물로 관개된 0.5-m3의 야외 작은 토지에서 고구마와 당근을 재배했다. 연구진은 이스라엘 Kiryat Gat 도심으로부터 처리된 폐수를 관개용수로 이용했다. 연구진은 액체 크로마토그래피/질량 분석기(liquid chromatography/mass spectrometry)를 이용하여 관개용수, 토양 및 식물 조직 등에서 화학물질의 농도를 측정했다.
두 가지 야채에서, 연구진은 카페인과 간질 약물인 라모트리진(lamotrigine)과 카르바마제핀(carbamazepine, 삼차 신경통·간질 치료용의 항경련제) 등을 제외하고 어떠한 약물도 검출하지 못했다. 이러한 비이온성 유기 분자(nonionic organic molecule)는 세포막 전역으로 용이하게 이동했다. 따라서 식물 뿌리에 의해 더 많이 흡수되는 것으로 보인다. 또 연구진은 카르바마제핀의 대사물질인 10,11-에폭시카르바마제핀(10,11-epoxycarbamazepine)을 발견했다. 화합물의 농도는 야채 생중량(fresh weight) 그램당 0.013~4.130ng의 범위를 포함하는 것으로 조사됐다.
Malchi와 그의 동료 연구진은 이후 유럽 식품 안전청(European Food Safety Authority)이 확실한 독성 자료가 결여되어 있는 화학물질의 식품에서 안전한 수준을 수립하는 사용하는 방법인 화합물에 대한 TTC(threshold of toxicological concern)의 한계치를 결정했다. 이 방법은 인간 건강에 대한 가능한 위험을 용인될 수 있는 일일 소비 수치(daily consumption value)를 수립하는 가능한 독성의 4개 수준 중 하나로 화학물질을 배정했다.
야채에서 검출된 농도를 근간으로, 성인은 카페인 또는 카르바마제핀에 대한 TTC 수준에 이르기 위하여 연구로부터 일일 수백 킬로그램의 고구마 또는 당근을 소비해야만 한다고 Malchi는 밝혔다. 10,11-에폭시카르바마제핀에 대하여 어린이는 TTC 수준을 초과하기 위하여 아시아와 아프리카에서 인기 있는 식품인 고구마 잎의 90 g/day를 섭취할 필요가 있다. 그러나 동일한 어린이는 하루에 절반의 당근만을 섭취함으로써 라모트리진의 TTC 수준을 초과할 수 있다.
Malchi는 자료가 독성의 추출 수준을 결정하기 위하여 이러한 검출된 약물의 독성학 연구가 필요하다는 것을 제안하고 있으며, 따라서 관개를 위하여 처리된 폐수에서 허용 수준(acceptable level)이 수립될 수 있다고 밝혔다.
이 연구는 TTC가 식용 작물에서 의약품으로부터 건강 위험을 평가하는데 사용됐다는 것을 처음으로 보여 주었다고 콜로라도 주립대학(Colorado State University) 소속의 분석 화학자인 Chad A. Kinney는 밝혔다. 그는 이 방안이 추가적인 연구를 위하여 스크리닝 물질에 대한 우수한 접근이라고 생각했다. 또 동 연구는 농업에서 처리된 폐수를 이용하는 위험을 결정하기 위하여 모 화합물(parent compounds)만이 아닌 대사물질(metabolite)에 대한 조명이 필요하다고 제안하고 있다고 Kinney는 밝혔다.
그림1> 실험 지역. 이스라엘 연구진은 채소가 물로부터 유래한 의약품을 축적할 수 있는지를 결정하기 위하여 처리된 폐수를 관개용수로 이용하여 감자를 재배했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 8월 7일]
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Root Vegetables Irrigated With Treated Wastewater Can Take Up Certain Drugs
Faced with dwindling sources of freshwater across the globe, growing numbers of farmers are using wastewater to irrigate food crops. This wastewater, however, can contain trace amounts of pharmaceutical compounds excreted by people, so scientists want to know how much of the drugs make it into plants and onto dinner plates. A new study of root vegetables irrigated with treated sewage effluent finds that, although many drugs don’t accumulate at detectable levels, a couple can build up to concentrations that may exceed safe exposure levels (Environ. Sci. Technol. 2014, DOI: 10.1021/es5017894).
About half of Israel’s agriculture relies on irrigation with treated wastewater, and the practice is gaining ground in Africa, Asia, Mexico, and in parts of the U.S., including California and Arizona, says Tomer Malchi, a soil scientist at Hebrew University of Jerusalem. But only a few previous studies have gauged plant uptake of pharmaceuticals in a farm setting, he says, and these did not estimate the health risks to people nor look at drug metabolites.
Malchi and his colleagues, including Benny Chefetz, decided to track 14 common pharmaceuticals and two metabolites of one drug in irrigation water and then in the edible parts of crops. The scientists grew sweet potatoes and carrots outdoors in 0.5-m3 plots irrigated with the same water used by local farmers: treated wastewater from the city of Kiryat Gat, Israel. They measured concentrations of the compounds in the irrigation water, soil, and plant tissue using liquid chromatography/mass spectrometry. In the two vegetables, the scientists did not detect any drugs except for caffeine and the epilepsy drugs lamotrigine and carbamazepine. These nonionic organic molecules cross cell membranes easily and thus are more likely to be taken up by plant roots. They also found 10,11-epoxycarbamazepine, a metabolite of carbamazepine. Concentrations of the compounds ranged from 0.013 to 4.130 ng per g of the vegetables’ fresh weight.
Malchi and his colleagues then determined the threshold of toxicological concern (TTC) for the compounds, a method that the European Food Safety Authority uses to establish safe levels in food of chemicals that lack firm toxicological data. The method assigns compounds to one of four levels of potential toxicity, each of which establishes an acceptable daily consumption value, above which there would be a possible risk to human health.
On the basis of the concentrations detected in the vegetables, “an adult would have to consume hundreds of kilograms of sweet potatoes or carrots from our study daily to reach the TTC level for caffeine or carbamazepine,” Malchi says. For 10,11-epoxycarbamazepine, a child would need to eat 90 g/day of sweet potato leaves, a popular food in Asia and Africa, to exceed the TTC level. But that same child could surpass the TTC level for lamotrigine by eating just half a carrot in a day.
Malchi says the data suggest the need for toxicological studies of these detected pharmaceuticals “to determine their exact level of toxicity, so that acceptable levels in treated wastewater for irrigation can be established.”
The study is likely the first time that the TTC has been used to assess health risks from pharmaceuticals in food crops, says Chad A. Kinney, an analytical chemist at Colorado State University, Pueblo. He thinks it’s a good approach for screening substances for further study. The study also suggests the need to look at metabolites—not just parent compounds—when determining the risks of using treated wastewater in agriculture, Kinney says.
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